과학 포털 iKAOS

21 Contents

먼― 우주, 가까운 우주🌌(Across the Universe) 🌏 8강 1부 금성, 지구 환경의 반면교사이자 외계행성을 찾기 위한 가장 가까운 행성 ‘샘플’│카오스강연 시즌2

금성은 흔히 지구의 쌍둥이 행성으로 불립니다. 대중적인 관심은 화성에 쏠려 있지만, 물리적인 제원을 따져보면 금성이 지구와 훨씬 유사합니다. 금성의 크기는 지구의 약 95%, 질량은 80% 수준이며 중력 또한 지구의 90%에 달해 우리가 금성에 선다면 지구와 비슷한 무게감을 느낄 것입니다. 그러나 이토록 닮은 외형과 달리, 금성은 두꺼운 구름에 완전히 뒤덮여 지표면을 육안으로 확인할 수 없는 미지의 영역으로 오랫동안 남아 있었습니다. 인류의 탐사선이 베일에 싸인 금성의 구름 아래를 조사하면서 드러난 실체는 지구와 극명하게 달랐습니다. 금성의 대기압은 지구보다 무려 90배나 높고, 대기의 주성분은 온실가스인 이산화탄소로 이루어져 있습니다. 이로 인해 금성 지표는 상상을 초월하는 강력한 온실 효과를 경험하며 '뜨거운 사막'과 같은 환경이 조성되었습니다. 반면 화성은 대기가 너무 희박해 온실 효과가 거의 없는 차가운 사막이 되었으니, 세 행성은 대기 조건에 따라 전혀 다른 길을 걷게 된 셈입니다. 금성을 감싸고 있는 구름은 고도 48km에서 76km 사이에 걸쳐 20km가 넘는 엄청난 두께를 자랑합니다. 흥미로운 점은 이 구름의 성분이 물이 아닌 황산이라는 사실입니다. 가시광선으로 본 금성은 매끈하고 고요한 공처럼 보이지만, 자외선 영역으로 관찰하면 복잡한 무늬가 나타납니다. 이는 정체를 알 수 없는 '미확인 흡수체'가 자외선을 흡수하며 만드는 패턴으로, 과학자들은 이 물질의 정체를 밝히기 위해 유기물 가설을 포함한 다양한 연구를 이어가고 있습니다. 금성은 결코 죽어 있거나 정체된 행성이 아닙니다. 장기간의 관측 결과, 금성의 자외선 반사율은 시간에 따라 파동을 그리며 변한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 반사율의 변화는 금성이 흡수하는 태양 에너지의 양을 바꾸고, 이는 곧 대기 온도의 변화로 이어집니다. 실제로 금성 구름층의 온도는 불과 10년 사이에 10도 가까이 변하기도 합니다. 지구에서 온실가스로 인한 1도의 변화도 심각하게 받아들이는 점을 고려하면, 금성은 실로 역동적인 변동성을 가진 행성이라 할 수 있습니다. 대기 온도의 변화는 금성 특유의 기상 현상인 '슈퍼로테이션'에도 큰 영향을 미칩니다. 자전 속도보다 훨씬 빠르게 대기가 회전하는 이 현상은 풍속이 초속 80m에서 120m까지 급격히 변하는 양상을 보입니다. 이와 동시에 구름의 주성분인 이산화황 가스의 농도 역시 10배 이상 변화하는 것이 관측되었습니다. 이러한 일련의 현상들은 금성의 대기 시스템이 서로 꼬리에 꼬리를 물고 긴밀하게 연결되어 있음을 시사하며, 행성 전체가 하나의 거대한 유기체처럼 반응하고 있음을 보여줍니다. 금성 대기에서 일어나는 거대한 변화의 시작점으로는 지표의 화산 활동이 유력하게 거론됩니다. 금성은 태양계에서 유난히 젊은 지표를 가진 행성으로, 운석 구덩이가 적고 많은 지역이 화산 지형으로 덮여 있습니다. 지표에서 뿜어져 나오는 이산화황 가스가 대기 구성과 구름 형성에 직접적인 영향을 미치며 행성 전체의 환경을 좌우하고 있는 것입니다. 비록 두꺼운 구름 때문에 활화산의 모습을 직접 관측하기는 어렵지만, 지표와 대기 사이의 상호작용은 금성 연구의 핵심적인 열쇠가 되고 있습니다. 금성의 역사는 지구의 미래를 경고하는 반면교사이기도 합니다. 대기 실측 결과, 과거의 금성에는 지구와 비슷한 양의 물이 존재했을 가능성이 큽니다. 그러나 온도가 상승하며 물이 증발하고 수증기가 온실 효과를 더욱 가속화하는 '런어웨이 온실 효과'가 발생하면서, 금성은 모든 수소를 우주로 잃고 현재의 뜨거운 행성이 되었습니다. 금성 대기에 남아 있는 중수소의 높은 비율은 이 비극적인 과거를 증명하는 학술적 화석이며, 행성의 환경이 어떻게 극단적으로 변할 수 있는지를 여실히 보여줍니다.

국립과천과학관

지구환경과학
천문학

지구는 어떻게 뜨거워졌다 식었을까?

약 46억 년 전 탄생한 초기 지구는 '명왕이언'이라 불리는 지옥 같은 시기를 보냈습니다. 지옥의 신 하데스에서 유래한 이 이름처럼, 당시 지구는 마그마의 바다로 뒤덮인 채 엄청난 열기를 내뿜고 있었습니다. 태양계 형성 과정에서 주변 암석들이 중력에 의해 충돌하고 뭉쳐지며 탄생한 원시 지구는, 대기가 없어 소행성 충돌의 에너지를 고스란히 흡수하며 그 크기와 중력을 키워나갔습니다. 이 과정에서 발생한 거대한 충격 에너지는 지구를 뜨겁게 달구는 주요 원인이 되었습니다. 지구가 뜨거웠던 또 다른 이유는 내부에 포함된 방사성 동위원소들의 붕괴열 때문입니다. 우라늄과 토륨 같은 방사성 동위원소들이 붕괴하며 끊임없이 열을 방출했고, 화산 폭발로 만들어진 이산화탄소와 수증기는 두꺼운 온실가스 층을 형성했습니다. 이 가스들은 지구가 방출하려는 열을 가두어 온도를 더욱 높이는 역할을 했습니다. 여기에 당시 지구와 매우 가까웠던 달의 강력한 인력은 마그마를 끊임없이 휘저으며 지구가 식는 것을 방해했고, 지구는 한동안 액체 상태의 뜨거운 행성으로 남게 되었습니다. 영원히 뜨거울 것 같던 지구도 열역학 제2법칙에 따라 점차 식기 시작했습니다. 에너지가 새롭게 투입되지 않는 한 뜨거운 물체는 열을 잃기 마련이며, 온도가 높을수록 식는 속도는 더욱 빨라집니다. 지구 내부에서는 뜨거운 마그마가 위로 솟구치고 차가운 마그마가 아래로 가라앉는 대류 현상이 활발하게 일어났습니다. 이러한 거대한 순환은 지구 내부의 깊숙한 곳에 머물던 열을 표면으로 효과적으로 전달하여 우주로 방출하는 데 결정적인 역할을 수행했습니다. 대류 현상은 마그마뿐만 아니라 해류와 대기의 순환으로도 이어져 지구 시스템을 유지하는 핵심 기전이 되었습니다. 만약 이러한 열 교환 시스템이 없었다면 적도는 끝없이 뜨거워지고 극지방은 얼어붙어 생명체가 살 수 없는 환경이 되었을 것입니다. 지구 규모의 대류는 에너지를 골고루 분산시켜 행성 전체의 온도를 조절하는 생명 유지 장치와 같습니다. 이러한 역동적인 순환 덕분에 지구는 극단적인 환경을 극복하고 생명이 탄생할 수 있는 안정적인 토대를 구축할 수 있었습니다. 마지막으로 지구는 복사 에너지를 통해 열을 우주 공간으로 직접 내보냈습니다. 뜨거운 물체가 적외선 형태로 열을 발산하듯, 마그마의 바다는 엄청난 복사 에너지를 방출하며 서서히 굳어갔습니다. 수많은 가열과 냉각의 반복 끝에 마침내 단단한 지각이 형성되고 바다가 만들어지며 오늘날의 모습에 가까워졌습니다. 지금 이 순간에도 계속되는 지구의 역동적인 열 순환 시스템은 우리 행성의 안정성과 생물 다양성을 유지하는 데 가장 중요한 기반이 되고 있습니다.

과학플랫폼 SOAK

물리학
지구환경과학

[인터뷰] 황윤정_탄소 중립을 실현하는 고체 촉매 연구｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

산업 혁명 이후 인류는 탄소를 기반으로 한 에너지를 사용하여 비약적인 발전을 이루었습니다. 대량 생산 체제가 구축되면서 인류의 생활 방식은 근본적으로 변화했고, 우리가 현재 누리고 있는 모든 편리한 기술과 화학 제품들은 탄소 기반 에너지로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 이러한 발전의 이면에는 이산화탄소 배출량 증가라는 부작용이 뒤따랐습니다. 공기 중 이산화탄소 농도가 높아지며 발생한 온실 효과는 지구 온난화와 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 안겨주었으며, 이제 과학자들은 이를 해결하기 위한 적극적인 연구에 매진하고 있습니다. 이산화탄소를 다시 유용한 자원으로 되돌리기 위해서는 화학 결합을 끊고 새로운 결합을 형성하는 과정이 필요합니다. 이 과정에서 투입되는 에너지를 낮추어 반응을 효율적으로 만드는 핵심 소재가 바로 촉매입니다. 특히 전기화학적 전환 기술을 활용하면 필요한 전력 소모를 획기적으로 줄이면서도 짧은 시간 안에 더 많은 화합물을 생산할 수 있습니다. 이는 자연 상태에서 수백만 년이 걸리는 탄소 순환 과정을 실험실과 산업 현장에서 실시간으로 구현하는 기술로, 탄소 중립 실현을 위한 가장 중요한 과학적 도구 중 하나로 평가받고 있습니다. 전기화학적 전환 기술을 통해 이산화탄소는 일산화탄소, 에틸렌, 에탄올과 같은 고부가가치 화합물로 재탄생합니다. 일산화탄소는 플라스틱이나 각종 연료를 합성하는 필수적인 산업 원료로 쓰이며, 에틸렌은 중합 과정을 거쳐 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 폴리에틸렌 제품의 기초가 됩니다. 또한 용매나 청정 연료로 활용되는 에탄올 역시 이 과정을 통해 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 오염 물질을 처리하는 수준을 넘어, 버려지는 탄소를 지속 가능한 자원으로 탈바꿈시켜 새로운 경제적 가치를 창출하는 데 기여합니다. 기초 과학 연구는 종종 실험실 안의 탐구에 머무는 것처럼 보이지만, 생각보다 훨씬 빠르게 세상을 바꾸는 동력이 됩니다. 2023년 노벨 화학상을 받은 양자점 연구가 대표적인 사례입니다. 입자의 크기에 따라 다른 색을 내는 이 나노 소재는 초기 연구 단계를 지나 오늘날 디스플레이와 의료 분야 등에서 널리 상용화되었습니다. 이처럼 새로운 물질을 합성하고 그 특성을 밝혀내는 과정은 인류가 이전에는 경험하지 못했던 기술적 진보를 가능하게 합니다. 과학적 발견이 산업화로 이어지는 속도는 점차 빨라지고 있으며, 이는 곧 우리가 마주하는 미래의 모습이 됩니다. 미래의 과학 기술은 단순히 편리함을 추구하는 것을 넘어 지속 가능한 사회를 만드는 데 책임을 다해야 합니다. 이를 위해 미래를 꿈꾸는 학생들은 과학적 지식뿐만 아니라 자신의 논리를 타인과 공유하고 소통하는 능력을 갖추어야 합니다. 글쓰기와 예술적 감각은 자신의 연구를 효과적으로 전달하고 창의적인 사고를 확장하는 데 필수적인 요소입니다. 이과와 문과라는 이분법적 사고에서 벗어나 다양한 분야를 경험하고 융합할 때, 비로소 인류가 직면한 복합적인 문제들을 해결하고 세상을 긍정적으로 변화시키는 진정한 과학자로 성장할 수 있습니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 탄소 중립을 위한 화학의 도전_by황윤정 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 3강

지속 가능한 사회란 과학 기술의 발전이 가져온 편리함과 그로 인한 부작용 사이의 균형을 찾는 과정에서 시작됩니다. 특히 기후 변화는 인류가 직면한 가장 시급한 과제로, 이를 해결하기 위해 '탄소 중립'이라는 개념이 등장했습니다. 이는 배출되는 이산화탄소의 양과 흡수 및 제거되는 양을 같게 하여 실질적인 배출량을 '0'으로 만드는 상태를 의미합니다. 단순히 탄소를 멀리하는 것이 아니라, 발생한 탄소를 어떻게 다시 활용하고 순환시킬 것인지에 대한 과학적 책임감이 요구되는 시점입니다. 1890년대 물리화학자 아레니우스는 대기 중 이산화탄소가 지표면 온도에 미치는 영향을 처음으로 논문화했습니다. 당시에는 온실효과가 식량 증산에 도움이 되는 축복으로 여겨졌으나, 산업화 이후 화석 연료 사용이 급증하며 상황은 반전되었습니다. 지난 150년간 이산화탄소 농도와 지표면 온도의 급격한 상승 사이의 상관관계가 명확히 입증되었고, 이는 더 이상 자연 현상이 아닌 인류의 활동에 의한 결과임이 확인되었습니다. 이제 적당함을 넘어선 탄소는 인류의 생존을 위협하는 재앙으로 다가오고 있습니다. 한국은 세계 10위권 안에 드는 탄소 배출국으로, 산업 구조상 철강, 석유화학, 반도체 등 에너지 집약적 산업이 경제를 이끌고 있습니다. 이러한 구조에서 무조건적인 탄소 감축은 경제 성장에 큰 타격을 줄 수 있기에, 각 산업 특성에 맞는 전략적인 중립 기술 개발이 필수적입니다. 단순히 에너지를 절약하는 차원을 넘어, 화석 연료를 대체할 재생 에너지를 도입하고 기존 공정을 혁신하는 10대 핵심 기술 선정이 이루어진 이유도 여기에 있습니다. 경제와 환경이라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 과학적 도전이 시작된 것입니다. 재생 에너지 분야에서는 태양광과 수소가 핵심적인 역할을 합니다. 특히 한국 연구진이 강점을 가진 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 목표로 하며, 유연하고 가벼운 특성을 활용해 건물 외벽 등 다양한 곳에 적용될 수 있습니다. 또한 물을 분해하여 수소를 얻는 수전해 기술은 이산화탄소 배출이 없는 청정 에너지 순환 구조를 완성하는 열쇠입니다. 비싼 백금 촉매를 대체할 저렴하고 효율적인 소재를 개발하려는 노력은 에너지 저장과 활용의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 탄소 중립의 실질적인 완성은 이미 배출된 탄소를 포집하고 활용하는 CCUS 기술에 달려 있습니다. 이산화탄소를 단순히 저장하는 것에 그치지 않고, 이를 원료로 삼아 플라스틱, 시멘트, 혹은 연료로 전환하는 기술은 탄소 순환 사회의 핵심입니다. 현재는 경제성이나 기술적 난이도 면에서 초기 단계에 머물러 있지만, 2050년까지 전 세계 감축량의 상당 부분을 담당할 것으로 기대됩니다. 공기 중의 기체를 잡아 고부가가치 화합물로 바꾸는 이 연금술 같은 과정은 화학이 인류에게 선사할 새로운 미래입니다. 과학의 역사는 수많은 실패와 도전 끝에 얻어진 결과물입니다. 20세기 초 인류의 식량 문제를 해결한 암모니아 합성법인 하버-보슈법이 대표적인 사례입니다. 당시 많은 과학자가 재현 실패와 폭발 사고 등의 위험으로 연구를 포기했으나, 끝까지 수천 번의 촉매 탐색을 멈추지 않았던 끈기가 오늘날의 풍요를 만들었습니다. 탄소 중립 역시 지금은 불가능해 보이는 난제일 수 있지만, 과거의 사례처럼 데이터가 쌓이고 기술적 돌파구가 마련된다면 인류는 다시 한번 위기를 기회로 바꿀 수 있을 것입니다. 미래의 지구를 구하는 일은 특정 분야의 노력만으로는 불가능하며, 과학적 원리에 기반한 사회적 합의와 지속적인 관심이 필요합니다. 인공 광합성 장치를 통해 식물처럼 에너지를 생산하고, 버려지는 탄소를 자원으로 되돌리는 기술은 더 이상 공상 과학의 영역이 아닙니다. 화학자들은 주기율표 속 원소들을 조합하며 지구의 온도를 낮출 최적의 답을 찾아가고 있습니다. 이러한 과학적 도전이 지속 가능한 사회를 만드는 든든한 뿌리가 되어, 다음 세대에게 더욱 건강하고 풍요로운 지구를 물려줄 수 있기를 기대합니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[해썰이 있는 과학뉴스] 전 세계를 덮친 기후위기, 밥상을 바꾼다!😼 원인&해결방안을 과학뉴스에서 풀어드립니다👏

최근 물가 상승의 원인으로 기후 위기가 지목되고 있습니다. 단순한 자연재해를 넘어 우리가 매일 마주하는 밥상 물가에 직접적인 타격을 주고 있는 것입니다. 우크라이나 전쟁이나 유가 상승 같은 대외적 요인도 크지만, 급격한 기후 위기로 인한 작물 생산량 감소는 식량 안보의 위협으로 다가오고 있습니다. 기후 위기는 이제 먼 미래의 이야기가 아니라 우리 삶의 가장 기초적인 부분인 먹거리 문제를 흔드는 현실적인 위기가 되었습니다. 기후 위기의 핵심 원인은 대기 중 이산화탄소 농도의 급격한 상승에 있습니다. 1958년 관측 이래 이산화탄소 농도는 꾸준히 높아졌으며, 이는 지구의 에너지 평형을 깨뜨리는 온실효과를 유발합니다. 태양으로부터 받은 에너지가 우주로 적절히 방출되어야 하는데, 온실기체가 이를 막아 지구를 계속 데우는 것입니다. 이러한 에너지 불균형은 결국 지구 온난화로 이어지며 전 세계적인 기후 패턴의 변화를 초래하는 근본적인 원인이 됩니다. 우리나라는 전 세계 평균보다 더 가파른 기온 상승을 겪고 있습니다. 지난 100여 년간 한국의 평균 기온은 약 1.6도 상승했는데, 이는 세계 평균인 1.1도를 크게 웃도는 수치입니다. 기온뿐만 아니라 강수 패턴의 변화도 심각합니다. 전체 강수량은 늘어난 반면 비가 내리는 날수는 줄어들어, 짧은 기간에 폭우가 쏟아지는 현상이 잦아졌습니다. 특히 여름철에 집중되는 극한 강수는 농작물 피해를 키우며 우리 사회의 대응 능력을 시험하고 있습니다. 기후 위기는 작물의 재배 지도를 바꾸고 생태계의 조화를 무너뜨립니다. 제주도의 특산물이었던 한라봉은 이제 내륙에서 재배되고, 사과의 주산지는 점차 북상하여 강원도까지 올라갔습니다. 더 심각한 문제는 꽃이 피는 시기와 꿀벌이 활동하는 시기가 어긋나는 '타이밍 불일치' 현상입니다. 벌의 개체 수가 줄어들고 수분이 제대로 이루어지지 않으면 생산량은 급감하게 됩니다. 이는 결국 병충해 취약성과 유전자 다양성 감소로 이어져 식량 위기를 심화시킵니다. 기후 위기를 극복하기 위해서는 정부와 산업계, 그리고 개인 모두의 노력이 절실합니다. 과학기술을 활용한 지속 가능한 농업 방식을 도입하고, 탄소 배출을 줄이는 친환경 기술의 상용화가 필요합니다. 개인 차원에서는 육류 소비를 줄이는 식습관의 변화나 로컬 푸드 이용 등 일상 속의 작은 실천이 중요합니다. 약간의 불편함을 감수하더라도 지구를 생각하는 인식의 변화가 선행될 때, 우리는 비로소 식량 위기라는 거대한 파도를 넘어설 수 있을 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학
지구환경과학

[카오스+어스] 🌎Live Earth_여러분은 지구에 계속 남겠습니까? by 최덕근, 김웅서, 손석우

지구 내부는 오랫동안 인류에게 신비의 영역이었습니다. 19세기에는 지하 깊은 곳이 모두 녹아있을 것이라 추측하기도 했으나, 20세기 지진파 연구를 통해 지각, 맨틀, 외핵, 내핵이라는 정교한 층상 구조가 밝혀졌습니다. 특히 P파와 S파의 특성 차이는 지구 내부의 액체 층인 외핵의 존재를 확인시켜 주었으며, 이는 지구 자기장 형성의 근원이 됩니다. 우리가 딛고 선 단단한 땅 아래에는 이처럼 역동적인 과학적 진실이 숨겨져 있으며, 이는 지구가 단순한 암석 덩어리가 아님을 시사합니다. 지구의 겉부분은 여러 개의 판으로 나뉘어 끊임없이 이동하며 지표의 모습을 바꿉니다. 이를 판구조론이라 하며, 판들이 서로 멀어지거나 충돌하는 과정에서 거대한 산맥과 깊은 해구가 만들어집니다. 과거의 판게아처럼 대륙이 하나로 모였다가 다시 흩어지는 '윌슨 주기'는 수억 년에 걸쳐 반복됩니다. 이러한 지질학적 순환은 지구가 내부의 열에너지를 동력 삼아 살아 움직이는 거대한 기계임을 증명합니다. 대륙의 이동은 단순한 지형의 변화를 넘어 지구 전체의 환경 변화를 이끄는 중요한 동력이 됩니다. 바다는 지구 표면의 71%를 차지하며 생명체의 탄생과 생존을 책임지는 거대한 자궁과 같습니다. 단순히 수산 자원을 제공하는 것을 넘어, 지구의 기온을 조절하고 막대한 양의 이산화탄소를 흡수하는 정화조 역할을 수행합니다. 특히 조력, 파력, 해상 풍력 등 친환경 에너지를 품고 있는 바다는 인류의 지속 가능한 미래를 위한 핵심 열쇠입니다. 하지만 최근 지구 온난화로 인해 바다의 온도가 상승하면서 해양 생태계 전반에 심각한 위기가 닥치고 있으며, 이는 인류의 생존과도 직결되는 문제입니다. 극지방의 빙하가 녹아내리는 현상은 해수면 상승이라는 직접적인 재앙으로 이어집니다. 남극과 그린란드의 얼음이 모두 녹는다면 해수면은 수십 미터 이상 상승하여 전 세계 연안 도시들을 위협하게 될 것입니다. 또한 따뜻해진 바다는 더 많은 수증기를 증발시켜 과거보다 훨씬 강력한 슈퍼 태풍을 빈번하게 발생시킵니다. 해양의 변화는 단순히 수온의 상승에 그치지 않고, 인류의 거주 환경과 안전을 근본적으로 뒤흔드는 기후 변화의 전초전이 되고 있습니다. 이러한 변화는 생태계의 서식지 파괴로까지 이어집니다. 대기의 온도는 지표에서 멀어질수록 낮아지다가 성층권에 이르면 다시 상승하는 독특한 연직 구조를 가집니다. 과거에는 기구를 타고 직접 하늘로 올라가 이를 관측했으나, 현대에는 GPS 위성 기술을 활용해 상층 대기의 기온과 기압을 정밀하게 측정합니다. 이러한 관측 기술의 발전은 우리가 기후 변화의 양상을 입체적으로 파악할 수 있게 해주었습니다. 하늘은 단순히 비와 바람이 지나는 통로가 아니라, 지구 시스템의 에너지를 순환시키는 정교한 층으로 구성되어 있으며 지표면의 생명체를 보호하는 방패 역할을 합니다. 최근의 기후 변화는 지표면보다 상층 대기에서 더욱 뚜렷한 온난화 신호를 보이고 있습니다. 따뜻해진 공기가 더 많은 수증기를 머금게 되면서 상층 대기의 기온 상승을 가속화하고, 이는 전 지구적인 대기 대순환의 패턴을 변화시킵니다. 제트기류의 흐름이 바뀌고 기후 변동성이 커지면서 우리가 겪는 이상 기후 현상들은 더욱 예측하기 어려운 방향으로 흘러가고 있습니다. 상층 대기의 변화는 결국 지상의 날씨와 직결되며, 지구 전체의 에너지 균형이 무너지고 있음을 경고하는 중요한 지표가 되고 있습니다. 지구는 지권, 수권, 기권, 생물권이 서로 긴밀하게 상호작용하는 하나의 거대한 시스템입니다. 산소의 증가가 생물의 진화를 이끌고, 바다와 숲이 탄소를 흡수하며 기온을 조절하는 과정은 지구가 유기체처럼 작동하고 있음을 보여줍니다. 인류는 과학 기술을 통해 이러한 지구의 메커니즘을 이해하고 위기를 극복해야 할 책임이 있습니다. 기초 과학에 대한 지속적인 관심과 연구만이 푸른 행성 지구를 보존하고 우리 후손들에게 안전한 미래를 물려줄 수 있는 유일한 길임을 잊지 말아야 합니다.

김웅서, 손석우, 최덕근

카오스재단카오스콘서트

지구환경과학

[강연] 인류가 초래한 기후 변화, 예측 가능했는가? _by손석우｜2022 서울대 자연과학 공개강연 '과학 동행' | 2부 ②

지구환경과학은 땅과 바다, 그리고 하늘에서 일어나는 모든 자연 현상을 탐구하는 학문입니다. 특히 매일의 날씨와 기후 변화는 현대 사회에서 가장 중요한 연구 주제로 꼽힙니다. 이러한 흐름 속에서 2021년 노벨 물리학상은 기후 연구의 중요성을 전 세계에 알리는 역사적인 계기가 되었습니다. 세 분의 수상자 중 마나베 슈쿠로 박사와 클라우스 하셀만 박사는 평생을 기상학 연구에 헌신해온 인물들로, 복잡한 기후 시스템을 물리적으로 규명한 공로를 인정받아 영예를 안았습니다. 기상학에 대한 인류의 관심은 고대 그리스 아리스토텔레스의 '메테오롤로지카'에서 시작되었습니다. 이후 19세기 수학자 푸리에는 지구가 왜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는지 정량적으로 계산하기 시작했습니다. 그는 태양 에너지와 복사 에너지의 균형만으로는 현재의 온난한 기온을 설명할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 푸리에는 지구에서 빠져나가는 에너지를 붙잡는 '무언가'가 존재할 것이라는 가설을 세웠고, 이는 훗날 온실 효과라는 개념의 기초가 되었습니다. 푸리에가 예견한 '무언가'의 정체는 화학자 틴들에 의해 밝혀졌습니다. 그는 실험을 통해 대기의 대부분을 차지하는 질소와 산소가 아닌, 아주 적은 양의 이산화탄소와 수증기가 적외선을 흡수한다는 사실을 확인했습니다. 이어 아레니우스 박사는 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지구 기온이 약 6도 정도 상승할 것이라는 정량적 예측을 내놓았습니다. 비록 당시에는 빙하기를 이해하려는 목적이었으나, 이는 온실 기체가 기후를 결정하는 핵심 요소임을 입증한 선구적인 연구였습니다. 마나베 슈쿠로 박사는 이전의 단순한 에너지 균형 모델을 획기적으로 개선했습니다. 그는 복사 에너지뿐만 아니라 공기의 대류와 수증기의 잠열 방출을 복합적으로 고려한 기후 모델을 개발했습니다. 1967년 발표된 그의 연구는 이산화탄소 증가 시 지표면 온도는 상승하고 성층권 온도는 하강한다는 온실 효과의 특성을 명확히 증명했습니다. 특히 그는 40여 년 전에 이미 북극 지역에서 가장 강한 온난화가 나타날 것임을 예측했는데, 이는 오늘날 우리가 목격하고 있는 현실과 놀라울 정도로 일치합니다. 클라우스 하셀만 박사는 날씨와 기후의 상관관계를 이론적으로 규명하고, 기후 변화의 원인을 탐지하는 '기후 지문법'을 제안했습니다. 이는 현재 나타나는 기후 변화가 자연적인 변동인지, 아니면 인류의 활동에 의한 것인지를 통계적으로 구분하는 방법론입니다. 그의 연구 덕분에 과학자들은 지난 100여 년간의 기온 상승이 화산 폭발이나 태양 활동 같은 자연적 요인이 아닌, 인간이 배출한 온실 기체 때문라는 사실을 명백하게 입증할 수 있게 되었습니다. 최신 IPCC 보고서는 지구 온난화가 인간에 의한 것임이 '명백하다'는 표현으로 단정 짓고 있습니다. 산업화 이전 대비 지구 평균 기온은 이미 약 1.09도 상승했으며, 이로 인해 전례 없는 기상 이변이 속출하고 있습니다. 미래 기후 시나리오에 따르면, 우리가 탄소 중립을 달성하더라도 과거의 기온으로 완전히 돌아가는 것은 불가능에 가깝습니다. 하지만 2050년까지 탄소 중립에 성공한다면 기온 상승 폭을 1.5도 이내로 억제하여 최악의 재앙은 막을 수 있다는 희망적인 분석도 공존합니다. 기후 변화 연구는 단순한 지적 호기심에서 시작되어 이제는 인류의 생존이 걸린 절박한 과제가 되었습니다. 노벨상 수상자들은 입을 모아 과학적 근거에 기반한 빠른 행동을 촉구하고 있습니다. 문제가 닥친 후에야 대응하는 것이 아니라, 이미 확보된 과학적 데이터를 바탕으로 지금 당장 변화를 만들어내야 한다는 것입니다. 기후 위기는 더 이상 남의 이야기가 아닌 우리 모두의 이야기이며, 다음 세대를 위해 우리가 반드시 관심을 가지고 해결해야 할 시대적 사명입니다.

손석우

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학

[강연] 제29회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학동행'2 by정현석, 손석우 l 서울대학교&카오스재단 | 2부

자연과학은 우리가 발을 딛고 있는 이 세계의 본질을 탐구하는 여정입니다. 2022년 UN이 지정한 '세계 기초과학의 해'를 맞아 진행된 이번 논의는 '과학과의 동행'이라는 주제 아래 기초과학의 가치를 재조명합니다. 미지의 영역을 향해 끊임없이 질문을 던지는 과정 자체가 인류에게 가장 소중한 가치가 됩니다. 이러한 탐구는 당장의 경제적 이득을 목적으로 하지 않더라도, 결국 인간의 본성에 부합하며 인류 전체에 유익한 결과를 가져다주는 밑거름이 됩니다. 우리가 아는 것보다 모르는 것이 훨씬 더 많다는 사실을 인정하는 데서 진정한 과학적 진보가 시작됩니다. 양자역학은 현대 물리학에서 가장 비직관적이면서도 매혹적인 분야로 꼽힙니다. 빛이 입자인지 파동인지에 대한 오랜 논쟁은 양자역학의 탄생과 함께 새로운 국면을 맞이했습니다. 단일 광자는 반거울을 통과할 때 어느 한 경로를 선택하는 입자처럼 행동하면서도, 관측되지 않을 때는 두 경로를 동시에 지나는 파동처럼 간섭 현상을 일으킵니다. 이러한 '양자 중첩' 상태는 우리가 일상에서 경험하는 논리적 범주를 뛰어넘습니다. 관측하는 순간 상태가 결정되는 이 기묘한 현상은 미시 세계의 기본 원리이며, 우리가 보지 않을 때 자연이 어떻게 행동하는지에 대한 심오한 통찰을 제공합니다. 양자 중첩의 개념을 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘'이라는 더욱 놀라운 현상에 도달합니다. 멀리 떨어져 있는 두 입자가 서로의 상태를 즉각적으로 결정하는 이 현상은 아인슈타인이 '유령 같은 원거리 작용'이라 부르며 의구심을 표했을 만큼 파격적이었습니다. 그러나 벨의 부등식 실험을 통해 국소적 실재론의 한계가 증명되면서, 우리는 이제 우주가 근본적으로 서로 얽혀 있다는 사실을 받아들이게 되었습니다. 이는 단순히 물리적 현상을 넘어 우리의 세계관을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이러한 양자적 상관관계는 현대 정보 기술의 패러다임을 바꿀 핵심 자원으로 주목받고 있습니다. 양자 기술을 현실에 구현하기 위한 과학자들의 노력은 '결어긋남'과의 전쟁이라 할 수 있습니다. 거시 세계의 물체는 외부 환경과 끊임없이 상호작용하며 양자적 특성을 쉽게 잃어버리기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 온도를 극도로 낮추거나 우주 공간을 활용하는 등 다양한 시도가 이어지고 있습니다. 0과 1의 중첩을 이용하는 '큐비트' 기반의 양자 컴퓨터와 도청이 불가능한 양자 암호 통신은 이미 실험실을 넘어 실용화의 단계로 나아가고 있습니다. 비록 완벽한 양자 컴퓨터의 시대까지는 시간이 필요하겠지만, 잡음이 존재하는 현재의 기술 수준에서도 고전 컴퓨터가 풀지 못하는 난제들을 해결하려는 도전은 계속됩니다. 기후 변화는 이제 단순한 변화를 넘어 인류의 생존을 위협하는 '기후 위기'의 시대로 접어들었습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후 과학자들에게 수여된 것은 이 분야가 정통 물리학의 중요한 한 축임을 전 세계에 공표한 사건이었습니다. 기후에 대한 탐구는 19세기 푸리에의 에너지 균형 연구와 틴들의 온실 기체 발견에서 시작되어 아레니우스의 정량적 분석으로 이어졌습니다. 이들은 지구가 왜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는지, 그리고 이산화탄소 농도가 기온에 어떤 영향을 미치는지에 대한 과학적 토대를 마련했습니다. 이러한 선구적인 연구들은 현대 기후 모델링의 출발점이 되었습니다. 현대 기후 과학은 정교한 컴퓨터 모델을 통해 지구의 미래를 예측합니다. 마나베 박사가 개발한 기후 모델은 대류와 복사 에너지의 상호작용을 물리 법칙으로 구현하여 온실 효과를 증명해 냈습니다. 또한 하셀만 박사가 제안한 '지문법'은 최근의 급격한 온난화가 자연적인 변동이 아닌 인류의 활동에 의한 것임을 통계적으로 명백히 규명했습니다. 현재 북극의 빙하가 녹고 기상 이변이 속출하는 현상은 수십 년 전 과학자들이 모델을 통해 예견했던 결과와 놀라울 정도로 일치합니다. 이는 기후 위기가 막연한 추측이 아니라 엄밀한 과학적 근거에 기반한 현실임을 시사합니다. 과학은 불확실한 미지의 영역을 확실한 지식의 영역으로 옮겨오는 인류의 가장 강력한 도구입니다. 양자 세계의 비밀을 파헤쳐 기술의 한계를 돌파하고, 기후 모델을 통해 지구의 위기를 진단하는 과정은 모두 미래 세대와의 지속 가능한 동행을 위한 노력입니다. 이제는 과학적 발견을 넘어 실천적인 행동이 필요한 시점입니다. 탄소 중립을 향한 국가적 대응과 더불어, 과학의 본질을 이해하고 그 가치를 공유하는 공동체의 노력이 뒷받침되어야 합니다. 과학자들의 끊임없는 질문과 도전이 계속되는 한, 우리는 더 나은 미래를 향한 희망의 실마리를 놓지 않을 것입니다.

손석우, 정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학
지구환경과학

[인터뷰] 국종성_낯선 지구 : 다시는 예전의 지구로 돌아갈 수 없다!

기후변화 연구는 단순히 데이터를 분석하는 즐거움을 넘어 이제는 우리 사회가 직면한 가장 중대한 도전 과제가 되었습니다. 25년 넘게 기후를 연구해 온 학자로서 초기에는 가설이 증명될 때 느끼는 학문적 카타르시스와 전율에 집중했다면, 이제는 연구자로서의 사회적 책임감을 깊이 통감하고 있습니다. 대중과 소통하며 기후 위기의 심각성을 알리는 과정에서, 개인적인 연구의 재미와 사회적 필요성 사이의 균형을 맞추는 것이 얼마나 중요한지 깨닫게 된 것입니다. 최근 기후학계에서 주목하는 화두 중 하나는 바로 '기후 임계점'입니다. 이는 지구온난화가 진행되면서 기후가 서서히 변하다가 특정 지점에 도달하면 걷잡을 수 없이 급격하게 변화하는 현상을 의미합니다. 임계점을 넘어선 이후의 기후가 어떤 방향으로 흐를지는 현재의 과학적 지식으로도 정확히 예측하기 어렵습니다. 영화 속 장면처럼 갑작스러운 빙하기가 찾아오거나 울창한 숲이 순식간에 사막으로 변하는 등, 지구가 전혀 다른 환경으로 변모할 수 있다는 사실은 우리에게 큰 경각심을 줍니다. 이산화탄소 증가가 지구에 미치는 영향은 단순히 온실효과에 그치지 않습니다. 식물은 이산화탄소 농도가 높아지면 기공을 적게 열어 수분 증발을 억제하는데, 이는 지면의 온도를 조절하는 증발산 작용을 방해하여 온도를 더욱 높이는 결과를 초래합니다. 이러한 복합적인 기후 시스템을 연구하기 위해 과학자들은 가상의 지구인 '기후 모형'을 활용합니다. 실제 지구를 대상으로 함부로 실험할 수 없기에, 정교한 수학적 모델과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미래 기후를 예측하고 대응책을 마련하는 것입니다. 우리가 탄소 중립을 실현하여 대기 중 농도를 낮춘다 하더라도 지구가 과거의 안정적인 상태를 회복할 것이라는 보장은 없습니다. 최근의 학술적 성과들은 지구가 원래의 궤도가 아닌 전혀 새로운 환경적 평형 상태로 진입할 가능성을 경고하고 있습니다. 이는 현재 우리가 산정하는 기후 대응 비용에 미래의 영구적인 손실분까지 포함해야 한다는 경제적, 윤리적 함의를 담고 있습니다. 기후변화가 남기는 흔적은 인류의 예상보다 훨씬 깊고 오래 지속될 수 있음을 잊지 말아야 합니다. 과학 연구는 단거리 경주가 아닌 마라톤과 같습니다. 젊은 연구자들이 처음의 열정을 잃지 않고 꾸준히 나아가기 위해서는 체력 관리와 마음의 여유가 필수적입니다. 밤을 새워 연구에 매진하는 것보다 규칙적인 운동과 다양한 활동을 통해 창의성을 유지하는 것이 장기적으로 더 큰 성과를 내는 비결입니다. 조급함을 버리고 작은 성공들을 쌓아가며 자신만의 페이스를 유지할 때, 비로소 기후 위기라는 거대한 장벽을 넘을 수 있는 혁신적인 해답을 찾고 지속 가능한 연구를 이어갈 수 있을 것입니다.

국종성

카오스재단석학인터뷰

지구환경과학

[명강리뷰] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강

기후 변화는 이제 우리에게 익숙한 주제이지만, '티핑 포인트'라는 개념은 여전히 생소하게 다가옵니다. 영화 '설국열차'나 '인터스텔라'에서 묘사된 극한의 환경은 단순한 상상력의 산물처럼 보이지만, 사실 이는 지구가 임계점을 넘었을 때 마주할 수 있는 현실적인 경고이기도 합니다. 산업혁명 이후 인류는 전례 없는 지구 온난화를 겪고 있으며, 이는 단순한 기온 상승을 넘어 지구 시스템 전체의 균형을 흔들고 있습니다. 우리가 상상하지 못했던 낯선 지구의 모습은 먼 미래의 이야기가 아니라, 현재 우리가 내리는 선택에 따라 결정될 눈앞의 현실입니다. 해수면 상승은 기후 변화의 가장 가시적인 위협 중 하나입니다. 지난 100년 동안 전 지구 평균 해수면은 약 20 cm 상승했으며, 일부 지역에서는 이미 기후 난민이 발생하고 있습니다. 단순히 물의 열팽창만 고려하더라도, 평균 깊이가 4,000 m에 달하는 거대한 바다는 단 1%의 팽창만으로도 40 m의 해수면 상승을 불러올 수 있습니다. 여기에 남극의 빙하가 모두 녹는 최악의 시나리오가 더해지면 해수면은 120 m 이상 높아질 수 있습니다. 이는 과거 빙하기에 서해가 육지였던 것처럼, 지구의 지도를 완전히 바꿀 수 있는 거대한 변화입니다. 현재의 지구 온난화를 주도하는 주범은 단연 이산화탄소입니다. 과거 2,000년 동안의 기록을 살펴보면 온실가스 농도는 일정하게 유지되다가 산업혁명 이후 급격한 'J'자형 상승 곡선을 그립니다. 인구 증가 추세와 이산화탄소 농도 변화가 일치한다는 사실은 현재의 기후 변화가 인간 활동에 의한 것임을 명확히 보여줍니다. 우리는 인류 역사상 처음으로 이산화탄소 농도 400 ppm 시대를 살고 있으며, 이는 지구가 자연적으로 조절할 수 있는 범위를 넘어서고 있음을 시사합니다. 온실 효과는 생존에 필수적이지만, 과도한 농도는 지구의 열 균형을 파괴합니다. 기후 시스템에는 변화를 증폭시키는 '양의 피드백'이라는 공범이 존재합니다. 기온이 오르면 대기가 더 많은 수증기를 머금어 온실 효과가 커지고, 북극의 얼음이 녹으면 태양 빛을 반사하는 알베도가 낮아져 지구 온난화가 가속됩니다. 최근 연구에 따르면 북극의 식물성 플랑크톤 증가조차 태양 에너지를 더 많이 흡수하여 온도를 높이는 피드백으로 작용합니다. 이처럼 다양한 피드백 기제들은 이산화탄소가 직접 올리는 온도보다 훨씬 더 큰 폭의 기온 상승을 유도합니다. 우리가 아직 발견하지 못한 피드백들이 존재할 수 있다는 점은 기후 변화의 불확실성과 위험성을 더욱 높입니다. 기후 변화의 티핑 포인트는 작은 충격이 거대한 붕괴로 이어지는 임계점입니다. 영구 동토층이 녹아 이산화탄소보다 온실 효과가 강력한 메탄이 대량 방출되면, 인류의 통제를 벗어난 급격한 기후 변화가 시작될 수 있습니다. 이를 우리 몸에 비유하자면 점진적인 지구 온난화는 '비만'이고, 급격한 변화는 '중병'과 같습니다. 비만일 때 식단과 운동으로 관리하지 않으면 결국 치명적인 질병에 걸리듯, 지금이 바로 우리의 생활 패턴과 에너지 정책을 전환해야 할 마지막 기회입니다. 현재의 안정적인 기후를 지켜내는 것은 미래 세대를 위한 가장 시급한 과제입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[질문Q] 인류세라는 위협 _지구의 미래는 '금성'입니다! l 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 l 인류세, 지구의 미래를 걱정한다

인류세라는 용어는 인간의 활동으로 인해 지구 환경이 현격하게 변화하고 있음을 상징합니다. 19세기 지질학자 찰스 라이엘이 홀로세를 제안했을 때 인류의 멸종을 전제하지 않았듯, 인류세 논의 역시 반드시 파국을 의미하는 것은 아닙니다. 다만 과거의 지질 시대들이 대멸종으로 끝났던 역사가 있기에, 현재의 급격한 변화가 인류에게 위협이 될 수 있다는 경고의 메시지로 받아들여야 합니다. 지질학적 기록 속에 이미 지난 200년의 흔적이 뚜렷하게 남겨져 있다는 사실은 우리가 처한 상황의 엄중함을 잘 보여줍니다. 현재 지구 온난화 대응의 핵심은 기온 상승을 2도 이내로 억제하는 것입니다. 이는 단순히 날씨가 더워지는 것을 막는 차원을 넘어, 빙하가 돌이킬 수 없이 녹아내리는 임계점을 넘지 않기 위한 절박한 노력입니다. 만약 육상의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 60미터 이상 상승하게 되며, 이는 인류 문명에 감당하기 힘든 재앙이 될 것입니다. 따라서 우리는 기온 상승의 속도를 늦추고 생태계가 적응할 수 있는 시간을 벌어야 합니다. 위기를 극복하고 지속 가능한 시대를 만들기 위한 완화 전략이 그 어느 때보다 절실한 시점입니다. 지구 온난화가 통제 불능의 상태에 빠진다면 우리의 미래는 금성과 닮은 모습이 될지도 모릅니다. 금성은 현재 90기압에 달하는 두꺼운 이산화탄소 대기로 인해 표면 온도가 500도에 육박하는 지옥 같은 환경입니다. 과거에는 금성도 생명체 거주 가능 구역에 속해 있었으나, 온실효과가 가속화되면서 바다와 암석 속의 탄소가 대기로 방출되어 현재의 모습이 되었습니다. 지각의 수분이 증발하여 판구조 운동이 멈추고 탄소 순환이 중단되는 파국적 시나리오는, 인위적인 이산화탄소 배출이 초래할 수 있는 가장 극단적이고도 경계해야 할 미래상입니다. 과거 지구 역사에는 '영거 드라이아스'라 불리는 급격한 기온 하강기가 존재했습니다. 빙하가 녹은 민물이 대량으로 북대서양에 유입되면서 해류의 순환이 멈추고, 온난화되던 지구가 다시 추위로 돌아섰던 사건입니다. 영화 '투모로우'의 과학적 배경이 되기도 한 이 현상은 기후 시스템의 복잡성과 취약성을 동시에 보여줍니다. 현재 우리가 겪는 변화의 가장 큰 문제는 그 속도가 과거의 자연적인 주기보다 훨씬 빠르다는 점입니다. 이러한 급격한 변화는 생물권의 적응 능력을 시험하며, 인류가 멸종에 대한 공포를 느끼게 만드는 근본적인 원인이 되고 있습니다. 기후 위기는 자연과학의 영역을 넘어 정치, 경제, 외교가 복잡하게 얽힌 인류 공동의 과제입니다. 몬트리올 의정서를 통해 오존층 파괴 문제를 해결해 나갔던 것처럼, 교토 의정서와 파리 협정은 지구를 보호하기 위한 국제 사회의 중요한 합의입니다. 비록 각국의 이해관계에 따라 험난한 과정이 예상되지만, 정치적 합의와 더불어 개개인의 실천적 노력이 반드시 병행되어야 합니다. 과학자들의 연구와 공학적 해결책, 그리고 대중의 지속적인 관심이 합쳐질 때 비로소 우리는 인류세의 위기를 지혜롭게 극복하고 다음 세대에게 안전한 지구를 물려줄 수 있을 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 기후학자가 노벨물리학상을 수상한 이유? by 국종성 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 2강

기후 연구는 단순히 대기와 해양의 물리적 현상을 관찰하는 지구과학의 영역을 넘어, 이제는 식물의 호흡과 같은 생태적 요소까지 고려하는 거대한 융합 학문으로 진화했습니다. 우리가 살고 있는 지구에 대한 깊은 호기심과 관심을 가진 사람이라면 누구나 이 여정에 동참할 수 있습니다. 특히 현대 기후학은 다양한 학문적 배경을 가진 이들이 모여 복잡한 지구 시스템을 다각도로 분석하는 융합적 사고를 요구합니다. 이러한 통합적 접근은 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 해결하는 데 필수적인 토대가 되며, 미래의 기후학자들에게 가장 필요한 덕목이기도 합니다. 소중한 지구를 대상으로 직접적인 실험을 할 수 없기에, 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상의 지구인 '기후 모형'을 만듭니다. 이는 지구의 물리적 과정을 정교한 수학적 방정식으로 표현하여 미래의 변화를 진단하는 도구입니다. 전 지구를 격자로 쪼개어 수천만 개의 미분 방정식을 푸는 이 과정에는 엄청난 성능의 슈퍼컴퓨터가 동원됩니다. 10만 줄 이상의 복잡한 코드로 이루어진 기후 모형은 인류가 지구 시스템을 이해하고 미래의 기후 위기에 대비하기 위해 수십 년간 개발해 온 정교한 과학적 산물이자, 미래를 내다보는 창과 같습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후학자들에게 수여된 사건은 과학계에 큰 영감을 주었습니다. 이는 기후 시스템이 물리학적으로 매우 정교한 복잡계임을 인정함과 동시에, 기후 위기가 인류가 직면한 가장 시급하고 거대한 위협이라는 강력한 메시지를 담고 있습니다. 노벨 재단은 지구 온난화를 물리적으로 모델링하고 그 변동성을 정량화하여 신뢰할 수 있는 예측을 가능하게 한 공로를 높이 평가했습니다. 이는 기후학이 현대 물리학의 중요한 한 축으로서 인류의 생존과 직결된 학문임을 공표한 것이며, 우리가 당장 실천해야 할 과제임을 일깨워주는 상징적인 사건입니다. 슈쿠로 마나베 교수는 1960년대에 이미 세계 최초로 3차원 대기 대순환 모형을 개발하며 현대 기후 예측의 기틀을 마련했습니다. 그는 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지표 온도가 약 2.4℃ 상승할 것이라는 놀라운 예측을 내놓았는데, 이는 수십 년 뒤의 현대적 관측치와도 매우 유사합니다. 특히 이산화탄소 증가 시 성층권 온도가 하락할 것이라는 그의 통찰은 훗날 실제 관측을 통해 증명되었습니다. 이는 기후 변화가 태양 활동의 변화가 아닌, 인간 활동에 의한 온실가스 배출 때문임을 밝히는 결정적인 과학적 근거가 되어 회의론자들의 주장을 잠재웠습니다. 클라우스 하셀만 교수는 무질서해 보이는 날씨의 변동 속에서 어떻게 장기적인 기후 예측이 가능한지에 대한 해답을 제시했습니다. 그는 대기의 빠른 변화가 해양과 같은 느린 시스템에 축적되는 과정을 수학적으로 증명하며 기후 예측의 토대를 마련했습니다. 이는 아인슈타인의 브라운 운동 개념을 기후 연구에 적용한 혁신적인 시도였습니다. 해양과 대기가 서로 시그널을 주고받으며 엘니뇨와 같은 거대한 기후 흐름을 만들어내는 과정을 이해하게 됨으로써, 인류는 무작위적인 날씨의 소음 속에서도 기후라는 거대한 질서의 방향성을 읽어낼 수 있게 되었습니다. 하셀만 교수의 또 다른 위대한 업적은 기후 변화의 원인을 규명하는 '최적 지문법'을 개발한 것입니다. 이는 관측된 기후 패턴 중에서 인간 활동에 의한 영향을 정밀하게 찾아내는 기술입니다. 최근 빈번해진 이상 기후가 단순한 자연적 변동인지, 아니면 인위적인 온난화 때문인지를 과학적으로 판별할 수 있게 된 것입니다. 이러한 연구는 기후 변화의 확률적 위험성을 정량화하여 정책 결정자들이 방파제 높이를 조절하거나 탄소 중립 전략을 세우는 데 실질적인 데이터를 제공합니다. 즉, 과학이 사회적 의사결정에 기여할 수 있는 강력한 도구를 마련해 준 셈입니다. 노벨상 수상은 기후 연구의 끝이 아니라 인류에게 주어진 새로운 숙제의 시작을 의미합니다. 우리는 여전히 지구 시스템의 임계점이 어디인지, 탄소 중립 이후 지구가 과거의 상태로 회복될 수 있는지에 대해 명확한 답을 찾고 있습니다. 급격한 기후 변화에 따른 생태계의 반응과 지구가 받는 지속적인 기후 스트레스는 우리가 앞으로 풀어야 할 거대한 수수께끼입니다. 기후학자들이 닦아놓은 과학적 토대 위에서, 이제는 전 인류가 지혜를 모아 지구의 지속 가능한 미래를 위한 실천적인 해답을 찾아나가야 합니다. 이번 수상은 그 여정을 독려하는 인류의 응원과도 같습니다.

국종성

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

지구환경과학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 2021 노벨 물리학상

2021년 노벨 물리학상은 매우 이례적인 구성을 보여주었습니다. 수상자 세 명 중 두 명이 기상학자였으며, 이는 노벨 물리학상 역사상 기상학 분야가 처음으로 인정받은 사례로 기록되었습니다. 슈쿠로 마나베와 클라우스 하셀만은 기후 모델링을 통해 지구 온난화를 과학적으로 증명했고, 조르조 파리시는 복잡계 이론을 정립한 공로를 인정받았습니다. 이들의 연구는 서로 다른 분야처럼 보이지만, 복잡하고 무질서한 시스템을 이해하려는 물리학적 노력이 기후라는 거대한 체계에 어떻게 적용될 수 있는지를 잘 보여줍니다. 슈쿠로 마나베 교수는 지구 대기 중 이산화탄소 농도 증가가 지표면 온도 상승으로 이어지는 과정을 수학적 모델로 규명했습니다. 그는 이산화탄소 농도가 두 배가 될 때 지표면 온도가 약 2.36도 상승할 것이라는 시나리오를 제시했는데, 이는 당시 관측 데이터가 부족한 상황에서 이루어진 혁신적인 예측이었습니다. 이후 50년 동안 축적된 실제 관측 결과가 그의 모델과 놀라울 정도로 일치함이 밝혀지면서, 막연하게만 느껴졌던 온실효과를 과학적 수치로 증명해낸 그의 공로가 다시금 주목받게 되었습니다. 클라우스 하셀만 교수는 복잡한 기상 현상 속에서 인위적 요인이 기후에 미치는 영향을 정밀하게 추적하는 모델을 개발했습니다. 그는 자연적인 변동성과 인위적 요인을 명확히 구분해내는 데 성공했습니다. 산업화 이후의 지표면 온도 상승 데이터가 자연적인 변화만으로는 설명되지 않으며, 인위적 요인에 의한 온실효과를 포함했을 때만 실제 관측값과 일치한다는 사실을 입증한 것입니다. 그의 연구는 현재 기후 변화 대응의 핵심 자료인 IPCC 보고서의 근간이 되었으며, 인류가 기후 위기의 주범임을 과학적으로 확증했습니다. 조르조 파리시 교수는 통계 물리학의 관점에서 '복잡계 이론'을 구체화했습니다. 그는 유리와 같이 고체와 액체의 중간 성질을 지닌 물질을 이해하기 위해 '스핀 글라스'라는 시스템을 제안했습니다. 입자들이 서로의 배열 조건에 부딪혀 질서를 찾지 못하고 갈등하는 상태를 '쩔쩔매는 상태(Frustrated)'라고 정의하며, 무질서 속에서도 숨겨진 규칙성을 찾아내는 수학적 틀을 마련했습니다. 이러한 복잡계 연구는 단순히 물리적 입자를 넘어 단백질 구조 분석이나 사회 현상 예측 등 다양한 분야에 응용되며 현대 과학의 지평을 넓혔습니다. 이번 노벨 물리학상 수상은 기후 위기가 인류에게 얼마나 시급하고 중요한 과제인지를 다시 한번 일깨워줍니다. 과학자들이 당면한 문제를 해결하기 위해 쏟은 수십 년의 노력이 결국 인류의 생존을 위한 이정표가 된 것입니다. 복잡한 세상을 이해하려는 순수한 탐구심이 기후 변화라는 거대한 난제를 해결하는 열쇠가 되었듯, 기초 과학의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 우리 앞에 놓인 불확실한 미래를 과학적 근거를 바탕으로 예측하고 대비하는 일은 이제 선택이 아닌 필수적인 시대적 사명이 되었습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
지구환경과학

[인터뷰] 박선영_ 물리, 화학, 빅데이터 처리 등등. 대기화학 하시면 다 알려드립니다! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

지구시스템과학의 세계는 알면 알수록 시야가 확장되는 매력적인 분야입니다. 해양학에서 시작해 화학해양학을 거쳐 대기화학으로 연구 범위를 넓혀가는 과정은 자연스러운 호기심의 발로였습니다. 특히 바닷물 속에 녹아 있는 미량 기체를 분석하던 경험은 대기 중 성분에 대한 관심으로 이어졌습니다. 데이터 하나를 얻기 위해 무거운 물을 직접 펌프질하던 고된 과정은 더 가볍고 역동적인 대기 성분을 연구하게 된 계기가 되기도 했습니다. 이러한 우연한 계기들이 모여 지구의 미래를 탐구하는 과학자의 길을 걷게 하며, 열정적인 탐구 정신을 유지하게 만드는 원동력이 됩니다. 과학자에게 가장 필요한 덕목 중 하나는 기존의 지식에 안주하지 않고 끊임없이 의심하는 유연한 사고입니다. 애덤 그랜트의 저서 『싱크 어게인』에서 강조하듯, 과학자처럼 사고한다는 것은 가설을 세우고 데이터를 통해 이를 검증하며 오류의 가능성을 열어두는 것을 의미합니다. 이미 확립된 이론이나 선배 연구자들의 결과물에서 자유로워지는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 하지만 사고의 유연성을 바탕으로 '다시 생각하기'를 실천할 때, 우리는 비로소 진정한 과학적 진실에 한 걸음 더 다가갈 수 있으며, 이는 모든 연구자가 지녀야 할 태도이기도 합니다. 대기화학은 공기 중에 오래 머물며 전 지구적 기후와 오존층에 영향을 미치는 성분들을 주로 다룹니다. 이를 제대로 이해하기 위해서는 물리적 역학을 통해 대기의 움직임을 파악하고, 화학적 지식으로 성분의 생성과 소멸 과정을 추적해야 합니다. 최근에는 미생물과의 상관관계나 빅데이터 처리, 정밀 센서 개발 등 다양한 학문적 융합이 요구되고 있습니다. 이러한 다각적인 접근은 지역적인 환경 문제를 넘어 지구 전체의 대기 환경 변화를 예측하고 대응하는 데 필수적인 기초가 되며, 연구자들에게 폭넓은 학문적 시야와 전문성을 요구합니다. 제주 고산 관측소는 동아시아 대기 환경을 감시하는 중요한 거점입니다. 이곳에서는 프레온 가스를 포함한 다양한 할로겐 화합물과 온실기체를 정밀하게 분석하여 이들의 이동과 변화를 추적합니다. 특히 2010년 몬트리올 의정서에 의해 전 세계적으로 사용이 금지된 프레온 가스의 배출량이 최근 다시 증가했다는 사실을 밝혀낸 것은 큰 성과였습니다. 과학자들은 끈질긴 관측과 분석을 통해 이러한 불법 배출의 근원지가 동아시아 지역임을 규명하며 국제적인 환경 규제의 이행을 촉구하고 지구 대기를 보호하기 위한 파수꾼 역할을 수행하고 있습니다. 우리가 연구하는 오존층 파괴 물질들은 대부분 강력한 온실기체이기도 합니다. 따라서 이들을 규제하는 것은 오존층 회복뿐만 아니라 지구 온난화로 인한 이상 기후 현상을 억제하는 데도 결정적인 역할을 합니다. 실제로 국제 협약을 통한 지속적인 노력이 이산화탄소에 비견될 만큼의 복사 강제력 감소 효과를 거두었다는 연구 결과도 존재합니다. 앞으로는 지상 관측을 넘어 인공위성과 항공기를 활용한 입체적인 연구를 통해, 지구 대기를 보호하기 위한 긴 호흡의 여정을 성실하게 이어 나가야 할 것입니다. 이는 미래 세대를 위한 과학자의 사명이기도 합니다.

박선영

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[그림으로 보는 과학뉴스] 금성에서 생명체 흔적 발견했다.

최근 금성의 구름층에서 생명체의 흔적일 수 있는 포스핀이 다량 발견되었다는 소식이 전해졌습니다. 포스핀은 인과 수소의 화합물로, 주로 산소가 부족한 환경에서 미생물에 의해 생성되는 물질입니다. 지구에서는 호수 밑바닥이나 동물의 내장 등에서 발견되곤 합니다. 이러한 물질이 금성에서 포착되었다는 사실은 그동안 생명체가 존재하기 어려울 것이라고 여겨졌던 금성에 대한 인류의 시각을 완전히 뒤바꿔 놓는 계기가 되었습니다. 이번 발견은 영국 카디프 대학 연구진의 분석을 통해 세상에 알려지게 되었습니다. 그동안 인류의 탐사 노력은 주로 화성에 집중되어 왔습니다. 하지만 과거 냉전 시대 소련은 '베네라 프로젝트'를 통해 금성 탐사에 주력하며 수많은 탐사선을 보낸 바 있습니다. 당시 탐사선들은 금성의 가혹한 환경 때문에 착륙 후 불과 수십 분 만에 작동을 멈추기도 했습니다. 화성이 미국 주도의 탐사로 익숙한 곳이라면, 금성은 인류가 일찍이 도전했으나 그 척박함으로 인해 한동안 관심에서 멀어졌던 미지의 영역이라 할 수 있습니다. 1960년대부터 80년대까지 이어진 끈질긴 탐사 역사가 이를 증명합니다. 금성은 이산화탄소가 대기의 90% 이상을 차지하여 강력한 온실효과가 발생하는 곳입니다. 표면 온도는 460도가 넘고, 대기 중에는 물 대신 황산 비가 내리는 지옥과 같은 환경을 갖추고 있습니다. 자전 속도가 공전보다 느려 낮과 밤의 구분이 모호하며, 두꺼운 구름층이 열을 가두어 행성 전체가 거대한 보온막에 싸여 있는 형국입니다. 이러한 고온 고압의 환경은 지구 기준의 생명체가 생존하기에는 불가능에 가까운 조건으로 보입니다. 수증기 함유량도 극히 적어 생명체의 필수 요소인 물을 찾기란 매우 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 포스핀의 발견이 열광적인 반응을 이끌어내는 이유는 이 물질이 강력한 '생명 표지자'이기 때문입니다. 포스핀은 자연적인 화학 공정만으로는 금성과 같은 환경에서 생성되기 매우 어렵습니다. 따라서 이 가스가 존재한다는 것은 우리가 알지 못하는 미생물의 활동이 대기 중에서 일어나고 있을 가능성을 시사합니다. 극한의 환경에서도 생명 활동이 이어질 수 있다는 가설은 외계 생명체 탐사의 범위를 획기적으로 넓혀줍니다. 이는 단순한 가스 검출을 넘어 생명 존재의 가능성을 타진하는 중요한 지표가 됩니다. 흥미로운 점은 이번 발견이 외계 행성의 생명 흔적을 찾기 위한 기술 테스트 과정에서 우연히 이루어졌다는 것입니다. 연구진은 전파 망원경의 성능을 확인하기 위해 가장 가까운 이웃 행성인 금성을 관측 대상으로 삼았고, 예상치 못한 결과를 얻었습니다. 이는 과학적 발견이 때로는 철저한 계획보다 호기심 어린 시도와 우연을 통해 찾아온다는 사실을 보여줍니다. 이번 발견을 기점으로 금성은 다시금 우주 생물학의 중심지로 떠오르고 있으며, 향후 더 정밀한 탐사가 이어질 것으로 기대됩니다.

국립과천과학관

생명과학
지구환경과학
천문학

[강연] 생명을 품은 행성으로 살아남기 by이정은｜2020 서울대 자연과학 공개강연 '과학으로 살아남기' | 3강

우주는 광활하지만 생명체가 존재한다고 알려진 곳은 현재까지 지구가 유일합니다. 2019년 노벨 물리학상이 외계 행성 발견자들에게 수여된 것은 인류가 생명의 기원을 찾으려는 열망이 얼마나 큰지를 잘 보여줍니다. 우리는 태양계 너머 수많은 행성계가 존재함을 알게 되었고, 그 속에서 지구와 같은 환경을 가진 행성을 찾기 위해 끊임없이 탐구하고 있습니다. 이러한 탐구는 결국 우리 지구가 어떻게 생명을 품은 행성으로 살아남았는지에 대한 근원적인 질문으로 이어지며, 우주적 관점에서 우리의 존재를 다시금 돌아보게 합니다. 지구는 우리 은하 중심에서 약 2만 7천 광년 떨어진 변두리에 위치하며, 이는 생명 탄생에 매우 유리한 조건입니다. 은하 중심의 위험한 환경을 피해 평범하고 안정적인 태양이라는 별 옆에 자리 잡았기 때문입니다. 태양은 너무 밝지도 무겁지도 않아 약 100억 년이라는 긴 수명을 가졌으며, 이는 지구가 생명을 잉태하고 지적 존재로 진화할 수 있는 충분한 시간을 제공했습니다. 광활한 우주 속에서 지구는 아주 작은 점에 불과하지만, 그 위치와 시간적 배경은 생존을 위한 완벽한 조화를 이루며 우리가 오늘날 이곳에 존재할 수 있게 했습니다. 태양계의 여덟 개 행성 중 오직 지구에만 생명이 존재하는 핵심적인 이유는 표면에 액체 상태의 물이 있기 때문입니다. 천문학자들은 별 주위에서 물이 액체로 존재할 수 있는 영역을 '생명 서식 지대'라고 부릅니다. 케플러 미션을 통해 수천 개의 외계 행성을 발견하며 지구와 닮은 환경을 찾으려 노력했지만, 단순히 위치만으로는 생명의 존재를 확신할 수 없습니다. 금성이나 화성처럼 같은 서식 지대에 있더라도 행성마다 각기 다른 물리적 조건에 따라 생명체의 거주 가능 여부가 극명하게 갈리기 때문이며, 이는 지구만의 특별한 조건을 연구해야 하는 이유가 됩니다. 행성이 형성되는 과정에서 '설선(Snow Line)'은 행성의 크기와 성분을 결정하는 중요한 경계가 됩니다. 이 경계 안쪽에서는 열에 의해 얼음이 승화하여 작은 암석 행성이 만들어지고, 바깥쪽에서는 얼음 입자들이 먼지를 뭉치게 도와 거대 행성이 탄생합니다. 흥미로운 점은 지구가 형성될 당시 태양의 강력한 에너지로 인해 지표면의 탄소가 대부분 파괴되었다는 사실입니다. 생명체의 뼈대인 탄소가 부족했던 초기 지구가 어떻게 지금처럼 풍부한 유기물을 보유하게 되었는지는 행성 진화의 신비로운 과정 중 하나이며, 이는 외부로부터의 물질 유입 가능성을 시사합니다. 초기 지구는 미행성들의 충돌로 인해 뜨거운 마그마 상태였으며, 이 과정에서 물과 대기를 잃어버렸을 가능성이 큽니다. 과학자들은 오늘날 지구의 물과 탄소가 혜성과의 충돌을 통해 외부에서 유입되었을 것으로 추정합니다. 로제타 미션을 통해 혜성 67P를 탐사한 결과, 그곳에서 아미노산의 일종인 글리신을 포함한 다양한 유기 물질이 발견되었습니다. 이는 생명의 씨앗이 우주 공간으로부터 전달되었을 가능성을 뒷받침하며, 지구가 생명을 품을 수 있는 화학적 토대를 마련하는 데 결정적인 역할을 했음을 보여주는 중요한 증거가 됩니다. 행성의 질량은 생명 유지 시스템을 가동하는 원동력입니다. 지구는 적당한 질량 덕분에 내부 열을 유지할 수 있었고, 이는 액체 상태의 외핵과 자기장을 형성하여 태양풍으로부터 대기를 보호했습니다. 또한 판구조론에 의한 탄소 순환은 대기 중 이산화탄소 농도를 조절하여 적정한 온실 효과를 유지하게 합니다. 반면 질량이 작은 화성은 내부가 빠르게 식어 자기장과 대기를 잃었고, 금성은 폭주하는 온실 효과로 인해 생명이 살 수 없는 환경이 되었습니다. 결국 행성의 크기와 지질학적 활동이 그 행성의 생존 운명을 결정짓는 핵심 요소인 셈입니다. 현재 지구는 온난화 가속화라는 심각한 위기에 직면해 있으며, 이는 과거 금성이 겪었던 온실 효과의 폭주와 닮아 있습니다. 해수면 상승과 기온 변화가 계속된다면 지구는 더 이상 생명을 품은 행성으로 남지 못할 수도 있습니다. 인류는 화성을 지구처럼 만드는 테라포밍을 꿈꾸기도 하지만, 그보다 앞서야 할 것은 유일한 안식처인 지구를 본래의 모습대로 지켜내는 일입니다. 지구가 생존해 온 경이로운 과정을 이해한다면, 우리가 지금 발 딛고 있는 이 행성을 보존하는 것이 얼마나 절실하고 중요한 과제인지 다시 한번 깨닫게 됩니다.

이정은

카오스재단서울대자연과학공개강연

천문학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (4) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ④

온실효과는 흔히 인류의 산업 활동으로 인해 시작된 부정적인 현상으로 오해받곤 합니다. 하지만 사실 온실효과는 산업화 이전부터 존재해 온 자연스러운 과정입니다. 지구 평균 기온을 생명체가 살기 적합한 수준으로 유지해 주는 이 현상의 핵심 주역은 이산화탄소가 아닌 수증기입니다. 대기 중 온실 기체 기여도의 상당 부분을 차지하는 수증기는 지구 평균 기온을 조절하는 가장 강력한 요소입니다. 따라서 온실효과 자체를 인류의 잘못으로 보기보다는, 자연적인 시스템에 인간의 활동이 어떤 추가적인 변화를 일으켰는지 파악하는 것이 기후 변화 이해의 첫걸음이라 할 수 있습니다. 지구 온난화의 원인을 규명할 때 태양 에너지의 변화를 간과해서는 안 됩니다. 20세기 동안의 태양 흑점 활동 변화를 살펴보면, 지구 평균 기온 상승 곡선과 유사한 흐름을 보이는 지점이 존재합니다. 일부 연구에 따르면 태양 에너지의 증가가 지구 평균 기온 상승에 적게는 10%에서 많게는 30%까지 기여했을 가능성이 제기되기도 합니다. 물론 현대 기후학의 주류인 IPCC 보고서 등에서는 태양 활동의 영향력을 이산화탄소에 비해 매우 낮게 평가하기도 하지만, 이러한 견해 차이는 기후 시스템이 얼마나 복잡하고 다양한 변수에 의해 움직이는지를 잘 보여주는 사례입니다. 기후 변화를 둘러싼 논쟁 중 하나는 인간 활동이 지구 평균 기온 상승에 미치는 정확한 기여도입니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 증가했다는 사실과 그것이 인간의 활동에 기인했다는 점에는 대다수 과학자가 동의합니다. 그러나 이 증가분이 구체적으로 온도를 얼마나 올렸는지에 대해서는 양의 피드백 작용 등 복잡한 메커니즘으로 인해 다양한 해석이 존재합니다. 엘니뇨나 라니냐와 같은 자연적인 변동성 또한 지구 평균 기온에 큰 영향을 미치지만, 중요한 점은 이러한 자연적 변동의 범위를 넘어서는 외적 강제력이 인류에 의해 더해지고 있다는 사실입니다. 과거의 기온 데이터를 신뢰할 수 있는지에 대한 의문은 과학적 검증의 핵심입니다. 인공위성 관측이 시작된 1980년대 이전의 데이터는 측정 지점의 한계로 인해 불확실성이 존재하는 것이 사실입니다. 이를 보완하기 위해 과학자들은 나무의 나이테, 산호, 빙하 코어와 같은 '프록시' 자료를 활용하여 수백 년 전의 기온을 추정합니다. 이러한 다각적인 검증 과정을 통해 도출된 결론은 현재의 지구 온난화가 분명한 상승 추세에 있다는 점을 뒷받침합니다. 불완전한 과거의 기록을 수학적, 통계적으로 정교하게 복원하려는 노력은 기후 변화의 실체를 밝히는 중요한 토대가 됩니다. 지구는 매우 예민하고 정교하게 연결된 시스템입니다. 우리가 기후 변화에 관심을 가져야 하는 이유는 단순히 환경을 보호하기 위해서가 아니라, 인류가 생존하기에 최적화된 환경을 유지하기 위해서입니다. 지구 시스템의 변화를 정확히 이해하고 과학적 근거를 바탕으로 대응책을 마련하는 것은 현대 인류에게 주어진 가장 시급한 과제입니다. 기후 변화는 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니며, 과학적 연구에 대한 지속적인 투자와 대중의 깊은 관심이 결합될 때 비로소 우리는 지구와 인류의 공존을 위한 올바른 방향을 설정할 수 있을 것입니다.

국종성, 예상욱, 최용상

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (2) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ②

지구 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소는 사실 지구 생태계에 필수적인 존재입니다. 대기가 없다면 지구의 평균 기온은 영하 18도까지 떨어지겠지만, 온실효과 덕분에 인류가 살기 적합한 15도를 유지할 수 있기 때문입니다. 문제는 산업화 이후 온실가스 농도가 급격히 높아지며 이 균형이 깨졌다는 점입니다. 온실효과의 효율이 단 10%만 증가해도 지구 기온은 약 3도나 상승할 수 있으며, 이는 곧 인류가 감당하기 어려운 기후 위기로 이어지게 됩니다. 현재 우리는 인류 역사상 유례없는 이산화탄소 농도 400ppm 시대를 살아가고 있습니다. 이러한 농도 증가는 산업 혁명 이후의 인구 급증 및 화석 연료 사용량과 정확히 일치하는 궤적을 보입니다. 특히 대기 중 산소 농도가 미세하게 감소하고 있다는 사실은 인간 활동의 결정적인 증거가 됩니다. 화석 연료를 태우는 과정에서 산소가 소모되고, 이산화탄소를 흡수해 산소를 내뿜는 열대 우림이 파괴되면서 대기의 화학적 조성이 인위적으로 변하고 있음을 명확히 보여줍니다. 기후 시스템에는 결과가 다시 원인에 영향을 미치는 '피드백' 원리가 존재합니다. 그중에서도 변화를 더욱 가속하는 '양의 피드백'은 지구 온난화의 무서운 공범입니다. 지구가 더워지면 우리는 에어컨을 더 많이 사용하게 되고, 이는 다시 에너지 소비를 늘려 온도를 높이는 악순환을 만듭니다. 기후학자들은 이러한 양의 피드백이 온난화를 억제하는 음의 피드백보다 훨씬 강력하다고 경고합니다. 이 메커니즘은 이산화탄소가 직접 올리는 온도보다 훨씬 큰 폭의 기온 상승을 유발합니다. 대표적인 양의 피드백으로는 수증기와 알베도 피드백이 있습니다. 기온이 오르면 대기는 더 많은 수증기를 머금게 되는데, 수증기 자체가 강력한 온실가스이기에 온난화는 더욱 심화됩니다. 또한 북극의 해빙이 녹으면 태양 에너지를 반사하던 흰 표면이 사라지고 어두운 바다가 드러나 열 흡수율이 높아지는 알베도 피드백이 발생합니다. 바다 역시 온도가 높아질수록 이산화탄소를 흡수하는 능력이 떨어져, 대기 중 온실가스 농도를 더욱 높이는 결과를 초래하게 됩니다. 과학자들은 식물성 플랑크톤이 북극의 열 흡수를 돕는 새로운 피드백을 발견하는 등 여전히 기후 시스템의 복잡성을 연구하고 있습니다. 영화 '설국열차'는 기후 변화를 막으려는 인간의 오만이 예상치 못한 피드백을 불러와 빙하기를 초래하는 설정을 보여줍니다. 이는 우리가 기후 시스템을 완벽히 통제할 수 있다는 착각을 경계해야 함을 시사합니다. 기후 민감도에 대한 불확실성은 여전히 존재하며, 우리가 모르는 수많은 피드백이 미래의 기후를 예측하기 어렵게 만드는 요인이 됩니다. 기후 변화에서 가장 두려운 개념은 '티핑 포인트'입니다. 이는 서서히 변하던 시스템이 임계점을 넘는 순간, 작은 충격에도 급격하고 돌이킬 수 없는 변화를 일으키는 지점을 의미합니다. 마치 탁자 끝에 놓인 컵이 한순간에 바닥으로 떨어지듯, 지구 기후도 현재의 균형을 잃고 전혀 다른 상태로 전이될 수 있습니다. 파리 기후 협약에서 지구 온도 상승 폭을 1.5도에서 2도 이내로 제한하려는 이유도 바로 이 티핑 포인트를 넘지 않기 위한 인류의 마지막 방어선이라 할 수 있습니다. 점진적인 기후 변화가 비만이라면, 티핑 포인트를 넘는 급격한 변화는 치명적인 중병에 비유할 수 있습니다. 비만은 생활 습관을 바꾸고 다이어트를 통해 개선할 수 있지만, 중병은 회복을 위해 막대한 고통과 희생을 요구합니다. 우리는 지구가 산업화 이전으로 돌아가기를 기대하기보다, 현재의 건강한 상태를 유지할 수 있도록 에너지 소비 패턴과 정책을 근본적으로 바꿔야 합니다. 지구라는 거대한 빙산의 일각만을 알고 있다는 겸손한 자세로 기후 위기에 대응해야 할 때입니다.

국종성

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 한반도 : 10억년 전으로의 시간여행 (4) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 4강 | 4강 ④

우리가 발을 딛고 서 있는 이 땅은 단순히 멈춰 있는 존재가 아닙니다. 수십억 년의 세월 동안 땅덩어리는 끊임없이 갈라지고 움직이며 서로 부딪히는 역동적인 과정을 거쳐왔습니다. 이러한 지질학적 변화를 이해하는 것은 우리가 살고 있는 한반도의 형성과 그 뿌리를 찾아가는 흥미로운 여정입니다. 단순히 과거의 기록을 살피는 것을 넘어, 지구라는 거대한 유기체가 어떻게 숨 쉬며 변화해 왔는지를 깨닫는 과정은 우리에게 세상을 바라보는 새로운 시각을 제공합니다. 지질학은 전문가들만의 영역이 아니라 우리의 일상과도 밀접하게 연결되어 있습니다. 지하 자원의 탐사나 지진 및 화산 같은 자연재해에 대비하기 위해서도 지질학적 지식은 필수적입니다. 또한, 여행을 떠났을 때 그 지역의 지형이 형성된 원리를 알게 되면 풍경을 감상하는 즐거움은 배가 됩니다. 아는 만큼 보인다는 말처럼, 암석과 지층에 담긴 이야기를 읽어낼 수 있을 때 우리는 자연이 선사하는 진정한 아름다움과 경이로움을 만끽하며 더욱 풍요로운 삶을 누릴 수 있습니다. 한반도 곳곳에는 지구의 역사를 고스란히 간직한 명소들이 가득합니다. 한탄강 지질공원에서는 약 50만 년 전의 젊은 현무암과 3억 5천만 년 전의 고색창연한 습곡 구조가 공존하는 독특한 풍경을 만날 수 있습니다. 제주도의 주상절리와 수월봉 역시 화산 활동의 신비를 보여주는 세계적인 연구 가치를 지닌 곳들입니다. 이러한 장소들은 단순히 관광지를 넘어, 한반도가 형성되던 시기의 거대한 대륙 충돌과 화산 분출의 흔적을 직접 눈으로 확인하고 체험할 수 있는 소중한 자연 학습장입니다. 세계로 시야를 넓히면 지구의 역동성은 더욱 거대하게 다가옵니다. 캐나디안 로키의 웅장한 산맥과 에메랄드빛 호수들은 5억 년 전 바다 밑에서 쌓인 지층이 대륙 충돌로 솟아오른 결과물입니다. 스위스 알프스의 마테호른 역시 유라시아 판과 아프리카 판이 충돌하며 지하 깊숙한 곳의 암석이 지표로 올라온 경이로운 사례입니다. 이처럼 지구 곳곳의 지형들은 수억 년에 걸친 판의 이동과 충돌이 만들어낸 예술 작품이며, 우리는 그 흔적을 통해 지구가 겪어온 격동의 세월을 짐작할 수 있습니다. 지구 역사상 가장 극적인 사건 중 하나는 전 지구가 얼음으로 뒤덮였던 '눈덩이 지구' 시기입니다. 약 7억 년 전, 대기 중 산소가 급격히 증가하면서 강력한 온실가스인 메탄이 제거되자 지구의 온도는 급격히 낮아졌습니다. 하지만 얼음 밑에서도 멈추지 않았던 화산 활동은 이산화탄소를 대기 중으로 꾸준히 내보냈고, 축적된 온실 효과는 결국 수만 년이라는 짧은 시간 안에 빙하를 녹여버렸습니다. 이러한 극단적인 기후 변화와 회복의 과정은 지구가 가진 놀라운 자정 작용과 생명력을 상징적으로 보여줍니다.

박정웅, 정해명, 최덕근

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 뜨거워지는 지구, 급증하는 기상이변, 왜? (2) _ 김백민 극지연구소 책임연구원 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 6강 | 6강 ②

지구 상공의 이산화탄소 분포를 살펴보면 산업화가 급격히 진행된 중국, 유럽, 미국 등지에서 농도가 압도적으로 높음을 알 수 있습니다. 이는 지구온난화가 인간 활동과 직결되어 있다는 명백한 증거입니다. 실제로 기후 과학자의 97%는 인간 활동을 온난화의 주요 원인으로 지목하며, 과학계 내에서는 이에 대한 이견이 거의 없습니다. 화석 연료 사용으로 배출된 이산화탄소는 대기 흐름을 타고 지구 전체로 퍼져나가며 기후 체계를 근본적으로 변화시키고 있습니다. 기후 변화의 위험성을 알린 공로로 IPCC와 앨 고어는 노벨 평화상을 수상했지만, 성급한 예측은 오히려 대중의 불신을 초래하기도 했습니다. 2013년 북극 얼음이 소멸할 것이라는 예측이나 히말라야 빙하에 대한 과장된 보고는 '빙하게이트'라 불리는 논란을 낳았습니다. 하지만 단기적인 변동성에도 불구하고 빙하가 지속적으로 감소하고 있다는 사실은 변함이 없습니다. 과학자들은 대중의 신뢰를 회복하기 위해 과장 없이 있는 그대로의 데이터를 전달해야 하는 막중한 책임감을 가져야 합니다. 산업혁명 이전 약 13.7도였던 지구 평균 기온은 현재 15도까지 상승했습니다. 1.3도라는 수치가 작아 보일 수 있지만, 이는 사람의 체온이 변하는 것과 같은 엄청난 충격입니다. 이에 전 세계 지도자들은 파리 기후 협약을 통해 지구 기온 상승 폭을 2도 이내로 제한하기로 합의했습니다. 우리가 절대 넘지 말아야 할 한계선인 15.7도를 지키기 위해서는 화석 연료 사용을 획기적으로 줄여야 합니다. 현재의 온도는 인류가 한 번도 경험해보지 못한 미지의 영역으로 향하는 경고등과 같습니다. 과거의 기후 비밀을 풀기 위해 과학자들은 극지의 얼음 기둥인 빙하 코어를 연구합니다. 80만 년 전부터 기록된 얼음 속 공기 방울을 분석하면 당시의 대기 성분과 온도를 정확히 알 수 있습니다. 지구는 긴 시간 동안 빙하기와 간빙기를 반복해 왔지만, 현생 인류가 등장한 이후 단 한 번도 현재 예상되는 15.7도 이상의 고온을 경험한 적이 없습니다. 이는 우리가 마주할 미래가 과거의 자연적인 변동 범위를 벗어난, 인류 역사상 유례없는 위기임을 시사합니다. 온실효과는 지구온난화의 시작일 뿐 전부가 아닙니다. 이산화탄소 농도 증가에 따른 물리적 계산만으로는 현재의 급격한 온도 상승을 모두 설명할 수 없기 때문입니다. 진짜 비밀은 지구의 '되먹임' 작용에 있습니다. 예를 들어 북극의 얼음이 녹으면 바다가 태양 에너지를 더 많이 흡수하고, 이는 다시 온도를 높여 얼음을 더 녹이는 증폭 과정을 거칩니다. 이처럼 지구 스스로 온도를 높이는 복잡한 메커니즘을 정확히 이해하는 것이 기후 위기 대응의 핵심 과제입니다.

김백민

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (5) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ⑤

인류세라는 용어는 인간의 활동이 지구 환경을 현격하게 변화시키고 있다는 사실에서 출발합니다. 지질학적 시대를 구분할 때 반드시 대멸종이 전제되어야 하는 것은 아니며, 과거 홀로세를 정의할 때도 인류의 멸종을 염두에 두지는 않았습니다. 중요한 점은 지난 200년간의 급격한 환경 변화가 이미 지구의 역사적 기록체 속에 뚜렷하게 새겨져 있다는 사실입니다. 학계에서는 이 용어의 사용 여부를 넘어, 인류가 지구 시스템에 미치는 영향력이 무시할 수 없는 수준에 도달했다는 점에 깊이 공감하고 있습니다. 현재 해수면 상승의 주요 원인은 해수의 열팽창이지만, 육상의 빙하가 본격적으로 녹기 시작하면 상황은 파국으로 치달을 수 있습니다. 남북극의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 60미터 이상 상승할 것으로 예측되며, 이는 인류 문명에 치명적인 위협이 됩니다. 과학자들은 지구가 스스로 온도를 조절할 수 없는 임계점인 '문턱'을 넘지 않도록 연구에 매진하고 있습니다. 온도가 상승하는 것을 완전히 막을 수는 없더라도, 그 속도를 늦추어 빙하가 돌이킬 수 없이 녹아내리는 최악의 시나리오는 반드시 막아야 합니다. 지구 온난화가 통제 불능의 상태에 빠진다면 우리의 미래는 금성과 닮아갈지도 모릅니다. 과거 금성도 지구와 유사한 환경이었을 것으로 추정되나, 온도가 상승하면서 바다와 암석 속의 이산화탄소가 대기로 방출되는 폭주 온실 효과가 발생했습니다. 이로 인해 지각의 순환이 멈추고 대기 온도가 500도에 육박하는 죽음의 행성이 되었습니다. 인위적인 이산화탄소 배출이 계속되어 지구의 탄소 순환 시스템이 붕괴된다면, 우리 역시 생명체가 살 수 없는 극한의 환경을 마주하게 될 것이라는 경고를 잊지 말아야 합니다. 과거 지구의 역사를 살펴보면 '영거 드라이아스'기와 같은 급격한 기후 변화의 사례를 찾아볼 수 있습니다. 약 1만 3천 년 전, 빙하가 녹은 막대한 양의 민물이 대양으로 유입되면서 해류의 순환이 멈추고 지구가 다시 추워졌던 시기입니다. 영화 '투모로우'의 과학적 배경이 되기도 한 이 사건은 기후 시스템이 얼마나 민감하게 반응할 수 있는지를 보여줍니다. 현재 우리가 겪는 변화는 과거의 자연적인 주기보다 훨씬 빠른 속도로 진행되고 있으며, 이 빠른 변화의 속도에 인류가 적응하고 대응할 수 있는지가 생존의 관건입니다. 기후 변화 대응은 과학과 공학의 영역을 넘어 경제, 정치, 외교가 복잡하게 얽힌 국제적인 과제입니다. 몬트리올 의정서가 산업계의 협력으로 오존층 파괴 문제를 해결했듯이, 탄소 배출 문제 역시 국가 간의 이해관계를 조정하며 해결책을 찾아야 합니다. 파리 협정과 같은 국제적 합의는 각국에 실질적인 압박으로 작용하며 변화를 이끌어내고 있습니다. 하지만 정치적 결단에만 의존할 것이 아니라, 지구 시스템의 3분의 1을 결정짓는 우리 개개인의 관심과 실천이 뒷받침될 때 비로소 지속 가능한 미래를 꿈꿀 수 있습니다.

강호정, 김경렬, 이정은

카오스재단카오스강연

지구환경과학