토바 대재앙 이론

1. 개요

토바 대재앙 이론은 약 7만 5천 년 전 토바 화산 폭발이 지구 기후에 심각한 영향을 미쳐 인류의 유전적 병목 현상을 초래했다는 가설이다. 이 분화는 화산 폭발 지수 8로, 막대한 양의 화산재를 분출하여 전 지구적 기온을 낮추고, 수천 년에 걸친 한랭기를 유발했다는 것이다. 이로 인해 현생 인류의 개체 수가 급감하여 유전적 다양성이 감소하고, 다른 호모 속은 멸종했다는 주장이 제기된다.

이론은 1970년대 유전학 연구를 통해 제기되었으며, 인류의 유전적 다양성이 감소한 시기와 토바 화산 폭발 시기가 일치한다는 점을 근거로 한다. 하지만, 일부 과학자들은 이 이론에 대해 이의를 제기하며, 기후 변화와 인류의 생존에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 주장한다.

2. 분화

분화의 정확한 날짜는 알려져 있지 않지만, 재 퇴적 패턴은 여름 몬순만이 남중국해에 토바 화산재를 퇴적시킬 수 있었기 때문에 북반구 여름에 발생했음을 시사한다. 분화는 아마도 9일에서 14일 동안 지속되었다. 가장 최근의 두 개의 고정밀 아르곤-아르곤 연대 측정법은 분화 시기를 73,880 ± 320년 전 과 73,700 ± 300년 전으로 측정했다. 다섯 개의 뚜렷한 마그마체가 분화 수백 년 전에 활성화되었다. 분화는 작고 제한적인 공중 낙하로 시작되었고, 바로 이어서 주된 화산쇄설류 흐름이 이어졌다. 화산쇄설류 단계는 낮은 분화 기둥이 특징이지만, 화산쇄설류 상단에 발달한 공동 화산쇄설류 기둥은 32 km 높이에 도달했다. 황 방출에 대한 암석학적 제약 조건은 토바 마그마 방에 별도의 황 가스가 존재하는지에 따라 10¹³에서 10¹⁵ g까지 광범위한 범위를 나타냈다. 추정치의 하한은 마그마 내 황의 낮은 용해도 때문이다. 빙핵 기록은 약 10¹⁴ g 수준의 황 방출을 추정한다.

미시간 공과대학교(Michigan Technological University)의 빌 로즈와 크레이그 체스너는 토바 분출 시 방출된 총 물질의 양이 최소 2,800 km³로 추정했다. 이 중 약 2,000 km³는 점성이 높은 화산재(ignimbrite)가 지면을 따라 흘렀고, 약 800 km³는 주로 서쪽으로 화산재 형태로 떨어졌다. 그러나 더 많은 노두가 발견됨에 따라, 최근 분출량 추정치는 3,800 km³의 조밀 암석 등가(DRE)이며, 이 중 1,800 km³는 화산재 낙하로, 2,000 km³는 점성이 높은 화산재로 퇴적되어 이 분출을 제4기 동안 가장 큰 분출로 만들었다. 이전의 부피 추정치는 2,000 km³에서 6,000 km³까지 다양했다. 칼데라 내부의 화산쇄설류의 최대 두께는 600 m 이상이다.

분출로인한 유출 시트는 원래 거의 100 m 두께로 20,000-30,000 km²의 지역을 덮었으며, 이는 인도양과 말라카 해협까지 닿았을 가능성이 높다. 이 분출로 인한 공중 낙하는 인도 아대륙을 5 cm의 화산재 층으로 덮었고, 아라비아해를 1 mm, 남중국해를 3.5 cm, 그리고 중앙 인도양 분지를 10 cm로 덮었다. 이 화산재 낙하의 수평선은 38,000,000 km² 이상의 면적을 1 cm 이상의 두께로 덮었다. 사하라 사막 이남 아프리카에서는 이 분출로 인한 미세한 유리 조각이 남아프리카 공화국 남부 해안, 북서부 에티오피아의 저지대, 말라위호, 그리고 찰라호에서도 발견되었다. 중국 남부에서는 토바 테프라가 후광옌 마르 호수에서 발견된다.

토바 화산 폭발로 인한 화산재는 동남아시아와 남아시아를 중심으로 두껍게 쌓였다. 벵골만을 넘어 인도와 파키스탄에서는 토바 화산에서 유래한 것으로 추정되는 약 7만 년 전의 화산재가 2m 두께로 퇴적되어 있다.

그 후의 붕괴로 칼데라가 형성되었고, 물이 채워져 토바 호수가 되었다. 호수 중앙의 섬은 재기 용암(resurgent dome)으로 형성되었다.

2.1. 분화 연대

분화의 정확한 날짜는 알려져 있지 않지만, 재 퇴적 패턴은 여름 몬순만이 남중국해에 토바 화산재를 퇴적시킬 수 있었기 때문에 북반구 여름에 발생했음을 시사한다. 분화는 아마도 9일에서 14일 동안 지속되었다. 가장 최근의 두 개의 고정밀 아르곤-아르곤 연대 측정법은 분화 시기를 73,880 ± 320년 전 과 73,700 ± 300년 전으로 측정했다. 다섯 개의 뚜렷한 마그마체가 분화 수백 년 전에 활성화되었다. 분화는 작고 제한적인 공중 낙하로 시작되었고, 바로 이어서 주된 화산쇄설류 흐름이 이어졌다. 화산쇄설류 단계는 낮은 분화 기둥이 특징이지만, 화산쇄설류 상단에 발달한 공동 화산쇄설류 기둥은 32 km 높이에 도달했다. 황 방출에 대한 암석학적 제약 조건은 토바 마그마 방에 별도의 황 가스가 존재하는지에 따라 10¹³에서 10¹⁵ g까지 광범위한 범위를 나타냈다. 추정치의 하한은 마그마 내 황의 낮은 용해도 때문이다. 빙핵 기록은 약 10¹⁴ g 수준의 황 방출을 추정한다.

2.2. 분화 과정

분화의 정확한 날짜는 알려져 있지 않지만, 재 퇴적 패턴은 여름 몬순만이 남중국해에 토바 화산재를 퇴적시킬 수 있었기 때문에 북반구 여름에 발생했음을 시사한다. 분화는 아마도 9일에서 14일 동안 지속되었다. 가장 최근의 두 개의 고정밀 아르곤-아르곤 연대 측정법은 분화 시기를 73,880 ± 320년 전 과 73,700 ± 300년 전으로 측정했다. 다섯 개의 뚜렷한 마그마체가 분화 수백 년 전에 활성화되었다. 분화는 작고 제한적인 공중 낙하로 시작되었고, 바로 이어서 주된 화산쇄설류 흐름이 이어졌다. 화산쇄설류 단계는 낮은 분화 기둥이 특징이지만, 화산쇄설류 상단에 발달한 공동 화산쇄설류 기둥은 32 km 높이에 도달했다. 황 방출에 대한 암석학적 제약 조건은 토바 마그마 방에 별도의 황 가스가 존재하는지에 따라 10¹³에서 10¹⁵ g까지 광범위한 범위를 나타냈다. 추정치의 하한은 마그마 내 황의 낮은 용해도 때문이다. 빙핵 기록은 약 10¹⁴ g 수준의 황 방출을 추정한다.

2.3. 분출물

미시간 공과대학교(Michigan Technological University)의 빌 로즈와 크레이그 체스너는 토바 분출 시 방출된 총 물질의 양이 최소 2,800 km³로 추정했다. 이 중 약 2,000 km³는 점성이 높은 화산재(ignimbrite)가 지면을 따라 흘렀고, 약 800 km³는 주로 서쪽으로 화산재 형태로 떨어졌다. 그러나 더 많은 노두가 발견됨에 따라, 최근 분출량 추정치는 3,800 km³의 조밀 암석 등가(DRE)이며, 이 중 1,800 km³는 화산재 낙하로, 2,000 km³는 점성이 높은 화산재로 퇴적되어 이 분출을 제4기 동안 가장 큰 분출로 만들었다. 이전의 부피 추정치는 2,000 km³에서 6,000 km³까지 다양했다. 칼데라 내부의 화산쇄설류의 최대 두께는 600 m 이상이다.

분출로인한 유출 시트는 원래 거의 100 m 두께로 20,000-30,000 km²의 지역을 덮었으며, 이는 인도양과 말라카 해협까지 닿았을 가능성이 높다. 이 분출로 인한 공중 낙하는 인도 아대륙을 5 cm의 화산재 층으로 덮었고, 아라비아해를 1 mm, 남중국해를 3.5 cm, 그리고 중앙 인도양 분지를 10 cm로 덮었다. 이 화산재 낙하의 수평선은 38,000,000 km² 이상의 면적을 1 cm 이상의 두께로 덮었다. 사하라 사막 이남 아프리카에서는 이 분출로 인한 미세한 유리 조각이 남아프리카 공화국 남부 해안, 북서부 에티오피아의 저지대, 말라위호, 그리고 찰라호에서도 발견되었다. 중국 남부에서는 토바 테프라가 후광옌 마르 호수에서 발견된다.

토바 화산 폭발로 인한 화산재는 동남아시아와 남아시아를 중심으로 두껍게 쌓였다. 벵골만을 넘어 인도와 파키스탄에서는 토바 화산에서 유래한 것으로 추정되는 약 7만 년 전의 화산재가 2m 두께로 퇴적되어 있다.

그 후의 붕괴로 칼데라가 형성되었고, 물이 채워져 토바 호수가 되었다. 호수 중앙의 섬은 재기 용암(resurgent dome)으로 형성되었다.

3. 기후 변화

그린란드 기후 단계 20(GS20)은 토바 화산 폭발 시기와 비슷한 74,000년에서 72,500년 전에 시작되어 약 1,500년 동안 지속된 북 대서양의 한랭화 현상이다. 이는 Dansgaard–Oeschger 사건 20(DO20)의 기후 단계 부분으로, 대서양 자오선 역전 순환(AMOC)의 강도가 급격히 감소하여 남극해와 남극 대륙의 온난화를 유발했으며, 이러한 비동기성은 양극 시소 현상으로 알려져 있다. GS20 냉각 사건의 시작은 남극 동위원소 최대치 19(AIM19) 온난화 사건의 시작과 일치한다. GS20은 Heinrich 기후 단계 7a라고도 불린다.

74,000년에서 58,000년 전까지 지구는 간빙기 (MIS) 5에서 빙하기 MIS 4로 전환되면서 냉각과 빙하 확장 과정을 겪었다. 해양 온도는 0.9°C만큼 냉각되었고, 해수면은 60m 하강했다. 오스트랄라시아, 아프리카 및 유럽은 점점 더 춥고 건조한 환경이 되었다.

토바 대재앙은 해류와 일사량의 변화로 촉발된 GS20 및 MIS 4의 급격한 기후 변화를 배경으로 발생했지만, 이 분화가 이러한 사건을 가속화하는 데 어떤 역할을 했는지는 논쟁의 여지가 있다. 남중국해 해양 기후 기록은 토바 화산재층 위에서 1°C의 냉각 현상을 천 년 동안 보여주지만, 이것이 단지 GS20일 수 있다고 인정한다. 아라비아해 해양 기록은 토바 화산재가 GS20 시작 후에 발생했음을 확인하지만, GS20이 기록상 GS21보다 더 춥지 않다는 점도 보여준다. 말라위호 환경 기록은 토바 화산재 퇴적 후 호수 생태와 초원에 냉각으로 인한 변화가 없음을 보여주었지만, 냉각으로 인한 건조함은 고지대 아프리카 산림을 죽였다. 그러나 에티오피아의 중기 구석기 시대 유적의 환경 기록은 토바 화산재층과 동시에 심각한 가뭄이 발생하여 초기 인간의 채집 행동을 변화시켰음을 보여준다.

빙상 코어 기록에서는 토바 화산재가 확인되지 않았지만, 빙상층 내의 4개의 황산염 사건이 토바 분화에서 나온 에어로졸의 퇴적을 나타낼 가능성이 있다고 제안되었다. 73.75–74.16 kyr의 한 황산염 사건은 토바 분화의 모든 특성을 가지고 있으며, 지금까지 확인된 가장 큰 황산염 부하량 중 하나이다. 빙상 코어 기록에서 GS20 냉각은 황산염 퇴적 시점까지 이미 진행 중이었지만, 그럼에도 불구하고 황산염 사건 이후 110년 동안 냉각이 가속화되었고, 이는 토바 분화에 의해 약화된 AMOC로 해석된다.

토바 화산 폭발로 인한 화산재는 동남아시아와 남아시아를 중심으로 두껍게 쌓였다. 벵골만을 넘어 인도와 파키스탄에서는 토바 화산에서 유래한 것으로 추정되는 약 7만 년 전의 화산재가 2m 두께로 퇴적되어 있다. 그린란드의 빙상 코어의 산소 동위체 비를 통해 이 시기의 급격한 기후 한랭화를 추정할 수 있다. 반면, 남극의 빙상 코어에는 이러한 기후 변동이 기록되어 있지 않다.

=== 기후 모델링 ===
토바 화산 폭발의 모델링된 기후 효과는 유황 가스 질량과 에어로졸 미세 물리학적 과정에 달려 있다. 8.5e14 g의 유황 배출량(이는 1991년 피나투보 화산 폭발 유황의 100배)을 모델링한 결과, 화산 겨울은 최대 3.5°C의 전 지구 평균 냉각을 보였으며, 화산 폭발 후 5년 이내에 자연 변동 범위 내로 점차 회복되었다. 1,000년의 한랭기 또는 빙하기의 시작은 모델에서 뒷받침되지 않았다.

커뮤니티 지구 시스템 모델에서 제공하는 시뮬레이션을 사용하여 1e14 g 및 1e15 g의 두 가지 배출 시나리오를 조사한 결과, 최대 전 지구 평균 냉각은 낮은 배출량의 경우 2.3°C, 높은 배출량의 경우 4.1°C였다. 높은 배출량에서는 강수량이 크게 감소하며, 폭발 후 각 배출 시나리오에 대해 음의 온도 이상 현상은 3년에서 6년 이내에 1°C 미만으로 돌아간다. 그러나 지금까지 어떤 모델도 에어로졸 미세 물리학적 과정을 충분히 정확하게 시뮬레이션할 수 없으며, 과거 화산 폭발에 대한 경험적 제약은 에어로졸 크기가 얼마나 많은 유황이 배출되든 냉각 규모를 1.5°C 미만으로 상당히 줄일 수 있음을 시사한다.

토바 대재앙 이론은 몇 가지 지질학적 증거로 뒷받침된다. 토바 화산 폭발로 인한 화산재는 동남아시아와 남아시아를 중심으로 두껍게 쌓였다. 벵골만을 넘어 인도와 파키스탄에서는 토바 화산에서 유래한 것으로 추정되는 약 7만 년 전의 화산재가 2m 두께로 퇴적되어 있다. 그린란드의 빙상 코어의 산소 동위체 비를 통해 이 시기의 급격한 기후 한랭화를 추정할 수 있다. 이는 북반구에서 기후 한랭화가 발생했음을 보여주는 증거로 여겨진다. 반면, 남극의 빙상 코어에는 이러한 기후 변동이 기록되어 있지 않다.

3.1. 기후 모델링

토바 화산 폭발의 모델링된 기후 효과는 유황 가스 질량과 에어로졸 미세 물리학적 과정에 달려 있다. 8.5e14 g의 유황 배출량(이는 1991년 피나투보 화산 폭발 유황의 100배)을 모델링한 결과, 화산 겨울은 최대 3.5°C의 전 지구 평균 냉각을 보였으며, 화산 폭발 후 5년 이내에 자연 변동 범위 내로 점차 회복되었다. 1,000년의 한랭기 또는 빙하기의 시작은 모델에서 뒷받침되지 않았다.

커뮤니티 지구 시스템 모델에서 제공하는 시뮬레이션을 사용하여 1e14 g 및 1e15 g의 두 가지 배출 시나리오를 조사한 결과, 최대 전 지구 평균 냉각은 낮은 배출량의 경우 2.3°C, 높은 배출량의 경우 4.1°C였다. 높은 배출량에서는 강수량이 크게 감소하며, 폭발 후 각 배출 시나리오에 대해 음의 온도 이상 현상은 3년에서 6년 이내에 1°C 미만으로 돌아간다. 그러나 지금까지 어떤 모델도 에어로졸 미세 물리학적 과정을 충분히 정확하게 시뮬레이션할 수 없으며, 과거 화산 폭발에 대한 경험적 제약은 에어로졸 크기가 얼마나 많은 유황이 배출되든 냉각 규모를 1.5°C 미만으로 상당히 줄일 수 있음을 시사한다.

토바 대재앙 이론은 몇 가지 지질학적 증거로 뒷받침된다. 토바 화산 폭발로 인한 화산재는 동남아시아와 남아시아를 중심으로 두껍게 쌓였다. 벵골만을 넘어 인도와 파키스탄에서는 토바 화산에서 유래한 것으로 추정되는 약 7만 년 전의 화산재가 2m 두께로 퇴적되어 있다. 그린란드의 빙상 코어의 산소 동위체 비를 통해 이 시기의 급격한 기후 한랭화를 추정할 수 있다. 이는 북반구에서 기후 한랭화가 발생했음을 보여주는 증거로 여겨진다. 반면, 남극의 빙상 코어에는 이러한 기후 변동이 기록되어 있지 않다.

3.2. 기후 기록

그린란드 기후 단계 20(GS20)은 토바 화산 폭발 시기와 비슷한 74,000년에서 72,500년 전에 시작되어 약 1,500년 동안 지속된 북 대서양의 한랭화 현상이다. 이는 Dansgaard–Oeschger 사건 20(DO20)의 기후 단계 부분으로, 대서양 자오선 역전 순환(AMOC)의 강도가 급격히 감소하여 남극해와 남극 대륙의 온난화를 유발했으며, 이러한 비동기성은 양극 시소 현상으로 알려져 있다. GS20 냉각 사건의 시작은 남극 동위원소 최대치 19(AIM19) 온난화 사건의 시작과 일치한다. GS20은 Heinrich 기후 단계 7a라고도 불린다.

74,000년에서 58,000년 전까지 지구는 간빙기 (MIS) 5에서 빙하기 MIS 4로 전환되면서 냉각과 빙하 확장 과정을 겪었다. 해양 온도는 0.9°C만큼 냉각되었고, 해수면은 60m 하강했다. 오스트랄라시아, 아프리카 및 유럽은 점점 더 춥고 건조한 환경이 되었다.

토바 대재앙은 해류와 일사량의 변화로 촉발된 GS20 및 MIS 4의 급격한 기후 변화를 배경으로 발생했지만, 이 분화가 이러한 사건을 가속화하는 데 어떤 역할을 했는지는 논쟁의 여지가 있다. 남중국해 해양 기후 기록은 토바 화산재층 위에서 1°C의 냉각 현상을 천 년 동안 보여주지만, 이것이 단지 GS20일 수 있다고 인정한다. 아라비아해 해양 기록은 토바 화산재가 GS20 시작 후에 발생했음을 확인하지만, GS20이 기록상 GS21보다 더 춥지 않다는 점도 보여준다. 말라위호 환경 기록은 토바 화산재 퇴적 후 호수 생태와 초원에 냉각으로 인한 변화가 없음을 보여주었지만, 냉각으로 인한 건조함은 고지대 아프리카 산림을 죽였다. 그러나 에티오피아의 중기 구석기 시대 유적의 환경 기록은 토바 화산재층과 동시에 심각한 가뭄이 발생하여 초기 인간의 채집 행동을 변화시켰음을 보여준다.

빙상 코어 기록에서는 토바 화산재가 확인되지 않았지만, 빙상층 내의 4개의 황산염 사건이 토바 분화에서 나온 에어로졸의 퇴적을 나타낼 가능성이 있다고 제안되었다. 73.75–74.16 kyr의 한 황산염 사건은 토바 분화의 모든 특성을 가지고 있으며, 지금까지 확인된 가장 큰 황산염 부하량 중 하나이다. 빙상 코어 기록에서 GS20 냉각은 황산염 퇴적 시점까지 이미 진행 중이었지만, 그럼에도 불구하고 황산염 사건 이후 110년 동안 냉각이 가속화되었고, 이는 토바 분화에 의해 약화된 AMOC로 해석된다.

토바 화산 폭발로 인한 화산재는 동남아시아와 남아시아를 중심으로 두껍게 쌓였다. 벵골만을 넘어 인도와 파키스탄에서는 토바 화산에서 유래한 것으로 추정되는 약 7만 년 전의 화산재가 2m 두께로 퇴적되어 있다. 그린란드의 빙상 코어의 산소 동위체 비를 통해 이 시기의 급격한 기후 한랭화를 추정할 수 있다. 반면, 남극의 빙상 코어에는 이러한 기후 변동이 기록되어 있지 않다.

4. 토바 대재앙 이론

토바 대참사 이론은 토바 화산 폭발이 6년에서 10년에 걸친 심각한 지구적 화산 겨울을 일으켰고, 1,000년 동안의 냉각 현상에 기여하여 인구 병목(genetic bottleneck)을 초래했다고 주장한다. 하지만, 일부 물리적 증거는 천 년에 걸친 한랭 현상 및 유전적 병목 현상과의 연관성에 이의를 제기하며, 일부는 이 이론이 입증되지 않았다고 여긴다.

지금으로부터 7만~7만 5000년 전, 토바 화산이 화산 폭발 지수 최대 카테고리 8의 대규모 초거대 분화 (이른바 파국 분화)를 일으켰다. 이 분화로 방출된 에너지는 TNT 화약 1테라톤 분, 1980년 세인트헬렌스 산 분화의 약 3000배 규모에 달하며, 분출물의 부피는 2,000 km³을 넘었다고 여겨지며, 이 분화의 규모는 인류 발상 이후 최대였다고 여겨진다. (8만 년 전의 아소 산화쇄류 퇴적물의 체적은 600km³).

토바 대재앙 이론에 따르면, 대기 중에 휩쓸려 올라간 대량의 화산재가 햇빛을 차단하여 지구의 기온은 평균 5℃나 하락하고, 극적인 한랭화는 약 6000년 동안 지속되었다고 한다. 그 후에도 기후는 단속적으로 한랭화되는 경향을 보였고, 지구는 뷔름 빙기로 돌입한다. 이 시기까지 생존해 있던 호모속의 방계 종( 호모 에르가스터, 호모 에렉투스 등)은 회복 불가능한 수준까지 감소, 분단되어 멸종하고, 현생 인류도 토바 사건의 기후 변동으로 인해 총 인구가 1만 명 이하로 격감하여 생물학적으로 거의 절멸 직전까지 몰렸다고 여겨진다.
간신히 살아남은 현생 인류도 인구 감소로 인해 병목 효과가 발생하여, 그 유전적 다양성은 거의 사라졌다. 현재 인류의 총인구는 76억 명에 달하지만, 유전학적으로 볼 때, 현생 인류의 개체수에 비해 유전적 특징이 균질한 것은 토바 대재앙의 병목 효과에 의한 영향이라고 한다. 유전자 분석에 따르면, 현생 인류는 극히 적은 인구(1,000쌍-1만 쌍 정도의 부부)에서 진화한 것으로 추정된다. 유전자 변화의 평균 속도로 추정된 인구의 극소 시기는 토바 대재앙의 시기와 일치한다.

이 학설은 6만 년 전에 살았던 "Y염색체 아담"이나 14만 년 전에 살았던 "미토콘드리아 이브"를 가정한 학설과 모순되지 않는다. 또한, 현생 인류의 각 계통이 200만 년~6만 년 시기에 분기했음을 보여주는 현생 인류의 유전자 분석 결과도 토바 대재앙 이론과 모순되지 않는다. 왜냐하면, 토바 대재앙 이론은 총인구가 몇 쌍의 부부까지 감소했다는 학설이 아니라, 그 정도의 심각한 병목 현상을 상정하고 있는 것은 아니기 때문이다. 현생 인류의 유전적 다양성은 토바 대재앙으로 인해, 현생 인류의 인구가 한 번 감소했음을 시사한다。

토바 대재앙 이론은 정설이 되어, 토바 대재앙 이후까지 살아남은 호모 속은 네안데르탈인과 인간뿐이라고 여겨졌지만, 네안데르탈인과 자매 관계에 있는 계통인 데니소바인이 토바 대재앙 후에 생존해 있었음이, 러시아・알타이 지방에서 출토된 인골에 의해 최근 새롭게 확인되고 있다。 또한 인도・마디아 프라데시 주에 있는 다바 유적에서는, 토바 대재앙 전후로 같은 타입의 석기가 사용되고 있는 것도 확인되어, 이의가 제기되고 있다。

4.1. 이론의 역사

1972년, 인간 헤모글로빈 분석에서 변이가 거의 발견되지 않아 인류 개체 수가 매우 적었을 것으로 추정되었다. 이후 유전학 연구에서도 인류 역사의 상당 기간 동안 유효 인구 규모가 약 10,000명 수준이었음이 확인되었다. 인간 미토콘드리아 DNA 서열 차이에 대한 연구에서는 35,000년에서 65,000년 사이 어느 시점에 유효 인구 크기가 1,000명에서 10,000명으로 급격히 증가했다는 사실이 밝혀졌다.

1993년, 앤 기번스(Ann Gibbons)는 인구 증가가 마지막 플라이스토세 빙하기의 추운 기후에 의해 억제되었으며, 73,000년에서 75,000년 사이로 추정되는 토바 초대형 화산 폭발로 인해 악화되었을 가능성이 있다고 주장했다. 뉴욕 대학교의 마이클 R. 램피노와 하와이 대학교 마노아의 스티븐 셀프가 이 이론을 지지했다. 1998년, 일리노이 대학교 어배너-챔페인의 스탠리 H. 앰브로스는 토바 화산 폭발로 인류 개체 수가 수천 명으로 줄었으며, 이후 회복은 약 60,000년 전 따뜻한 MIS 3 상태로 전환될 때까지 MIS 4의 전 세계적인 빙하기 상태에 의해 억제되었고, 그 기간 동안 급격한 인구 증가가 발생했다고 가설을 세웠다.

7만~7만 5000년 전, 토바 화산은 화산 폭발 지수 최대 카테고리 8의 대규모 초거대 분화 (이른바 파국 분화)를 일으켰다. 이 분화로 방출된 에너지는 TNT 화약 1테라톤 분, 1980년 세인트헬렌스 산 분화의 약 3000배 규모이며, 분출물 부피는 2,000 km³을 넘는 것으로 추정된다. 이 분화 규모는 인류 발상 이후 최대였다고 여겨진다.

토바 대재앙 이론에 따르면, 대량의 화산재가 햇빛을 차단하여 지구 기온이 평균 5℃ 하락하고, 약 6000년 동안 극적인 한랭화가 지속되었다. 그 후에도 기후는 단속적으로 한랭화되는 경향을 보여 지구는 뷔름 빙기로 돌입한다. 이 시기까지 생존해 있던 호모속의 방계 종( 호모 에르가스터, 호모 에렉투스 등)은 멸종하고, 현생 인류도 토바 사건의 기후 변동으로 총 인구가 1만 명 이하로 격감하여 생물학적으로 거의 절멸 직전까지 몰렸다고 여겨진다.

4.2. 인류 진화에 미친 영향

네안데르탈인(H. 네안데르탈렌시스)과 데니소바인은 토바 화산 폭발과 그에 따른 MIS 4 간빙기에서 생존했으며, 이들의 마지막 존재는 각각 약 4만 년 전과 약 5만 5천 년 전으로 추정된다. H. 플로레시엔시스, H. 루조넨시스, 펑후 1을 포함한 다른 계통들도 화산 폭발에서 생존했을 가능성이 있다. 전체 게놈 시퀀싱을 사용한 인간 인구 통계학적 역사의 재구성과 토바 화산재 층과 관련된 고고학적 문화의 발견은 인간이 화산 폭발과 그 이후의 GS20 및 MIS 4 간빙기 동안 어떻게 대처했는지에 대한 더 많은 정보를 제공한다.

최근 분석에서는 마르코프 모형을 전체 유전 물질에 적용하여 인류의 인구 역사를 추론한다. 비 아프리카 인구 집단에서는 20만 년 전부터 시작되어 4만~6만 년 전경에 최저점에 도달하는 장기간의 급격한 감소가 연구를 통해 밝혀졌다. 이 병목 현상 동안 비 아프리카 인구 집단은 5~15배 감소했으며, 5만 년 전에는 1,000~3,000명만 생존했는데, 이는 초기 미토콘드리아 DNA 연구 결과와 일치한다. 이 심각한 비 아프리카의 축소는 아프리카를 벗어난 확산에 의한 창시자 효과와 일치한다. 수천 명 규모의 소규모 집단이 아프리카 대륙에서 근동으로 이주하면서 인구 감소가 비 아프리카 게놈 다양성에 각인되었다. 유전자 분석 결과, 비 아프리카 인구 집단에서 추위에 적응과 관련된 56개의 선택적 스윕이 확인되었으며, 그중 31개의 스윕이 7만 2천~9만 7천 년 사이에 발생했다. 이 시기에 일어난 선택 사건을 '아라비아 정체기'라고 명명했으며, 이는 MIS 4의 시작부터 시작된 혹독한 추운 건조 기후와 토바 대분화로 인해 악화되었을 수 있다.

아프리카 인구 집단은 약간 더 일찍, 더 완만한 병목 현상을 겪었고 더 일찍 회복했다. 루히야족과 마사이족은 약 7만~8만 년 경에 최저 인구수를 기록한 반면, 요루바족은 약 5만 년 경에 최저점에 도달했지만, 장기적인 감소 추세는 이미 20만 년 전에 시작되었다. 추정되는 유효 인구 규모는 약 1만 명으로, 병목 현상 동안 추정된 비 아프리카 규모보다 크다. 비 아프리카 인구 집단과 달리 아프리카 병목 현상의 원인에 대해서는 합의가 이루어지지 않았다. 제안된 원인으로는 기후 악화(MIS 5, 토바 분화, GS20 및/또는 MIS 4), 아프리카 인구 집단 전반의 하위 구조 감소, 아프리카 내 확산에 따른 창시자 효과 등이 있다.

전체 인간 게놈에서 Alu 시퀀스에 대한 이전 유전자 분석 결과, 유효 인구 규모가 120만 년 전에는 26,000명 미만이었음이 밝혀졌다. 인류 조상의 낮은 인구 규모에 대한 가능한 설명으로는 반복적인 인구 감소 또는 경쟁 호모 아종의 주기적인 교체 사건 등이 있을 수 있다. 전체 게놈 분석에서도 약 100만 년 전 아프리카 인구 규모가 매우 낮았다는 결과가 나타난다. 이 100만 년 전의 병목 현상은 아프리카 전역의 광범위한 건조화를 동반한 중간 플라이스토세 기후 변화를 특징으로 하는 심각한 빙하기 MIS 22에 의해 발생한 것으로 생각된다.

간신히 살아남은 현생 인류도 인구 감소로 인해 병목 효과가 발생하여, 그 유전적 다양성은 거의 사라졌다. 현재 인류의 총인구는 76억 명에 달하지만, 유전학적으로 볼 때, 현생 인류의 개체수에 비해 유전적 특징이 균질한 것은 토바 대재앙의 병목 효과에 의한 영향이라고 한다. 유전자 분석에 따르면, 현생 인류는 극히 적은 인구(1,000쌍-1만 쌍 정도의 부부)에서 진화한 것으로 추정된다. 유전자 변화의 평균 속도로 추정된 인구의 극소 시기는 토바 대재앙의 시기와 일치한다.

이 학설은 6만 년 전에 살았던 "Y염색체 아담"이나 14만 년 전에 살았던 "미토콘드리아 이브"를 가정한 학설과 모순되지 않는다. 또한, 현생 인류의 각 계통이 200만 년~6만 년 시기에 분기했음을 보여주는 현생 인류의 유전자 분석 결과도 토바 대재앙 이론과 모순되지 않는다. 왜냐하면, 토바 대재앙 이론은 총인구가 몇 쌍의 부부까지 감소했다는 학설이 아니라, 그 정도의 심각한 병목 현상을 상정하고 있는 것은 아니기 때문이다. 현생 인류의 유전적 다양성은 토바 대재앙으로 인해, 현생 인류의 인구가 한 번 감소했음을 시사한다。

토바 대재앙 이론은 정설이 되어, 토바 대재앙 이후까지 살아남은 호모 속은 네안데르탈인과 인간뿐이라고 여겨졌지만, 네안데르탈인과 자매 관계에 있는 계통인 데니소바인이 토바 대재앙 후에 생존해 있었음이, 러시아・알타이 지방에서 출토된 인골에 의해 최근 새롭게 확인되고 있다。 또한 인도・마디아 프라데시 주에 있는 다바 유적에서는, 토바 대재앙 전후로 같은 타입의 석기가 사용되고 있는 것도 확인되어, 이의가 제기되고 있다。

4.3. 다른 포유류의 유전적 병목 현상

토바 대폭발 이후 다른 동물들의 개체 수 급감에 대한 몇 가지 증거가 있다. 동아프리카의 침팬지, 보르네오 오랑우탄, 중앙 인도의 마카크, 치타 및 호랑이의 개체수는 약 7만~5만 5천 년 전 매우 작은 개체군에서 모두 확장되었다.

간신히 살아남은 현생 인류도 인구 감소로 인해 병목 효과가 발생하여, 그 유전적 다양성은 거의 사라졌다. 현재 인류의 총인구는 76억 명에 달하지만, 유전학적으로 볼 때, 현생 인류의 개체수에 비해 유전적 특징이 균질한 것은 토바 대재앙의 병목 효과에 의한 영향이라고 한다. 유전자 분석에 따르면, 현생 인류는 극히 적은 인구(1,000쌍-1만 쌍 정도의 부부)에서 진화한 것으로 추정된다. 유전자 변화의 평균 속도로 추정된 인구의 극소 시기는 토바 대재앙의 시기와 일치한다.

이 학설은 6만 년 전에 살았던 "Y염색체 아담"이나 14만 년 전에 살았던 "미토콘드리아 이브"를 가정한 학설과 모순되지 않는다. 또한, 현생 인류의 각 계통이 200만 년~6만 년 시기에 분기했음을 보여주는 현생 인류의 유전자 분석 결과도 토바 대재앙 이론과 모순되지 않는다. 왜냐하면, 토바 대재앙 이론은 총인구가 몇 쌍의 부부까지 감소했다는 학설이 아니라, 그 정도의 심각한 병목 현상을 상정하고 있는 것은 아니기 때문이다. 현생 인류의 유전적 다양성은 토바 대재앙으로 인해, 현생 인류의 인구가 한 번 감소했음을 시사한다。

토바 대재앙 이론은 정설이 되어, 토바 대재앙 이후까지 살아남은 호모 속은 네안데르탈인과 인간뿐이라고 여겨졌지만, 네안데르탈인과 자매 관계에 있는 계통인 데니소바인이 토바 대재앙 후에 생존해 있었음이, 러시아・알타이 지방에서 출토된 인골에 의해 최근 새롭게 확인되고 있다。 또한 인도・마디아 프라데시 주에 있는 다바 유적에서는, 토바 대재앙 전후로 같은 타입의 석기가 사용되고 있는 것도 확인되어, 이의가 제기되고 있다。

4.4. 고고학적 연구

인도 남부 주루 계곡에서 발견된 고대 석기는 토바 화산 폭발로 인한 두꺼운 재층 위아래에서 매우 유사하게 나타나는데, 이는 화산 폭발로 인한 먼지 구름이 이 지역 인구를 전멸시키지 않았음을 시사한다. 그러나 인도의 또 다른 유적지인 중부 손 계곡은 주요 인구 감소의 증거를 보여주며, 주루 계곡의 풍부한 샘들이 그곳 거주자들에게 독특한 보호를 제공했을 가능성이 제기되었다.

인도 남부 주루 계곡에서 토바 재층 아래의 중기 구석기 석기는 OSL에 의해 77±4천 년 전으로 측정되었으며, 재층 위의 석기는 55천 년 전보다 오래되지 않은 것으로 제한된다. 이 연대 차이는 폭발 후 퇴적물 제거 또는 55천 년 전에 재점유될 때까지 지역 인구의 대량 감소 때문인 것으로 추정된다. 인도 남부와 북부의 추가적인 고고학적 증거 또한 화산 폭발이 지역 인구에 미친 영향에 대한 증거가 부족함을 시사하며, 연구 저자들은 "다른 연구에서 상당한 동물 멸종과 유전적 병목 현상을 제시한 것과는 반대로, 많은 형태의 생명이 초대형 분화구를 살아남았다"고 결론 내렸다. 그러나 일부 연구자들은 토바 초대형 화산 폭발 이후의 유물을 연대 측정하는 데 사용된 기술에 의문을 제기했다.

토바 대재앙은 스쿨과 카프제 호미닌의 사라짐과 일치한다. 꽃가루 분석 증거는 남아시아에서 지속적인 삼림 벌채를 시사하며, 일부 연구자들은 토바 화산 폭발이 인류가 새로운 적응 전략을 채택하도록 강요했을 수 있으며, 이로 인해 네안데르탈인과 "다른 고대 인류 종"을 대체할 수 있었을 것이라고 제안했다.

5. 의복의 기원

인간에게 기생하는 이는 두 개의 아종, 주로 모발에 기생하는 머릿니(Pediculus humanus capitis)와 주로 의복에 기생하는 사면발이(Pediculus humanus corporis)로 나뉜다. 최근 유전자 연구에 따르면 이 두 아종이 분화된 시기는 약 7만 년 전인 것으로 밝혀졌다.

약 7만 년 전에 인류가 의복을 입게 되면서 새로운 기생 환경에 맞춰 사면발이가 분화되었다고 해석된다. 따라서 연구자들은 시기적으로 일치하는 점을 들어 토바 화산 폭발과 그 후의 한랭해진 기후를 극복하기 위해 인류가 의복을 입게 된 것이 아니냐고 추정하고 있다.

6. 인류의 이동

최근 헬리코박터 파일로리균의 유전자 분석에 따르면, 그 유전적 다양성은 동부 아프리카에서 감소한다. 유전자 거리를 사용한 분석에 따르면, 헬리코박터 파일로리균은 5만 8000년 전에 동아프리카에서 세계 각지로 퍼져나간 것으로 해석되었다. 이 결과는 헬리코박터 파일로리균이 그 시점부터 현생 인류의 체내에 기생하고 있었으며, 또한 현생 인류가 아프리카에서 세계 각지로 확산된 것은 적어도 5만 8000년 이후임을 나타낸다.

Ambrose (1998)는 토바 화산 폭발 이후 다시 인류가 아프리카에서 퍼져나갔다고 주장하고 있다. 현생 인류는 처음에 아라비아 반도나 인도, 인도양을 따라 인도네시아와 오스트레일리아로 이주해 갔다. 그 후, 뷔름 빙기 말기(1만 1000~1만 년 전)까지 북남미 대륙으로 퍼져나간 것으로 여겨진다.