차시명: 13주차 제1강

주제: 제 5장 화석연료, 7부 – 지구 온난화 1

동기 유발: 지구의 기온은 밤낮으로, 계절별로 그리고 해마다 조금씩 변합니다. 그런데 과거 꽤 긴 시간 동안의 평균 기온의 변화를 살펴보면, 지구 대기 온도가 낮았을 때도 있고 높았던 때도 있었습니다. 지구 대기 온도가 특별히 낮았을 때는 극지방의 얼음이 확장하여 상당히 낮은 위도까지 빙하에 덮여 있었습니다. 이를 우리는 빙하기라고 부릅니다. 이와 같은 온도 저하가 심할 때는 지구 거의 대부분이 얼음에 뒤덮였던 적도 있습니다. 반대로 지구의 대기 온도가 특별히 높았을 때는 빙하가 후퇴하고 생물이 활동이 비교적 높은 위도까지 활발하였습니다. 이를 간빙기라고 부릅니다.  그러니까 지구 평균 기온은 자연스럽게 서서히 증가하기도 하고 감소하기도 합니다. 그런데 최근에 지구 대기의 온도가 자연적인 요인 때문이 아니라 대기 오염 때문에 올라간다고 합니다. 이를 지구온난화라고 하는데, 이 단원에서는 어떻게 이런 일이 일어나는지, 그 원인 오염물은 어떤 것이 있는지, 그리고 요즘의 지구 대기 온도의 상승이 정말 이런 오염물 때문인지에 대해 알아보겠습니다.

학습 목표: 지구온난화의 원리, 온실 가스의 종류 및 온난화 잠재력, 부문별 온실 가스 배출 비율, 그리고 온실가스가 지구 온난화의 주범임을 보여주는 계산 결과 등에 대해 살펴보자.

강의 타이틀: 5-5.지구 온난화 1

안녕하십니까? 이번 시간은 지구 온난화의 원리와 지구 온난화의 주범인 온실가스에 대해 알아보겠습니다 .

산업이 발달함에 따라, 이제 인간에 의한 자연 환경의 변화가 매우 중요한 시대가 되었습니다. 인간에 의한 환경 변화는 주로 인간에 의한 오염물질에 의해 초래되는데, 특히 막대한 양의 화석연료 사용으로 인한 오염물의 발생은 지구의 생태계를 위협하는 가장 큰 문제가 되었습니다. 화석 연료의 사용으로 인해 발생한 오염물은 다양한 환경 문제를 일으키는데, 그 중 우선 지구온난화에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

[slide #1]

지구온난화란 말 그대로 지구가 따뜻해지는 것을 의미하는 것입니다. 요즘의 지구환경학적 관점에서는 특히 대기 오염으로 인한 온실 가스의 증가로 지구의 대기 온도가 상승하는 현상을 지칭하는 용어입니다. 대기 온도가 상승한다는 말은 일일 기온 변화나 계절의 변화에 의한 기온 변화로 따뜻해지는 것이 아니라 꽤 긴 시간, 백년 정도의 기간에 걸쳐 지표면 부근 대기의 평균 기온이 상승한다는 것을 의미합니다.  지구온난화는 대기 오염으로 온실 가스가 증가하기 때문에 일어입니다.

[slide #2]

(설명에 따라 진하게)

온실가스란 대기 중에서 지구의 복사열을 흡수했다가 다시 방출하여 지구의 온난화를 일으키는 가스로, 그 양이 많은 순서로 나열하면 H2O(수증기) > CO2 > CH4 > O3 등이 있습니다. 이들 각각이 지구온난화에 기여하는 정도는 대략 36-72%, 9-26%, 4-9%, 및 3-7% 정도입니다.  이들 중 특히 대기 오염에 의해 증가하는 개스는 CO2입니다.

[slide #3]

지구의 기온은 유입되는 태양 에너지와 외부로 방출하는 복사 에너지에 의해 조절됩니다. 유입되는 태양에너지는 대부분 가시광선 형태로, 복사에너지는 적외선 형태로 방출됩니다.  이 그림은 태양과 지구의 흑체 복사파의 파장을 비교한 것으로, 태양 빛의 대부분은 가시광선 영역에 지구 복사파의 영역은 대부분 적외선 영역에 속함을 알 수 있습니다.  실제 태양의 발광 파장은 흑체 파장과 다를 수 있으나, 가시광선 영역의 파장이 주를 이룸은 같습니다.

[slide #4]

(설명에 해당 부분 깜박이기)

지구에 태양에너지가 도달하여 지구를 덥히면, 지구상에서는 물이 증발하면서 급격한 기온 변화를 조절하는 한편 적외선 파장을 갖는 복사파가 방출되면서 지구를 식힙니다.  이때 방출되는 복사파의 일부가 온실가스에 의해 흡수되었다가 다시 사방으로 방출되게 됩니다. 온실가스에 의한 이러한 복사파의 흡수 및 재방출은 복사파를 다시 지구로 되돌려 보냄으로써 지구의 냉각을 지연시키는 역할을 합니다. 이는 마치 온실의 비닐이나 유리벽이 내부의 태양에너지는 충분히 들어오게 하면서도 외부로의 열손실을 줄여 내부 온도를 유지하는 것과 비슷하다 하여, 이러한 효과를 온실효과, 이러한 역할을 하는 가스를 온실가스라 부르는 것입니다.

[slide #5]

(설명에 해당하는 부분 깜박이기)

만일 대기 중의 온실가스의 양이 증가하면, 지구로 반사되는 복사파의 양이 따라서 증가하여 지구의 온도가 그만큼 상승하게 됩니다. 이러한 온도의 상승은 좀 더 많은 물의 증발을 유발하여 대기 중 수증기의 양을 증가시키며, 이 증가된 수증기에 의해 좀 더 많은 온실효과가 유발됩니다. 이는 다시 더욱 지구의 온도를 증가시키고, 더욱 많은 수증기를 증발시키고, 이로부터 또 더 많은 온실효과가 나타나게 됩니다. 즉, 온실효과는 이와 같이 지구의 온도를 계속 증가시키는 방향으로 순환 고리를 형성하는 현상인 것입니다. 만일 이와 같이 일방적으로 온실효과가 지속된다면, 지구의 온도는 모든 물이 끓어 기화될 때까지 계속 증가할 것이고 결과적으로 대부분의 생명체는 지구상에서 사라지고 말 것입니다.

지구의 대기 중에서 온실효과가 엄연히 작동되고 있음에도 지구가 아직도 끓어 넘치지 않는 이유는 무엇일까요? 그것은 바로 온실효과에 반대로 작용하는 냉각효과 때문입니다. 사실, 이 효과에 대해서는 정확하게 정의할 수 있는 용어가 부족합니다, 일부는 이를 영어로 dimming effect로 부르기도 하며, 여기에 albedo effect를 포함하기도 합니다. 그냥 일반적으로 반온실효과 즉anti-greenhouse effect로 두루 뭉실 부르는 경우도 있습니다. 우리는 그냥 온실 효과에 반작용하는 효과를 냉각효과로 부르기로 합니다.

만일 온실효과로 인해 지구의 온도가 상승하여 대기 중에 수증기의 양이 증가한다고 생각합시다. 더워진 공기와 함께 상승한 이 수증기는 대류권에서의 고도에 따른 온도 하락으로 인해 구름을 만듭니다. 이 구름은 태양빛을 가리고 반사하여 지구가 데워지는 것을 방해하여 지구의 기온을 낮춥니다. 이렇게 온도가 낮아지면, 좀 더 많은 수증기가 응결되어 구름을 만들고, 이 구름은 다시 좀 더 많은 태양빛을 가리게 되어 지구의 온도를 더욱 낮추게 됩니다. 온도가 충분히 낮아지면 구름으로부터 눈이 내리고, 지표수는 얼어버릴지도 모른다. 쌓인 눈과 얼음은 훨씬 많은 양의 태양빛을 반사하면서, 지구를 더욱 냉각시키게 되며, 이러한 방향으로 계속 순환이 반복되면서 지구의 온도를 끊임없이 낮추게 됩니다. 만일, 지구에 이러한 냉각 효과만 있다면, 지구 전체는 꽁꽁 얼어버려 또 다시 많은 생물들이 멸종의 길을 걸을 수밖에 없을 것입니다.

[slide #6]

눈 또는 얼음으로 덮힌 지면을 그렇지 않은 곳과 비교했을 때, 태양 빛을 더 반사하여 열을 흡수할 기회가 적어질 수 밖에 없게 됩니다. 이 것과 함께 구름이 더 많이 끼면 더 적은 양의 태양을 통과시켜 지면이 열을 흡수할 기회를 적게 주는 효과, 그리고 이 효과들이 반복적으로 더욱 더 심해진다는 것이 냉각 효과의 핵심입니다.

지구의 대기 온도가 일정하게 유지되는 것은 온실효과와 냉각효과가 함께 작동되기 때문입니다. 즉, 온실 효과가 증가하면 그 반작용으로 냉각효과 또한 증가하게 되어 일방적으로 온도가 상승하는 것을 막아주며, 그 반대의 경우 (즉, 냉각효과가 증가하면 온실효과가 상승하여) 온도가 하강하는 것을 막아 균형을 잡아줍니다. 중요한 것은 이 균형점이 어떤 온도에 형성되느냐 하는 점인데, 대기 오염에 의해 온실가스의 양이 증가하면 이 균형점이 좀 더 높은 온도 쪽으로 이동하게 되며, 이를 우리는 일반적으로 지구온난화라고 부릅니다.

[slide #7]

이미 앞서 살펴보았듯이 대기 중에는 여러 종류의 온실 가스가 존재하며, 이들이 온실효과에 기여하는 바도 또한 각기 다릅니다. 아래 표 5-5-1은 물을 제외한 다양한 온실 가스들을 비교한 것으로, 이들 온실 가스들의 산업화 이전 및 이후의 대기 중 농도, 대기에 머무르는 시간, 누출 오염원, 그리고 온난화잠재력 등을 정리하였습니다.  여기서 온난화 잠재력이란 같은 무게의 이산화탄소와 비교했을 때 몇 배나 더 열을 흡수할 수 있는가를 나타내는 척도입니다.

주목할 만한 것은 우리가 지구온난화의 주범으로 생각하는 이산화탄소보다 다른 온실가스들의 온난화잠재력이 훨씬 높다는 점입니다. 그럼에도 불구하고 이산화탄소가 지구온난화의 주범이 되는 이유는 그 양이 다른 온실가스에 비해 훨씬 많으며, 인간에 의해 오염물로서 대기에 유입되는 양도 훨씬 많기 때문이입니다.

[slide #8]

이 그림은 온실가스 배출량을 부문별로 구분하여 구분해 보여주고 있으며, 그 중 가장 양이 많은 이산화탄소, 메탄, 및 질소산화물의 부문별 배출량을 좀 더 자세히 나태내고 있습니다. 그림에 표시된 부문 중, 발전, 운송연료, 및 화석연료 가공은 전적으로 화석연료를 사용하는 부문이며, 그 밖에 다른 부문들도 상당량 화석 연료에 의존하고 있어, 화석 연료의 사용이 지구온난화에 막대한 영향을 미치고 있음을 짐작할 수 있습니다.

[slide #9]

과거 100년 간 기온에 영향을 미칠만한 여러 요인들을 고려해 계산한 대기 온도와 실제 대기 온도를 비교해보면 온실가스가 대기 온도를 높이는데, 결정적 역할을 하고 있음을 알 수 있습니다.

(설명에 따라 해당 부분 표시)

이 그래프는 과거 약 100년에 걸쳐 대기온도를 변화시키는 요인들 , 즉 온실 가스의 양, 태양 활동 변화, 오존 농도, 화산 활동, 그리고 황산 개스 배출량 등에 의해 어떻게 대기 온도가 변하였는지를 각각 계산하고, 이를 합하여 지구 대기 온도를 모사한 후 이를 실제 관측된 대기 온도와 비교한 것입니다. 그래프 제일 위 굵은 검은 곡선이 실제 관측된 대기 온도입니다. 요인들을 계산해 모사한 대기온도는 갈색 곡선으로 나타냈습니다.  이 모사 곡선을 따라 회색의 띠로 표현된 것은 요인들의 자연적인 분산으로 인한 오차 범위를 나타낸 것입니다. 대기 온도의 모사된 값과 실제 관측 값을 비교하면 전체적으로 온도의 상승 패턴이 매우 잘 맞는 것을 알 수 있습니다. 이로부터 이 요인들을 이용한 계산이 매우 타당함을 알 수 있습니다.  아래 각 요인들에 의해 계산된 온도 변동 곡선을 보면 파란색의 온실가스에 의한 변동만이 증가하고 있음을 볼 수 있습니다.  이와 같은 계산 결과를 종합하면, 과거 100년간의 지구 대기 온도는 분명히 상승하였는데, 그 원인은 바로 온실 가스 때문이라는 것입니다.

지금까지 지구온난화의 원리, 온실 가스의 종류 및 온난화 잠재력, 부문별 온실 가스 배출 비율, 그리고 온실가스가 지구 온난화의 주범임을 보여주는 계산 결과 등에  대해 설명하였습니다.

다음 시간에는 지구온난화 두 번째 시간으로 지구 온난화로 인한 재해와 그에 대한 대응책에 대해 알아보겠습니다.

안녕히 계십시오.

[끝]

심화토론:

1.  세계 각국의 온실 가스 배출량을 조사하고, 우리나라의 온실가스 배출량을 다른 나라들과 비교해 봅시다.  우리나라의 부문별 온실가스 배출량을 조사하여, 가장 많은 온실가스를 배출하는 부문을 찾아봅시다.