지난 100여 년간 지구는 꾸준히 달궈졌지만, 지구 전체의 온도가 균일하게 상승한 것은 아니다. 북극해(Arctic Ocean)를 둘러싼 시베리아, 알래스카, 캐나다 등의 지역은 다른 지역에 비해 더 뜨거워졌다.¹⁾ 북극 지역의 온난화가 유독 급속도로 진행되는 현상을 '북극 증폭(Arctic amplification)'이라 한다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 기후물리 연구단(단장 악셀 팀머만)의 말테 스터커 연구위원은 강사라 울산과학기술원(UNIST) 교수를 비롯해 미국, 호주, 중국 등 국제 공동연구진과 함께 북극 증폭이 북극의 지역적 메커니즘 때문이라는 연구결과를 발표했다. 연구결과는 국제학술지 네이처 기후변화(Nature Climate Change, IF 19.181) 11월 20일자(한국시간)에 실렸다.

북극 증폭이란 개념은 오래전에 제시됐지만, 주요 유발 요인에 대해서는 학계의 논란이 이어지고 있다. 초기(1970년대)에는 증폭의 원인을 북극 지역 내부에서 찾은 '지역적 메커니즘(local mechanism)'이 등장했다.

이산화탄소(CO₂) 등 온실가스는 대기 중에 열을 잡아둬 지표면의 온난화를 유발한다. 특히 북극지역에서는 더 치명적이다. 눈과 빙하는 본래 햇빛을 반사시키지만 온도 상승과 함께 녹아내릴 경우, 햇빛이 그대로 토양과 바다의 표면에 도달하며 온난화를 가속시키기 때문이다. 더욱이 극지방은 지표면의 대기와 상층부 대기 사이 열에너지 교환이 적어, 냉각 효율이 떨어진다. 지역적 메커니즘은 이 같은 극지방의 특성으로 인해 북극 증폭이 유발된다는 모델로, 특히 표면 반사율의 하락을 주범으로 지목했다.

정설로 여겨지던 이 메커니즘은 2000년대에 들어 흔들리기 시작했다. 다양한 기후 모델이 등장하며 '원거리 메커니즘(remote mechanism)'이 주요 원인이라는 주장이 제시됐다. 원거리 메커니즘은 온실가스가 열대, 중위도 지역의 온도를 상승시키고, 멕시코 만류와 북대서양 해류가 따뜻한 해수를 북극해까지 운반하면서 북극 근처의 해빙을 녹인다는 모델이다. 기후변화는 복합적인 요인에 의해 발생하지만, 학계에서는 상대적으로 더 많은 영향을 미치는 물리적 요인을 찾아 기후변화를 명백하게 이해하려는 시도를 계속해왔다.

스터커 연구위원을 포함한 국제공동연구진은 이 논란을 잠재울 새로운 실험을 설계했다. 우선 표면 반사율 감소, 대기 순환, 열대 및 중위도 지역의 온난화, 해류 변화 등 북극권 온난화에 영향을 줄 수 있는 모든 요인을 규명하고, 각 요인을 모두 적용해 1951년부터 2017년에 걸친 장기간의 기후 변화를 시뮬레이션했다.

이후 개별 요인에 대한 민감도 실험을 진행하며 현재의 기후 상황과 비교했다. 그 결과 북극 지역 내부의 요인만 적용한 경우에도 북극해 지역의 온난화가 강화된 실제 기후 상황과 유사한 결과가 나타났다. 북극 증폭에 있어 원거리 메커니즘은 제한적인 역할만 할뿐, 지역적 메커니즘만으로도 북극 증폭이 야기된다는 의미다.

이번 연구는 극지방의 빙하와 생태계가 지구 온난화에 얼마나 민감하게 반응하는지 이해하는데 중요한 지표가 될 것으로 기대된다. 북극 증폭은 비단 북극의 문제에서 그치지 않고, 범지구적 온난화에 끼치는 영향력이 크다. 북극 지역 바깥쪽의 지구 온난화 현상은 해양의 온도를 증가시켜 따뜻해진 열을 지구 곳곳으로 보내기 때문이다. 또 북극 지역 빙하 부피의 감소는 범지구적인 해수면 상승을 유발하는 주요 원인이기도 하다.

말테 스터커 연구위원은 "이번 연구는 북극 증폭에 기여하는 지역적인 요인과 더불어 열대지역, 중위도지역 등 원거리 요인의 영향을 정량적으로 분석하기 위해 진행됐다"며 "그 결과 최근 떠오른 원거리 메커니즘을 반증하는 결과를 얻었으며, 북극 온난화에 대한 명백한 그림을 그려낼 수 있었다"고 말했다.

IBS 기후물리 연구단은 향후 현장 실험과 장기간에 걸친 인공위성 관측 결과를 토대로 북극 뿐 아니라 범지구적 온난화를 유발하는 요인을 검증해나갈 계획이다.

그림설명

▲ [그림 1] 관측에서 나타난 북극 증폭위 그림은 지난 67년 동안 연평균 지표기온의 상승추세를 나타낸다. 붉은색일수록 온난화가 강하게 나타난다는 의미로 시베리아, 북 캐나다, 알래스카 등 북극해 지역에서 온난화가 강하게 나타났음을 확인할 수 있다.

▲ [그림 2] 지역적 메커니즘에 의한 북극 증폭연구팀은 이번 연구를 통해 지역적인 요인이 북극 증폭의 주요 원인임을 규명했다. 북극 지역의 온실가스 배출은 해빙을 녹여 표면의 빛 반사율을 낮춘다. 햇빛이 토양과 바다에 직접 도달하며 온난화가 가속된다. 또 극지방은 지표면의 대기와 상층부 대기의 교환이 적어 냉각률이 떨어져 한번 상승한 온도가 잘 식지 않게 된다.

▲ [그림 3] 각 지역별 이산화탄소 강제력 적용 시뮬레이션 결과열대지역 강제력에 대한 앙상블 평균 온도 반응 (a), 아열대 및 중위도 지역 강제력 (b), 극지역 강제력 (c), 전지구 강제력 (d), 지역 강제력에 대한 반응(a-c)들의 합 (e). 회색 음영의 그림 (d) 와 (e)는 전지구 강제력 반응과 지역 강제력에 대한 반응을 합한 결과가 유사하다는 점을 보여준다. 또한 해당 그림은 극지역 강제력의 반응에 있어서 열대 지역에 비해 극지역 지표 온난화 증폭이 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 그림에서 X축은 위도, Y축은 고도를 나타낸다.