지구 온난화는 왜 발생하는가

이산화탄소의 열저장

by Neutron Mar 14. 2025

지구 온난화는 당면한 현실이자 미래 세대에 물려주어서는 안 될 레거시(Legacy)이다. 이미 알다시피 지구 온난화의 주범은 이산화탄소(CO₂)이다. 이산화탄소가 지구 온난화의 주범이라는 사실을 이해하기 위해서는 열 저장의 개념을 먼저 이해하여야 한다.

태양은 수천 도에 이르는 표면에서 발생하는 빛 에너지를 지구로 보내준다. 이 태양이 주는 복사열에너지는 지구를 따뜻하게 데워주고 동식물이 체온을 유지할 수 있도록 도와준다. 태양이 지구에 보낸 열에너지만큼 지구에서 우주로 열에너지를 발산해야 지구는 평균온도를 동일하게 유지할 수 있다. 만약 무언가가 지구에서 우주로 발산되어야 하는 열에너지를 못 나가게 막는다면 지구의 평균온도는 상승하게 된다.

지구 평균온도의 상승은 극지방의 얼음을 녹이고 바닷물의 온도를 높인다. 이 영향으로 기후가 변하여 홍수와 폭설, 폭염과 한파가 비정상적으로 발생한다. 사람의 먹거리를 생산하는 농작지가 줄어들며 사막화가 진행된다. 당장 위험한 것은 해수면의 상승이다. 극지방 만년설이 녹으면 바닷물 수위가 높아지고 대륙의 일부가 물에 잠기고 섬이 가라앉는다. 사람이 살아갈 땅의 면적이 줄어든다.

그러면 지구에서 우주로 발산되어야 하는 열을 가로막는 범인이 무엇일까? 그것은 바로 이산화탄소를 비롯한 온실가스이다. 이산화탄소는 지구 전체 온실가스의 70%를 차지하므로 지구 온난화의 주범으로 불린다. 이산화탄소는 한 번 만들어지면 지구상에서 100년간 생존하여 없애기도 쉽지 않다. 식물이 이산화탄소를 에너지원으로 소비하지만 그 농도가 너무 높아지면 광합성 효율이 떨어진다. 이 때문에 무작정 식물을 많이 심는다고 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있는 것은 아니다.

지구는 태양으로부터 받은 열에너지를 적외선의 형태로 우주로 발산한다. 적외선의 파장은 10 ~ 15 μm이다. 이는 이산화탄소 분자의 고유진동수 영역이기도 하다. 빛에 있어서 파장은 진동수와 1:1 대응한다. 빛의 속도 c는 λ(파장) / T(주기)이고, 이는 λ(파장) x f(진동수)와 같다.

c = λ / T = λ f

빛의 속도는 항상 일정한 상수이므로, 파장은 진동수와 역수 관계에 있다. 빛에 있어서 파장이 결정되면 진동수가 자동적으로 결정된다. 이 파장에 해당하는 적외선의 진동수는 약 20 ~ 30 THz이다.

이산화탄소는 탄소 원자를 가운데 두고 두 개의 산소 원자가 붙어있는 구조를 가지고 있다. 탄소 원자에 붙어있는 이 두 개의 산소 원자들은 끊임없이 진동한다. 이 분자 구조물의 고유진동수(고유주파수)는 10 ~ 15 μm의 파장을 갖고 있는 적외선의 진동수와 동일하다. 이런 이유로 지구로부터 발산되어야 하는 적외선은 이산화탄소를 만나면 그 분자를 공진시킨다. 분자가 공진되면 진동 진폭이 커지며 더 많은 에너지가 저장된다. 열에너지가 이산화탄소 안에 쌓이는 것이다. 이것이 열저장의 개념이다.

내가 그네를 밀 때 그네가 흔들리는 진동수에 맞춰 힘을 주면 그네의 진폭이 커진다. 이 것이 공진이다. 내가 준 힘들이 모두 그네가 진동하는 에너지로 저장되는 것이다. 앞을 지나가던 사람이 흔들리는 그네에 맞았다고 가정해 보자. 진폭이 작을 때 맞은 것보다 진폭이 클 때 맞은 것이 그 사람에게 더 큰 데미지를 준다. 에너지가 더 많이 저장되어 있었다는 증거이다.

대기 중의 이산화탄소는 우리에게 꼭 필요하다. 지구의 온도를 어느 정도 유지시켜 주는 역할을 하기 때문이다. 하지만 이산화탄소가 대기 중에 필요 이상으로 많이 쌓여있으면 우주로 방출되어야 할 열에너지가 다시 지구로 되돌아오게 된다. 열이 지구 밖으로 빠져나가지 못하게 되는 것이다. 대기 중의 이산화탄소 양을 줄이는 것만이 지구 온난화를 막는 가장 효과적인 방법이다.

이산화탄소 발생량은 산업화 이후 꾸준히 증가해 왔다. 석탄을 때서 에너지를 얻는 화력발전소나 자동차 배기가스가 필요 이상의 이산화탄소를 만들어 낸다. 현재까지 만들어져 대기 중에 흩어진 이산화탄소의 양을 줄이는 것은 거의 불가능하다. 앞으로 발생할 양을 줄이는 것 만이 인간이 지금 할 수 있는 최선이다.