이산화탄소와 온실가스, 기후변화 매커니즘

탄소는 왜 온실가스이며, 기후변화를 초래하는가? 이에 대해 과학적으로 접근해보자.

 

 

 

1. 온실가스란 무엇인가?

온실가스(GHG, Greenhouse Gas)는 지구 대기 중에서 태양으로부터 유입된 단파 복사 에너지는 통과시키되, 지표면에서 방출되는 장파 복사 에너지를 흡수하거나 반사함으로써 지구 표면의 온도를 일정하게 유지시키는 가스를 말한다.

대표적인 온실가스에는 다음이 있다:

• 이산화탄소 (CO₂)
• 메탄 (CH₄)
• 아산화질소 (N₂O)
• 수증기 (H₂O)
• 불화탄소류 (CFCs 등)

이 중에서 이산화탄소(CO₂)는 배출량이 압도적으로 많고, 수명이 길며, 산업화 이후 대기 중 농도가 가장 크게 증가한 물질이다. 따라서 기후변화 담론에서 중심이 된다.

 

 

2. 왜 탄소(CO₂)가 온실가스인가?

이산화탄소는 온실효과를 일으키는 이유는 분자의 구조와 진동특성 때문이다. CO₂는 직선형 분자로서, 대기 중에 존재할 때 특정 파장의 적외선 복사 에너지를 흡수할 수 있는 비대칭 진동모드를 갖는다. 이 에너지를 흡수한 후 다시 열 형태로 방출함으로써, 지표에서 방출되는 복사 에너지가 우주로 빠져나가지 못하게 막는 역할을 한다.

이는 다음과 같은 과정을 거친다:

1. 태양에서 단파 복사 에너지(주로 가시광선)가 지구로 도달
2. 지표면에서 이 에너지를 흡수 후, 장파 복사(적외선) 형태로 재방출
3. CO₂ 분자가 이 적외선을 흡수하고, 열 에너지 형태로 다시 대기 중 방사
4. 이 열은 다시 지표면으로 재반사되며 지구를 따뜻하게 함

결과적으로 CO₂는 일종의 "열 담요" 역할을 하며, 대기권을 통과한 태양 에너지의 일부를 지구 내부에 가두게 된다. 이로 인해 지표 온도가 상승한다.

 

Pixabay로부터 입수된 Naomi Booth님의 이미지 입니다.

 

 

3. 산업화와 탄소 배출 증가의 상관관계

18세기 후반 산업혁명을 기점으로, 인간은 대량의 화석연료(석탄, 석유, 천연가스)를 연소해 기계동력과 에너지를 얻기 시작했다. 이 화석연료는 수백만 년 동안 지하에 저장된 유기물로 구성되어 있으며, 연소 시 다음 반응을 보인다:

 

탄화수소 + O₂ → CO₂ + H₂O + 열에너지

 

이로 인해 대기 중 이산화탄소의 농도는 다음과 같이 급격히 증가하였다:

연도	대기중  CO₂농도
1750년	약 280 ppm
1950년	약 310 ppm
2024년	약 420 ppm 이상

 

이것은 약 50% 증가에 해당하며, CO₂ 농도는 지금도 연평균 약 2~3 ppm씩 증가 중이다.

 

 

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4. 기후변화를 초래하는 메커니즘

 

① 지구 복사 평형의 붕괴

지구는 태양에서 받은 에너지와 우주로 방출하는 에너지 간의 복사 평형 상태를 유지해야 온도가 일정하다. 그러나 온실가스 증가로 인해 복사 에너지의 우주 방출량이 줄어들면서 에너지 불균형이 생기고, 이로 인해 지구 온도가 점차 상승한다. 이를 **복사강제력(Radiative Forcing)**이라고 하며, CO₂의 경우 약 2.16 W/m²의 강제력을 초래한다고 평가된다.

② 양의 되먹임 (Positive Feedback)

온도 상승은 다시 다른 기후 시스템을 자극해 더 많은 온실가스를 방출하게 만든다:

• 빙하 감소 → 알베도(반사율) 감소 → 흡수 에너지 증가
• 영구동토 해빙 → 메탄 배출 증가
• 해양 온도 상승 → CO₂ 흡수력 감소 → 대기 CO₂ 증가

이러한 피드백 루프는 기후변화를 가속화시키는 역할을 한다.

 

 

5. 기후변화의 결과

기후변화는 단순한 ‘온도 상승’에 그치지 않고, 지구 전역에 걸쳐 다음과 같은 영향을 미친다:

• 극단적 기후: 폭염, 한파, 폭우, 태풍, 가뭄 빈도 증가
• 해수면 상승: 해빙과 빙하 붕괴로 인해 해수면 연평균 3.3mm 상승
• 생태계 붕괴: 산호초 백화현상, 생물 멸종, 생태적 이동
• 식량 안보 위기: 농업 생산성 저하 및 공급망 불안
• 인간 건강 악화: 열사병, 감염병 확산, 기후난민 증가

 

6. 탄소 배출의 지리·정치적 불균형

• 선진국: 산업화 과정에서 이미 대량의 탄소 배출 (역사적 책임)
• 개발도상국: 산업 성장 중 탄소 배출이 급증하고 있음
• 국제 논쟁: "누가 얼마나 줄여야 하는가?"를 두고 논쟁 지속

이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 탄소세, 탄소배출권 거래제, CBAM (탄소국경조정제도) 같은 제도다. 이들은 온실가스 감축의 가격 신호를 제공하고, 기업과 개인의 행동을 유도하는 정책이다.

 

 

Pixabay로부터 입수된 Raten-Kauf님의 이미지 입니다.

 

 

 

 

7. 결론: 탄소는 왜 핵심인가

탄소, 특히 CO₂는:

• 가장 많이 배출되고
• 수명이 길고
• 복사 특성이 강하며
• 대기 중 농도가 지속 상승하고 있기 때문에,

기후위기의 중심에 있다. 따라서 전 세계의 기후정책, 기술개발, 산업전환은 대부분 이산화탄소를 줄이는 데 초점이 맞춰져 있다. 이는 단순한 환경 문제가 아니라, 국가 간 무역, 안보, 보건, 경제 전반에 영향을 주는 구조적 문제로 인식되어야 한다.