빙하기와 천문학적 이론, 빙하기의 대기조성, 빙하기의 해류 순환의 변화와 태양의 변화, 화산 활동, 그리고 소빙하기 등에 관하여

-빙하기와 천문학적 이론

지난 3백만년 동안 빙하기와 간빙기가 교차하였음이 빙하 퇴적층의 연구에 의해 최초로 발견되었고, 심해 퇴적물 코어의 연구에 의해 나중에 증명되었다(그림12.32). 빙하기의 원인을 밝히는 것은 납득할 만한 기후론을 전개시키기 위해 해결해야만 했던 근본적이고도 오래된 문제였다. 이 문제에 대한 예비적인 해답은 19세기 중반의 스코틀랜드 지질학자인 존 크롤에 의해 처음 제시되었으며, 20세기 초에 세르비아의 천문학자인 밀류틴 밀란코비치에 의해 다듬어졌다.

크롤과 밀란코비치는 지구의 공전궤도와 지구 자전축의 기울기에 미세한 변화가 있어 지구 표면의 각 위도에 도달하는 복사 에너지의 양이 미약하지만 중요한 변동을 일으킨다는 사실을 인식하게 되었다. 제4기 동안의 기후 변동 역사를 재구성하고 연대를 파악한 결과, 지질학자들은 빙하기와 간빙기의 시간 규모를 가진 기후 변동이 지구의 축과 공전 궤도의 주기적인 변동과 잘 대비됨을 밝혔다. 이 설득력 있는 증거는 지구 표면에 도달하는 복사 에너지의 분포를 결정하는 천제 변화가 빙하기와 간빙기의 교차 시기를 제어한다는 이론을 뒷받침한다.

 

-대기조성

천체 운동과 관련된 요인들이 빙하기와 간빙기의 교차 시기를 설명해 줄 수는 있지만, 지구 표면에 도달하는 태양 복사량의 변동이 너무 작아, 지질학적 및 생물학적 증거에 의해 시사되는 4내지 10℃의 전 지구적인 평균 온도 변화를 설명하기에는 부족하다. 그래서 우리는 또 다른 요인들도 관련되어 있다고 결론 내릴 수밖에 없다. 어쩌면 궤도 변화에 기인한 미세한 온도 감소가 제4기의 거대한 대륙빙을 생성시키고 유지시킬 수 있도록 충분히 큰 온도 변화로 변환되었을지도 모른다. 우리는 어떻게 이런 변환이 이루어지는지 아직 알지 못하지만, 대기의 화학 조성과 먼지의 양, 그리고 지구 표면의 반사도와 같은 요인들의 변화가 관련되어 있을 것으로 본다.

현재 남극과 그린랜드에 있는 대륙빙의 얼음 내에 포함된 기포는 과거의 지구 대기의 시료들이다. 최후의 빙하기 중에 기포 속에 갇힌 공기의 화학 조성을 연구한 결과, 빙하기의 대기가 현재의 대기보다 이산화탄소와 메탄을 적게 포함하고 있었다(그림12.34). 이 두 가지 기체는 중요한 "온실" 기체들이다. 이들의 대기 중 농도가 높으면, 지구 표면에서 방출되는 복사에너지가 외계로 방출되지 못하고 대기중에 흡수된다. 결과적으로 하부 대기가 가열되고 지구의 기후는 더워진다. 이 기체의 농도가 빙하기 때처럼 낮으면, 지구 표면의 기온은 낮아진다. 계산에 따르면 빙하기의 온도 하강의 절반가량이 이 두 가지 중요한 기체의 낮은 농도로 설명이 된다. 따라서 온실 기체들은 과거의 전 지구적 온도 변화의 크기를 설명하는데 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 이 기체들의 농도가 빙하기 중에 감소하는 현상이 알려져 있기는 하지만, 무엇이 이 기체들의 농도 감소를 유발하는지는 아직 알려져 있지 않다.

얼음 코어의 연구는 대기 중에 포함된 먼지의 양이 빙하기 동안에 비정상적으로 높았음을 보여준다. 이 먼지들은 융빙 유수 퇴적층과 건조한 사막을 가로지르며 부는 강한 바람에 의해 발생했다. 너무 많은 먼지가 대기 중으로 공급되어 하늘은 거의 항상 뿌옇게 보였을 것이다. 대기 중의 미세한 먼지들은 지구로 들어오는 복사 광선을 다시 우주로 산란시켜 지구 표면을 한층 더 냉각시켰을 것이다.

그림12.34 대기조성의 변화 : 남극보스톡 기지에서 시추된 얼름코어에서 채취한 시료내의 산소 동위원소비에 관하여 이산화탄소와 메탄 농도변화를 기온변화와 비교한 곡선들. 이온실가스 농도는 최후 간빙기초에는 간빙기인 지금과 마찬가지로 높은 값을 보인다. 하지만 빙하기 때에는 낮은 값을 보인다. 이곡선들은 이 온실가스들이 간빙기의 따뜻한 기후와 빙하기의 추운 기후를 만드는데 기여한다는 가설을 뒷받침하고 있다.

지구가 빙하기로 들어서면 육지의 상당 부분이 점차 눈과 빙하 얼음에 덮이게 된다. 반사도가 매우 높은 눈과 얼음의 표면은 지구로 들어오는 복사 광선을 우주로 반사시켜 하부 대기를 더욱 냉각시킨다. 온실 기체의 농도 감소와 대기 중 먼지의 증가와 함께, 이 부가적인 냉각 작용은 빙하의 확장을 도왔을 것이다.

 

-해류 순환의 변화

해수의 순환도 지구의 기후 변화에 중요한 역할을 한다. 북대서양을 향해 북쪽으로 이동하는 따뜻한 표층 해수가 증발함에 따라 남은 물은 점점 냉각되고 염도가 높아진다. 이렇게 형성된 차갑고 염도가 높은 물은 비중이 높아 깊은 바다로 가라앉는다. 이 물이 증발할 때 대기 중으로 방출한 열은 유럽 북서부의 기후를 비교적 온화하게 유지한다. 하지만, 만약 이러한 해수의 순환이 멈춘다면 어떤 일이 일어날까?

심해수의 순환 속도는 심해로 가라앉는 표층 해수의 염도에 민감하게 반응한다. 연구에 따르면, 표층 해수의 염도가 감소한 기간에는 심해수의 순환도 미약해진다. 빙하기가 시작되어 태양 복사량이 감소하면, 고위도 해역의 바다와 대기가 냉각되어 증발량이 감소하고 해빙의 확장이 초래된다. 고위도 해역의 표층 해수의 염도가 감소하면 비중이 크고 염도가 높은 해수의 생성이 중단되고, 그리하여 된다. 해수의 수직적인 순환도 중단된다. 고위도 해역에서 증발량이 감소함에 따라 대기 중으로 방출되는 열이 크게 감소하였고, 차가운 공기가 북대서양을 가로질러 동쪽으로 지속적으로 이동할 수 있었다. 이 공기는 북대서양을 덮은 채 확장하고 있던 해빙과 육지에 성장하던 대륙빙에 의해 한층 더 냉각되어, 유럽의 기후는 점점 더 한랭화 되었을 것이다. 결국은 대륙빙 가장자리 너머의 넓은 지역에 영구동토가 형성되었다.

이와 같이, 해수 순환계의 변화는 천체 변화에 기인한 비교적 작은 기후 효과를 증폭하는 역할을 한다. 게다가, 지구의 기후계가 비교적 안정된 두 가지 양식, 즉 해수 순환계가 작동하는 간빙기의 양식과 해수 순환계가 정지하는 빙하기의 양식 사이에서 변동하는 것처럼 보이는 이유를 설명해 준다.

 

-태양의 변화, 화산 활동, 그리고 소빙하기

수세기나 수십 년에 걸친 기후 변동은 소빙하기나 이와 유사한 빙하의 확장기를 초래한다. 하지만, 이러한 변동은 대륙의 이동이나 지구 궤도의 변동으로 설명하기에는 주기가 너무 짧아 또 다른 설명이 필요하다. 두 가지 설명이 특별한 관심을 끌어왔다.

소빙하기와 같은 빙하 건의 원인과 관련된 한 가지 가설은 태양의 에너지 방출량이 시간에 따라 변동하다는 개념에 기초를 두고 있다. 이 생각은 몇 가지 다른 시간 규모로 일어나는 기후 변동을 설명해 줄 수 있다는 점에서 호소력이 있다. 하지만, 일기 변화와 태양 표면에 나타나는 흑점 수의 주기적인 변동 사이의 관련성이 제안되었음도 불구하고, 태양의 변화가 소빙하기와 같은 규모의 기후 변화를 일으킬 수 있는지에 대해서는 확실한 증거가 없다.

대규모의 폭발적인 화산 분출은 엄청난 양의 화산재를 대기 중으로 방출하여 지구를 감싸고 도는 미세한 먼지의 장막을 형성할 수 있다. 다른 종류의 먼지와 마찬가지로, 미세한 화산재 입자는 지구로 들어오는 태양 복사 광선을 산란시켜 지구 표면을 약간이나마 냉각시킬 수 있다. 화산재는 일반적으로 몇 달 또는 일 년 이내의 짧은 기간 안에 떨어지지만, 화산 분출에 의해 방출된 SO2 기체와 수증기가 반응하여 생긴 미세한 황산 방울들은 태양 광선을 산란시키며 몇 년 동안이나 상층대기에 머무를 수 있다. 대규모 분출 시, 대기 중의 화산재와 기체들은 지구 표면의 기온을 0.5~1.0℃ 가량 낮출 수 있으며, 이는 빙하의 질량 수지에 형향을 주기에 충분하다. 지난 수세기 동안, 빙하가 전진한 기간과 지속적으로 화산 활동이 일어난 기간이 일치하고 있어, 화산 분출이 10년여의 시간 규모를 가지는 기후 변화를 발생시킬 수 있다는 가설을 뒷받침하고 있다.

 

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