2021 과학리딩모임(줌 온라인) 제6강 노트(2021.03.21) : 신생대 기후변화


신생대 중심의 기후변화를 이야기 하겠다. 강의 들으신 분들은 ‘지구온난화’에 대한 관점을 갖게 될 것이다. 기후학은 ‘과거의 온도 알아내기’이다. 왜 온도가 중요한가? 우리는 포유동물이고, 항온동물이다. 우리 삶에서 가장 중요한 물리적 요소가 무엇이겠는가? 봄이 와서 꽃이 피는 것이 아니고 그 온도가 되었기에 꽃이 핀다. 우주에서 가장 중요한 변수는 온도이다. 계절, 체온 다 온도이다. 과거의 온도를 알면 당시의 지구생태환경을 복원할 수 있다. 어떻게 아는가? 과거의 온도를 안다는 것, 이 속에 기후변화 정보가 들어 있다.  

신생대 6500만년 동안의 바닷물 온도를 도표로 그려본다. 이 도표를 그려보면 최근 기후변화가 자연팩터인지 휴먼팩터인지가 확실해질 것이다.

X축은 시대구분이다. 신생대는 7기로 나뉘는데, 6천5백만년전부터 5천5백년전까지 1,100년간을 팔레오세(Paleocene)라고 한다. 3천4백년전까지 2,100년간을 에오세(Eocene)라고 한다. 2천3백년전까지 1,100년간을 올리고세(Oligocene)라고 한다. 530만년전까지 1,770년간을 마이오세(Miocene)라고 한다. 250만년전까지 280만년간을 플라이오세(Pliocene)라고 한다. 1만년까지 249만년간을 플레이스토세(Pleistocene)라고 한다. 마지막으로 인간이 문명을 이룬 1만년을 홀로세(Holocene)라고 한다.

Y축은 온도이다. 이산화탄소 농도를 ppm으로 표시하고 지구평균기온과 대응된다. 500ppm일 때, 0도시, 1000ppm일 때, 4도시, 1500ppm일 때 8도시, 2000ppm일 때 12도시이다. 과거 기온은 빙하속의 조개껍질(CaCO3)과 빙하수(H2O)를 추출하여 산소 18번 동위원소의 16번 산소에 대한 비율을 잰 것이다. 단위는 퍼밀이며, 0퍼밀은 12도시, 1퍼밀은 8도시, 2퍼밀은 4도시, 3퍼밀은 0도시, 4퍼밀은 -4도시 기온과 대응된다.

운석과 데칸트랩의 현무암분출로 중생대가 끝나고, 65백만년전 신생대 팔레오세가 시작된다. 대서양이 확장되는 시기로, 55백만년전 팔레오세에서 에오세로 넘어가는 시기에 기온이 10도시 급격히 올라가는데, 북대서양과 남대서양의 해저산맥에서 메탄생성고세균에 의해 생성된 메탄(CH4)이 해저 마그마 분출로 전지구적으로 분출된 사건 때문이다. PETM(The Paleocene–Eocene Thermal Maximum)에서 피크를 이루고 기온이 서서히 떨어지며 ECO(Eocene climate optimum)가 일어나 기온이 원상회복이 된다.

에오세에 인도판과 아시아판이 충돌하면서 히말리야 조산운동으로 산맥이 융기하고, 노출된 암석(사장석)의 비에 의한 풍화로 대기중 이산화탄소량이 감소하여 기온이 내려간다.

올리고세에 남극과 호주 사이의 타스만 해협이 열리면서 해류순환이 변화하여 기온이 급격히 떨어진다. 이때 남극이 고립된 섬이 되고 빙하가 형성된다. 다음으로 남극과 남미 사이의 드레이크 해협이 열리면서 올리고세 후반기(26백만년~24백만년전)에 기온이 올라가는데(LOW, Late Oligocene warming) 이때는 남극빙하가 녹아서 질퍽하게 된다.

마이오세에는 티벳과 안데스가 융기하여 온도가 유지되다가 17백만년~15백만년전 기간에 콜로라도 홍수현무암(flood basalt) 사건인 MMCO(mid Miocene climate optimum) 이후, 기온이 점차 떨어져서 남극에 빙하가 얼어붙는다.

플라이오세(530만년~250만년전)에 대빙하시대를 준비하는 변화가 일어나는데, 알래스카 해류가 한랭화가 되어 알래스카와 북미대륙이 로렌터이드 빙하로 덮이기 시작한다. WP-WP(the West Pacific Warm Pool) 사건으로 해류가 막혀서 동아프리카가 사바나화가 되고 이것은 인류의 진화를 촉진한다. 450만년~200만년전에 걸쳐 남미와 파나마가 연결되어 그린랜드 빙하가 형성된다. 

250만년전 플레이스토세가 되면서 남극빙하와 북미 대륙의 로렌타이드 빙하, 북극해까지 빙하로 덮이는 대빙하시대가 시작된다. 로렌타이드 방하는 2만1천년까지 지속되었고, 이후 점차 줄어들어 8천년전에 모두 사라졌다. 플레이스토세 초기 250만년전부터 4만1천년 주기의 빙하 사이클이 100만년전 MPT(Mid-Pleistocene Transition)를 거쳐 대략 평균 10만년 주기로 7번의 밀란코비치 주기로 바뀐다.

1만년전 홀로세는 빙하기에서 간빙기로 전환되는 시점으로 인류문명이 시작되었고, 여전히 대빙하시대에 속한다. 300년전 산업혁명이후 지하에 매장된 이산화탄소 덩어리인 석탄을 과도하게 대기로 보냄으로써 최근 30년간 급격하게 이산화탄소 농도가 400ppm이상으로 치솟게 되고 이 추세가 계속되면 전적으로 인간팩터에 의해 지구는 빙하시대를 벗어나게 된다.

지구평균온도가 6도시 올라가면 적도는 2-3도시 상승, 북위 60도 지역은 10도시 상승한다. 한반도가 위치한 북위 38도는 7-8도시 온도상승이 예상되는데, 그러면 여름에 40도시가 한달 간 지속된다는 것인데, 일사병으로 다 죽을 수 있다. 2020년 4월에는 시베리아가 30도시까지 올라갔다.

13만년~11.5만년전까지의 1만5천년 기간의 플레이스토세 마지막 간빙기를 eem(Eemian) 간빙기라고 한다. 다시 8만년의 빙하기를 거쳐 온도가 내려가고 다시 간빙기로 온도가 오르다가 1.3만년에 YD(Younger dryas) 현상이 일어나서 온도가 갑자기 급격하게 떨어지는 현상이 1500년 지속된 후 11500년전 50년만에 6도시가 급상승하게 된다. 이후는 홀로세 간빙기라고 하는데, 최근까지도 온도가 일정하게 지속되어 인류문명을 가능하게 하였다.

1980년 까지는 빙하기를 걱정하였다. 지난 간빙기가 1만5천년 지속되었으니 다시 빙하기로 들어가는 것이 당연한 생각이다. 그런데 점점 더워져, “어, 어!” 하더니 뒤집어 졌다.

에오세때 온도가 떨어지는 것은 암석학을 알아야 한다. 히말라야 산맥이 올라가면서 1500만년 동안 일어난 사건이다. 산맥에서 드러난 사장석(회장석)이 비를 맞으면서 이산화탄소와 물을 만나서 흙(고령토, Kaolinite)이 되고 중탄산이온과 칼슘이온이 되는 사건이다. 이때 2분자의 이산화탄소가 대기중에서 사라지는데, 중탄산이온과 칼슘이온의 반응으로 탄산칼슘과 1분자의 이산화탄소가 대기로 방출되므로 총 1분자의 이산화탄소가 대기중에 줄어들어 기온을 떨어뜨린다.

사장석은 발에 차이는 돌이다. 달에서는 ‘월장석’이라고 한다. 검게 보이는 부분은 현무암이고 밝게 반사되는 부분이 월장석이다. 달에서도 발에 차이는 돌은 지구와 같다. 사장석(회장석, 월장석)이 분해되면 고령토 Al₂Si₂O₅(OH)₄가 되고 고령토가 분해되면 Al₂O₃(알루미나)+2SiO₂(유리)+2H₂O가 된다.

모든 광물(50여개)은 인수분해하면 7개로 끝난다. SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, Na₂O, MgO, K₂O, CaO 이다. 이것으로 광물학은 끝이다.

왜 기후학을 공부해야 하는가? PETM 때의 지구모습을 보면 유럽은 섬이고, 대부분은 바다에 잠긴다. 그래도 PETM은 1000년 기간에 일어난 일이지만, 현재의 지구온난화는 100년 기간에 일어나는 일이다. PETM에 비해 10배의 충격이 올 수 있다.

킬링(keeling)이 하와이 마우나로아에서 1960년부터 이산화탄소를 측정하기 시작하였고, 지금까지도 측정이 이루어지고 있는데 ‘킬링곡선’이라고 한다. 1960년도 300ppm 수준이었는데 직선으로 상승하여 지금은 이미 400ppm을 넘었다. 명확해졌다. 이제 헷갈리면 안된다. 전적으로 휴먼팩터이다. 모르니까 용감할 수는 있는 것이다.

고생대 말에서 중생대로 넘어오는 P/T 경계에서 지구생명의 가장 큰 대멸종이 있었다. 시베리아홍수현무암 사건인데, 육상생물 70%, 해양생물 90%가 멸종되었다. 산소가 15% 밑으로 떨어져 1억년이 지속되었다. 중생대 공룡과 포유류가 출현하고 진화의 방향이 달라졌다. 중생대에서 신생대로 넘어오는 사건은 K/T 경계이다. 운석에 의한 멸종사건이다.

신생대 제4기 플레이스토세 250만년전 대빙하시대가 시작되었다. 밀란코비치 주기와 단주기 환경변화인 단스가르-외슈거(D-O)주기, 그리고 하인리히 주기가 있다. 간빙기가 지나고 다시 빙하기로 가는 7만년전~2만년전(LGM) 주기를 자세히 보면 5번의 하인리히 주기가 있다. 온도가 갑자기 바뀌는 사건이 반복되는 것이다.

하인리히 주기 기간에 로렌타이드 빙하가 있었다. 빙하가 녹은 자리는 ‘아가시호(Lake Agassiz’)가 되고 빙하가 녹아 흐르는 미시시피 강 등이 형성되었다. 온도가 올라갈 때 빙하가 떨어져 지표면 흙을 긁고 흘러와서 북대서양 바다를 채운다. 빙하 바닥에 박힌 대륙의 암석이 바다에 떨어져 지층에 쌓인 것을 하인리히가 조사를 하였다. 남극에서 멕시코 만류가 올라오는데 북대서양은 빙하 녹은 물이라 가벼워 위로 뜬다. 그래서 멕시코 만류가 아래로 가라앉지 못해서 물이 순환되지 못하고 온도가 떨어진다.

기후학에서 중요한 것은 북대서양이다. 기후에서 대기의 영향은 대양의 1/200이다. 지구의 기후를 결정하는 것은 해류의 순환이다. 지구상 가장 차갑고 무거운 물이 그린랜드 앞바다 물이다. 적도를 통과해서 올라오는 멕시코 만류가 적도에서 증발이 되면서 염분농도가 높아지고, 그린랜드로 가면 쿨링이 되면서 8도시에 해당하는 뜨거운 열을 대기로 방출하여 구름이 되고, 런던포그를 만들고, 그린랜드에서 눈이 되어 내려오면서 그린랜드 빙하가 된다.

기후학의 온도계는 18번 산소동위원소이다. 단위는 퍼밀이다. 물과 석회암에 들어 있는 산소의 16번 산소와 18번 산소의 비율을 질량분석기로 측정한다. 과거 온도계만 찾으면 기후학은 끝이다. 온도계가 2가지이다. 100만년까지는 남극빙하, 1억년까지는 유공충껍질이다.

물은 빙하 속 산소동위원소 비율을 잰다. 물의 산소에는 16번 산소가 99.8%, 18번 산소가 0.2% 포함되어 있다. 바다에서 물이 증발하면, 18번 동위원소가 무거워 적게 증발한다. 적도에서 증발한 물은 구름이 되어 위도 30도로 이동하여 비가 내린다. 이때는 무거운 18번 산소가 많이 떨어진다. 그래서 남은 구름에는 16번 산소의 비율이 높아진다. 다시 위도 60도로 이동하면서 비를 뿌리고, 다시 북극으로 가면 눈이 되어 빙하가 되는데, 이때 빙하에는 16번 산소 비율이 무지 높아진다.    석회암은 해저 유공충의 껍질로 해저시추를 통해 1억년전까지 잴 수 있다.

해저 유공충은 단세포동물로 CaCO₃를 흡수하여 껍질을 만든다. 이때 온도에 따라 18번과 16번 산소의 흡수비율이 달라진다. 뉴턴법칙에 의해 가벼우면 빠르게 이동하므로 온도에 따라 18번과 16번 산소비가 달라진다. 따라서 그 비를 측정하면 온도를 알 수 있다.

다른 학자들이 기후학 들어가기 어려운 이유가 18번 산소동위원소 측정에 익숙치 않아서이다. 그래서 진입장벽이 된다. 시간을 동위원소에 투자하여야 한다. 국내번역 책을 2권을 가지고 있는데, 흔치 않다. 동위원소 측정은 자연과학의 기본 틀이다.

기후학의 위대한 인물은 1930년 남극을 탐험한 베게너, 그리고 세르비아 천체물리학자이자 천문기후학을 개척한 밀란코비치, D-O주기를 발견한 단스그로와 웨슈거 등이다.

산소동위원소 비율을 측정하는 기준 샘플은 PDB이다. 미국지층(PD)의 벨럼라이트(B)가 기준 샘플로 16번에 대한 18번 동위원소 비율이 2/1000이다. 1퍼밀이 올라가면 수온은 4도시 떨어진다. 지층연대를 알면 유공충 껍질의 18번 산소비율을 측정해서 온도를 측정할 수 있다.

바다 속 4000m에는 저서 유공충이 있고, 부유 유공충이 있다. 그리고 햇빛이 도달하는 수면근처에는 플랑크톤이 광합성을 한다. 광합성 하는 식물 플랑크톤을 조류(algae)라고 한다. 조류는 육지의 식물과 동일하다. 육지식물의 잎을 분해하여 물 채워 놓으면 조류가 된다. 조류는 착편모조류, 대롱편모조류, 와편모조류로 분류한다. 착편모조류에는 코코리스가 있다. 대롱편모조류에는 규조류가 있는데 15,000종이다. 와편모조류는 산호와 공생한다.

육상녹색식물의 합성 포도당은 60 pg/y (pg=10¹⁵g)이다. 바다 플랑크톤은 40 pg/y이다. 그래서 지구 산소 절반은 플랑크톤이 만든다. 플랑크톤이 압력을 받으면 석유가 된다. 석유 1L에는 22톤의 플랑크톤이 들어간다. 그래서 우리는 자동차 타고 다닐 때 대서양 플랑크톤에 감사해야 한다.

규조류 껍질이 SiO₂이다. 유리이다. 햇빛 잘 들어와 광합성하기 위함이다. 노벨은 니트로글리세린 안정화 물질로 규조류를 찾아서 다이너마이트를 만들었다. 지구산소 25%가 규조류에서 나온다. 규조토 지층이 1km가 된다.

코코리스(Coccoliths)는 석회암이 된다. 마린 스노우(Marine snow)가 되어 침전되는데, 지구 바다 칼슘침전의 50%를 차지한다.  

<The Zachos et al 2001> 도표가 기후변화에서 가장 많이 이용되고 있다.

메탄수화물(Methane-hydrate)은 얼음 결정에 메탄이 갇힌 것이다. 늪지대 강에 얼음이 얼면 얼음 결정에 메탄이 갇힌다. PETM사건은 메탄가스 분출이 전지구적으로 일어난 것이다. 지금 기후변화에서 가장 두려운 사건은 시베리아 동토층의 얼음이 녹으면서 메탄가스가 대량으로 분출되는 것이다. 메탄은 이산화탄소보다 80배 더 강력한 온실가스이다. 화석연료 사용으로 이산화탄소가 배출되어 온도가 점점 올라가면서 동토층이 녹아서 얼음결정 속 메탄이 순식간에 분출되어 나오면 심각한 상황을 초래한다. 시베리아 작년 4월 기온이 영상 30도시이다. 동토층 녹으면 PETM이 지금 일어날 수 있다. 끔찍하다.  

밀란코비치 주기는 20년에 걸쳐 60만년을 계산하였다. 지축은 22-24.5도로 4만1천년 주기로 움직인다. 이심율 주기는 10만년이다. 세차운동은 1만9천년 또는 2만3천년 주기이다.

신생대 기후결정 7가지 사건이다. 1번은 팔레오세에 대서양이 확장되어 해저 마그마가 분출되었다. 2번은 에오세에 인도판-아시아판 충돌로 히말라야 산맥이 융기하였다. 3번은 마이오세에 테티스해가 소멸하여 1800만년전 땅속에 갇힌 바다인 지중해가 생기고 사우디아라비아가 아시아판과 충돌하여 이란의 자그로스 산맥을 만들었는데 테티스 바다가 있던 곳이라 지금도 원유가 풍부하다. 이집트에서는 테티스 바다에 있던 유공충 껍질 쌓인 것을 뜯어내서 피라미드를 건설하였다. 4번은 올리고세의 타스만-드레이크 해협의 형성이다. 5번은 마이오세의 티벳-안데스 융기의 가속이다. 6번은 플라이오세에 파나마 지협의 연결로, 남미와 북미가 연결이 된다.

호모 사피엔스의 출현은 신생대 대빙하기 20만년전이다. 인류의 진화는 500만년전 WP-WP로 해류순환이 단절되어 동아프리카가 사바나가 된 것에서부터 시작하였다. 영장류는 원원류와 진원류로 나뉜다. 진원류는 광비류와 협비류로 나뉘고, 협비류에 속하는 호미니드(hominid)에 긴팔원숭이, 오랑우탄, 고릴라, 침팬지, 인간이 포함된다. 이 중 고릴라, 침팬지, 인간을 호미닌(Hominin)이라고 하며, 호미닌은 600만년전부터 갈라져 나왔다.

왜 지질학을 공부하나? 호모 사피엔스를 이해하기 위해서이다. 500만년전부터 시작되는 플라이오세 이후를 촘촘히 이해하려면 당시 아프리카 기후를 복원해야 한다. 호모 사피엔스 전체 관점에서 기후변화를 조망할 수 있다. <지구표층환경의 진화>에서는 기후변화의 마지막 작품이 “인간 브레인”이라고 하였다.

신생대 마지막 대빙하기에 왜 온난화를 걱정하는가? 바로 전적으로 “인간팩터”이기 때문이다.