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- 온실가스만으로는 지구 온도 변화 곡선을 설명할 수 없어, 태양계 행성들의 영향 커
- 지구 자전축의 흔들림을 나타내는 세차 운동의 빈도, 다른 하나는 지구궤도 이심률
- 빙상 성장은 주로 지구 자전축 기울기가 감소함에 따라 결정
- 인간이 대기에 배출하는 CO2는 이미 기후를 자연적인 흐름에서 벗어나게 했다.

우주적 영향

온실가스만으로는 지구 온도 변화 곡선을 설명할 수 없으며, 외계 요인, 특히 태양계 행성들의 영향이 크다는 것은 오랫동안 알려진 사실이다. 엔지니어이자 수학자인 밀루틴 밀란코비치(Milutin Milanković)는 20세기 전반에 이 아이디어를 주창했으며, 그의 대표 저서인 "지구 복사량 법칙과 빙하기 문제에 대한 적용"은 1941년에 출판되었다.

이 세르비아 학자는 태양을 연구의 중심에 두고 지구의 태양 주위 공전에 초점을 맞췄다. 지구의 공전은 흔히 생각하는 것만큼 일정하지 않다. 지구 자전축의 기울기는 현재 공전 궤도면에 대해 23.4도이며, 이 각도는 계절 변화를 일으킨다. 달의 영향으로 기울기는 안정화되지만, 목성과 토성의 미미한 중력적 영향, 그리고 간접적으로는 금성의 영향으로 장기적으로 2.5도 정도 변화한다. 

▲ 밀루틴 밀란코비치(1879~1958)가 빈에서 학생 시절에 찍은 사진. © mauritius images / Historic Images / Alamy

지구 궤도에는 다른 두 가지 매개변수도 중요한 역할을 한다. 하나는 지구 자전축의 흔들림을 나타내는 세차 운동의 빈도이고, 다른 하나는 궤도가 완벽한 원형에서 벗어나는 정도를 나타내는 이심률이다. 이 세 가지 매개변수는 각각 고유한 주기를 가지고 있다. 예를 들어, 자전축 기울기는 약 4만1천 년 주기로 변화하며, 현재는 서서히 감소하는 추세다.

지구의 궤도 매개변수들은 지구에 도달하는 태양 복사량에 영향을 미친다. 밀란코비치에 따르면, 지구의 얼음은 이러한 우주적 영향의 변동을 따라 변화한다. 예를 들어, 지구 자전축의 기울기가 줄어들면 계절의 뚜렷한 구분이 점차 약해져 여름이 더 시원해지는 경향이 있다. 위도 65도 이상에서는 겨울철 눈이 더 오래 쌓여 장기적으로 빙상이 성장할 수 있다. 반대로 지구 자전축의 기울기가 커지면 계절 변화가 더 심해지고 여름철 태양 복사량이 증가하여 눈이 더 많이 녹게 된다. 이는 고위도 지역의 빙하량을 감소시키는 결과를 초래한다. 따라서 빙하는 주기적으로 남쪽으로 전진하거나 북쪽으로 후퇴하게 된다.

일치 주기

밀란코비치의 이론은 대륙 이동설을 정립한 극지 탐험가 알프레드 베게너를 비롯한 여러 인물의 지지를 얻었지만, 수십 년 동안 구체적인 증거는 부족했다. 이러한 상황은 1976년 뉴욕주 컬럼비아 대학교의 지질학자 제임스 D. 헤이스(James D. Hays)가 이끄는 연구팀이 남인도양 해저 3천 미터 이상의 깊이에서 채취한 두 개의 퇴적물 코어를 분석하면서 바뀌었다. 연구팀은 미세한 방산충을 계수하여 과거 해수면 온도를 추정했다. 또한 유공충 껍데기의 산소 동위원소 함량을 측정하여 대륙 빙하의 면적을 간접적으로 파악했다. 그들의 목표는 과거 기후의 자연 주기 기간을 계산하는 것이었다. 이렇게 얻은 지질학적 값은 벨기에 기후학자 ​​앙드레 베르거(André Berger)가 8개 행성의 영향을 모두 고려하여 정밀하게 재계산한 지구 공전 주기와 비교되었다.

동료 연구원 존 임브리(John Imbrie)는 자신이 속한 로드아일랜드 브라운 대학교의 슈퍼컴퓨터에서 나온 결과에 깜짝 놀랐다. 지질 샘플에서 지구 궤도가 지난 45만 년 동안 겪었던 주기와 거의 정확히 일치하는 주기가 발견된 것이다. 여기에는 4만 1천 년 주기의 자전축 기울기 변화와 2만 1천 년 주기의 세차 운동이 포함되었다. 이는 결코 우연이 아니었다. "와, 밀란코비치 주기가 맞았어!"라고 그는 생각했다.

이 연구는 밀란코비치 주기가 빙하기에 중요한 역할을 한다는 것을 증명하는 획기적인 연구로 여겨지고 있다. 그러나 헤이스 연구팀은 지구 궤도 변화가 빙상의 확장이나 후퇴를 일으키는 정확한 메커니즘에 대해서는 밝히지 않았다. 그들은 마치 솔로몬의 지혜처럼 심장 박동에 영향을 미치는 심박 조율기에 비유했다. 지구 궤도 변동이 심장 박동에 미치는 영향과 유사하다는 것이다. 지구 기후 시스템 내부의 증폭 요인들과 함께, 반복되는 빙하기는 본질적으로 동기화되어 있다는 것이다.

하지만 헤이스와 그의 동료들은 지질 기록 보관소에서 확인된 모든 시기를 천문학적 주기와 일치시키지는 못했다. 특히, 후기 제4기 빙하기의 10만 년 주기는 여전히 수수께끼로 남아 있었다. 곧 같은 주기로 변동하는 지구 궤도 이심률이 태양 복사에 미치는 직접적인 영향은 매우 미미하다는 것이 분명해졌다.

▲ 금성, 화성, 목성, 토성은 장기적으로 지구 기후에 영향을 미친다(왼쪽부터, 축척은 다름). © Wikimedia Commons / Kevin M. Gill (CC BY 2.0) | UAESA, MBRSC, LASP, EMM-EXI, Jason Major | NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI) | NASA, ESA, CSA, Matthew Tiscareno (SETI Institute), Matthew Hedman (University of Idaho), Maryame El Moutamid (Cornell University), Mark Showalter (SETI Institute), Leigh Fletcher (University of Leicester), Heidi Hammel (AURA); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI) | mauritius images / Historic Images / Alamy

새로운 빙하기 취소

2025년 2월에 발표된 한 연구는 새로운 통찰력을 제공한다. 이번에도 지구 궤도 매개변수가 핵심이다. 웨일스 카디프 대학교의 스티븐 바커(Stephen Barker)가 이끄는 국제 연구팀은 이 세 가지 요인이 빙하기의 시작과 끝에 어떻게 영향을 미치는지 조사했다. 바커는 "다양한 궤도 매개변수가 기후 데이터에 이처럼 명확한 영향을 미친다는 사실에 놀랐다"고 말했다.

연구진에 따르면, 각 매개변수는 복잡한 상호 작용 속에서 뚜렷한 역할을 한다. 예를 들어, 지구 자전축의 기울기는 계절별 에너지 분포를 변화시키며, 빙상 초기 형성 및 간빙기 시작에 매우 중요한 역할을 한다. 세차 운동은 중위도에서 고위도 지역의 여름 기온 강도에 영향을 미치고, 특히 지구 자전축 기울기가 클수록 빙상 융해에 중요한 역할을 한다. 반대로 빙상 성장은 주로 지구 자전축 기울기가 감소함에 따라 결정된다. 마지막으로, 지구 이심률은 10만 년마다 변하며, 세차 운동의 강도를 조절하고 거대한 빙상 형성을 가능하게 함으로써 간접적인 영향을 미친다.

바커 연구팀은 지난 90만 년 동안의 모든 빙하기가 일정한 패턴을 따른다는 사실을 발견했다. "우리가 발견한 패턴은 매우 명확해서 개별 온난기가 언제 발생했고 얼마나 지속되었는지 정확하게 재현할 수 있었다.“

원칙적으로 지구 자연 기후의 미래는 궤도 매개변수의 변화를 이용해 예측할 수 있으며, 여기에는 수천 년 안에 임박했을지도 모르는 새로운 빙하기로의 전환도 포함된다고 연구진은 밝혔다. 하지만 실제로 이러한 일이 일어날지는 의문이다. 이번 연구에 참여한 브레머하펜 알프레드 베게너 연구소의 그레고르 크노르(Gregor Knorr)는 "그러한 전환은 매우 가능성이 낮다"며, "인간이 대기에 배출하는 이산화탄소는 이미 기후를 자연적인 흐름에서 벗어나게 했으며, 이는 미래에 장기적인 영향을 미칠 것"이라고 말했다. 바커 역시 비슷한 견해를 밝혔다. "대기 중 이산화탄소 농도의 지속적인 증가를 되돌리기 위한 조치가 취해지지 않는다면, 향후 수천 년 안에 자연적으로 시작되어야 할 빙하기는 일어나지 않을 것이 분명해 보인다.”

심연에서 오는 희망적인 해답

현재의 10만 년 주기로 돌아가 보면, 스티븐 바커는 자신의 연구를 통해 중기 플라이스토세 이후 빙하 부피의 변동이 세차 운동에 더욱 강하게 의존하는 양상을 보였다고 결론지었다. "제 생각에는 이는 전환기 이후 북극 빙상이 더 커지고 남쪽으로 확장될 수 있었음을 시사한다." 그렇다면 현재 빙하기가 따르는 불가사의한 패턴의 원인은 무엇일까?
지구 궤도 매개변수는 타당한 설명이 되기 어렵다. 당시 궤도 변동은 오래전과 크게 다르지 않았기 때문이다. 따라서 바커는 해양 순환 변화로 인한 수분 이동 증가와 같이 빙상 성장을 가속화하는 주요 메커니즘이 존재해야 한다고 추측한다.

베른 대학교의 이반 에르난데스-알메이다(Iván Hernández-Almeida)가 주도한 연구 역시 4월 말에 발표되었으며, 이 연구 역시 해류에 초점을 맞추고 있다. 아이슬란드 남쪽 해양 퇴적물에서 채취한 코어 샘플을 이용해 국제 연구팀은 중기 플라이스토세 전환기에 북대서양 해류 속도가 느려지면서 해양에서 대기로 방출되는 이산화탄소량이 줄어들었다는 사실을 발견했다. 이는 빙하기가 더 길고 강렬하게 지속되는 데 기여했을 가능성이 있다. 다행히 남극에서 채취한 새로운 코어 샘플에도 전환기가 시작된 시기의 얼음이 포함되어 있다. 기후 연구자들은 이제 측정 결과를 간절히 기다리고 있다. 초기 분석 결과는 올해 과학 학회에서 발표될 예정이다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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