지구 온난화는 21세기에 이르러서 큰 화두가 되는 환경문제이다. 과학자들은 지구 온난화의 진행 속도가 현재 속도로 유지된다면 2030년에는 300만 년 전 플라이오세 중기 기온으로 되돌아갈 것이라는 예측을 하고 있다. 이를 막기 위해 전 세계는 뜻을 모아 국제 협약과 제도를 시행하고 있지만, 지구 온난화의 가속화를 막기에 역부족이다. 이로 인해 최근 지구 온난화를 막을 수 있는 과학 기술인 지구공학이 대두되고 있다. 이번 기사에서는 지구 온난화 가속화를 막는 지구공학과 현재 진행하고 있는 스코펙스 프로젝트에 대해 알아보자.

기후변화 초래하는 지구 온난화

지구 온난화는 19세기 후반부터 지구 지표면 평균 기온이 증가하는 현상을 의미한다. 지난 20년 동안 지표면 평균 기온은 0.5℃가 상승했으며, 21세기 중반에는 지금보다 약 1℃로 상승 폭이 증가할 것으로 예상된다. 지구 온난화의 주 원인으로는 인간의 활동으로 인해 지구 대기 중으로 배출되는 이산화탄소, 오존, 메탄 등 온실가스 기체가 꼽힌다.

태양에서 지구로 입사하는 가시광선 중 약 44~50% 정도가 지표면에 도달한다. 이로 인해 가열된 지표면에서는 적외선을 방출하는데, 이산화탄소 등 온실가스가 일부 적외선을 흡수한다. 적외선 파장을 흡수한 온실가스 내 탄소 원자는 들뜬 상태가 되는데, 곧 안정된 상태로 돌아오며 흡수했던 에너지를 방출한다. 이렇게 대기 중 탄소로 인해 지구 지표면 기온이 상승하는 현상을 온실효과라고 한다. 지구 온난화는 온실가스의 양이 증가함에 따라 온실가스 내 탄소 분자가 방출하는 에너지의 양이 증가해 지표면 온도가 상승하는 것을 일컫는다.

기후 모델이란 지구의 기후 시스템을 구성하는 각 요소를 설명하는 모델로, 미래 기후가 어떻게 변할지 예측하는 데에 사용된다. 2007년 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 기후 변화에 관한 정부간 패널)에서 발표한 IPCC 제4차 평가 보고서에서는 기후 모델을 통한 기후 예측이 요약되어 있다. 보고서는 지구 온난화의 영향으로 지구 평균 온도가 21세기 동안 최소 1.1~2.9℃, 최고 2.4~6.4℃ 상승할 수 있다고 밝혔다. 또한, 기온상승으로 인해 해수면 상승과 강수량의 변화, 아열대 사막의 확장 등이 일어나며, 빙하, 영구 동토층 및 해빙은 감소하리라 예측했다. 이어, 극한 기후의 생성으로 몇몇 생물 종의 멸종이 일어날 것이라 발표했다.

지구 온난화를 막기 위한 국제적 노력

지구의 기존 생태계를 변화시키는 지구 온난화의 가속화를 막기 위해 여러 정책이 시행 중이다. 먼저, 미래의 기후 변화를 감소시키는 기후 변화 완화 정책이 있는데, 온실가스 배출량을 줄이거나 온실가스 흡수원을 늘리는 것이 주 내용이다. 다른 정책으로는 기후 변화에 대한 적응이 있는데, 이는 정부의 적극적인 개입 없이 기후 변화에 대한 대응을 자연에 기대 계획하는 것이다. 이는 기후변화에 적응하는 시스템을 활용하거나 결과에 대처해 손실을 막는다는 것인데, 환경단체는 온실가스를 제한하는 노력 없이 인간의 적응 가능성만을 언급하는 것은 위험하다고 우려하며, 기후변화가 초래하는 위험성을 다시 한번 강조했다.

이외에도 여러 국제 협약을 제정해 지구 온난화 가속화를 막으려는 시도도 존재한다. 대표적인 예로는 교토 의정서, 파리협정 등이 있다. 파리협정의 경우, 지구의 평균 온도 상승 폭을 산업화 이전과 대비했을 때 2℃ 이하로 유지하고, 더 나아가 온도가 상승하는 폭을 1.5℃로 제한하기 위한 협약이다. 위 협정에 따르면 참여국은 각각 온실가스 감축 정도를 정해 국제사회에서 약속하고 실천해야 하며, 국제사회는 각 나라의 협약 이행에 대해 공동으로 검증한다.

인위적으로 기후 통제하는 지구공학

국내 정책과 국제 협약 외에도 지구 온난화를 막기 위한 여러 방안이 제시되고 있는데, 그중 가장 주목받는 것이 바로 지구공학이다. 지구공학은 인위적으로 기후 시스템을 조절하거나 통제해 지구 온난화를 막는 것을 목적으로 하는 새로운 과학기술 분야이다. 기후 변화에 관한 정부간 패널이 지구 온난화를 막기 위한 하나의 기술적인 대안으로 고려하면서 독립적인 기술 분야로 대두되었다. 현재 제안된 지구공학 기술로는 해양 비옥화, 인공 구름, 우주 거울 등이 있다. 먼저 해양 비옥화 방안은 바다에 인공적으로 철분과 영양물질을 도포해 플랑크톤을 증식시켜 이산화탄소를 흡수하는 것이다. 인공 구름 방안은 바닷물을 대기 중으로 살포해, 구름의 반사도와 응축도를 증가시키는 방안이다. 우주 거울 방안은 우주 공간에 거대한 태양열 반사 장치를 설치함으로써 지구에 입사하는 태양 에너지를 감소시키는 방안으로 인공 구름과 비슷한 방법이다. 이외에도, 이산화황을 성층권에 살포해 대기에 막을 형성 시켜 지구에 입사하는 빛을 반사하는 인공화산 방안, 화학반응을 이용해 공기 중의 이산화탄소를 포집하는 인공나무, 발전소, 정유 공장, 천연가스 포집정 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집해 지하에 저장하는 탄소 포집 방안이 제시되었다.

성층권에 적용 예정인 스코펙스 실험

앞서 제시된 지구공학 기술은 아직 실험실 내에서만 가능하지만, 지구 성층권에 실제로 적용할 예정인 기술도 존재한다. 바로 스코펙스(SCoPEx, Stratospheric Controlled Perturbation Experiment) 프로젝트다. 해당 프로젝트는 미국 하버드대학에서 진행하고 있으며, 지난 8월 외부자문위원회를 구성했다. 성층권 통제 섭동실험으로도 불리는 이 프로젝트는 탄산칼슘 미세입자를 성층권에 분사해 태양광 차단 효과를 분석한다.

스코펙스 프로젝트는 지구 온난화 문제를 해결하는 데에 필수적인 실험 결과를 도출해 태양 지구공학 컴퓨터 모델 시뮬레이션의 정확도를 높이는 것을 목표로, 현재 존재하는 시뮬레이션에서 부정확한 결괏값이 나오는 부분을 정량적으로 측정할 예정이다. 대기 중으로 살포된 입자들이 성층권 공기, 태양광, 그리고 다른 살포된 입자들과 어떻게 상호작용하는지를 관찰함으로써 기후 현상에 대한 이해도를 향상시킨다. 이와 같은 기초실험 데이터는 이후 다른 위험 요소를 증가시키지 않으면서 오존 손실을 줄이거나 제거할 수 있는 미세입자를 찾는 등 지구공학 기술 모색에 사용될 것이다.

스코펙스 프로젝트는 길이 1km, 지름 100m의 풍선 형태의 기상관측기구인 라디오존데를 중심으로 진행된다. 이 라디오존데는 두 가지 기능을 수행하는데, 첫째로 기체나 입자를 담을 수 있는 비커 역할을 하며 둘째로는 곤돌라를 부피 내 다른 위치로 재배치해 불안정한 공기의 특성을 측정할 수 있게 한다. 연구진은 라디오존데를 통해 적은 양의 통제된 성층권 공기를 만든 후, 24시간 동안 이 모델 성층권의 변화를 온전히 관찰할 수 있다.

실제 환경에서 실험을 진행할 때, 연구진은 미국 뉴멕시코 사막 상공 20km 부근에 먼저 얼음을 분사해 계측 실험을 진행할 것이라고 말했다. 이후, 빛 반사 능력이 높은 탄산칼슘 분자 1kg을 성층권에 살포할 예정이라고 답했다. 또한, 환경 변화와 과학적 이점에 따라 황산염과 같은 다른 물질도 방출할 가능성이 있다고 밝혔다.

스코펙스 프로젝트의 전망은

스코펙스 프로젝트가 실제로 진행된다면, 탄산칼슘 미세입자가 형성한 층이 지구로 입사하는 태양광의 일부를 반사해 지구 평균 기온을 감소시키는 결과를 얻어낼 수 있을 것이다. 하버드대학의 연구진은 살포한 탄산칼슘으로 인한 환경오염 문제에 대해서는 실제 인간의 생활권에 영향을 주는 비구름은 상공 5~10km에 존재하기 때문에, 상공 20km에 존재하는 탄산칼슘층의 영향을 받지 않을 것이라고 밝혔다.

이 같은 발표에도 불구하고 위험성에 대한 우려는 여전히 존재한다. 피나투보 화산 폭발의 경우, 지구 평균 온도가 감소한 상태로 유지되었지만, 이듬해 강우량이 10~20%가 감소해 대가뭄이 발생했다. 이로 인해 전 세계적으로 1억 2천만 명이 영향을 받았다. 스코펙스 프로젝트의 경우에도 감소한 일사량이 지구의 물순환 패턴을 변화시켜 곳곳에서 가뭄, 허리케인 등 이상 기후가 일어날 가능성도 배제할 수 없다.

스코펙스 프로젝트와 지구공학은 기존의 국제 협약과 달리 많은 시간을 필요로 하지 않기 때문에 빠르게 변화하는 기후에 대응할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 온실가스 배출량을 줄이는 방법에 비해 상대적으로 적은 비용이 든다. 하지만 제한된 조건에서 진행된 실험이기에 불확실성이 큰 만큼 사람들의 우려도 크다. 스코펙스 프로젝트를 비롯한 대부분의 지구공학 실험은 지구 전체를 대상으로 하기 때문에 대부분 위험하고 큰 부작용이 예상된다. 스코펙스 프로젝트의 경우에도 성층권에 살포될 탄산칼슘 미세입자의 부작용에 대해서는 아직 아무도 확답을 하지 못하고 있다. 하지만, 각종 국제 협약에도 불구하고 온실가스 배출량이 증가하고 있는 지금, 지구 온난화를 막을 수 있다는 가능성을 지닌 지구공학을 완전히 배제하기는 어렵다.

참고문헌 | 
<Stratospheric controlled perturbation experiment: a small-scale experiment to improve understanding of the risks of solar geoengineering>, John A. Dykema. 2014.12.