여전히 시사적인 1990년대 말 환경 생물학 지구 변화학 교수의 실험실 지구 이야기

실험실 지구 - 스티븐 슈나이더가 들려주는 기후 변화의 과학 ㅣ 사이언스 마스터스 10
스티븐 H.슈나이더 지음, 임태훈 옮김 / 사이언스북스 / 2006년 2월

자신의 책이 적어도 몇몇 독자들에게는 지구에 대한 지식을 더욱 추구하려는 동기를 유발하고, 거의 모든 이들에게는 지구 시스템 문제를 해결하는 데 동참하도록 해주지 않을까, 희망한다는 스티븐 슈나이더(Stephen Schneider; 1945-2010)의 책이다. 스탠퍼드 대학교의 환경 생물학 지구 변화(environmental biology and global change) 교수를 역임한 저자는 고체 지구가 공기와 물 그리고 생물과 어떻게 상호작용하는가는 지구를 하나의 시스템으로 이해하는 데 매우 중요하다고 말한다. 

저자에 의하면 우리의 경험만으로는 자연계에서 일어나는 중요한 현상의 모든 범위를 샅샅이 조망할 수 없다. 우리의 개인적인 척도는 너무 제한적이다. 우리를 둘러싸고 있는 자연의 풍부한 다양성에 대해 지각의 창을 열어젖히기 위해서는 더욱 큰 공동체의 관찰과 추정을 필요로 한다. 세상은 분명 커다란 규모의 관점과 작은 규모의 관점을 모두 필요로 한다. 21세기 환경 문제는 단순히 어떤 지방이나 지역의 규모에 그치는 것이 아니라 실로 전 세계적인 규모로 나타난다는 특성이 있다. 또한 훨씬 더 심각하고 오래 지속되고 어떻게 되돌릴 수조차 없는 결과까지 나타날 수 있다. 시행착오를 통해 가르침을 얻는다는 식은 이제 더 이상 받아들일 수가 없다. 

저자는 유기체와 무기체가 서로 연결되어 있듯 지구 화학과 생물학 지질학과 기후학은 연관을 맺고 있다고 말한다. 저자는 기후와 생명체의 그늘진 미래를 살피기 전에 우선 몸을 돌려 우리의 생물 지리학적인 뿌리로 여행을 떠나는 것이 필수적이리라고 말한다. 젊은 지구가 최초로 생명을 잉태했던 시대, 머나먼 과거의 시생대로 말이다. 저자는 반드시 방문하고 싶은 특별히 흥미를 끄는 시기를 생명 탄생의 시대 즉 약 35억 년 전의 시생대라고 말한다. 당시에는 산소가 있긴 했지만 그 양은 현재 약 10억분의 1에 불과하다고 말한다. 산소가 거의 없었다고 할 수 있다. 

초기 지구에 가장 먼저 나타난 기체는 수소와 헬륨이다. 35억 년 전에는 태양이 지금보다 더 작았다. 태양은 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응을 거치며 점점 커지고 또 밝아졌음을 생각해보라. 희미한 원시 태양의 패러독스라는 것이 있다. 메탄과 암모니아라는 두 기체가 지구 대기의 하층부에서 적외선 복사를 차단하는 데 매우 탁월한 효과를 갖고 있으며 시생대에는 이 두 기체가 매우 많았기 때문에 부족한 태양열을 보충해서 온난한 기후를 유지했을 것이라는 뜻이다. 원시 지구에서 메테인은 주로 물과 철 및 마그네슘이 풍부한 암석이 반응하는 사문암화 작용과 같은 비생물학적 열수 과정을 통해 형성되었다. 사문암화 작용이란 지구 맨틀의 철·마그네슘이 풍부한 초염기성 암석(감람석 등)이 물과 반응하는 변성·열수 작용을 말한다. 이 과정에서 감람석, 휘석 같은 1차 광물이 사문암으로 변하며 열을 발생시키고 암석의 부피를 증가시키며 수소 및 메테인 가스를 방출한다. 

태양이 커진 상태에서 이산화탄소 등의 온실 가스를 상쇄한 것은 무엇이었을까? 칼슘, 마그네슘, 규산염 같은 광물들이 대기의 탄소와 결합하여 이산화탄소 농도를 줄이고 칼슘의 탄산염인 석회암, 마그네슘의 탄산염인 돌로마이트 같은 퇴적암에 탄소를 붙잡아둔다. 생물학적 과정을 통해 태양 광도가 커짐에 따라 시생대의 대기 중에 있던 높은 수준의 이산화탄소가 제거되었다는 이론도 있다. 태양 에너지를 이용해서 이산화탄소와 물을 탄수화물과 산소로 바꾸는 과정을 광합성이라 한다. 탄수화물과 산소가 결합해서 열을 방출하고 이산화탄소와 수증기를 만들어내는 과정을 호흡이라 한다. 

오늘날 우리는 석탄 덩어리를 태우면서 화석의 유기물 속에 붙들려 있는 공룡시대의 이산화탄소와 태양열을 소생시키고 있다. 지구과학자들은 바다에 있던 대부분의 환원되어 있는 광물이 소모된 약 20억 년 전부터 대기에 많은 양의 산소가 형성되기 시작했다고 생각한다. 그리고 이때부터 대사 작용을 진행시킬 에너지를 얻기 위해 산소를 필요로 하는 새롭게 진화한 생물체들의 생태학적 자리가 마련되기 시작했다. 지구의 대기는 산소가 충분히 만들어진 뒤에야 생물이 육지에 뿌리내리고 살 수 있도록 하는 오존을 만들 수 있었다. 대기 중에 산소와 오존이 존재한 지난 10억 년 정도의 기간 안에 원핵 생물에서 단세포의 진핵 생물로, 그리고 다시 다세포의 후생동물로의 빠른 진화가 일어났다는 사실이 결코 우연이 아니다.

전 세계적인 규모로 일어나는 변화 중에서도 가장 커다란 관심을 끄는 것은 탄소의 순환이다. 탄소는 현재 대기 속에 이산화탄소의 형태로 아주 적은 양(0.035 퍼센트)이 들어 있고 해양과 퇴적물, 암석들에는 이산화탄소나 다른 형태로 훨씬 더 많은 양이 존재한다. 이산화탄소는 지구 대기에 존재하는 미량 기체다. 이는 현재 이산화탄소의 양이 상대적으로 그리 많지 않다는 뜻이다. 그러나 이렇게 적은 부분을 차지하는 7500억 톤의 대기 탄소가 대기의 열 균형에 미치는 영향은 꽤 큰 편이다. 이산화탄소가 기후에 미치는 영향력은 이산화탄소가 대부분의 태양 복사 에너지는 통과시키는 반면 대부분의 적외선 복사 에너지는 흡수하는 경향이 있어서 지구에서 복사되는 열의 일부를 차단한다는 사실에서 나온다. 

차단되지 않은 지구 복사열은 대기를 통해 우주로 탈출할 것이다. 다시 말해 이산화탄소는 온실 기체다. 대기 속에는 강력한 온실 효과를 내는 다른 미량 기체들이 있다. 대기 중에서 이들의 농도는 증가하였다. 그중에서도 메테인이 유명하다. 메테인의 양은 산업혁명 이후 약 150%나 증가했다. 메테인은 동물과 세균이 만들어내는데 채광이나 경작 같은 인간 활동에서 나온 오염물질 때문에 발생하기도 한다. 일산화이질소의 양도 증가하고 있는데 이는 질소 비료의 사용량이 급격히 늘어났기 때문이다. 

기후학자, 진화 생태학자, 경제학자들이 가질 수 있는 가장 유용한 도구는 빠르고 정확한 모형이다. 이 일은 방정식을 풀고 지구관측 시스템 예를 들면 인공위성에서 들어온 자료를 처리하고 개념을 발전시키고 모형 작업을 시험하는 빠른 대형 컴퓨터의 발달이 있기까지는 결코 가능하지 않았다. 사실 현대의 슈퍼컴퓨터가 나오기까지는 1960년대의 대학과 대기업에서 사용한 그 당시로는 상당히 비싼 계산기계조차 너무 느려서 계산을 충분히 할 수 없었다. 대기의 역사가 현재 대기의 실제적인 모형으로 작용했는데 이는 지질학자들의 동일과정설이라는 견해와 견줄 수 있다.

루이스 프라이 리처드슨은 일기예보의 새로운 패러다임을 열어 놓았다. 그것은 바로 닮은 꼴 방식의 일기도 작성이 아닌 물리법칙에 기초한 수학적 모형이었다. 모형 제작의 이점은 현실 세계에서는 불가능하거나 실행할 수 없는 실험들을 수행할 수 있다는 데 있다. 기후의 시뮬레이션을 위해서 모형을 만드는 사람은 기후 시스템의 구성요소에 무엇을 포함시켜야 할지, 포함시킬 변수들은 무엇인지를 결정해야 할 것이다. 장기간에 걸친 일련의 빙기와 간빙기를 시뮬레이션하기로 했다면 지난 수백만 년 동안의 기후 시스템의 상호작용한 주요 요소들이 미친 영향을 분명하게 포함시켜야 할 것이다. 생물은 기후에 영향을 주므로 역시 포함시켜야 한다. 이렇게 상호 영향을 주고받는 하위 시스템은 모형의 내적 구성요소를 이룬다. 한편 일주일과 같이 매우 짧은 기간에 일어난 기상 현상만을 모형화하려 한다면 단기간에는 거의 변화가 없는 빙하, 심해, 지형. 숲과 같은 곳에서 일어나는 변화는 모두 무시할 수 있다. 이러한 요인들은 모형화한 기후 시스템의 외적 구성요소로 할 수 있다. 

지질학의 역사를 통해 자연계에서 일어난 이런 행성 규모의 실험 중에서 그 어느 것도 현재 진행중인 인간이 이야기한 전 세계적인 변화의 실험과 정확하게 필적하는 것은 없다. 따라서 그 어느 것도 우리의 예측이 올바르다는 결정적인 증거를 제공할 수 없다. 하지만 그 사건들은 모두 현재의 예측이 최소한 상당히 그럴듯하다는 암시를 주는 많은 정황적인 증거를 보태고 있다. 저자는 이 점은 지구의 생태계와 우리의 운명을 이해하는 데 필요한 미래의 기후변화에 대한 엄밀한 예측을 위해서는 육지와 바다, 얼음 속으로 파고들어 될 수 있는 대로 많은 지질학적, 고기후학적, 고생태학적 기록을 들춰내야 한다는 자신의 주장을 다시 한 번 확인시켜준다고 말한다.

불행히도 일부의 근시안적인 정치적 이해관계가 이런 일을 정략적인 것으로 생각해서 난해한 것처럼 보이는 이런 작업을 위한 예산을 삭감하고 있다.(91 페이지) 우리가 이런 시험의 목적을 위해 갖고 있는 최고의 물리적 실험실은 유리와 강철로 세운 연구실이 아니라 지구 자체이며 그 중에서도 특히 지구의 오랜 옛 시절에 대한 우리의 지식이다.(94 페이지) 과학자들은 언제나 변화 뒤에 숨어 있는 원인을 찾는다. 원인이 확실하다면 변화와 요동을 구별할 수도 있다. 과거의 기후는 상당히 다양한 모습을 띠고 있었다. 빙기도 있었고 빙하가 없는 시기가 수천만 년 동안 지속되기도 했으며 심지어는 대기에 산소가 거의 없거나 전혀 없었던 시기도 10억 년 이상이나 된다. 오늘날과 비교할 때 대륙들은 다른 곳에 위치해 있었으며 태양에서 오는 에너지의 양도, 대기의 조성도 달랐다. 다시 말해서 과거에는 엄청나게 커다란 규모의 변화를 나타내는 자연의 실험이 있었다. 많은 경우 이런 변화는 향후 수십년 동안 인간이 어떤 일을 함으로써 대기의 화학조성에 영향을 미칠 수 있는 것보다 훨씬 큰 것이었다. 그러나 이런 자연적인 변화의 속도는 항상 그랬던 것은 아니지만 대부분 인간이 자연에 강제한 것에 비해 지극히 완만했다. 

기후를 예측하기 위해 우리는 도구를 확인하는 데에서 한 걸음 더 나아갈 필요가 있다. 우리는 또한 기후변화를 강요하는 요인 즉 기후 강제 요인이 어떤 것들인지 확인하고 분석해야 할 것이다.(96, 97 페이지) 열을 가진 모든 물체는 복사 에너지를 방출한다. 지구는 절대온도 255K(- 18 ℃) 정도 되는 흑체의 총복사 에너지량에 필적하는 복사 에너지를 방출하고 있다. 지구 표면의 공기의 평균 온도는 287K(14 ℃)로 지구의 흑체 온도에 비해 32 ℃ 정도 따뜻하다. 따뜻한 표면 공기 온도와 지구의 복사 등가온도 간의 32 ℃ 차이가 바로 그 유명한 온실효과에 의한 것이다.(118 페이지) 

대기는 온실 효과를 통해 태양 복사 에너지의 적지 않은 부분을 지구의 표면까지 투과시키고 그 뒤에는 지표면과 낮은 대기에서 나온 위를 향한 지구의 적외선 복사를 많은 부분 차단한다. 정확하게는 도중에서 가로 채 낮은 에너지로 재복사한다. 아래쪽을 향한 재복사는 지표면의 온난화를 더욱 강화시켜 32 °C의 자연적인 온실 효과를 일으키는 중요한 작용을 한다. 이는 사변적인 이론이 아니라 충분히 양해 되고 완전히 검증된 자연현상이다.(119 페이지) 

자연계의 온실 효과는 분명히 과학적으로 의심의 여지없이 입증되었다. 지금까지 기후와 생물의 공진화를 진행시켜온 자연의 온난화를 설명해주고 있다. 인간이 자연계의 온실 효과를 확대하는 일이 어느 정도로 심각한가에 대해서는 지금도 논의가 진행되고 있다.(120 페이지) 

저자는 정치가들은 자신의 선거구민들의 인식에 반응하는 데는 탁월한 재간을 보인다고 말한다. 우리가 우리의 의견을 전단할 때 특히 그렇다. 우리가 정치 지도자들을 다그쳐 창조성을 갖고 그 중에서 에너지의 효율적 이용을 북돋울 장기적 해결책을 마련하고 중국인들에게 대안을 제시해서 그들이 계획하고 있는 비효율적인 석탄 이용을 개선시키며, 인도네시아와 브라질 사람들의 급속한 삼림 벌채 계획을 바꾸어놓도록 조치할 수 있게 만든다면 정치가들은 우리가 그들에게 무엇을 원하는지 알게 될 것이다. 그들이 여러분의 관심사와 가치관을 알 수 있도록 하자. 우리가 침묵한다면 특수한 이해당사자들이 보낸 팩스만 통과될 것이다. 역시 이런 말을 할 수밖에 없다. 아니 최선이 이것이다.

지구 화학과 생물학 지질학과 기후학은 연관을 맺고 있다는 저자의 기후와 생물의 공진화란 말로 수렴하는지 궁금하다.

스티븐 슈나이더의[실험실 지구] 이야기

경상북도립 영양 공공도서관 인장이 찍힌 책 한 권이 내게 있다. 29년 전인 1997년 발간된 스티븐 슈나이더(Stephen H Schneider; 1945- 2010)의 [실험실 지구]란 책이다. 몇 단계 기증을 거쳐 나에게까지 온 책이다. 내가 이 책을 만난 것은 지난 해 여름 연천군 백학면 광장애서(廣場愛書) 서점의 기증 도서 가판대를 통해서였다. 소설, 시, 수필, 잡지, 역사서 등이 주를 이루는 가운데 하드 커버 서적이 눈에 띄었는데 놀랍게도 기후과학 책이었다. 저자는 2007년 정치인인 엘 고어와 함께 노벨 평화상을 수상한 분이다.

2021년 일본계 미국인 기후학자 마나베 슈쿠로, 독일의 해양학자 클라우스 하셀만, 이탈리아 물리학자 조르주 파리시 등이 기후 연구로 노벨 물리학상을 받았는데 같은 과학자인 스티븐 슈나이어는 평화상을 받은 이유가 궁금하다. 슈나이더는 유기체와 무기체가 서로 연결되어 있듯 지구 화학, 생물학, 지질학, 기후학은 연관을 맺고 있다고 말한다. 최근 독일 기후학자 프란츠 마울스하겐의 [꿰뚫는 기후의 역사], 마나베 슈쿠로, 앤서니 브로콜리의 [기후의 과학], 스티븐 포더의 [엘리멘탈]을 연이어 읽고 서평을 썼는데 곧 [실험실 지구]도 완독하고 서평까지 써야 할 것 같다.

[엘리멘탈] 이후 [궤도 너머]

스티븐 포더의 [엘리멘탈]을 읽고 다음 단계로 넘어가기 전에 카밀라 팡의 [궤도 너머]를 읽는다. [엘리멘탈]의 번역자는 물리학 전공자 김은영이고 [궤도 너머]의 번역자는 생물학 전공자 조은영이다. 다음 단계로 넘어가기 전에 읽는 책이지만 완독하고 서평을 쓸 수 있으면 좋겠다. 지은이는 여덟 살에 자폐 스펙트럼 장애를, 스물여섯 살에 ADHD 진단을 받은 생물화학자다. 이럴 줄 알았으면 자폐인 출신 과학자 템플 그랜딘의 [나는 그림으로 생각한다]를 읽어 두었다면 좋았을 것이다.

카밀라 팡은 이런 말을 한다. “여느 분야와 마찬가지로 과학 역시 편향 없는 청정구역이 아니다....과학자란 세상이 어떻게 돌아가는지 알아내고 싶어 세상에 질문을 던지는 사람을 부르는 호칭에 불과하다.... 연구자가 아무리 엄격하고 철저하게 연구에 임한다고 해도 과학은 주관적인 견해에서 벗어날 수 없다..” 가볍게 읽기가 쉽지 않을 것 같다.

화석 연료의 막대한 체외 소비로 월드 체인저가 된 인간이 가야할 길을 제시한 환경과학자이자 환경보호론자의 책

엘리멘탈 - 5가지 원소로 보는 생명의 역사와 인류의 미래
스티븐 포더 지음, 김은영 옮김 / 원더박스 / 2025년 11월

기후 변화를 넘어선 기후 위기의 시대다. 인류를 파멸로 치닫게 하는 온실가스를 배출하는 화석 연료 대량 소비 양태를 지양해야 한다는 경고는 더 이상 낯설지 않다. 생태학, 지질학 전공자 스티븐 포더(Stephen Porder)의 [엘리멘탈] 역시 같은 목소리를 내는 책이다. 원소(元素)를 뜻하는 엘리멘탈을 제목으로 삼은 [엘리멘탈]은 그러나 몇 가지 점에서 다른 책들과 구별되는 근본적인 책이다. 디테일한 차별점이란 1) 세상을 바꾼 월드 체인저란 개념으로 인간이 인간에 앞선 두 월드 체인저의 전철을 밟아서는 안됨을 언급한 것, 2) 탄소의 체내 소비와 체외 소비 개념의 대비로 현실을 설명했다는 점이다. 

책이 다룬 원소는 탄소, 수소, 질소, 산소, 인(燐) 등 다섯 원소다. 저자는 자신을 환경과학자이자 환경보호론자라 소개한다. 환경과학자란 말은 과학적인 관찰 방법을 동원해 인간이 환경에 일으키는 변화와 그 변화의 결과를 이해하려고 노력하는 사람이라는 의미이다. 환경보호론자란 말은 자연 세계의 가치를 높이 평가하고 인간의 행동이 자연에 미치는 부정적인 영향을 최소화할 방법을 찾는 사람이라는 의미다.(220 페이지) 

탄소, 산소, 수소도 중요하지만 결정적인 것은 질소와 인이다. 질소와 인은 광합성 여부와 관계 없이 살아 있는 모든 것의 생체분자의 핵심 요소들을 만드는 데 필수적인 구성요소다. 이 두 원소가 부족하면 해양은 사막이 되고 풍부하면 우림(雨林)이 된다. 저자는 인간을 마지막 월드 체인저로 본다. 저자가 말하는 첫 번째 월드 체인저는 시아노박테리이다. 남세균(藍細菌)이라고도 하는 시아노박테리아는 약 25억~30억 년 전 지구에 산소를 공급하여 산소 시대(대산화사건)를 연 광합성 원핵생물이다. 대산화사건이란 시아노박테리아의 광합성이, 광활한 무산소의 바다에 오직 단세포 유기체만 존재하고 대륙에는 아무것도 존재하지 않았던 지구 역사의 전반기를 끝낸 사건임을 의미한다. 

책을 통해 처음 알게 된 사실이 여럿 있다. 그 가운데 하나가 시아노박테리아가 질소를 고정해 생존경쟁에서 절대 우위를 차지했었다는 사실이다. 대기 중에 거의 무제한으로 존재하며 해수에도 쉽게 녹는 질소는 생명을 지배하는 가장 변덕스러운 조절자다. 질소 기체는 공기의 80 퍼센트 정도를 차지하지만 대부분 불활성 기체다. 그래서 유기체들이 질소를 얻는 것은 어렵다. 사람 역시 늘 공기를 호흡하며 살지만 호흡으로는 질소를 우리 몸이 이용할 수 있는 형태로 흡수하지 못한다. 2개의 질소 원자가 결합한 질소 분자는 매우 강력한 삼중결합 구조로 이루어져 있다. 우리가 쓸 수 있는 유용한 질소는 두 질소 원자 사이의 강한 결합이 끊어져서 각각의 원자가 수소, 산소, 탄소 등의 다른 원소의 원자들과 결합한 형태로 존재하는 것이다. 번개는 초기 지구의 바다에서 이용 가능한 질소를 만드는 주요 요인이었을 것이다. 

시아노박테리아는 공기 중 불활성 기체인 질소를 흡수해 자신이 쓸 수 있는 형태로 고정하는 능력을 갖추었다. 시아노박테리아는 탄소와 질소를 모아들이는 데 탁월했다. 그렇다면 시아노박테리아의 생장을 제약하는 것은 무엇이었을까? 질소 고정 능력이 있는 유기체들은 대개 다른 원자들에 대한 수요도 크다. 특히 인에 대한 요구가 크고 철과 몰리브덴도 많이 필요하다. 철과 몰리브덴은 질소 고정을 수행하는 생물학적 장치의 중요 성분이다. 인, 철, 몰리브덴은 질소와 달리 공기 중에는 거의 존재하지 않는다. 철, 몰리브덴은 질소 고정에 필요한 원소이고, 인은 질소 고정에 에너지를 되어주는 원소다. 이 원소들은 바위를 화학적으로 분해해야만 얻을 수 있기 때문에 암석 유래 원소라 불린다. 

대산화사건은 오랜 시간에 걸쳐 질소를 고정해 광합성 장치를 만들어 햇빛을 화학 에너지로 바꾸어 성실하게 살아간 시아노박테리아로 인해 일어난 사건이다. 이로 인해 눈덩이 지구가 만들어졌다. 이는 광활한 무산소의 바다에 시아노박테리아의 광합성으로 배출된 폐기물격인 산소가 (이산화탄소보다 더 강력하게 열을 가두는) 메테인을 분해함에 따라 이산화탄소가 생성되어 지구에 온실효과가 빚어졌으나 왕성한 광합성으로 인해 온실효과가 약화되어 눈덩이 지구가 찾아온 것을 두고 이르는 말이다. 

시아노박테리아 다음으로 세상을 바꾼 두 번째 월드 체인저는 식물이다. 바다 생명체들이 육지를 향해 갈 수 밖에 없었던 이유는 암석 유래 원소들을 찾아서였다. 수분을 유지하기 위해 끊임없는 투쟁을 해야 하는 단점이 있었지만 땅 위에서 사는 것은 다른 원소들에 쉽게 접근할 수 있다는 장점이 있다. 땅 위에도 햇빛은 충분하다. 햇빛은 공기 중에 이산화탄소를 얻는 데 필요한 연료를 공급해주는 에너지다. 그러나 광합성 장치를 만들기 위해서는 많은 양분이 필요하다. 질소 뿐만 아니라 인, 철 같은 암석 유래 양분들이 필요한 것이다. 땅 위에서는 이런 원소들이 강이나 바람 또는 해류에 실려서 자신에게 전달될 때까지 기다릴 필요가 없다. 육상 식물은 이런 양분을 스스로 찾아간다. 식물은 뿌리 아래 잠자고 있는 이 양분들을 찾아내기 위해 땅에 균열을 내기 시작했다. 

식물 역시 역설적 상황의 희생자가 되었다. 지상으로 올라와 공기 중의 이산화탄소를 빨아들여 자신의 조직을 구성했던 식물이 죽음에 따라 탄소의 일부가 흙 속에 저장되었다. 식물은 지상에 있는 암석에서 미네랄의 용해를 가속화했고 이는 공기 중의 이산화탄소를 제거하고 해저에 석회암으로 저장하는 순효과를 냈다. 암석의 풍화작용이 가속화되어 죽은 식물이 그대로 땅속에 묻힘에 따라 공기 중에서 이산화탄소는 점점 제거되고 지구는 차갑게 식어갔다. 이런 상황은 식물에게도 불리한 일이었다. 이산화탄소가 감소해 광합성을 하기 어려워진 것이다. 식물의 진화가 공기 중으로부터 많은 양의 이산화탄소를 빼앗아가자 온실효과가 약해졌다. 빙하기가 닥친 것이다. 식물은 생존과 번식에 성공한 대가로 얼어 죽게 되었다. 

세 번째 월드 체인저는 인간이다. 물론 우리가 감안해야 할 것은 인간 또는 인류라는 말의 추상성이다. 인간 또는 인류라는 말 속에는 불평등과 차이가 숨겨져 있다. 가령 세계 인구의 5퍼센트를 차지하는 미국은 온실가스의 18퍼센트를 배출하고, 세계 인구의 16퍼센트를 차지하는 아프리카 사람들은 온실가스의 4퍼센트를 배출할 뿐이다.(224 페이지) 어떻든 인간은 우리보다 앞서 세상을 바꾼 월드 체인저들에 의해 고정되어 오랜 세월 묶여 있던 탄소를 경악스러운 속도로 공기 중으로 풀어놓기 시작했다. 

지구에 존재하는 거의 모든 원소가 그렇듯 세상의 거의 모든 탄소도 암석에 들어 있다. 산업혁명이 일어나기 전까지 지구의 역사를 통틀어 암석에 묻혀 있던 탄소가 그 암석으로부터 탈출할 수 있는 유일한 경로는 화산 분출뿐이었다. 순환 시스템 안에 들어 있는 탄소의 총량은 어느 해나 똑같다. 적어도 인간이 존재하기 전에는 그랬다. 인간이 화석연료를 발견했을 때 탄소 순환에서 빠른 변화는 전혀 다른 의미를 갖게 되었다. 계산에 따르면 인간은 식물이 광합성으로 400년 동안 축적한 에너지를 1년에 태우고 있다.(‘burning buried sunshine’ 참고) 화석 연료의 연소는 깊은 땅속에 파묻혀 느린 탄소 순환에 갇혀 있던 탄소를 꺼내 빠른 탄소 순환으로 몰아넣는다. 순환하는 탄소의 총량을 급격하게 증가시키는 것이다.(91 페이지) 

지구 생명의 역사를 통틀어 인간은 느린 탄소 순환과 빠른 탄소 순환 사이에 다리를 놓은 최초의 유기체다. 지구상의 모든 곳에서 탄소는 점점 더 많이 발생하고 있다. 대기로 흘러 들어가는 탄소, 해수에 녹아드는 탄소, 땅속에 저장되는 탄소도 점점 증가한다. 산업혁명기인 1850년대부터 화석연료 연소의 직접적인 결과로 공기 중의 탄소량은 거의 40 퍼센트 가까이 증가했다. 우리가 화석연료의 연소를 중단하거나 공기 중의 이산화탄소를 포획하여 암석에 다시 집어넣는 방법 – 그것도 거의 상상할 수 없이 빠른 속도로 –을 발견하기 전까지 이 증가세는 멈추지 않을 것이다. 

비록 똑같은 이산화탄소이지만 우리가 날숨으로 토해내는 이산화탄소와 자동차 배기구에서 배출되는 이산화탄소 사이에는 차이가 있다. 전자는 이미 순환하고 있던 탄소다. 언젠가 식물이 흡수했던 이산화탄소가 그 식물을 먹은 누군가의 몸에 들어갔다가 약간의 시간이 흐른 후 다시 공기 중으로 되돌아가기 때문이다. 화석 연료를 태우는 것은 다르다. 새로운 탄소를 등장시키는 것이다. 하루에도 최저 기온과 최고 기온 사이의 3.89도의 차이는 거의 매일 발생한다. 그런데 고작 그 정도의 차이로 어떻게 1만 년 전 남쪽의 뉴욕 시 위치까지 확장되었던 빙상이 지금은 다 녹아 북아메리카에서는 더 이상 볼 수 없게 되었을까? 기온의 일교차 또는 계절 간 차이가 3.89도라면 큰 차이가 아닌 것처럼 보일 수 있지만 장기간에 걸쳐서 지구의 평균기온이 그 정도의 차이를 보인다면 지구의 기후에 극적인 차이를 가져온다. 

1815년 남태평양의 탐보라 화산이 폭발해서 햇빛을 가릴 정도로 많은 양의 화산재가 분출되었다. 이때 지구 전체적으로 농사가 망했고 기아 사태가 벌어졌다. 1816년은 여름이 없는 해로 기록되었다. 이 화산 폭발로 지구의 평균 기온은 얼마나 떨어졌을까? 고작 0.55도였다. 지구 평균기온에 아주 작은 변화만 생겨도 그 결과는 매우 크게 나타난다. 지구의 평균기온이 올라가려면 극지방에서 적도 지방까지 지구상 모든 장소에서 실질적으로 시스템 전체에 더 따뜻해지는 방향으로 동시적이고 심대한 변화가 있어야 한다. 수많은 구성원 또는 구성 요소가 있는 집단에서 어떤 평균 수치를 변화시키려면 한 방향으로 작용하는 매우 큰 추동력이 있어야만 한다. 평균적인 수치를 보면 아주 작은 변화가 지구 전체로는 매우 큰 변화를 일으키는 또 하나의 이유는 그 평균치가 극단적인 경우에 빈도수에 영향을 미친다는 것과 관련이 있다. 

마지막 빙하기 이후 수천 년이나 걸리긴 했지만 지구 평균 기온이 3.8도 오른 영향은 매우 크다. 1만 년 전 캐나다와 미국 북부 대부분이 얼음으로 덮여 있었지만 오늘날 미국에는 영구 얼음층이 없다는 사실만 보아도 알 수 있다. 1856년 유니스 푸트(Eunice Foote; 1819 – 1888)가 처음 발견한 이래 우리는 온실가스가 열을 가둔다는 사실을 두 세기 전부터 알고 있었다. 푸트는 이산화탄소 기체가 열을 흡수하는 놀라운 능력 즉 지구 온난화의 주요 원인이라는 사실을 최초로 기술했다. 몇 년 후인 1861년 아일랜드 과학자 존 틴달은 이산화탄소의 열 흡수율을 측정했다. 그는 "빛에는 매우 투명한" 물질이 열을 그토록 강하게 흡수한다는 사실에 너무 놀라 이 단일 물질로 수백 번의 실험을 했다고 한다. 저자는 에너지를 쓰는 방법(화석 연료 일변도)을 바꾸기를 거부하면 앞선 두 유기체(시아노박테리아, 식물)가 맞았던 것과 비슷한 기후 절벽으로 떨어지지 않는다고 자신할 수 없다고 말한다. 

컴퓨터로 기후 모델을 만들기 위해서는 기후와 중요한 관련이 있는 물리학, 화학, 수학을 이용하여 우리가 기술할 수 있는 모든 과정들을 포함해야 한다. 예를 들면 지구의 각 지점에 얼마나 많은 양의 햇빛이 떨어지는지, 시간이 지나면서 그 햇빛의 양이 어떻게 변하는지 알아야 할 필요가 있다. 대기 중의 온실가스 농도를 알아야 하고 그 농도가 시간에 따라 어떻게 변해왔는지도 알아야 한다. 지표면이 햇빛을 얼마나 잘 반사하는지에 대한 정보도 필요하다. 그 반사율에 따라 지구에 흡수되어 지표면을 달구는 햇빛의 양이 얼마나 되는지 알 수 있기 때문이다. 우리가 알아야 할 정보의 목록은 끝이 없을 것이다. 또한 우리가 알아야 할 각각의 정보에 대해서 다른 모든 것이 변할 때 그 정보가 어떻게 변할지를 방정식으로 기술할 수 있어야 한다. 

어떤 모델이 인간이 배출한 온실가스가 기후 변화의 원인이라는 논리를 합리적인 의심을 뛰어넘을 정도로 증명하는 데 유용한지를 우리가 어떻게 알 수 있을까? 저자는 1990년대 모델은 지난 30년간 아주 훌륭하게 기후변화를 예측해왔다고 말한다. 지난 30년 동안 있었던 인간의 온실가스 배출을 놓고 보면 우리는 그 모델들이 예측했던 바로 그 상황에 처해 있다. 한 마디로 그 모델들은 미래를 예측하는 데 아주 유용하다고 아주 확실하게 믿을 수 있을 만큼 아주 훌륭하게 작동하고 있다.(133 페이지) 자연의 변수만으로는 지난 50년 동안 있었던 극적인 온난화 경향을 설명할 수 없다. 인간의 온실 가스 배출이라는 변수가 없이는 지구의 기후에 일어난 변화를 설명하는 신뢰할 방법은 없다. 

인류는 1850년 이래 지금까지 약 2조 5천억 톤의 이산화탄소를 배출했다. 그 대부분이 지난 수십 년 사이에 배출되었고 지금은 매년 500억 톤 가량을 배출하고 있다. 기온 상승을 1.6 - 2.2도 수준에서 머무르게 하려면 앞으로 인류에게 허용된 이산화탄소 배출량은 약 5천억 톤에 불과하다. 현재 배출량으로 따지면 10년 밖에 시간이 없다.(이 책의 원서가 나온 것은 2023년이다.) 10년은 아주 짧은 시간이다. 인류는 세상을 바꾸는 속도에서는 그 어떤 생명체와도 비교할 수 없는 독특한 존재다. 

저자는 기후변화와 탄소 순환의 변동은 그 속도를 크게 줄일 수 있고 정치적 의지만 있다면 완전히 멈출 수 있다고 말한다. 그런데 인류가 정말 그렇게 하지 말지는 두고 볼 일이지만 이미 행동할 시점이 너무 오래 지났다는 것은 분명하다.(187 페이지) 인간은 탄소화합물이 가득한 식물성 식량과 동물성 식량을 먹고 그 화합물을 분해해 에너지를 얻고 날숨으로 이산화탄소를 내뱉는다. 이 과정에는 변화도 다양성도 없다. 우리는 화학적으로 그렇게 만들어졌다. 지구의 탄소순환을 바꿔 놓은 것은 우리 몸 안에서 일어나는 화학반응이 아니다. 우리 몸 내부에서 일어나는 화학 반응이 지구의 탄소 순환에 남기는 흔적은 아주 제한적이다. 

다른 월드 체인저들과 달리 인간은 체외에서 막대한 양의 탄소 기반 에너지를 소비한다. 화석연료를 태워 얻는 에너지로 우리는 난방을 하고, 차를 운전하고, 공장을 돌려 상품을 생산한다. 기후 변화의 주요 원인은 이렇게 인간 체외에서 일어나는 에너지 소비다. 체내 소비와 체외 소비의 비는 1; 25다. 1인당 2천 칼로리; 5만 칼로리다. 미국인들과 그 외 다른 나라 사람들의 평균적 에너지 소비량을 비교하면 거의 1; 100이다. 결론은 인간이 발생시키는 온실가스의 70퍼센트 정도를 배출하는 화석연료의 연소를 중단해야 한다는 점이다. 온실 가스를 배출시키고 않고 전기를 생산하는 다른 방법으로 핵융합이 있다. 핵융합은 고에너지 수소 원자를 서로 충돌시켜 헬륨을 생성하는 과정에서 방출된 에너지를 이용하는 방법이다. 태양이 바로 이 방법으로 막대한 열을 만들어낸다. 핵융합은 방사성 폐기물을 남기지 않고 온 우주에서 가장 흔한 원소인 수소를 이용한다는 점에서 한동안 발전의 성배로 떠받들어졌다. 

문제는 핵융합 반응을 유도하기 위해서는 이 방법으로 생산되는 가용 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 투입해야 한다는 사실이다. 몇몇 물리학자들에 따르면 앞으로 10년 후면 핵융합도 이용 가능한 발전 기술이 될 것이라고 한다. 이런 예언은 과거에도 있었지만 정말로 그 예언이 현실이 된다면 핵융합 발전은 진정한 게임 체인저가 될 것이 분명하다.(245 페이지) 모든 부분에서 정부와 기업 그리고 민간 부분의 역할이 중요하다. 온실가스를 배출하지 않는 에너지 사용에 대한 커다란 사회적 요인이 형성되지 않는다면 우리는 기후변화를 늦추고 최종적으로는 멈추는 데 성공할 수 없다. 개인의 행동을 강조하다 보면 대규모의 정치적 사회적 변화를 이끌어내는 데 소홀해질 수 있다는 지적도 일리가 있다. 

그러나 특히 주택과 승용차의 경우 더욱 깨끗한 에너지 생산을 위해 개인이 할 수 있는 일이 있고 정부가 엉금엉금 기여하는 동안에도 개인들의 행동이 온실가스 배출을 직접적으로 줄일 수 있다. 물론 각 개인이 화석연료를 태워 얻는 전기로부터 멀어지도록 하는 규제 행위도 필요하다. 획기적인 기술의 발달도 필요하다. 세상을 바꾸는 우리의 선조들과 우리 사이에 있는 아주 커다란 차이가 있다는 이야기로 돌아가지 않을 수 없다. 우리는 우리가 원치 않는 부산물이나 부작용 없이 우리가 원하는 에너지를 얻을 수 있다. 그 결정적인 차이를 충분히 활용할 의지가 우리에게 있는지 여부를 시간이, 얼마 남지 않은 시간이 곧 말해줄 것이다.

[엘리멘탈] 너무 재미 있다.

지질 글에서 다룬 적 있는 시아노박테리아(남세균)에 대해 새로운 사실을 알게 되었다. 질소 고정을 영어로 무엇이라 하는지 검색하자 Nitrogen Fxation이라 알려준다. 이어서 cyanobacteria라 치니 Fixation이 자동 완성된다. photosynthesis before chemical synthesis?라 치니 맞다고 한다. 

너무 재미 있다. 화학합성이 너무 신선했는데 사실 대산화사건(Great Oxidation Event)으로 직격탄을 맞은 생명체들이 심해 열수분출구/ 화산 분출구로 피해간 것. 산소가 없었기에 이산화탄소도 없었지만 메테인이 있어 온실효과를 만들어 지구가 살만한 곳이 되었지만 산소가 메테인을 파괴해 빙하기가 온 것. 

천체의 움직임은 계산할 수 있어도 인간의 광기는 계산할 수 없다는 뉴턴의 말이 이해된다. 사회의 불규칙, 일탈, 불합리 등을 보며 자연질서는 너무도 정연하고 비약이 없다는 사실을 새삼 실감한다. 물론 내 독서가 자연과학 일변도로 보이겠지만 지금은 과도기일뿐이다. 자연과학 이후 사회과학/ 역사/ 철학이 아니라 자연과학과 함께 사회과학/ 역사/ 철학이다.