지구온난화로 영구동토층¹⁾ 해빙이 가속화되면서, 북반구 극지역의 산불이 더욱 증가하고 그 피해는 심화될 것이라는 분석이 나왔다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 악셀 팀머만 기후물리 연구단장(부산대 석학교수) 연구팀은 기후 및 영구동토층 전문가와 함께 대규모 기후 모델 시뮬레이션 자료를 이용하여 지구온난화 가속화에 따른 산불 증가를 예측했다. 캐나다와 시베리아의 영구동토층 지역 산불이 급격히 심화될 것임을 밝힌 것이다.

최근 관측 현황을 보면, 이례적으로 따뜻하고 건조한 상태로 인해 북극 지역의 대형 산불 피해는 더욱 증가했다. 따라서 미래 인간의 활동에 따른 지구온난화가 북극 산불 발생에 어떤 영향을 미칠지 이해하는 것은 기후 변화 문제에서 중요한 과제이다. 또한 이를 이해하기 위해서 산불 연소의 핵심 요소이자 영구동토층에 영향을 크게 받는 토양 수분 함량 및 영구동토층 해빙 가속화의 역할 고려가 필요하다.

하지만 기존 산불 연구들은 주로 기상 조건에 의한 산불 위험지수를 산출해왔으며, 관련 연구 기후 모델들은 지구온난화, 영구동토층의 해빙, 토양 수분-산불 간의 상호작용, 식생 변화 고려 등을 충분히 고려하지 않았었다. 이에 IBS 연구팀은 가장 포괄적인 지구 시스템 모델 중 하나인 복합 지구 시스템 모델(CESM, Community Earth System Model, CESM)²⁾을 영구동토층 및 산불 분석에 사용했다. 이 모델은 토양 수분, 영구동토층, 산불 과정을 통합적으로 결합한 최초의 모델이다.

IBS 연구팀과 미국 콜로라도 국립 대기연구센터(NCAR) 공동연구팀은 자연적 요인에 의한 기후 변화와 인간 활동에 의한(온실가스 배출 증가로 인한) 영향을 명확히 구분하기 위해, IBS 슈퍼컴퓨터 ‘알레프(Aleph)’를 이용하여 1850~2100년의 기간을 다루는 과거-미래 대규모 100개 앙상블 시뮬레이션(SSP3-7.0 온실가스 배출 시나리오)³⁾을 수행했고 이 중 명확한 메커니즘 설명을 위한 동일 조건의 50개의 앙상블 시뮬레이션 자료를 선택 후 분석했다.

그 결과, 21세기 중후반에는 인간 활동에 의한 온난화(온실가스 배출 증가)로 인해 영구동토 지역의 약 50%가 급격한 영구동토층 해빙이 발생할 것으로 예측했다. 이는 많은 지역에서 과잉된 토양 수분 배수의 빠른 증가와 토양 수분을 급격히 감소시키며, 토양 건조 환경은 특히 여름철 지면으로부터의 증발산을 감소시켜 기온을 증가시키고 대기를 더욱 건조하게 만든다.

김인원 IBS 연구위원은 “이러한 급격한 토양 수분과 대기의 변화는 산불을 심화시킨다. 우리는 모델 시뮬레이션을 통해 산불이 거의 발생하지 않던 지역에서 강한 산불이 발생하는 지역으로 급변하는 것이 불과 몇 년 안에 발생할 수 있음을 밝혔다. 또한 인간 활동에 의한 대기 이산화탄소의 농도 증가는 식물 광합성을 도와 고위도 지역의 식생을 증가시키며, 이러한 식생의 증가는 산불 연료 역할을 해 산불 피해를 심화시킨다”라고 설명했다.

악셀 팀머만 IBS 연구단장은 “산불은 대기 중으로 이산화탄소, 블랙카본⁴⁾, 그리고 유기탄소를 방출한다. 이는 기후에 영향을 미치는 것은 물론, 북극의 영구동토층 해빙 과정에 다시 영향을 미칠 수 있다. 하지만 아직 지구 시스템 모델에 산불에 의한 연소 생성물과 대기 간의 상호작용은 완전히 포함되어 있지 않기에, 앞으로 이러한 측면을 더 자세히 연구하고자 한다.”라고 향후 연구계획을 밝혔다.

연구 결과는 9월 25일(한국시간 0시) 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)’에 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 가속화된 지구온난화로 인해 급격한 영구동토층 해빙에 따른 북반구 극지역 산불 강화 메커니즘에 대한 모식도
지구온난화로 인해 연평균 토양 온도가 0℃를 초과할 때, 북반구 영구동토층의 급격한 해빙이 발생한다. 영구동토층에서 얼음이 녹으면서, 토양 수분 배수가 증가하게 되고 이는 급격한 상부 토양 건조를 유발한다. 이러한 급격한 토양 건조 환경은 여름에 지면으로부터 대기 중으로의 증발산을 약화시키며 기온을 더욱 증가시킨다. 이러한 기온 증가는 대기를 더욱 건조하게 만들게 되어 결과적으로 급격한 산불 발생 피해 증가 및 탄소 배출을 발생시킨다. 또한, 대기 중 이산화탄소 농도 증가는 식물의 광합성을 도와(이산화탄소 비료 효과) 고위도 지역의 식생을 증가시키며, 이는 산불 연료로 역할을 하여 산불 피해 증가에 기여한다.

[그림2] 과거-미래 기후시뮬레이션을 이용한 영구동토층 해빙, 토양 수분, 산불의 급격한 미래 변화 결과, 1850-2100년 기간의 65.5°N 83.75°E 지점에서의 영구동토층 해빙, 토양수분, 산불 예측 결과

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1) 영구동토층: 일반적으로 2년 이상 기간을 기준으로 일년 내내 0℃이하로 지속적으로 얼어있는 지층

2) 복합 지구 시스템 모델[Community Earth System Model(CESM)]: 미국 콜로라도 국립대기연구센터(NCAR)에서 개발한 전지구 결합 기후 모델

3) 대규모 100개 앙상블 시뮬레이션(SSP3-7.0 온실가스 배출 시나리오): 컴퓨팅 시간 및 자원 등의 한계로 인해, 일반적으로 장기 기후 변화 시뮬레이션을 많은 횟수로 반복 수행하기 힘들다. 하지만 초기 조건을 다르게 가정하여 동일한 기후 변화 시뮬레이션을 많은 횟수로 반복하는 대규모 앙상블 시뮬레이션은 지구 시스템의 자연 변동성 및 인간 활동에 의한 기후 변화를 유의하게 구분할 수 있으며, 기후 변화 전망에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.

4) 블랙카본: 지구온난화에 기여하는 기후 강제 요인으로 블랙카본은 석유, 석탄 등의 화석연료나 나무 등이 불완전연소해서 생기는 그을음을 말한다.