※ 매주 목요일 저녁 8시30분 <박자세 정회원 온라인 모임>에서 박문호 박사님께서 특강해 주신 내용을 노트한 것입니다. 누구나 얘기하지만 아무도 잘 알지 못하는, 향후 100년 내 인류에게 닥칠 수 있는 가장 큰 위협요인인  '기후변화'의 과학적 사실에 대해 공부하는 시간이었습니다. 다가오는 일요일 과학리딩 본 강의가 기대됩니다. 
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<주간 정회원 온라인 모임 특강노트(03.18) 신생대 기후변화 이해>

기후변화는 어려운 분야이다. 지구온난화를 손에 잡힐 듯 설명할 수 있는 사람이 많지 않다. 일반상대성 이론만큼 일반인들에게 접근하기 어렵다. 왜 그런가? 중생대 지구표층을 이해해야 하는데, 일반인들은 자기 생활과 관계없는 것에 관심 기울이지 않기 때문이다.

80년대까지는 전문연구자들도 빙하기를 걱정했으나 90년대부터 상황이 바뀌었다. 간빙기가 오면 당연히 빙하기가 올 것을 예상하는데, “어… 아니네??” 한 것이다. 유튜브에서는 아직도 지구온난화 위기를 사기라고 믿는 사람들이 있다. 우리가 기초학문에 투자 안했기에, 신생대 빙하기를 일반인들이 이해하기 어렵다. 기후는 복합적이다. 다양한 변수가 작용한다.

지구온난화의 기본 그림을 가지고 설명하겠다. 신생대 기후변화 그래프이다. 6천6백만년전 운석이 떨어져 중생대가 끝나고 신생대가 시작된다. 신생대는 7세로 나뉘는데, 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.
 
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 기온과 대응된다.

신생대가 시작되고 기온이 급격히 올라가는데, 북대서양과 남대서양의 해저산맥에서 메탄(CH4)이 분출된 사건 때문이다. PETM(The Paleocene–Eocene Thermal Maximum)에서 피크를 이루고 기온이 서서히 떨어지며 ECO(Eocene climate optimum)가 일어나 기온이 원상회복이 된다.

에오세 후반기에 히말리야 산맥이 융기하고, 올리고세 시작되며 타스만해가 열리면서 기온이 급격히 떨어진다. 이때 남극에 빙하가 형성된다. 다음으로 드레이크해가 열리고 올리고세 후반기에 기온이 올라가는데(LOW, Late Oligocene warming) 이때는 남극빙하가 녹아서 질퍽하게 된다.

마이오세가 되면서 MMCO(mid Miocene climate optimum)가 되고, 마이오세 후반에 범람 현무암(flood Basalt)사건이 일어나 티베트고원, 개마고원이 형성되고, 기온이 점차 떨어져서 남극에 빙하가 얼어붙는다.
 
250만년전 플레이스토세가 되면서 북미 대륙에 로렌타이드 빙하가 만들어지고 북극해까지 빙하로 덮히는 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 기온이 점차 상승했는데, 인간문명이 발달하면서 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 벗어나 다시 중생대 기후(평균온도 4도시 이상)로 변화할 가능성이 생긴다. 평균온도가 4도시 이상이 되면 해수면이 200m 상승한다. 그러면 대륙의 30%가 물에 잠기고 해안가에 위치한 모든 주요도시는 물에 잠기게 된다. 

기후변화를 이해하려면 2가지를 알아야 한다.

첫번째는 암석학이다. 석회암(CaCO3)이 비를 맞으면 CO2가 섞인 H2O (탄산수)에 의해 녹아서 Ca2+와 2HCO3-가 된다. 규산염(0.5(Mg.Fe)2SiO4)은 감람암으로 산맥과 대륙을 만든 암석인데, 2CO2+2H2O에 의해 녹아서 Mg2+(Fe2+) + 2HCO3- + 0.5H4SiO4로 분해된다. 사장석(CaAl2Si2O8)은 회장석이라고도 하며, 지구상 가장 많은 발에 밟히는 돌덩이다. 2CO2 + 3H2O에 녹아 Ca2+ + 2HCO3- + Al2Si2O5(OH)로 분해된다. Al2Si2O5(OH)를 Kaolinite(고령토)라고 하고 우리가 아는 흙이다.

석회암, 규산염, 사장석 모두 이산화탄소가 섞인 빗물에 녹아서 이산화탄소를 흡수하는데, 석회암은 이산화탄소 1분자가 들어가고, 다시 중탄산이온(HCO3-)이 Ca2+와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)이 되고 이산화탄소 1분자를 내보내므로 지구기온에 영향을 주지 않는다. 규산염은 2분자의 이산화탄소가 들어가고 1분자의 이산화탄소가 나오므로 기온을 떨어트린다. 이것이 마이오세 후반에 범람 현무암(flood Basalt)으로 티벳고원이 융기하면서 기온이 하강한 사건이다.  

두번째는 밀란코비치 주기이다. 이 이론은 사장되었다가 대서양 바다에서 다시 살아났다. 밀란코비치는 북위 65도에서 6월 20일에 일사량이 가장 많을 때 태양의 일사량을 계산하였다. 빙하기 현상을 규명하였는데, 눈이 일사량이 가장 많은 때에 1cm라도 남아 있으면 매년 누적되면 빙하가 된다고 하였다. 파라미터로 이심율 주기 10만년, 자전축 변화 주기 4만1천년, 세차주기 2만3천년을 적용하여 60만년 기간을 계산하였다.
 
일사량은 342w/m2이다. 대기층에서 77w/m2, 산맥에 30w/m2 하여, 총 107w/m2가  반사되고,168w/m2가 지표면에 도달한다. 태양광의 반사율을 알베도라고 하는데, 지구는 31%이다. 대기 중의 온실가스(CH4, H2O, CO2)는 지구를 덮는 담요와 같다. 324 w/m2가 보존이 되어, 지표면 도달하는 일사량 168과 합치면 492 w/m2의 열이 지구기온이 된다. 만일 온실효과가 없다면 지구기온은 곧장 -19도시가 된다. 지금 지구기온이 14도시이니, 33도시의 온도상승이 온실가스 역할이다.

밀란코비치 주기는 1만5천년에서 8만5천년 주기를 갖는다. 계산만 20년을 했다. 1941년 650페이지 대작을 출판하였다. 그러나 1970년대 미국 예일대학 리처드 블린트의 반박으로 사장될 처지가 되었다가, 브라운 대학의 존 임브리의 남인도양 해저코어의 18번 산소동위원소의 추적으로 다시 부활하였다.  존 임브리의 <빙하기>라는 책을 소장할 만하다.

지구온난화, 기후학을 이해하기 위해선 10가지 학문이 필요하다. 암석학, 해양학, 고생물학, 핵물리학, 지질학, 식물학, 진화학, 유전학, 유기화학, 대륙이동 이다. 그래서 기후학은 뉴로사이언스만큼 통합적이다.

이산화탄소의 분포양상은 대기가 1이라면, 육지에 3, 바다에 50, 암석(석회암)에 9000이 있다. 생명은 곧 이산화탄소이다. 대륙을 이루는 석화암도 이산화탄소이다. 이를 다 끄집어 내면 45억년전 초기 지구로 돌아간다. 인간이 산업혁명으로 석탄을 끄집어 내면서 판도라의 상자가 열렸다. 빙하 없는 시대가 중생대 기후이다. 해수면 200m 상승한다. 대륙이 30% 물에 잠긴다. 기후변화 못 잡으면 100년내 인간 멸종할 수 있다.

1만 3천년전 그랜란드 운석구가 발견되었다. 이는 YD(Younger Dryas)시기와 일치한다. 13,000년전~11,500년 사이에 일어난 일이다. 50년만에 평균 6도시가 상승하였다. 운석이 1만년 안에도 주기적으로 떨어질 수 있다. 향후 인류의 미래 100년을 보장 못한다.

지구상 육상동물의 무게를 재면, 인간이 20%이다. 야생동물은 겨우 10%이다. 나머지 70%는 가축이다. 250만년전 남미-북미의 결합사건으로 아프리카에 사바나가 형성되면서 진화한 호모 사피엔스가 지구상에서 도대체 무엇을 했는지를 보여주는 통계이다. 인간과 가축 일부종(소, 돼지, 말, 닭)을 제외하고 다 잡아 먹었다.

우리 사회가 절대정보량이 부족하다. <지구표층환경의 진화>의 마지막 문장이다. 지구표층환경시스템의 진화는 오늘날 인간의 브레인을 탄생시켰으며 현재도 계속되고 있다. 지구표층환경이 만든 대기와 대양, 대륙의 물질 배치의 불꽃이 곧 인간 브레인이다.