킬링 곡선

1. 개요

킬링 곡선은 1958년부터 하와이 마우나 로아 관측소에서 측정된 대기 중 이산화 탄소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다. 찰스 데이비드 킬링은 1950년대 후반부터 이산화 탄소 농도를 측정했으며, 이 관측을 통해 대기 중 이산화 탄소 농도가 지속적으로 증가하고 있음을 확인했다. 킬링 곡선은 계절적 변동과 함께 화석 연료 연소로 인한 이산화 탄소 증가 추세를 보여주며, 지구 온난화와 기후 변화의 심각성을 알리는 중요한 지표로 활용된다. 킬링의 연구는 전 세계적인 이산화 탄소 감시 체계를 구축하는 데 기여했으며, 과학적, 사회적으로 큰 의의를 갖는다.

2. 배경

1950년대 이전에는 대기 중 CO₂ 농도 측정이 여러 곳에서 일시적으로 이루어졌다. 가이 스튜어트 캘린더는 초기 연구를 통해 인위적인 배출로 인해 CO₂ 농도가 증가하고 있다고 결론 내렸으나, 측정의 불규칙성으로 인해 널리 인정받지 못했다. 이후 찰스 데이비드 킬링이 남극과 하와이 마우나 로아에서 지속적이고 규칙적인 CO₂ 농도 측정을 시작하면서 킬링 곡선이 탄생하게 되었다.

2.1. 초기 연구 및 측정

1950년대 이전에는 대기 중 CO₂ 농도 측정이 다양한 장소에서 임시적으로 이루어졌다. 1938년, 엔지니어이자 아마추어 기상학자인 가이 스튜어트 캘린더는 1898~1901년 큐에서 측정한 대기 중 CO₂ 데이터 세트(부피 기준 274ppm, 백만 분율(ppmv))와 1936~1938년 동부 미국에서 측정한 데이터 세트(평균 310 ppmv)를 비교하여 CO₂ 농도가 인위적인 배출로 인해 증가하고 있다고 결론 내렸다. 그러나 측정의 불규칙한 특성 때문에 캘린더의 연구 결과는 과학계에서 널리 받아들여지지 않았다.

2.2. 찰스 데이비드 킬링의 등장

UC 샌디에이고 스크립스 해양 연구소의 찰스 데이비드 킬링은 1958년 3월부터 남극과 하와이 마우나 로아에서 대기 중 CO₂ 농도를 빈번하고 규칙적으로 측정한 최초의 인물이다. 킬링은 이전에 몬터레이 근처의 빅 서와 워싱턴 주 올림픽 반도의 열대 우림, 애리조나의 고산림을 포함한 여러 장소에서 측정 기술을 테스트하고 사용했다. 그는 식물과 토양의 호흡으로 인해 밤에 CO₂가 과도하게 발생하고, 오후에는 북반구 상공의 "자유 대기"를 대표하는 값을 보이는 강한 일주기 변화를 관찰했다.

1957–1958년 국제 지구물리의 해에 킬링은 미국 기상청으로부터 적외선 가스 분석기를 남극과 하와이 섬의 마우나 로아 화산을 포함한 원격지에 설치할 자금을 지원받았다. 마우나 로아는 대륙에서 멀리 떨어진 외딴 위치와 식생이 없다는 점 때문에 장기적인 모니터링 장소로 선택되었다. 킬링과 그의 협력자들은 화산 분화구로부터의 지역 오염을 최소화하기 위해 기온 역전층 위에 있는 해양 미풍을 측정했다. 데이터는 지역 오염의 영향을 제거하기 위해 정규화되었다. 1960년대 중반 자금 삭감으로 인해 킬링은 남극에서의 지속적인 모니터링 노력을 중단해야 했지만, 마우나 로아 관측소에서의 운영을 유지할 수 있을 만큼의 돈을 간신히 마련했고, 그 운영은 현재까지 계속되고 있다.

3. 마우나 로아 관측

1960년 킬링의 텔루스 논문은 마우나 로아 관측소와 남극(1957년부터 1960년까지)에서 얻은 최초의 월별 이산화탄소(CO₂) 기록을 제시하며, "뚜렷한 계절적 순환... 그리고 아마도, 해마다 CO₂가 세계적으로 상승하고 있다"는 것을 발견했다. 1970년대에는 대기 중 이산화탄소의 증가가 지속되었고, 인위적인 배출이 원인임이 충분히 인식되었다.

3.1. 관측소 설립 및 운영

1957-1958년 국제 지구물리의 해 당시, 찰스 데이비드 킬링은 미국 기상청으로부터 적외선 가스 분석기를 남극과 하와이 섬의 마우나 로아 화산 등 외딴 지역에 설치하기 위한 자금을 지원받았다. 마우나 로아는 대륙에서 멀리 떨어진 외딴 위치와 식생이 없다는 점 때문에 장기적인 모니터링 장소로 선정되었다. 킬링과 그의 동료들은 화산 분화구로부터의 국지적 오염을 최소화하기 위해 기온 역전층 위에 있는 해양 미풍을 측정했다. 데이터는 국지적 오염의 영향을 제거하기 위해 정규화되었다. 1960년대 중반 자금 삭감으로 인해 킬링은 남극에서의 지속적인 모니터링을 중단해야 했지만, 마우나 로아 관측소 운영을 유지할 수 있을 만큼의 자금은 확보하여 현재까지 운영이 계속되고 있다.

3.2. 측정 장비 및 기술

하와이 마우나 로아 관측소에서 이산화 탄소 농도를 측정하는 데 사용되는 장비는 세계 기상 기구 표준에 따라 보정되는 적외선 분광 광도계의 일종으로, 현재는 비분산 적외선 센서(NDIR)라고 불린다. 이 기기는 원래 존 틴들이 1864년에 발명한 카프노그래프를 개량한 것으로, 초기에는 스트립 차트 기록기에 펜으로 기록하는 방식이었다. 현재 스크립스 해양 연구소에서는 적외선 분광 광도계와 함께 여러 개의 레이저 기반 센서를 추가로 운영하고 있으며, 미국 해양대기청(NOAA)은 마우나 로아 관측소에서 여전히 비분산 적외선 센서를 사용하여 측정하고 있다.

4. 결과 및 해석

마우나로아 관측소의 측정에 따르면 대기 중 CO₂ 농도는 1958년부터 꾸준히 증가하여 2018년에는 406ppmv에 도달했으며, 이는 화석 연료 연소 증가와 관련이 있다. CO₂는 온실 기체이므로 이러한 증가는 지구 온난화에 심각한 영향을 미친다. 과거 빙핵 연구에 따르면 홀로세 동안 CO₂ 농도는 비교적 안정적이었으나, 19세기 초 산업 혁명 이후 급격히 증가하기 시작했다. 킬링 곡선은 장기적인 CO₂ 농도 증가 추세와 더불어, 계절에 따른 주기적인 변동도 보여준다.

4.1. CO2 농도 변화

마우나로아 관측소에서 수집된 측정 자료를 보면, 1958년 3월 평균 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도는 313ppmv였으나 2018년 11월에는 406ppmv로 꾸준히 증가했다. 현재 연간 CO₂ 증가량은 2.48 ± 0.26ppmv이다. 이러한 대기 중 CO₂ 증가는 화석 연료 연소가 주 원인이며, 최근 몇 년간 증가세가 가속화되고 있다. CO₂는 온실 기체이므로 지구 온난화에 큰 영향을 미친다. 빙핵에 갇힌 기포를 이용한 과거 CO₂ 농도 측정 결과에 따르면, 홀로세 (기원전 9,000년 이후) 동안 평균 대기 중 CO₂ 농도는 275~285ppmv 사이였지만, 19세기 초부터 급격히 증가하기 시작했다.

킬링 곡선에서는 매년 약 5~6ppmv의 주기적인 변동도 관찰된다. 이는 육상 식물의 CO₂ 흡수량의 계절적 변화 때문이다. 육상 식물은 대부분 육지가 많은 북반구에 분포한다. 5월에 CO₂ 농도가 최고치를 기록한 후, 북반구의 봄과 여름 동안 새로운 식물이 광합성을 통해 대기 중 CO₂를 흡수하면서 농도가 감소한다. 9월에 최저점에 도달한 후, 가을과 겨울에 식물이 죽고 썩으면서 CO₂를 다시 대기로 방출하여 농도가 다시 증가한다.

4.2. 계절적 변동

킬링 곡선은 매년 약 6ppmv의 순환 변동을 보이는데, 이는 지구 육상 식물의 CO₂ 흡수의 계절적 변화를 나타낸다. 대부분의 육상 식물은 육지가 많은 북반구에 위치한다. 북반구의 봄과 여름 동안 새로운 식물이 자라면서 광합성을 통해 대기 중 CO₂를 흡수하기 때문에 5월에 최고치를 기록한 후 농도가 감소한다. 9월에 최저점에 도달한 후, 북반구의 가을과 겨울에 식물과 잎이 죽어 썩으면서 CO₂를 다시 대기로 방출하기 때문에 농도가 다시 증가한다.

5. 킬링 곡선의 유산

킬링 곡선은 과학계와 사회에 큰 영향을 미쳤다. 1970년대부터 미국 해양대기청(NOAA)은 전 세계 이산화탄소 농도를 감시하기 시작했으며, 현재는 전 지구 온실 가스 참조 네트워크를 통해 약 100개 지점에서 관측이 이루어지고 있다. 마우나 로아 천문대만큼 장기간의 기록을 가진 곳은 없지만, 다른 여러 지역의 측정 결과도 킬링 곡선과 유사한 장기적인 추세를 보여준다.

찰스 데이비드 킬링 사후, 그의 아들 랄프 킬링이 프로젝트를 이어받아 사이언스에 아버지의 업적과 프로젝트 발전 과정을 기고하며 이산화탄소 수치 관측의 중요성을 강조했다.

2015년 미국 화학회는 킬링 곡선을 미국 국립 역사 화학 랜드마크로 지정했고, 마우나 로아 천문대와 스크립스 해양연구소에 기념 명판이 설치되었다.

2013년 5월 9일, 마우나로아에서 측정된 대기 중 이산화탄소 농도는 400ppm을 넘어섰는데, 이는 중기 플라이오세 이후 200만~400만 년 만에 처음 있는 일이다. 이는 기후 변화의 심각성을 보여주는 지표로, 온실가스 배출량 감소 없이는 자연재해 및 생태 재해 악화로 인간과 동물의 서식지가 위협받을 수 있음을 시사한다.

5.1. 전 지구적 CO2 관측

킬링의 발견은 중요한 의미를 갖는다. 미국 해양대기청(NOAA)은 1970년대부터 전 세계 CO₂ 농도를 감시하기 시작했다. 오늘날 대기 중 CO₂ 농도는 전 지구 온실 가스 참조 네트워크를 통해 전 세계 약 100개 지점에서 관측되고 있다. 다른 많은 고립된 지점에서의 측정 결과도 킬링 곡선이 보여주는 장기적인 추세를 확인했지만, 마우나 로아만큼 긴 기록을 가진 곳은 없다.

5.2. 랄프 킬링

찰스 데이비드 킬링이 2005년에 사망한 후, 킬링 곡선 프로젝트의 책임과 감독은 그의 아들인 랄프 킬링에게 넘어갔다. 프로젝트 시작 50주년을 맞아, 랄프 킬링은 사이언스 매거진에 아버지의 삶과 업적, 그리고 프로젝트가 시간이 지남에 따라 어떻게 성장하고 발전했는지 설명하는 기사를 기고했다. 지구의 CO₂^영어 수치를 모니터링하는 프로젝트에 대한 더 정확한 측정 자료와 기금과 함께, 킬링은 그의 아버지의 업적에 대한 자부심과 그를 기리며 어떻게 프로젝트를 이어가고 있는지에 대해 썼다.

5.3. 과학적, 사회적 의의

2015년, 킬링 곡선은 미국 화학회에 의해 미국 국립 역사 화학 랜드마크로 지정되었다. 기념 명판은 마우나 로아 천문대와 캘리포니아 대학교 샌디에이고의 스크립스 해양연구소에 설치되었다.

2013년 5월 9일, 마우나로아에서 측정된 대기 중 일일 평균 이산화 탄소(CO₂) 농도가 400ppm (parts per million, 백만분의 1)을 넘어섰다. 이전의 지질 시대 동안의 이산화 탄소 추정치는 이산화 탄소가 2백만에서 4백만 년 전인 중기 플라이오세 이후로 이 수준에 도달하지 않았음을 시사한다. 이러한 수준의 이산화 탄소는 기후 변화를 일으키며, 온실 가스 배출량이 크게 감소하지 않는다면, 자연 재해와 생태 재해가 지속적으로 악화되어 지구상의 인간과 동물의 서식지를 점점 더 위협할 수 있음을 시사한다.

6. 한국에의 시사점

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