빛나는 '자개 구름', 북극과 남극의 온난화를 놓치는 기후 모델의 표상

지구는 1850년 이후 약 1.2°C가 따뜻해졌다. 하지만 이러한 온난화는 균일하지 못하다. 극지방, 특히 북극의 온난화는 지구의 다른 지역보다 3~4배 더 빠르게 진행되고 있는데, 이를 '극지 증폭(polar amplification)'이라고 한다.

기후 모델을 통해 이러한 효과를 시뮬레이션할 수 있겠지만 지난 40년간의 지구온난화를 기준으로 따져볼 때 이러한 모델로는 많이 부족하다. 온실가스 수준이 매우 높았던 과거의 기후를 기준으로 모델링할 때는 상황이 더욱 심각한 것으로 나타났다.

이는 미래를 예측하고 기후가 어떻게 변화할지를 예측하는 것과 동일한 모델이기 때문에 문제가 된다. 이러한 모델은 빙산이 녹거나 영구 동토층이 해빙되는 등의 위험을 포함해 금세기 후반에 일어날 일을 과소평가할 가능성이 높다.

지난 7일자 국제과학지 「네이처 지구과학(Nature Geoscience)」에 발표된 새로운 연구에서는 성층권을 포함하는 고해상도 대기 모델이 사용됐다. 이 연구에 따르면 온실가스 농도가 매우 높을 때 극지방 상공에 특별한 유형의 구름이 나타난다는 사실이다. 이러한 유형의 구름의 역할은 지금까지 간과되어 왔는데, 그 이유는 극지방이 너무 춥기 때문이다.

노르웨이 상공의 극지 성층권 자개구름 [동영상=Night Lights Films - Adrien Mauduit)

미래로 돌아가기
과거의 기후를 살펴보면 다양한 극한 조건에서 발생할 수 있는 미래를 엿볼 수 있다. 즉, 지구의 역사를 통해 기후 모델이 얼마나 잘 작동하는지 알아낼 수 있다는 것이다. 지구가 훨씬 더 따뜻했던 과거의 짧은 사실(에피소드)을 시뮬레이션하여 모델을 시험할 수 있다. 이러한 방법의 장점은 측정이 불가능한 미래와 달리 모델을 평가하기 위해 이러한 과거의 에피소드에 대한 온도를 재구성할 수 있다는 것이다.

5천만 년 전으로 거슬러 올라가면 지구는 매우 뜨거웠다. 이산화탄소(CO₂) 농도는 900~1,900ppm으로, 오늘날의 415ppm에 비해 매우 높았다. 메탄(CH₄) 농도도 훨씬 높았을 가능성이 있다.

캐나다의 북극 군도는 악어, 거북이, 도마뱀, 포유류가 서식하는 무성한 열대우림으로 덮여 있었다고 한다.

이러한 동식물이 생존하기 위해서는 일년 내내 따뜻하고 얼음이 없는 조건이 필요했다. 실제로 해수면 온도는 북극 근처(약 87°N)에서 20°C, 남극해(약 67°S)에서 25°C를 넘었다.

초기 에오세(Eocene)라고 불리는 이 시기는 전 세계적으로 매우 따뜻했고 극지방은 더 따뜻해 극지방 증폭이 극심했던 기후였기 때문에, 이번에 적용한 모델에는 완벽한 테스트 베드가 될 수 있다. 또한 신생대는 온도 재구성이 가능할 만큼 충분한 최근의 일이기도 하다.

그러나 너무 추운 고위도에서는 이 모델이 보기좋게 실패했다. 과연 무엇을 놓치고 있을까?

극지방 성층권 구름
1992년 미국의 고(古)기후학자 리사 슬론(Lisa Sloan)은 극지방 성층권 구름이 과거에는 고위도 지역에서 극심한 온난화를 일으켰을 수 있다고 주장했다.

이 구름은 오늘날은 보기 드물고 아름다운 광경을 연출한다. 성층권 구름은 선명하고 때로는 빛나는 색상 때문에 '진주층 구름(nacreous cloud)' 또는 '자개구름(mother-of-pearl cloud)'이라고 부른다.

자개구름은 지상 30km 고도에서 과냉각 상태로 발달하는 구름으로서 겨울철 극지방에서 잘 볼 수 있다. 이 구름은 렌즈형으로 진주조개와 같이 아름다은 분홍색과 녹색으로 빛난다. 그리고 성층권의 매우 높은 고도와 극지방의 매우 낮은 온도에서 형성된다. 현재의 기후에서는 주로 남극 상공에 나타나지만, 성층권이 특히 추운 겨울철에는 스코틀랜드, 스칸디나비아, 알래스카 상공에서 관찰되기도 한다.

성층권 구름은 온실가스와 마찬가지로 지구 표면에서 방출되는 적외선을 흡수하고 이 에너지의 일부를 다시 지표로 방출한다. 이는 극지방 성층권 구름이 잃어버린 퍼즐 조각 중 하나가 될 수 있음을 시사한다.

성층권 구름은 지구 표면을 따뜻하게 한다. 특히 해가 뜨지 않는 겨울철에 그 효과가 클 수 있다. 그러나 기후 모델에서 시뮬레이션하기가 쉽지 않기 때문에 대부분의 모델은 이를 무시한다. 그런데 이러한 누락으로 기후 모델이 극지방을 따뜻하게 하는 과정을 놓치게 되고, 이 때문에 기후 모델이 극지방 온난화의 일부를 놓치는 이유라고 설명할 수 있다.

리사 슬론의 논문이 발표 된 지 30년이 지난 지금, 몇 가지 대기 모델이 마침내 그녀의 가설을 시험할 수 있을 만큼 정교해졌다. 이번 연구에서는 그 중 하나를 써서 특정 조건에서 이러한 극지방 성층권 구름으로 인한 추가적인 온난화가 겨울철에 7°C를 초과한다는 것을 발견했다. 이것은 이번의 기후 모델과 초기 에오세 기온의 증거 사이에 존재하는 격차를 크게 줄였다. 결국 리사 슬론의 주장이 옳았다고 밝혀진 것이다.

미래 예측에 대한 시사점
이번 연구는 온실가스 수준이 지금보다 훨씬 높았던 과거 기후에서 기후 모델이 잘 작동하지 않는 이유를 설명하고 있다. 하지만 미래는 어떨까, 걱정해야 할까?

그런데 좋은 소식이 있다. 극지방 성층권 구름은 극지방을 따뜻하게 하지만, 이산화탄소와 이산화염소가 모두 매우 높은 수준에 도달하더라도 먼 과거처럼 미래에는 흔하지 않을 것이기 때문이다.

이는 에오세와 오늘날의 또 다른 차이점인 대륙과 산의 위치가 당시에는 달랐으며 극지방 성층권 구름의 형성에도 영향을 미쳤기 때문이다. 따라서 미래에 CH₄와 CO₂가 신생대 초기 수준에 도달하더라도 극지방 성층권 구름이 덜 형성될 것으로 예상된다. 이것은 오늘날의 표준 기후모델이 과거보다 미래를 더 잘 예측할 수 있음을 시사한다.

따라서 북극과 남극이 조만간 이처럼 아름다운 자개구름으로 덮일 가능성은 낮다. 그러나 이번 연구에 따르면 과거 기후의 증거는 온실가스 농도가 높을 때만 중요해지는 과정을 밝힐 수가 있다. 이러한 과정 중 일부는 현재의 관측치와 비교하여 모델을 시험하고 다른 프로세스를 포함하는 것이 더 중요해 보였기 때문에 모델에 포함되지 않았다. 과거를 들여다보는 것은 우리의 시야를 넓히고 미래를 위한 학습의 한 방법으로 필수적이라 할 수 있다.