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지구온난화의 주범을 찾다 – 온실효과의 원인, 진단, 해결책 (펌)

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작성일 20-12-16 14:26

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지구온난화의 주범을 찾다 – 온실효과의 원인, 진단, 해결책

인류는 인류의 생존을 위해 문명이 시작된 초기부터 에너지를 필요로 했으며 인류의 문명이 발달해 갈수록 더 많은 에너지를 필요로 했다. 이 때문에 인류는 손쉽게 에너지를 얻을 수 있는 화석연료를 무분별하게 소비했고 그 결과 지구는 인류의 의해 점점 스스로의 자생능력을 잃어버리고 있다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 그동안 평행과 안정을 유지하고 있었던 지구의 기후가 인류의 대량 에너지 소비로 인해 새로운 형태와 평형으로 옮겨가고 있는 것이다.

지구의 기후 시스템은 대기, 해양, 생물이 사는 육상 및 해상, 저온층, 지표 등 다섯 가지로 구성되는데, 이 요소들이 유기적으로 상호 작용해 지구 표면의 기후를 결정한다. 과거 산업혁명 이전 지구는 기후 시스템을 통해 에너지, 물, 대기 중 기체 원소, 유기물 등이 안정적으로 순환했다.

그러나 산업혁명 이후 인간이 화석에너지를 사용하면서 기후시스템이 바뀌기 시작했다.

지구 밖으로 방출되는 복사열이 감소해 지구온난화현상이 나타난 것이다. 지구온난화는 결국 홍수, 폭우, 사막화, 태풍과 같은 이상기후를 유발했고, 이로 인해 발생한 자연재해로 인류의 목숨까지 빼앗고 있다.

과학자들은 지구온난화의 원인을 찾기 시작했고 해결책을 강구했다. 그 결과 현재 세계 거의 모든 국가가 지구온난화의 위험성을 인지했고 이를 방지하기 위해 노력하고 있다. 이런 점에서 지구온난화에 대한 연구는 20세기 이후 환경해양에너지 분야의 중요한 업적 중 하나로 기억되기에 충분하다.

지구 온난화 현상 감지

지구의 연평균기온은 400~500년을 주기로 약 1.5℃의 범위에서 상승과 하강을 반복하며 변화했다. 15세기에서 19세기까지는 기온이 비교적 낮은 시기였으며 20세기에 들어와서는 기온이 계속 오르고 있다.

어떻게 보면 기온 상승이 자연스러운 현상 같지만 우리가 주목해야 할 것은 이런 기온상승을 유도하는 원인이 무엇인가라는 것이다. 예전의 기온의 상승은 지구의 기후 시스템에 의해 일정한 패턴으로 상승한 것이라면 지금의 기온 상승은 그런 패턴이 아닌 온실가스라는 요인으로 인해 증가하고 있는 것이다. 온실가스 중 하나인 대기 중 이산화탄소는 1800년대에 280ppm, 1958년에는 315ppm, 2000년에는 367ppm으로 계속 증가하고 있으며 다른 온실가스 역시 마찬가지다. 이런 온실가스의 급격한 증가는 기온 상승을 빠르게 유도하고 있으며 이 때문에 가시적인 피해도 점점 늘어나고 있다.

이런 지구온난화에 의한 피해를 감지할 수 있는 대표적 사례를 들자면 해수면 상승과 이상기후 현상을 들 수 있다.


위성 관측 결과 지표면의 눈은 1960년대 이래 약 10% 감소했으며, 온도 상승이 심한 북반구에는 봄?여름 기간의 빙하가 1950년대와 비교해 10-15% 줄었다. 또한 빙하가 녹으면서 해수면은 약 17cm 가량 상승했고, 특히 2003년까지 지난 10년간 해수면의 상승 속도가 2배가량 가속화됐다. 해수면 상승으로 국토의 최고 높은 곳이 해수면 기준 4m밖에 되지 않는 국가 투발루는 국토의 대부분이 침수됐으며, 키리바시 공화국의 섬 2개가 지도상에서 사라지기도 했다.


2003년 프랑스는 40.0℃, 영국 38.1℃, 스위스 41.5℃ 등 유럽에서 살인적인 폭염이 발생했다. 이로 인해 프랑스는 14,802명, 독일 7,000명, 스페인 4,230명, 이태리 4,175명의 사망자가 발생했다.

그림 2 2003년 프랑스는 연일 섭씨 40도가 넘는 폭염이 이어졌다. 프랑스 남서부 아인호아 인근 오브핀 성당에서 신부와 200여명의 신도가 십자가 아래에 모여 비를 뿌려달라는 기도를 올리는 모습.

지구온난화 방지를 위한 국제적 노력

지구 온난화는 1972년 로마클럽 보고서에서 처음 공식적으로 지적됐다. 이후 1985년 세계기상기구(WMO)와 국제연합환경계획(UNEP)이 온실가스 중 이산화탄소가 온난화의 주범임을 선언했다. 1988년에는 각국 정부 간 기후변화 협의체(IPCC)가 구성되어 기후 변화에 관한 조사와 연구를 행하고 있으며, 미국항공우주국(NASA)에서 미국 의회에 지구온난화 발언한 것을 계기로 일반인에게도 알려졌다.

이후 1992년 6월, 브라질의 리우 회의에서 지구온난화에 따른 이상 기후 현상을 예방하기 위한 목적으로 ‘기후변화에 관한 국제 연합 기본 협약’이 채택되었다. 이 협약은 인류에 의해 발생되는 위험 요소들이 기후시스템에 영향을 미치지 않도록 대기 중 온실가스의 농도를 안정화시키는 것을 궁극적인 목적으로 하고 있다. 회의 참가국 178개국 중 한국을 포함해 154개국이 협약에 서명, 1994년 3월 발효, 2007년 8월 192개 국이 비준한 상태다.

1995년 3월 베를린에서 개최된 1차 당사국 총회에서 협약상 감축의무만으로는 지구온난화방지가 불충분함을 인정하고, 1997년 12월 교토에서 개최된 3차 당사국 총회에서 2000년 이후 선진국의 감축목표를 주요내용으로 하는 교토의정서가 채택되었다. 교토의정서는 온실가스 감축에 대한 법적 구속력이 있는 국제협약으로 전 세계 국가들이 지구 온난화 방지를 위해 노력하겠다는 기후변화협약과 달리 감축목표 수준 및 설정방식, 교토메커니즘을 도입한 구체적인 국제협약이다.

온실효과 메커니즘

1822년 프랑스 수학자인 장프리에는 지구의 대기가 온실효과를 초래할 수 있음을 최초로 언급했으며, 1896년 스웨덴의 아레니우스는 대기 중 이산화탄소가 온실효과를 일으킬 수 있다는 것을 처음 지적했다. 그 후 1938년 영국의 캘린더가 인간의 화석연료 사용에 의해 발생한 이산화탄소가 온실효과를 더욱 가속화할 수 있다는 구체적인 메커니즘을 밝혀냈다.

태양에서 지구로 오는 빛 에너지 중에서 약 34%는 구름이나 먼지 등에 의해 반사되고, 지표면에는 44% 정도만 도달한다. 지구는 도달한 태양 에너지 중 일부를 적외선 형태로 방출하는데, 이 과정에서 온실가스가 적외선 파장의 일부를 외부로 나가지 못하게 흡수한다. 적외선을 흡수한 온실가스 내 구성 분자는 에너지가 높아진 상태가 되고, 안정 상태로 돌아가기 위해 높아진 에너지를 외부로 다시 방출하는 데 이 에너지에 의해 지구의 온도가 올라가는 것이다.

지구온난화의 주범, 이산화탄소

온실가스에는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소화불화탄소류, 과불화탄소류, 육불화황, 오존, 수증기 등이 있는데, 국제기구협의회 제3차 당사국총회에서 이산화탄소 (CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소화불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)을 6대 온실가스로 지정했다.

이산화탄소는 주로 석유와 석탄과 같은 화석연료의 연소에 의해 배출되며, 메탄은 폐기물, 음식물 쓰레기, 가축의 배설물, 초식 동물의 트림 등에 의해서 발생하고, 과불화탄소, 수소화불화탄소, 육불화황은 냉매, 반도체 공정, 변압기 등에서 주로 발생한다.

6대 온실가스 중에 왜 이산화탄소가 지구 온난화의 주범이 될까? 그에 대한 증거는 지구가 아닌 타행성의 이산화탄소 양과 기온을 비교해보면 알 수 있다.

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위 일러스트는 대기 중 이산화탄소 농도와 대기평균온도와의 관계를 나타낸 것이다. 화성은 대기 중 95%가 이산화탄소로 구성되어 있으나 대부분 고체인 드라이아이스로써 대기 중 온실효과가 생성되지 않아 대기 평균 온도가 영하 50℃이다. 반면 금성은 96%가 기체 상태의 이산화탄소로 구성되어 있어 온실효과가 발현되어 대기 평균 온도가 420℃이다.

가스별로 지구 온난화에 기여하는 정도를 지구온난화지수라고 나타내는데, 이산화탄소를 1 로 보았을 때, 메탄은 23, 아산화질소는 296, 프레온 가스는 1,300-23,900이다. 다른 산업 가스는 산업시설에서 배출 정도를 통제할 수 있으며 포집 후 다른 물질로 전환시키거나 분해시킬 수 있으나, 이산화탄소는 화학적으로 안정한 물질이기에 다른 물질로 전환하기 위해서는 더 많은 에너지를 필요로 하므로 이산화탄소를 없애기 위해 이산화탄소를 더 배출하는 역설적인 현상이 발생된다.

다만 전체 온실가스 배출량 중 이산화탄소는 80%를 차지하고 있기 때문에 배출량을 줄이기 위해 에너지를 절약하거나 우수한 이산화탄소 포집기술을 개발한다면 배출량을 줄일 수 있다. 따라서 온실가스를 줄이는 것은 곧 이산화탄소 발생량을 낮추는 것과 같다.

지구온난화를 막을 수 있는 방법은?

대기 중으로 배출되는 이산화탄소의 양을 줄여야 지구온난화를 막을 수 있는 것은 앞서 언급한 것처럼 당연한 일인데 과연 어떤 방법으로 이산화탄소의 발생을 줄일 수 있을까? 다양한 방법이 있는데 국제에너지기구는 여러 가지 미래 기후 예측 시나리오를 작성하여 이산화탄소 배출을 억제할 수 있는 방법으로 네 가지를 발표한 바 있다.

첫 번째 방법으로는 신재생에너지를 개발하는 것이다. 원천적으로 이산화탄소가 배출되지 않도록 자연의 힘을 이용하는

수력,조력, 풍력, 지열, 태양 에너지를 이용하거나 물 분해에 의한 수소에너지 이용 방법이다. 하지만 이러한 방법들은 아직까지 발전 효율이 낮기에 현재 전범위에 적용하기엔 어려움이 있다.


두 번째 방법으로는 원자력 에너지를 이용하는 방법이다. 하지만 원자력 발전은 이산화탄소를 배출하지 않으나 방사능 노출의 위험이 공존한다.

세 번째 방법으로는 절약 및 효율 향상 기술이다. 사용하는 에너지 자체를 줄이거나 에너지를 적가 소비하는 상품을 만들고, 자동차의 경우 내연기관이 작동할 때 배출되는 이산화탄소의 양을 줄이는 방법 등이 그것이다.

네 번째 방법으로는 [그림 5]에 제시된 것처럼 최근 주목받고 있는 경제적인 CCS (CO2 Capture and Storage, 이산화탄소 포집 및 저장)기술 개발이다.
발전소, 제철소와 같은 대형 이산화탄소 발생 시설에서 이산화탄소를 직접 포집하여 지하 1000 미터 이하의 대염수층에 압축?저장하는 방법으로 2020년 이후 상용화가 가능한 가장 효과적인 방법이다.

이러한 방법을 동원하지 않을 경우 국제 에너지 기구는 2050년 이산화탄소 연배출량이 58Gt(Gt:기가톤, 1Gt=1,000,000,000,000kg)이 발생될 것이며 인류는 결국 공멸하고 말 것이라 예측하고 있다.

지구온난화 해결을 위한 환경혁명

인류가 에너지를 사용할수록 대기 중엔 인류의 생명을 위협할 온실가스양이 점점 증가하고 있다. 지구 온난화는 점차 증가하는 온실가스에 의한 온실효과 메커니즘으로 진행되고 있음을 오랜 기간 동안 과학자들이 지적하였으며, 최근 여러 기상 이변현상을 통해 확인할 수 있다.

결국 지구온난화의 해결방안은 온난화의 주원인인 이산화탄소의 대기 중 농도를 적어도 550ppm 이하로 억제하는 것이며 이를 위해서는 다음과 같은 두 가지 방향을 모색해야 한다. 그 첫 번째 방법으로 자연에너지 또는 원자력을 이용하거나 절약 및 효율을 향상시켜서 이산화탄소 발생량 자체를 줄이는 이산화탄소 저감 방안과 둘째로 발생하고 있는 이산화탄소를 직접 포집해서 지하로 저장하는 이산화탄소 포집 및 저장 방안이다.

그동안 산업혁명을 통해 화석 에너지를 슬기롭게 사용하는 방안을 깨우친 인류인만큼, 다가오는 지구온난화 문제도 환경혁명을 통해 지혜롭게 대처할 수 있으리라 예측한다.



 / 윤여일 한국 에너지기술연구원 21yoon@kier.re.kr



(출처) https://www.scienceall.com/%EC%A7%80%EA%B5%AC%EC%98%A8%EB%82%9C%ED%99%94%EC%9D%98-%EC%A3%BC%EB%B2%94%EC%9D%84-%EC%B0%BE%EB%8B%A4-%EC%98%A8%EC%8B%A4%ED%9A%A8%EA%B3%BC%EC%9D%98-%EC%9B%90%EC%9D%B8-%EC%A7%84%EB%8B%A8-%ED%95%B4/

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