온실가스가 지난 6600만년 동안의 가장 따뜻한 기간에서 기후의 주요 동인이었던 것으로 밝혀져, 장기 기후변화의 원인에 대한 새로운 통찰이 제시됐다.

남극 대륙과 호주는 시신세(始新世, Eocene; 5600만~2290만년 전)가 끝날 무렵 갈라져 둘 사이에 깊은 바다 수로를 만들고 해양 순환 패턴을 변화시켰다. 일부 연구자들은 이 변화가 시신세 ‘온실(hothouse)’ 기간이 끝나갈 무렵 냉각화의 원동력이 되었다고 믿는 반면, 다른 연구자들은 이산화탄소 수치 감소가 그 원인이라고 생각한다.

냉각이 해양 순환의 변화로 인해 발생했다면 극지방이 차가워짐에 따라 지구의 열 분포가 이동해 적도 지역들이 따뜻해 졌을 것이다. 그러나 열대지방을 포함한 지구 곳곳이 냉각된 것은 온실가스 농도 변화가 지구의 대기에 갇힌 전체 열에 영향을 미쳤기 때문이라는 사실이 확인됐다.

미국 퍼듀대와 네덜란드 유트레히트대 연구팀이 수행한 이 연구는 과학저널 ‘네이처’(Nature) 최근호에 발표됐다.

온실가스가 극 증폭 현상 일으켜

논문 제1저자인 네덜란드 유트레히트대 마르호 크램빈클(Margot Cramwinckel) 박사과정 연구원은 “우리가 재구성한 열대와 극지방 온도의 동기화된 진화는 온실가스의 힘에 의해서만 설명될 수 있다”고 말했다. 그는 “이번 연구 결과는 장기간의 시신세 냉각이 온실가스에 의해 주도되었다는 가설과 특유하게 일치한다”며, “이는 미래의 기후변화를 예측하는데 중요한 장기 기후변화의 동인에 대한 이해를 크게 증진시킨다”고 설명했다.

기후 변화는 종종 지구상 어떤 곳보다 극지방에 더 강력한 영향을 미치며 이를 극 증폭(polar amplification) 현상이라 일컫는다.

이번 연구에서는 시신세 기간 대부분이 극히 더워 극지방 가까이에 얼음이 거의 없었음에도 불구하고 이 기간 동안에 열대지방보다 극지방에서 온도가 더욱 극적으로 변화되었다는 사실을 발견했다.

크램빈클 연구원은 “차가운 효과를 낼 만한 얼음이 거의 없는데도 온도가 떨어지면서 극지방이 열대지방보다 더 많이 냉각됐다”며, “이는 온실가스 강제력 자체가 극 증폭을 일으켰다는 사실을 가리킨다”고 말했다.

2000만년에 걸친 온도 변화 추세 작성

그럼 극 증폭은 어느 정도의 한계가 있을까?

논문 공저자인 미국 퍼듀대 매튜 휴버(Matthew Huber) 지구ᆞ대기ᆞ행성과학 교수는 “우리 연구는 극지방 증폭이 온난한 기후에서 어떤 시점에 포화상태에 이르고, 더 따뜻해진다고 해서 계속 증가하지는 않는다는 생각을 뒷받침한다”고 밝혔다.

연구팀은 온도를 측정할 수 있는 대용물로 타움 고세균(Thaumarchaeota)이라는, 바다 표면에 서식하는 단순한 유기체의 세포막 지질을 관찰했다. 아프리카 아이보리 코스트 근처에 있는 심해 퇴적물에 구멍을 뚫어 채취한 이 고세균은 온도 변화에 따라 세포막 지질 구성을 변화시킨다.

연구팀은 이 관측치를 퍼듀대 휴버 교수팀이 만든 기후모델과 결합해 시신세 전체의 기온 시간표를 만들었다.

휴버 교수는 “다양한 이산화탄소 수준에서 평형을 유지하는 기후상태를 얻기 위해 4년 동안 컴퓨터로 시뮬레이션을 했다”고 말했다. 휴버 교수는 “처음으로 기후모델이 거의 2000만년에 걸친 기후 범위에서 열대바다 표면 온도와 온도 변화의 주요 추세를 포착할 수 있었다”며, “유일한 문제는 시뮬레이션이 관측된 것보다 더 많은 이산화탄소를 필요로 했다는 점으로, 이는 이 모델이 이산화탄소에 충분히 민감하지 않다는 사실을 보여준다”고 말했다.

역사적으로 연구자들은 시신세 전체에 걸쳐 열대지방과 극지방 사이의 온도 변화를 재구성하는데 어려움을 겪어왔다. 이번의 새 기후모델들은 과거 모델들이 직면했던 대부분의 문제들을 극복한 것으로 여겨지고 있다.