IC434
[기후] 기후 변화의 자연적 요인 본문
지구 내적 요인
기후 시스템 내의 상호 작용으로부터 발생하는 기후 변화의 요인을 지구 내적 요인이라 한다. 일반적으로 대륙과 해양의 분포 변화, 지표면 상태의 변화, 화산 활동 등의 요인이 있다.
대륙과 해양의 분포 변화
당연한 얘기지만, 대륙이 구형의 지구에서 어느 지점에 위치하느냐에 따라 기후가 변할 수 있다. 대륙과 해양은 비열, 반사율 등의 열적 특징이 다르다. 대륙은 해양보다 더 쉽게 가열/냉각되고, 지표 상태에 따라 반사율 등이 크게 달라진다.
먼저, 위도에 따른 태양 복사 에너지의 차이를 생각해보자. 대륙이 적도 지역에 주로 분포할 경우, 태양 복사 에너지의 흡수량이 많아져 지구의 평균 기온이 상승할 것이다. 반면에 대륙이 극 지역에 주로 분포할 경우, 빙하와 눈으로 덮인 면적이 넓어짐에 따라 반사율이 증가하여 지구의 평균기온이 하강할 것이다.
대륙과 해양의 분포가 변화한다면, 대기와 해수의 순환 또한 지금과는 달라질 것이다. 저위도와 고위도 간의 에너지 수송이 달라지며 기후가 변화하게 된다.
이러한 대륙과 해양의 분포 변화는 지구 표면을 구성하는 판의 움직임과 관련되어 있고, 판의 이동속도가 매우 느리기 때문에 오랜 기간 동안 천천히 기후 변화를 일으키는 요인이다.
지표면 상태의 변화
위에서도 살짝 언급한 지표면의 상태는 기후에 많은 영향을 미친다. 지표면의 특성에 따라 반사율이 다르기 때문에 같은 양의 복사 에너지가 도달해도 흡수하는 정도가 다르게 된다. 또한 숲이 많은 지역은 사막 지역에 비해 일교차가 작게 나타나고1, 호수나 습지가 있는 지역은 다른 지역에 비해 습도가 높게 나타난다2.
지표면 상태의 변화는 대체로 긴 시간에 걸쳐 천천히 일어난다. 그러나 최근의 경우, 고위도 대부분을 덮고 있던 빙하가 녹으면서 반사율이 감소하여 기온이 상승하였는데, 이는 인위적인 지구 온난화로 인한 기후 변화이다.
화산 활동
화산이 폭발하면, 대기 중으로 화산재와 같은 광물 입자들과 이산화황 등의 황산염 에어로졸을 만드는 가스가 분출된다. 화산 폭발이 강력할 경우, 연기가 성층권까지 도달할 힘을 가지게 되며 화산의 연기를 타고 이산화황 가스가 성층권에 유입된다. 다양한 입자들이 화산 활동에 의해 성층권으로 유입되나, 기후 변화에 주로 영향을 미치는 물질은 황산염 에어로졸이다. 이 입자는 크기가 작아 체류시간이 길고, 태양광을 효과적으로 산란시키기 때문이다.
화산 활동에 의해 다량의 이산화황 가스가 성층권에 도달하면, 약 35일 후에 황산염 에어로졸이 된다. 황산염 에어로졸이 태양광을 산란시키고 대류권에 들어오는 태양 복사 에너지의 양을 감소시키며 지구의 평균기온이 낮아진다.
cf. 피나투보 화산 폭발
필리핀 북족 루손 섬에 위치한 피나투보 화산은 1991년 6월 12일부터 2주에 걸쳐 수십 번의 폭발을 일으켰다. 이로 인해 이전에 있던 산 봉우리가 사라지고 지름 약 2km의 칼데라가 생겼으며, 산의 높이 또한 낮아지는 등 지형에 많은 변화가 있었다. 당시 화산 폭발의 영향으로 약 2년 동안 지구의 평균 기온이 급격히 낮아졌다.
지구 외적 요인
기후 시스템 외부로부터 영향을 받아 기후 변화를 일으키는 요인을 지구 외적 요인이라 한다. 주로 태양과 지구의 공전, 자전과 관련이 있기 때문에 천문학적 요인이라고도 말한다.
태양의 활동
태양의 활동은 흑점의 개수를 통해 확인할 수 있으며 보통 약 11년을 주기로 변화한다. 태양의 활동 정도에 따라 지구에 도달하는 태양 복사 에너지의 양이 달라지므로 기후에도 영향을 미칠 수 있다.
대기권 최상부에 도달하는 태양 복사 에너지의 양을 태양복사조도라 한다. 1970년대 중반부터 총 태양복사조도를 관측하였는데, 이는 약 11년 주기로 흑점의 극대/극소 주기와 일치한다. 즉, 태양의 활동 정도에 따라 지구에 도달하는 태양 복사 에너지 또한 달라짐을 알 수 있다.
1650년~1700년 경, 태양의 흑점이 현저히 적었던 시기가 있었는데, 이를 마운더 극소기(Mounder Minimum)라고 한다. 이 시기에 지구 평균 온도는 현재에 비해 상당히 낮았는데, 이를 소빙하기(Little Ice Age)라고 한다. 당시의 추운 기후는 17세기의 그림 작품에서도 확인할 수 있다.
위 그래프를 보면 1790~1830년경, 흑점이 적었던 시기가 있는데 이는 댈튼 극소기(Dalton minimum)이라 한다. 또한 1900년대 이후에 흑점이 이전보다 많이 있는 시기는 현대 극대기(Modern Maximum)라고 한다.
소빙하기가 있었던 데에는 다양한 요인이 있었겠지만, 태양의 활동이 현저히 떨어지며 흑점이 매우 적었던 마운더 극소기 또한 추운 기후에 기여했을 것이라 추정한다.
밀란코비치 주기
세르비아의 천문학자인 밀란코비치3가 만든 기후 변화의 주기 그래프이다. 지구 공전 궤도의 이심률, 지구 자전축의 기울기, 지구 자전축의 방향이 주기성을 가지고 변화하며 이들이 복합적으로 작용해 기후 변화를 일으킨다는 주장이다. 그는 계산을 통해 과거 약 45만 년 동안의 기후 변화를 추정하였으며, 1976년 심해 퇴적물 연구를 통해 그 계산 결과가 실제 지구의 기후 변화 주기와 일치함이 밝혀졌다.
- 지구 공전 궤도의 이심률 변화
지구의 공전 궤도는 태양을 하나의 초점으로 하는 타원 형태의 궤도이다. 현재 지구 공전 궤도의 이심률은 약 0.017로, 북반구에서 근일점인 겨울과 원일점인 여름 사이의 태양 복사 에너지 양은 약 7% 정도 차이 난다. 지구 공전 궤도의 이심률은 약 10만 년을 주기로 0.005~0.058 사이에서 변화하는데, 이심률이 약 0.058로 최대가 될 경우 태양 복사 에너지 양의 차이가 약 20%로 커지게 도니다.
나머지 요인이 동일할 때 현재보다 공전 궤도의 이심률이 커지면, 원일점인 여름에 태양에서 멀어지고, 근일점인 겨울에 태양에 가까워지기 때문에 연교차가 작아진다. 반대로 이심률이 작아질 경우. 여름에 태양에 가까워지고 겨울에 멀어지게 되면서 연교차가 커지게 된다.
- 지구 자전축 경사의 변화
지구 공전 궤도에 대한 지구 자전축의 기울기는 약 41,000년을 주기로 변화한다. 지구 공전 궤도의 축에 대해 약 21.5~24.5도 사이에서 변화하는데, 지구 자전축의 기울기가 변하면 위도에 따른 태양의 남중 고도4가 달라져 지표면에 도달하는 태양 복사 에너지 양이 변화한다.
현재 지구 자전축의 기울기는 약 23.5도이며, 지구 자전축의 기울기가 커질 경우 여름과 겨울의 태양 남중 고도 차이가 더 커지므로 연교차가 커진다. 반대로 자전축의 기울기가 작아지면 연교차도 작아진다.
- 세차 운동
지구의 자전축은 공전 궤도의 축을 중심으로 약 26,000년 주기로 회전한다. 이를 자전축의 세차 운동이라 하는데, 약 13,000년 후에는 자전축의 방향이 현재와 반대가 되는 것이다. 그럴 경우, 북반구가 여름일 때 근일점에, 겨울일 때 원일점에 위치하게 되며 (북반구의) 연교차가 현재보다 커지게 된다. 남반구의 경우 현재 여름에 근일점, 겨울에 원일점이므로 약 13,000년 후에는 여름에 원일점, 겨울에 근일점에 위치하여 연교차가 작아지게 된다.
이러한 지구 공전 궤도의 이심률 변화, 지구 자전축 기울기의 변화, 세차 운동이 복합적으로 작용하여 지구에 도달하는 태양 복사 에너지가 변화한다.
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