우주광선은 어떻게 지구 기후에 영향 주나?

과학기술

우주광선은 어떻게 지구 기후에 영향 주나?
지난 1만년 동안의 지구 한랭-온난기 변동 원인 찾아

2017.12.20 10:08 김병희 객원기자

역사적으로 지구의 기온은 일정 기간 따뜻하다 소빙하기 같은 추운 기간이 지속되는 등 온난과 한랭기를 거듭해 왔다. 그 원인은 무엇일까?

덴마크 연구진이 이런 의문에 해답을 제공했다. 태양과 초신성 폭발 등에 의해 지구로 쏟아지는 우주 광선이 지구 구름 형성에 영향을 미쳐 이로 인해 지구 기후가 변동을 나타냈다는 것이다. 이 연구는 과학자들이 오랫동안 고심해 왔던 지식의 빈틈을 메워줄 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 외부의 에너지를 가진 우주 광선이 지구의 대기 이온을 생성해 이 대기 이온이 어떻게 구름 형성에 필요한 씨앗인 ‘구름 응축 핵’을 만들고 키우는데 도움을 주는지를 잘 보여준다. 대기 중의 이온화 현상이 변화하면 구름 응축 핵의 수가 달라져 구름의 속성에 영향을 미친다. 구름 응축 핵이 더 많이 있다면 더 많은 구름이 만들어지고 이것은 추운 기후로 이어진다. 반대로 구름 응축 핵이 적으면 기후는 따뜻해진다.

이번 연구는 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 19일자에 발표됐다.

우주 광선은 지구 대기와 상호 작용해 작은 에어로졸을 구름 응축 핵으로 만드는데 도움을 주는 이온을 생성한다. 구름 응축 핵은 액체 물방울이 구름을 형성하게 되는 씨앗이다. 100GeV의 에너지를 가진 양성자는 대기 상층에서 상호 작용해 공기층을 통해 내려올 때 분자를 이온화하는 2 차 입자의 빛줄기를 생성한다. CREDIT: Illustration: H. Svensmark/DTU

구름 형성이 기후변화의 관건

구름의 양에 따라 지구 표면에 도달하는 태양에너지 양이 결정되기 때문에 구름 형성은 과거의 기후 변화를 이해하고 미래의 기후 변화를 예측하는데 중요하다.

구름 응축 핵은 에어로졸이라고 불리는 작은 분자 무리가 성장하면서 형성된다. 지금까지는 이 메커니즘이 잘 알려지지 않았기 때문에 추가적인 작은 에어로졸이 성장하는 것이 아니고 에어로졸이 그냥 구름 응축 핵이 된다고 생각했다.

이번의 새 연구는 이론과 실험적으로 이온과 에어로졸 간의 상호작용에 따라 작은 에어로졸에 물질이 추가되고 이로 인해 작은 에어로졸이 구름 응축 핵으로 자라나는 모습을 보여주었다. 이는 태양 활동이 지구 기후변동에 큰 영향을 미친다는 경험적 증거에 대한 물리적 기반을 제공한다. 예를 들면 서기 1000년 경의 중세 온난기와 1300~1900년 사이의 소빙하기는 태양 활동의 변화와 맞아떨어진다.

논문 제1저자인 덴마크 과학기술대 및 덴마크 국립 우주연구소(DTU Space) 헨릭 스벤스마크(Henrik Svensmark) 교수는 “우리는 마침내 우주 공간의 입자가 어떻게 지구 기후에 영향을 미치는지에 대한 마지막 퍼즐 조각을 맞추게 되었다”며, “이에 따라 태양 활동이나 초신성 활동이 어떻게 지구 기후를 변화시키는지를 이해할 수 있게 되었다”고 말했다. 이번 연구에는 마틴 뵈드커 잉호프(Martin Bødker Enghoff) DTU Space 시니어 연구원과 이스라엘 헤브류대 니르 샤비브(Nir Shaviv) 교수, 코펜하겐대 야곱 스벤스마크(Jacob Svensmark) 박사가 논문 공저자로 참여했다.

지구 가까운 초신성 폭발 때 날아오는 우주광선은 구름을 만드는 에어로졸 성장 속도에 50% 이상 영향을 미치는 것으로 분석됐다. 사진은 모 은하 밖에 있는 타입 Ia 초신성 SN 1994D (왼쪽 하단의 밝은 점), NGC 4526. Credit : Wikimedia Commons / NASA/ESA, The Hubble Key Project Team and The High-Z Supernova Search Team

에어로졸 성장에 이온 질량이 영향 미쳐

이번 연구의 기본적인 새 아이디어는 에어로졸의 성장에 이온의 질량이 영향을 미친다는 점이다. 이온은 대기 중에서 숫적으로 가장 많은 성분은 아니지만 이온과 에어로졸 사이의 전자기적 상호작용이 이런 희소성을 보완하고 서로 잘 융합하도록 만든다. 이온화 수준이 낮은 상태에서도 이온은 에어로졸의 성장 속도에 약5% 가량 기여한다. 가까운 초신성의 효과는 에어로졸 성장 속도의 50% 이상을 넘어 구름 형성 및 이로 인한 지구 기온에 영향을 미친다.

연구팀은 이번 연구에서 에어로졸 성장률에 대한 설명과 함께 이온과 에어로졸 사이의 상호작용에 대해 이론적으로 상세하게 서술했다. 연구 아이디어는 대형 구름 형성 실험실에서 실험을 통해 테스트했다. 실험실 공간의 제약 때문에 측정된 성장률 변화는 1% 정도였으나, 실험하는 동안 높은 안정성을 유지하며 100번을 거듭해 양호한 수치를 얻어냈다. 2년 동안 모두 3100시간의 데이터 샘플링을 통해 자료를 수집했고, 실험 결과는 이론적인 예측과 일치했다.

‘우주광선과 지구 기후’ 가설 요약

폭발한 별에서 날아오는 고에너지 우주선 입자는 공기 분자와 부딪혀 전자를 떨어져 나가게 한다. 이로 인해 대기 중에 양이온과 음이온 분자가 생성된다.
이온은 에어로졸(주로 황산 및 물 분자 클러스터)이 증발하지 않도록 안정적인 상태를 형성한다. 이 과정이 핵 생성(nucleation)이다. 작은 에어로졸은 구름 형성 효과를 내기 위해 질량이 거의 100만배 성장해야 한다.
이온의 두 번째 역할은 작은 에어로졸이 구름 응축 핵으로의 성장을 가속화하는 것이다. 이 응축 핵은 액체 물방울로부터 구름이 만들어지는 씨앗이 된다. 이온이 많을수록 더 많은 에어로졸이 구름 응축 핵이 된다. 이온의 이 두 번째 속성에 관한 연구가 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)에 발표됐다.
액체 물방울로 만들어진 낮은 구름은 지구의 표면을 식힌다.