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- 연기 속의 유기 "타르 볼"은 예기치 않게 강한 온실 효과
- 화재에 따라 그을음은 405~664nm(나노미터) 파장 범위에서 총 복사 흡수량의 14~5%를 차지
- 연기 입자는 광화학 반응에 의해 거의 분해되지 않는다

화재: 연기는 예상보다 더 많은 기후를 가열시킨다.
연기 속의 유기 "타르 볼"은 예기치 않게 강한 온실 효과를 나타낸다.

화재 악순환:
산불의 기후 영향은 이전에 생각했던 것보다 더 크며 화재 위험을 더욱 높일 수 있다. 측정 결과에서 알 수 있듯이 태양 복사를 흡수하는 것은 검은 그을음만이 아니다. 훨씬 더 일반적인 유기 "타르 볼"도 햇빛을 흡수하여 대기를 가열한다. 이러한 연기 에어로졸의 기후 효과는 아직 기후 모델에 나타나지 않았기 때문에 연구자들이 "Nature Geoscience"에 보고한 것처럼 산불의 진정한 온실 효과는 과소평가되었을 수 있다. 

▲ 미국 산불로 인한 광범위한 연기구름을 뚫고 비행했다. 이러한 측정은 연기 입자의 기후 효과에 대한 놀라운 사실을 밝혀냈다. © Steve Brown / NOAA

캘리포니아, 캐나다 또는 지중해 주변에서:
매년 거대한 삼림 지역이 불길에 휩싸인다. 북극 툰드라에서도 점점 더 자주 연기가 난다. 이러한 화재 증가의 한 가지 이유는 기후 변화와 이와 관련된 극단적인 기상 현상이다. 열파와 가뭄은 숲을 화재에 더 취약하게 만들고 화재 확산을 촉진한다. 반대로 대형 화재로 인한 연기는 대기에도 영향을 미친다. 오존층을 손상시키고 엘니뇨 주기를 변경하며 날씨에 영향을 줄 수 있다.

연기는 기후에 어떤 영향을 미칠까?

그러나 더 큰 화재의 기후 영향은 어떠한가? 분명한 것은 화재가 이산화탄소와 같은 기후에 영향을 미치는 많은 양의 가스를 방출해 온실 효과에 직접적으로 기여한다는 것이다. 연기 입자의 특성과 색상에 따라 연기의 부유 입자도 기후에 영향을 미칠 수 있다. 밝은 공기 중의 입자는 입사되는 햇빛 대부분을 반사하며 냉각 효과가 있는 경향이 있다. 반면에 어둡고 강하게 흡수하는 입자는 온실 효과에 기여하고 대기를 가열한다.

일반적으로 총 연기 배출량의 3% 미만을 차지하는 검은 그을음은 이전에 기후에 특히 강한 영향을 미치는 것으로 여겼다. 에어로졸 입자의 나머지 부분은 그을음보다 색이 옅고 광화학적 과정에 의해 빠르게 분해되는 유기 탄소 화합물로 구성된다. 그래서 그들은 무해한 것으로 생각했다. "연기에서 빛을 흡수하는 유기 에어로졸의 온난화 기여는 무시되거나 무시할 수 있는 것으로 생각했다"고 St. Louis에 있는 Washington University의 레이얀 챠크라바티(Rajan Chakrabarty)와 그의 동료들은 설명했다.

▲ 연기의 구성과 색상은 기후에 미치는 영향에 중요한 역할을 한다. 여기 캘리포니아의 산불이다. © Erin Donalson/ 게티 이미지

불 위의 비행

그러나 이 갈색 베이지 연기 구성 요소가 실제로 기후에 영향을 미치지 않을까? 연구원들은 2019년 미국 서부에서 발생한 세 개의 주요 산불 바로 위 공중에서 이를 확인했다. 이를 위해 팀은 다른 높이에서 여러 번 화재로 인한 연기구름을 통해 비행하기 위해 측정 항공기를 사용했다. 분광계와 광도계를 포함한 선상의 측정 장비는 에어로졸의 구성, 광학적 특성 및 복사 흡수를 기록했다.

연기에 포함된 그을음은 연기구름의 전체 방사선 흡수 중 작은 부분만을 설명할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 화재에 따라 그을음은 405~664nm(나노미터) 사이의 파장 범위에서 총 복사 흡수량의 14~5%를 차지했다. "반면에 연기 속의 비 검댕 입자는 청색 파장 범위에서 흡수의 3/4, 적색 파장 범위에서 절반을 차지했다"고 Chakrabarty와 그의 팀은 보고했다.

온실 효과가 있는 "타르 볼“

이는 화재 연기의 검은 그을음만이 온실 효과가 있는 반면, 에어로졸의 밝은 색상의 나머지 유기물은 중립적이라는 가정을 반박한다. “이 두 부분으로 된 그림은 올바르지 않다. 대신 유기 갈색 탄소가 햇빛을 강하게 흡수하는 전체 연속체를 볼 수 있다”고 Chakrabarty는 보고했다. 결과적으로 연기의 그을음 입자뿐만 아니라 다른 에어로졸도 대기를 데우고 이로써 온실 효과에 기여한다.

▲ 지상에서 10km 범위의 고도에서 샘플링된 연기 기둥에 풍부한 d-BrC 타르 볼의 TEM 이미지. (출처: 관련논문 Shortwave absorption by wildfire smoke dominated by dark brown carbon / nature geoscience / Open Access Published: 07 August 2023)

보다 면밀한 분석을 통해 화재 연기의 어떤 유기 입자가 이 놀랍도록 강력한 온실 효과의 원인인지 밝혀냈다. 따라서 이들은 점성 유기 화합물의 140~200nm 작은 방울인 소위 "타르 볼"이다. Chakrabarty는 "불이 난 곳 근처의 특히 뜨거운 지역에서 그을음과 유사한 방식으로 형성되었을 것"이라고 설명했다.

광화학적 열화에도 안정적

연기에 포함된 타르 볼은 그을음보다 색상이 더 밝지만 유사한 광학 특성을 가지고 있다. 측정 결과에 따르면 자외선에서 적외선 범위까지 전체 스펙트럼에 걸쳐 햇빛을 흡수한다. 개별적으로 고려할 때 타르 볼은 검은 그을음보다 약간 낮은 방사선 흡수율을 갖지만, 화재 연기에서 4배 더 흔하다. 그에 따라 온실 효과에 대한 기여도도 크다.

놀라운 점은 이전에 가정했던 것과는 달리 이러한 연기 입자는 광화학 반응에 의해 거의 분해되지 않는다는 것이다. "타르 볼은 오랫동안 대기 중의 광화학적 표백을 견딜 수 있다"고 팀은 보고했다. 또한 공기 중의 질소산화물 라디칼과 실내 입자의 반응으로 인해 입자가 더욱 어둡고 빛을 더 잘 흡수하게 된다.

기후 모델 수정 필요

연구원에 따르면 그들의 발견은 화재 연기의 기후 영향에 대한 기존의 통념을 반박하고 모델을 조정해야 한다. 산불은 이전에 간과되었던 "타르 볼"의 효과로 인해 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 온실 효과에 기여할 수 있기 때문이다. Chakrabarty와 그의 동료들은 "우리의 발견은 산불로 인한 에어로졸 배출량이 북미 서부와 세계 다른 곳에서 증가하고 있다는 점을 감안할 때 적절한 시기에 나온 것"이라고 썼다.

연구원들에 따르면 기후 모델을 조정하고 확인하지 않으면 이러한 화재가 기후에 미치는 영향이 상당히 과소평가될 위험이 있다. 동시에 그녀의 연구는 화재와 기후 변화가 상호 강화하는 악순환을 형성한다는 점을 강조한다.
(Nature Geoscience, 2023; doi: 10.1038/s41561-023-01237-9)
출처: 세인트루이스의 워싱턴 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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