기록은 맞았지만 결과는 같지 않았다

온실효과라는 단어는 오늘날 환경 위기와 거의 같은 의미처럼 사용된다. 뉴스에서는 지구온난화와 폭염, 해수면 상승 문제를 설명할 때 온실효과를 반복해서 언급한다. 그래서 온실효과라는 단어를 들으면 곧바로 기후 위기부터 떠올리는 경우도 많다. 그런데 과학사 기록을 따라가 보면 출발점은 전혀 달랐다. 초기 연구자들이 먼저 던졌던 질문은 “왜 지구는 계산보다 따뜻한 상태를 유지하고 있는가”였다. 태양에서 들어오는 에너지 양만 계산하면 지구 표면은 지금보다 훨씬 차가워야 했기 때문이다. 연구자들은 계산표를 다시 들여다보며 어디에서 차이가 생기는지 확인하기 시작했다. 기록은 계산과 크게 다르지 않았지만 실제 지구의 상태는 예상과 달랐다. 자연스럽게 관심은 대기 쪽으로 향하기 시작했다. 이 의문은 대기가 복사 에너지를 어떻게 붙잡는지에 대한 연구로 이어졌고, 이후 푸리에의 가설과 틴들의 기체 실험, 아레니우스의 계산 충돌을 거치며 온실효과 개념은 점차 구체화됐다. 오늘날에는 위성과 장기 관측 자료를 통해 지구 복사량과 대기 중 이산화탄소 농도 변화까지 함께 분석 중이다. 온실효과는 처음부터 환경 재앙을 설명하기 위해 등장한 개념이 아니었다. 오히려 지구가 왜 얼어붙지 않는지를 설명하려는 시도 속에서 등장했다. 최근 과학계의 관심도 달라졌다. 이제 초점은 온실효과 자체보다, 대기가 에너지를 얼마나 빠르게 축적하고 방출하는지에 모이고 있다.

 

왜 지구는 계산보다 따뜻했을까

19세기 과학자들은 태양에서 지구로 들어오는 에너지 양을 계산하기 시작했다. 그런데 예상과 다른 결과가 나왔다. 단순 계산만 따르면 지구 표면은 얼어붙어 있어야 했기 때문이다. 태양에서 도달하는 복사량은 한정되어 있는데, 실제 지구 평균 기온은 생명체가 살아갈 수 있는 수준으로 유지되고 있었다. 당시 연구자들 사이에서는 대기가 에너지를 붙잡고 있을 가능성이 제기됐다. 여기서 중요한 점은 초기 연구 목적이 환경 위기를 설명하는 데 있지 않았다는 사실이다. 당시 학계의 시선은 오히려 지구가 왜 지나치게 냉각되지 않는지를 설명하는 데 가까웠다. 계산은 맞는데 결과가 달랐다. 오래된 기온 계산표와 현재 평균기온 기록을 나란히 놓고 보면, 기록 자체는 크게 다르지 않았는데 실제 결과는 전혀 다른 방향으로 나타나고 있었다. 당시 계산값이 적힌 오래된 기록과 최근 기후 통계를 비교해 보면 계산과 실제 결과 사이 차이가 더 선명하게 드러난다. 바로 그 지점에서 계산 결과보다 대기 자체를 먼저 살펴보려는 연구가 본격적으로 시작됐다. 

푸리에는 왜 대기를 주목했을까

프랑스 수학자 푸리에는 대기가 단순한 공기층이 아니라 에너지 보존과 관련된 역할을 하고 있을 가능성을 제시했다. 그는 태양 복사 에너지가 지표를 데운 뒤 다시 우주로 빠져나가는 동안, 대기가 일부 적외선을 붙잡고 있을 수 있다고 보았다. 지금의 온실효과 개념과 상당히 비슷한 접근이었다. 물론 당시에는 이를 직접 검증할 실험 장비가 부족했다. 푸리에의 설명이 한동안 가설 수준에 머문 이유다. 일부 연구자들은 “대기만으로 이런 온도 차이가 가능하겠느냐”는 반론을 내놓기도 했다. 당시 기록을 따라가 보면 연구자들이 걱정했던 건 지금과 조금 달랐다. 관심은 오히려 현재 기온이 왜 유지되는가에 쏠려 있었다.

기체별 복사 흡수 실험은 예상과 달랐다

온실효과 연구 방향이 크게 달라진 계기는 존 틴들의 실험이었다. 그는 여러 기체에 적외선을 통과시키며 어떤 물질이 복사 에너지를 흡수하는지 비교했다. 결과는 예상 밖이었다. 질소와 산소는 흡수 효과가 크지 않았지만, 수증기와 이산화탄소는 적외선을 강하게 붙잡는 성질을 보였다. 오늘날 온실기체라고 부르는 물질들이 실제로 대기 보존에 중요한 역할을 맡고 있었던 것이다. 틴들의 연구 이후 대기는 단순한 공기층이 아니라 복사 교환에 직접 관여하는 요소로 받아들여졌다. 실험 장비도 빠르게 발전했다. 복사 흡수 차이는 수치로 기록됐고, 이후 대기 연구는 물리학과 긴밀하게 연결되기 시작했다. 같은 기체로 보였던 물질마다 복사 흡수 능력이 크게 다르다는 사실은 당시 연구 방향을 바꾸는 계기가 됐다. 

이산화탄소 증가 계산은 왜 충돌을 만들었을까

스웨덴 과학자 아레니우스는 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면 지구 평균 기온도 상승할 수 있다는 계산 결과를 내놓았다. 오늘날에는 익숙한 이야기처럼 들리지만, 당시에는 상당한 해석 차이를 불러온 주장으로 받아들여졌다. 산업 활동이 실제로 지구 전체 기온에 영향을 줄 수 있다는 발상 자체가 당시 기준에서는 쉽게 받아들이기 어려운 이야기였기 때문이다. 일부 연구자들은 “대기의 규모에 비해 인간 활동은 너무 작다”라고 주장했다. 반면 다른 쪽에서는 장기적으로 충분한 영향이 가능하다는 계산값을 제안했다. 학계 반론은 쉽게 정리되지 않았다. 이후 수십 년 동안 이산화탄소 농도 변화와 실제 기온 상승 사이 관계를 둘러싼 자료가 꾸준히 축적됐다. 분석 방식도 계속 수정됐다. 관측 장비 역시 점점 더 정밀해졌다.

위성과 장기 관측은 무엇을 보여주고 있을까

20세기 후반 이후에는 연구 방식 자체가 달라졌다. 단순 계산이 아니라 장기 관측 자료가 쌓이기 시작했기 때문이다. 미국 하와이 마우나로아 관측소에서는 대기 중 이산화탄소 농도를 수십 년 동안 측정해 왔고, 이 기록에서는 산업화 이후 농도가 꾸준히 증가하는 경향이 나타났다. NASA 위성 자료를 보면 지구 복사량 변화와 북극 해빙 감소 현상까지 함께 분석되고 있다. 장기 관측 기록이 누적되면서 증가 속도가 시기별로 어떻게 달라졌는지도 보다 정밀하게 비교할 수 있게 됐다. 장기 관측 기록을 세밀하게 분석할수록 증가 속도 변화가 예상보다 크게 나타나는 시기도 확인됐다. 최근에는 “온실효과가 존재하는가”를 두고 다투는 단계보다, 어느 정도 속도로 에너지가 축적되는지와 지역별 영향 규모가 어떻게 달라지는지에 분석 초점도 다른 쪽으로 옮겨 갔다. 실제로 기후 모델마다 미래 상승 폭 예측이 다르게 제시되는 이유도 복사량 계산 방식과 대기 반응 차이에서 원인을 찾기도 한다. 예측 결과가 서로 엇갈리는 경우도 있었다. 더 빠른 상승 가능성을 경고하는 연구도 나온다. 반대로 자연 조정 작용 가능성을 강조하는 해석도 존재한다. 기상청 기후자료개방포털에서는 연도별 평균기온과 이산화탄소 변화 자료를 직접 비교해 볼 수도 있다.

온실효과 논의는 어디까지 이어질까

이제 논의의 중심은 온실효과의 존재 여부보다 대기가 얼마나 빠르게 반응하는가에 더 가까워졌다. 시간이 흐르면서 연구자들이 관심을 두는 질문도 예전과는 조금 달라졌다. 대기가 어느 수준까지 복사 에너지를 붙잡을 때 현재 상태가 유지될 수 있는지, 또 해양과 빙하, 대기 순환이 앞으로 얼마나 빠르게 반응할 것인지에 관련 연구가 훨씬 많이 이어지고 있다. 일부 연구는 예상보다 빠른 변화 가능성을 제시하고 있고, 다른 연구에서는 해양과 대기 순환이 어떤 완충 역할을 할 수 있는지 계속 분석하고 있다. 지금도 연구자들은 새 관측 결과가 공개될 때마다 계산값과 실제 관측을 나란히 놓고, 어디에서 차이가 생겼는지 다시 확인하며 시선을 대기로 돌리고 있다.