뜨거운 지구, 과학이 기후 조작해 구한다는데…

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[미래] 커버스토리

기후변화 위기와 ‘지오엔지니어링’

science―인류가 온실가스 감축에 실패해 걷잡을 수 없는 기후변화의 소용돌이로 빨려들어갈 처지에 놓인다면? 이런 위기 상황에 대한 공학적 해결책으로 일부 과학자들이 제안해온 지오엔지니어링은 지구의 물리·화학적 특성을 대규모로 조작한다는 거부감 때문에 오랫동안 과학계 변방에 머물렀다. 가속화하는 온난화가 지오엔지니어링까지 기후변화 대책으로 불러내고 있다.

지난해 지구 평균기온은 미국 해양대기청(NOAA) 집계 기준으로 1980~2010년 장기평균보다 섭씨 0.426~0.466도 오르며 관측사상 최고치에 도달했다. 2014년 작성됐던 1880년 이후 최고기온 기록이 1년 만에 바로 깨진 것이다. 최고기온 기록은 올해 다시 바뀔 가능성이 높다. 지난 7월 세계기상기구(WMO)는 올해가 관측사상 가장 더운 해가 될 것이라 밝힌 바 있다.

지구 평균기온은 엘니뇨와 라니냐를 비롯한 여러 자연적 변수에 따라 오르기도 하고 내려가기도 하는 등 변동하는 것이 정상이다. 하지만 1985년 1월 이후 지난 7월까지 31년 7개월 동안 지구 평균기온은 단 한번도 20세기 평균 밑으로 떨어진 적이 없다. 관측사상 가장 더웠던 열다섯 해 가운데 열네 해는 2000년 이후에 집중돼 있다. 이것은 온실가스에 의한 온난화가 자연적 기온 변동을 상쇄하고 남을 만큼 강력하기 때문이라는 것이 전문가들의 해석이다. 지구 온난화 대응을 목표로 한 유엔기후변화협약이 채택되고 24년이 흘러가고 있지만 온난화 속도는 누그러지기는커녕 갈수록 빨라지는 형국이다.

세계 190여개 나라는 지난해 말 파리기후회의에서 이번 세기말까지 지구 평균기온 상승 폭을 산업혁명 이전 대비 2.0도 훨씬 아래에서 억제하면서 1.5도를 넘지 않도록 노력하는 것을 목표로 한 새로운 기후체제에 합의했다. 평균기온이 산업혁명 이전보다 2도 이상 오르면 기후변화가 걷잡을 수 없는 상황으로 치달을 위험이 있고, 태평양의 섬나라들과 같이 기후변화에 특히 취약한 지역은 1.5도만 넘어서도 감내하기 힘든 상황에 빠질 수 있다는 데 동의한 것이다.

전세계가 합의한 이 온난화 억제 목표의 달성 전망은 밝지 않다. 각 나라가 내놓은 2030년까지의 온실가스 감축계획(INDC)이 지구 온난화를 억제하기에는 부족하기 때문이다. 게다가 기존 교토의정서 체제와 달리 새 기후체제에서 온실가스 감축계획 이행은 국제법적 의무사항도 아니다. 온실가스 감축 계획도 충분치 않고 그나마 이행을 강제할 장치도 없이 온난화 억제 목표만 크게 강화된 것이다. 독일의 포츠담기후영향연구소를 비롯한 세계 12개 기후변화 전문기관과 대학의 연구자들이 참여한 국제연구팀은 지난 6월29일 과학저널 <네이처> 온라인판에 실은 연구 논문에서 세계 모든 나라들이 파리기후회의에서 약속한 감축계획을 모두 이행하더라도 세기말까지 지구 온도는 산업혁명 이전 대비 2.6~3.1도 상승하게 된다는 분석 결과를 제시했다. 모든 나라가 감축 계획을 100% 이행한다는 가정은 현실성이 떨어진다. 온난화 억제 목표 달성 가능성을 높이려면 결국 각 나라에 더 많은 온실가스 감축 부담을 지우고, 이것을 반드시 이행하도록 강제할 수 있는 새로운 체제가 필요하다. 지금까지 기후변화 협상 과정으로 미뤄볼 때 세계가 이런 합의에 너무 늦지 않게 도달하는 것은 불가능에 가까워 보인다.

지구 평균기온은 이미 산업혁명 이전에 비해 섭씨 1도가량 올라간 상태다. 이번 세기말 온난화 억제 목표선까지는 1도 남았다. 기후변화의 원인과 영향, 대응전략을 주기적으로 평가해오고 있는 기후변화정부간협의체(IPCC)는 제5차 기후변화평가 종합보고서에서 “지구온난화가 심화하면 일부 물리적 시스템이나 생태계는 갑작스럽고 되돌릴 수 없는 변화의 위험에 처할 수 있다”며 “이런 변화를 촉발하는 임계점에서의 위험은 현재 수준 대비 0~1도 온난화 상황에서는 중간 수준이고, 1~2도 추가 온난화에서는 위험도가 가파르게 높아지고, 3도에 이르면 위험이 높은 수준이 된다”고 밝혔다.

수단 뒷받침 안된 온실가스 감축 목표

인류는 온실가스 감축에 성공해 이런 위험을 피할 수 있을까? 점점 빨라지는 온난화 속도와 이를 따라가지 못하는 국제사회의 대응을 지켜보면서 누구나 품어봤을 법한 의문이다. 온실가스 감축에 실패하는 것은 아닐까? 그렇게 돼 기후변화가 걷잡을 수 없게 전개될 상황에 도달하면 어떻게 될까?

과학자들은 이처럼 기존의 기후변화 대응 방식이 효과를 발휘하지 못한 상황에서 단시간에 지구 온도를 낮추거나 대기 중 온실가스를 제거할 수 있는 다양한 방안을 제안해왔다. 이 방안들은 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 하나는 지구가 태양에너지를 받아 반사하는 비율인 알베도(Albedo)를 높여 지구 온도를 낮추는 방안이다. 지구의 알베도를 1.5~2%만 높여도 대기 중 온실가스가 현재의 두 배까지 높아지는 데 따른 온난화를 상쇄할 수 있다는 게 과학자들의 계산이다. 다른 하나는 자연의 이산화탄소 흡수 작용을 인위적으로 증폭시키거나 별도의 장치로 이산화탄소를 제거해 대기 중 온실가스 농도를 낮추는 것이다. 이 두 방법은 모두 지구와 기후, 생태계의 물리·화학적 특성을 대규모로 조작해 이뤄진다는 점에서 ‘지오엔지니어링’(지구공학) 또는 ‘클라이밋 엔지니어링’(기후공학)으로 불린다.

성층권에 미세입자 뿌려 햇빛 가리고

바다엔 철분 뿌려 식물플랑크톤 증식

식물 태워 이산화탄소 뽑아 땅에 묻고…

뜨거워지는 지구 식히는 ‘지구공학’

과학계 변방 ‘금지된 장난’ 취급받다

온난화 억제목표 달성 ‘해결사’로 호출

IPCC “지구공학 없인 2도 억제 불가”

시행하다 중단 땐 온도상승 압력 폭발

이산화탄소 증가 방치 바다산성화 계속

환경·생태계 부작용 우려 해결 안돼

알베도를 조작하는 지오엔지니어링 가운데 대표적인 것은 로켓이나 항공기, 대포, 풍선 등을 이용해 성층권에 이산화황과 같은 미세한 입자를 대량 살포하는 것이다. 성층권에서 고루 퍼진 입자들이 지구로 들어오는 햇빛을 받아 반사하게 해 지구의 온도를 신속히 떨어뜨리자는 아이디어다. 이 방안은 대규모 화산 폭발에서 힌트를 얻었다. 1991년 필리핀 피나투보 화산 폭발 이듬해 북반구의 평균기온은 0.5~0.6도, 지구의 평균기온은 예년보다 섭씨 0.4도나 내려갔다. 폭발 때 성층권까지 분출된 엄청난 양의 이산화황 입자가 지표면으로 내리쬐는 햇빛 일부를 우주로 반사했기 때문이다. 노벨상 수상자인 저명한 대기화학자 파울 크뤼천은 2006년 과학저널 <기후변화>에서 성층권에 이산화황 150만t을 살포하면 지구 대기의 온실가스 농도가 산업혁명 이전의 갑절인 550ppm까지 높아지는 데 따른 온난화 효과를 상쇄할 수 있다고 주장했다. 150만t은 피나투보 화산 폭발 때 분출된 것으로 추정되는 양의 7.5~15%에 해당한다. 성층권 부유 입자 살포는 영국 왕립학회가 2009년 다양한 지오엔지니어링 방안을 검토한 뒤, 기존의 온난화 억제 노력이 모두 실패한 상황을 염두에 둔 ‘플랜 B’를 작성할 경우 포함될 가장 유망한 후보로 꼽은 방안이기도 하다.

바다 위에 떠 있는 구름의 알베도를 조작하는 방안도 비교적 일찍부터 과학자들의 주목을 받아 연구가 이뤄져왔다. 전세계 해양의 20~40%는 낮은 고도의 층적운으로 덮여 있다. 풍력을 이용해 바닷물을 분무하는 선박을 띄워 하늘로 수분을 추가 공급하면 구름의 양과 밝기가 증가해 태양 빛을 더 잘 반사하게 될 것이라는 아이디어다.

미국 국립과학원(NAS)이 미 연방정부 기관들의 요청으로 지난해 내놓은 지오엔지니어링 검토보고서 <기후 개입>을 보면 이밖에 대기권 밖 우주 공간에 반사체를 설치해 지구와 함께 돌면서 햇빛을 가리게 하는 방안, 사막을 햇빛을 잘 반사하는 물질로 덮거나 건물의 지붕을 흰색으로 칠해 지표면의 알베도를 높이는 방안, 해수면에 햇빛을 잘 반사하는 물질을 살포하거나 흰 거품을 형성해 알베도를 높이는 방안, 대류권 상층을 덮고 있는 권운의 발생과 두께를 조절해 지표와 대기에서 우주로 복사에너지가 더 잘 빠져나가도록 하는 방안 등도 제안돼 있다.

대기 중에 배출된 이산화탄소를 제거하는 방안 가운데는 바다에 식물성 플랑크톤의 성장에 필요한 영양물질을 살포하는 방안이 널리 알려져 있다. 바다 표층에서 광합성을 하는 플랑크톤은 철 성분과 같은 영양물질이 살포되면 공기 중의 이산화탄소를 대량 흡수하며 급속히 증식한다. 그 뒤 바다 밑으로 가라앉으면서 이산화탄소를 해저에 격리시킬 것이란 아이디어다. 이 방안은 지오엔지니어링 방안 가운데 유일하게 상업적 적용이 시도되면서 논란을 빚기도 했다. 탄소배출권을 확보하려는 벤처기업들이 잇따라 현장 실험을 추진하면서 해양생태계에 끼칠 부작용에 대한 우려를 불러일으킨 것이다. 이는 결국 국제사회가 2010년 일본 나고야 생물다양성협약 총회에서 소규모 연구를 뺀 모든 지오엔지니어링 활동 금지에 합의하도록 이끌었다.

숲 가꾸기 과정에서 나오는 간벌목이나 옥수숫대와 밀짚과 같은 농업 부산물을 깊은 바닷속에 그대로 집어넣거나 숯으로 만든 뒤 땅속에 묻는 방안도 많은 과학자들이 제안하고 연구해온 방안이다. 대기 중의 이산화탄소는 식물에 흡수돼 탄소로 바뀌었다가, 식물이 죽어 부패하는 과정에서 다시 이산화탄소로 대기 중에 방출되는 순환 과정을 반복한다. 이 순환을 아예 차단하거나 순환하는 속도를 늦추자는 아이디어다. 식물이 이산화탄소를 흡수하는 것처럼 암석이 이산화탄소를 흡수하는 과정인 자연의 화학적 풍화작용을 이용하는 방안과 관련된 연구 논문도 많이 나와 있다

‘인공 나무’는 시험 공장까지 생겨

대기 중에서 이산화탄소를 바로 뽑아내 격리하거나 에너지원으로 만들어 쓰자는 이른바 ‘인공 나무’ 아이디어는 연구실을 벗어나 시험 공장까지 진출한 상태다. 미국 하버드대의 기후변화 연구자인 데이비드 키스 교수가 설립한 벤처기업인 ‘카본 엔지니어링’은 지난해 캐나다 브리티시컬럼비아주에 대기 중에서 매일 1t가량의 이산화탄소를 포집할 수 있는 시설을 설치하고, 이산화탄소로 탄소 함량이 휘발유의 3분의 1 이하인 연료를 합성하기 위한 연구를 진행하고 있다. 지오엔지니어링 연구의 대표적 후원자로 꼽히는 마이크로소프트 창업자 빌 게이츠가 이 업체의 주요 투자자다.

캐나다 브리티시컬럼비아주에서 공기 중 이산화탄소를 뽑아내 제거하는 지오엔지니어링 시험시설을 운영 중인 ‘카본엔지니어링’이 자사의 시험시설을 대규모로 확장할 경우를 상정해 디자인한 이산화탄소 포집 설비 이미지. 카본엔지니어링 유튜브 갈무리

이와 같은 지오엔지니어링 방안들은 설령 일부 기술적으론 가능하다고 해도 쉽게 적용할 수는 없다. 환경에 끼치는 영향, 예기치 못한 부작용의 위험, 막대한 비용에 따른 경제적 타당성 등의 문제가 남아 있기 때문이다. 알베도를 증가시키는 지오엔지니어링 방안들의 가장 큰 문제는 온실가스 증가를 방치해 해양생태계를 위협하는 바닷물 산성화를 가속화시킬 것이라는 점이다. 성층권에 올라간 이산화황 입자는 지구의 생명체를 자외선으로부터 보호해주는 오존층에 피해를 줄 수 있고, 최종적으로는 빗물에 섞여 지표로 떨어지면 생태계에도 악영향을 끼칠 수 있다. 태양에너지 반사율을 높이는 방안들에는 강우량을 감소시켜 식량 생산의 차질을 초래할 것이라는 우려가 뒤따른다. 지오엔지니어링을 통해 바다에 식물성 플랑크톤이 이상 증식하는 환경이 만들어지면 무산소층이 확산돼 해양생태계 전체에 재앙이 될 수 있다는 경고도 나온다.

지오엔지니어링은 오랫동안 환경단체들은 물론 기후변화를 연구하는 주류 과학계로부터 지구를 대상으로 한 ‘금지된 장난’으로 취급받으며 변방에 머물러왔다. 지오엔지니어링 반대론자들이 가장 우려하는 것은 알베도 조작으로 지구 온도를 관리하다 문제가 생겨 중단하는 상황이다. 이렇게 되면 누적된 온실가스에 의한 온난화 효과가 한꺼번에 분출되면서 기후 시스템에 재앙에 가까운 혼란이 빚어질 수 있기 때문이다.

지오엔지니어링 찬성론자들은 지오엔지니어링을 인류가 최악의 상황을 피하며 온실가스를 감축할 시간을 벌어줄 수 있는 수단이라는 논리를 펴고 있지만, 환경단체를 중심으로 한 반대론자들은 지오엔지니어링이 공개적으로 논의되는 것 자체에 거부감을 표시해왔다. 이는 온실가스 감축 노력을 저해할 수 있다는 우려 때문이다. 손쉬운 해결 방법이 있다는 인식이 확산될수록 사람들에게 힘들게 온실가스 배출을 줄여야 한다고 설득하기 어려워지는 것은 당연하다.

이런 부정적 인식 때문에 오랫동안 공개적인 논의가 금기시돼온 지오엔지니어링의 위상은 최근 부쩍 올라간 상태다. 외신을 보면 미국에서는 연방정부가 ‘알베도 조작’ 연구를 지원하도록 하는 방안이 구체적으로 추진되고 있다. 미국 상원 세출위원회는 얼마 전 2017회계연도부터 에너지부와 육군 공병단 등의 기관들에 이런 연구를 지원하도록 요청하는 내용이 포함된 세출법안을 통과시켰다. 의회의 이런 움직임은 국립과학원의 권고를 받아들인 것이다. 국립과학원의 기후지오엔지니어링위원회, 기후대기과학위원회, 해양연구위원회는 2012년 미국 연방정부 기관들로부터 지오엔지니어링을 어떻게 다룰지에 대한 의견 제시를 요청받고 공동 논의를 시작한 지 3년 만인 지난해 내놓은 <기후 개입> 보고서에서 “최악의 기후변화를 피하기 위해 이산화탄소 제거 기술을 적용해야 될 필요성이 점점 증가하고 있어, 연방 기관들이 연구개발을 지원해야 한다”고 권고했다. 또 알베도 조작에 대해서도 “기후를 바꿀 수 있을 규모로 현시점에서 적용돼서는 안 되지만, 연구 프로그램은 발전시키고 실행해야 한다”고 권고했다. 과학원은 미래의 정책 결정자들이 알베도 조작 적용 여부를 고심하는 상황에 놓일 가능성을 배제하지 않으면서, 이론의 타당성을 검증하고 모델의 불확실성을 줄이기 위해 실제 대기 중에 가스나 입자를 살포하는 것을 포함한 소규모 현장 실험이 유용할 수 있음도 인정했다.

이산화탄소 지하 저장은 핵심 수단

기후변화정부간협의체는 이미 2014년 국제사회에 지오엔지니어링을 기후변화 대응의 핵심 수단으로 삼을 것을 제안했다. 2007년 기후변화평가 제4차 종합보고서에서는 지오엔지니어링을 언급조차 하지 않았던 협의체가 2014년 제5차 종합보고서에서는 지오엔지니어링인 이산화탄소 제거(CDR)와 태양복사관리(SRM)를 평가한 뒤 “이산화탄소 농도를 의미있게 감소시키기 위해 이산화탄소 제거 기술을 광범위하게 장기 적용할 필요가 있다”고 밝힌 것이다. 협의체는 특히 이산화탄소 제거 방식 지오엔지니어링 기술의 하나인 바이오에너지탄소포집저장(BECCS)을 온난화 억제에 불가결한 핵심 수단의 하나로 꼽았다. 보고서에서 “많은 (기후변화) 모델에서 바이오에너지와 탄소포집저장(CCS), 그리고 이들이 결합된 BECCS가 제한되면 지구 기온 상승 폭을 2도가 넘지 않도록 억제할 수 없다”고 밝힌 것이다. BECCS는 공기 속에 있는 이산화탄소를 빨아들여 빨리 자라는 식물을 대량 재배한 뒤 태워서 이산화탄소를 발생시킨 뒤 지하에 저장함으로써 탄소 순환과정에서 제거하는 방안이다.

협의체는 태양복사관리 지오엔지니어링에 대해서는 “적용되면 다양한 불확실성, 부작용, 위험 그리고 단점이 뒤따를 것”이라고 부정적 평가를 내렸지만 향후 논의 가능성을 부인하지는 않았다. “이 기술이 현실화된다면 어느 정도 지구 온도 증가와 그에 따른 영향을 상쇄할 수 있다”며 잠재력을 인정하면서 “(태양복사관리 관련) 연구를 조정하고, 실험과 적용을 제한하는 것 등이 국제기구들에 다가오는 과제”라고 평가했다. 지오엔지니어링 가운데 성층권 입자 살포를 포함한 대규모 알베도 조작에 대해서까지 국제기구에서 공개적으로 연구 필요성을 제기하고 있는 것은 엄청난 변화다. 갈수록 가속화하는 온난화, 기후변화를 막기에는 턱없이 미흡한 온실가스 감축 등이 지오엔지니어링을 다시 보게 만들고 있는 것이다.

김정수 선임기자 [e-mail] 인포그래픽 박향미 기자 [e-mail]