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화산 겨울

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목차

1. 개요

화산 겨울은 화산 폭발로 인해 발생하며, 대기 중으로 방출된 화산재와 이산화황(SO2)이 성층권에서 황산 에어로졸을 형성하여 지구의 기온을 낮추는 현상을 말한다. 황산 에어로졸은 태양 복사를 산란시켜 지구적 암흑화, 특이한 황혼 빛깔 등의 대기 광학 현상을 일으키며, 수십 년에서 수천 년까지 장기적인 기후 영향을 미칠 수 있다. 과거 대규모 화산 폭발은 소빙기와 같은 기후 변화를 촉발하거나 증폭시켰으며, 생물에게는 개체수 병목 현상을 유발하기도 한다. 역사적으로는 1815년 탐보라 산 폭발, 1883년 크라카토아 산 폭발, 1991년 피나투보 산 폭발 등이 화산 겨울을 일으킨 사례로 기록되어 있다.

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화산 겨울
개요
영향세계적인 기온 하강
농업 생산량 감소
기근
원인대규모 화산 폭발로 인한 에어로졸 방출
기후 영향
기온 변화수년간 평균 기온이 0.5~1 °C (0.9~1.8 °F) 하락 가능
지역적 영향특정 지역에서는 더 심각한 기온 하락 및 기상 이변 발생 가능
역사적 사례
탐보라산 폭발 (1815년)1816년 "여름이 없었던 해" 초래, 전 세계적인 기근 발생
크라카토아 화산 폭발 (1883년)전 세계적인 기온 하락 및 기상 이변 발생
1991년 피나투보 산 폭발수년간 전 세계적인 기온 하락에 영향
메커니즘
에어로졸화산 폭발로 인해 방출된 아황산가스가 햇빛을 차단하여 기온 하락 유발
지속 기간에어로졸은 대기 중에서 수년간 지속될 수 있음
생태계 영향
식물광합성 감소 및 생장 저해
동물먹이 부족 및 서식지 변화로 인한 생존 위협
사회경제적 영향
농업작물 생산량 감소 및 식량 가격 상승
건강기근 및 영양실조로 인한 건강 악화
사회 불안식량 부족으로 인한 사회적 갈등 및 혼란

2. 물리적 과정

화산 폭발은 마그마 물질을 화산재와 가스 형태로 대기 중으로 방출한다. 대부분의 화산재는 분출 후 몇 주 안에 지표면으로 가라앉아 짧은 기간 동안 지역에만 영향을 미친다. 그러나 방출된 이산화 황(SO2)은 성층권에서 황산(H2SO4) 에어로졸을 형성하여 장기적인 기후 변화를 유발할 수 있다.[1][2]

과거 관측에 따르면 VEI 또는 분출 부피로 나타낸 분출 규모와 기후 냉각 심각성 사이에는 상관관계가 없다. 이는 분출 규모가 방출된 SO2의 양과 상관관계가 없기 때문이다.[6]

2. 1. 황산 에어로졸의 형성과 확산

화산 폭발은 마그마 물질을 화산재와 가스 형태로 대기 중에 방출한다. 대부분의 화산재는 분출 후 몇 주 안에 지표면으로 가라앉아 짧은 기간 동안 지역에만 영향을 미치지만, 방출된 이산화 황(SO2)은 성층권에서 황산(H2SO4) 에어로졸을 만들 수 있다.[1] 이 에어로졸은 몇 주 안에 분출원이 있는 반구를 돌 수 있으며 약 1년의 ''e''-폴딩 붕괴 시간으로 지속된다. 그 결과, 수년간 지속될 수 있는 복사 영향이 나타난다.[2]

이후 성층권에서 화산 구름이 확산되고 기후에 미치는 영향은 분출 계절,[3] 분출 화산의 위도,[4] 주입 높이 등 여러 요인의 영향을 크게 받는다.[5] SO2 주입 높이가 대류권에 국한되면, 생성된 H2SO4 에어로졸은 강수를 통해 효율적으로 제거되어 체류 시간이 며칠에 불과하다.[5] 열대 이외 지역 분출로 인한 H2SO4 에어로졸의 수명은 열대 분출로 인한 에어로졸보다 짧다. 이는 열대 지역에서 중위도 또는 고위도 대류권계면을 가로지르는 제거까지의 이동 경로가 더 길기 때문이다. 하지만 열대 이외 지역 분출은 에어로졸을 단일 반구에 제한하여 반구 기후 영향을 강화한다.[4] 또한, 겨울철 주입은 극 지역에서 성층권 에어로졸 제거가 강화될 때 고위도 화산 분출의 여름철 주입보다 복사 효율이 훨씬 낮다.[3]

2. 2. 대기 광학 현상

황산염 에어로졸은 태양 복사와 산란을 통해 강하게 상호작용하여 성층권에서 놀라운 대기 광학 현상을 일으킨다. 여기에는 지구적 암흑화, 코로나 또는 비숍의 고리, 특이한 황혼 빛깔, 어두운 개기 월식 등이 있다.[1][2] 이러한 대기 현상에 대한 역사적 기록은 화산 겨울의 징후이며, 서기 이전 시대로 거슬러 올라간다.[3]

뭉크의 유명한 그림은 1892년 아우 화산 분출로 인해 오슬로 상공에 생성된 붉은 화산 에어로졸 구름에서 영감을 얻었다는 추측이 있다.


화산 폭발로 대기 중에 방출된 이산화 황(SO2)은 성층권에서 황산(H2SO4) 에어로졸을 형성한다. 이 에어로졸은 몇 주 안에 분출된 반구를 돌 수 있으며, 약 1년의 ''e''-폴딩 붕괴 시간으로 지속되어 수년간 복사 영향에 영향을 미친다.

3. 장기적인 영향

화산 폭발로 인한 냉각 효과는 초기 몇 년을 넘어 수십 년, 심지어 수천 년까지 지속될 수 있다는 주장이 제기되었다. 이러한 장기적인 영향은 황산(H2SO4) 에어로졸이 소멸된 후에도 얼음 및 해양 역학과 관련된 양의 되먹임 메커니즘의 결과로 추정된다.[1][2][3]

3. 1. 양의 되먹임 메커니즘

화산 폭발로 인한 냉각 효과는 처음 몇 년뿐만 아니라 수십 년, 심지어 수천 년까지도 지속될 수 있다는 주장이 있다. 이러한 장기적인 영향은 황산 에어로졸(H2SO4)이 사라진 후에도 얼음 및 해양 역학과 관련된 양의 되먹임 메커니즘의 결과로 추정된다.[1][2][3]

화산 폭발 후 처음 몇 년 동안은 황산 에어로졸의 존재로 인해 상당한 냉각 효과가 나타날 수 있다. 이러한 냉각은 설선의 광범위한 하강을 유발하여 해빙, 빙모, 빙하가 급격하게 확장되도록 한다. 그 결과, 해양 온도가 감소하고 표면 알베도가 증가하여 해빙, 빙모, 빙하의 확장을 더욱 가속화한다. 이러한 과정은 강력한 양의 되먹임 고리를 만들어 냉각 추세가 수 세기 이상 지속되도록 한다.[2]

일련의 좁은 간격으로 발생한 대규모 화산 폭발이 소빙기,[4] 후기 고대 소빙기,[5] stadials,[6] 영거 드라이아스,[7] 하인리히 사건,[3] Dansgaard-Oeschger events[8]를 대기-얼음-해양 양의 되먹임을 통해 촉발하거나 증폭시켰다는 주장이 제기되었다.

3. 2. 풍화 작용

충분한 양의 빠르게 분출된 화산 물질의 풍화 작용은 수천만 년의 시간 척도로 작용하는 지구의 규산염 풍화 순환에서 중요한 요인으로 제안되었다.[1] 이 과정에서 풍화된 규산염 광물은 이산화탄소 및 물과 반응하여 탄산 마그네슘과 탄산 칼슘이 형성된다. 이 탄산염은 대기에서 제거되어 해저에 격리된다. 대량의 화산 물질 분출은 풍화 작용을 촉진하여 대기 중 CO2 농도를 낮추고 지구 온도 감소에 기여할 수 있다.

고철질 대규모 화성암구의 빠른 배치로 인해 대기 중 CO2 함량이 급격히 감소하여 수백만 년 동안 지속되는 빙고 기후가 발생할 수 있다.[2][3] 주목할 만한 예는 지구 역사상 가장 심각하고 광범위한 것으로 알려진 빙하 사건으로 여겨지는 스투르트 빙하기이다.Sturtian glaciation영어는 논란의 여지가 있는 용어인 "스노우볼 지구"로 언급된다. 이 빙하기는 분출된 프랭클린 대규모 화성암구의 풍화 작용으로 인해 발생한 것으로 여겨진다.[3][4]

7억 1700만 년 전 스터티안 빙하기 시작 직전에 분출된 대륙 홍수 현무암의 풍화 작용이 지구 역사상 가장 심각한 빙하기의 방아쇠로 인식되고 있다.[4][3][2] 이 기간 동안 지구 표면 온도는 전 세계적으로 물의 어는점 이하로 떨어졌으며,[5] 얼음은 저위도에서 적도까지 빠르게 확장되어 전 세계를 덮었다.[6] 이 빙하기는 7억 1700만 년 전부터 6억 5900만 년 전까지 약 6천만 년 동안 지속되었다.[7]

지구연대학은 5000000km2 규모의 프랭클린 대규모 화성암 지대가 스터티안 빙하기 시작 불과 100만 년 전에 빠르게 형성되었음을 밝힌다.[4] 또한 1000000km2 규모의 여러 대규모 화성암 지대가 8억 5천만 년 전에서 7억 2천만 년 사이에 로디니아에 형성되었다.[8][9] 대량의 신선한 염기성 물질의 풍화는 100만 년 후에 걷잡을 수 없는 냉각과 얼음-알베도 피드백을 시작했다. 화학 동위원소 조성을 보면 대규모 화성암 지대의 분출과 일치하여, 풍화된 신선한 분출 물질이 대양으로 유입되는 거대한 흐름을 알 수 있다.[3] 시뮬레이션 결과에 따르면, 풍화 작용의 증가는 대기 중 CO2가 1,320 ppm 정도 감소하고 지구 온도가 8 K 냉각되어 지질 기록상 가장 특별한 기후 변화 에피소드를 촉발했다.

4. 과거 화산 겨울 사례

주요 화산 폭발 이후 북반구 냉각이 관찰되며, 온도 기록은 수목 연륜 데이터를 기반으로 재구성된다.


수목 연륜 기반 온도 재구성, 먼지 장막에 대한 역사적 기록, 빙하 코어 연구는 지난 5천 년 동안 가장 추웠던 해들 중 일부가 대규모 화산 분출로 인한 SO2 때문임을 확인했다. 화산 폭발로 인한 온도 변화는 주로 지난 2천 년 동안의 수목 연륜 데이터를 기반으로 분석되었다. 홀로세 초기에는 빙하 코어의 황산염 급증과 서리 고리가 심각한 화산 겨울의 증거로 사용된다. 최후 빙기에는 δ18O 기록을 통해 화산 냉각을 정량화했다.

최후 빙기 동안 δ18O 변화를 바탕으로 탐보라, 사마라스 화산 폭발과 맞먹는 수준의 화산 냉각이 있었던 것으로 추정된다. 특히 12,000~32,000년 전에는 서기 시대의 가장 큰 폭발보다 더 큰 냉각 현상이 나타났다.

71,000~73,000년 전 인도네시아 수마트라 섬 토바 호의 대분화는 지난 11만 년 중 가장 많은 양의 화산성 황을 퇴적시켰다. 이로 인해 동남아시아의 산림이 크게 줄고, 전 세계 기온이 -1°C 하락했다.[2] 이 분화가 빙하기를 가속화하고 동물과 인류 개체 수를 감소시켰다는 주장이 있지만, 기후 영향이 작고 단기적이어서 인구에 큰 영향을 주지 않았다는 반론도 있다.[3] 분화 시기에 인류 분화가 갑자기 일어난 것은 화산 겨울과 관련된 병목 효과 때문일 수 있다. 평균적으로 총 분출량이 1015kg (토바 분출량 = 6.9 × 1015kg)인 대분화는 100만 년마다 발생한다.[4]

러시아 시베리아 트랩은 거대한 홍수 현무암 분출 흔적이다. 도쿄 대학 이소자키 유키오는 P-T 경계의 대멸종이 슈퍼 핫 플룸 분출에 의한 대규모 화산 활동, 즉 화산 겨울 때문이며, 시베리아 트랩이 그 흔적이라는 "플룸의 겨울(plume winter)" 가설을 제시했다.[5]

4. 1. 역사 시대

수목 연륜 기반 온도 재구성, 먼지 장막에 대한 역사적 기록, 빙하 코어 연구에 따르면 지난 5천 년 동안 가장 추웠던 해들 중 일부는 대규모 화산 분출로 인해 발생한 SO2 때문이었다.[1],[2]

화산 폭발로 인한 반구 온도 이상 현상은 주로 지난 2천 년 동안의 수목 연륜 데이터를 기반으로 재구성되었다.[4][5][6][7] 홀로세 초기의 경우, 대규모 빙하 코어 황산염 급증과 일치하는 서리 고리의 확인은 심각한 화산 겨울의 지표로 작용한다.[8] 최후 빙기 동안 과거로 거슬러 올라가는 화산 냉각의 정량화는 연간으로 분해된 δ18O 기록으로 가능해졌다.[9]

다음은 화산 에어로졸에 의해 발생한 주목할 만하고 결과적인 냉각 현상에 대한 불완전한 목록이지만, 에어로졸의 근원 화산은 거의 식별되지 않는다.

화산 폭발에 확실하게 기인하는 북반구 냉각 에피소드
냉각 에피소드 (CE/BCE)화산 폭발북반구 최고 온도 이상비고참고
1991–19931991년 피나투보산 폭발−0.5 K
1883–18861883년 크라카토아산 폭발−0.3 K
1809–18201808년 미스터리 폭발, 1815년 탐보라산 폭발−1.7 K여름이 없는 해[4]
1453–14601452년 북반구 미스터리 폭발, 1458년 남반구 미스터리 폭발−1.2 K1458년 폭발의 쿠와에 칼데라 기원은 논란의 여지가 있다.[4]
1258–12601257년 사마라스 화산 폭발−1.3 K서기 시대의 단일 최대 황 분출.[4]
536–546535년 북반구 미스터리 폭발, 540년 열대 미스터리 폭발−1.4 K후기 고대 소빙하기의 첫 번째 단계.[4]
−43–41옥목산 II−2–3 K



최후 빙기 동안, δ18O 이상 현상의 크기를 기반으로 서기 시대의 가장 큰 화산 냉각(예: 탐보라, 사마라스)에 필적하는 화산 냉각이 추정된다.[9] 특히 12,000~32,000년 전 기간에 폭발의 최고 δ18O 냉각 이상 현상은 서기 시대의 가장 큰 폭발 이후의 이상 현상을 초과한다.[9]

최근의 화산 겨울은 비교적 온화했지만, 중대한 영향을 미쳤다. 1783년 벤저민 프랭클린은 1783년의 냉여름이 아이슬란드에서 날아온 화산재 때문이라고 지적했다. 당시 아이슬란드에서는 라키 화산이 분화하여 다량의 아황산 가스를 배출했고, 그 결과 아이슬란드 가축 대부분이 죽고 인구의 4분의 1이 굶주림으로 죽는 기근을 초래했다. 북반구의 온도는 이 분화로 약 1°C영어 하락했다.

535년부터 536년에 걸친 이상 기상 현상은 535년 인도네시아 크라카타우 화산 분화와 관련이 있는 것으로 생각된다. 1315년부터 1317년까지 유럽에서의 대기근(Great Famine of 1315–1317)은 뉴질랜드 타라웨라 산의 약 5년간 지속된 화산 활동(카할로아 분화)에 의해 일어난 것으로 추정된다.[6][7] 1452년 또는 1453년 바누아투 콰에의 격변적인 분화(VEI6)는 세계적인 혼란을 야기했다.

1600년 페루 와이나푸티나 화산 분화(VEI6)는 1601년의 한랭한 기온과 관련이 있다는 연구 결과가 있다. 이로 인해 러시아에서는 1601년부터 1603년까지 최악의 기근이 발생하여 "혼란 시대"의 혼란이 심화되었고, 스위스, 라트비아, 에스토니아에서는 이상한 한겨울이었다. 프랑스에서는 와인 수확이 늦어졌고, 페루와 독일의 와인 생산은 궤멸적이었다. 중국에서는 복숭아 나무 개화가 늦어졌고, 일본에서는 스와 호의 결빙 시기가 빨랐다.[8]

1783년 아이슬란드 라키 화산 분화(VEI6)는 유럽과 북아메리카에서 이상 기후를 야기했다. 덴메이 대기근은 이 폭발로 인해 일어났다는 설이 유력하며, 프랑스 혁명의 원인 중 하나로 거론되기도 한다. 이 해에는 라키 화산 외에도 아이슬란드의 그림스뵈튼, 일본의 아사마 산(덴메이 대분화)과 이와키 산도 분화하여 화산 활동이 활발했다.

1815년 인도네시아 탐보라 산의 대분화(VEI7)는 뉴욕주에서 한여름에 서리가 발생하고, 뉴잉글랜드와 뉴펀들랜드 래브라도주에서 6월에 눈이 내리는 등 1816년 "여름 없는 해"를 초래했다. 1883년 크라카타우의 대분화(VEI6)는 화산 겨울에 필적하는 상황을 만들었다. 분화 후 4년 동안은 이상하게 기온이 낮았고, 1888년 겨울에는 세계 각지에서 기록적인 강설이 있었다. 가장 최근의 예로는 1991년 필리핀 피나투보 산 분화(VEI6)로 2~3년 동안 세계적으로 온도가 낮아졌다.[9]

4. 1. 1. 한국 관련 사례

1600년 페루의 와이나푸티나 화산 분화(VEI6)는 1601년의 한랭한 기온과 관련이 있다는 연구 결과가 있다.[8] 이로 인해 조선에서는 1601년부터 1603년까지 기근이 발생하여 조선 사회의 혼란이 심화되었을 가능성이 제기된다.

1815년 인도네시아 탐보라 산의 대분화(VEI7)는 조선왕조실록에 기록된 여러 이상 기후 현상과 관련이 있다. 여름철 서리, 6월의 눈 등 이상 저온 현상, 잦은 비, 가뭄 등은 농업 생산량을 감소시키고 사회 불안을 야기했을 것으로 추정된다.

4. 2. 선사 시대

토바 참사 이론에 따르면, 7만 4천 년 전 인도네시아 수마트라섬의 토바호(토바 칼데라)에서 발생한 YTT(Youngest Toba Tuff, 최연소 토바 응회암) 분화는 제4기의 가장 큰 분화로, 역사상 가장 큰 분화였던 탐보라산 폭발보다 마그마 분출량이 훨씬 컸다.[2] 이 분화는 지구 기후에 큰 영향을 미쳤을 것으로 추정되며, 이에 대한 논쟁이 계속되고 있다.

극지 빙하 코어의 황산염 농도 및 동위원소 측정 결과, YTT 분화로 인한 4개의 대기 에어로졸 사건이 확인되었다.[2] 이 사건들로 인한 성층권 황산염 부하량은 1257 CE의 사마라스 화산 폭발의 1~3배에 달한다. 기후 모델에 따르면, 이 정도 양의 황산염 에어로졸은 지구 평균 기온을 2.3~4.1K 정도 낮추고, 10년 이상 지속될 수 있다.[2]

그러나 YTT 분화로 인한 냉각 효과에 대한 증거는 엇갈린다. YTT 분화는 1,500년 동안 지속된 그린란드 스타디얼 20 (GS-20)의 시작과 일치하는데, GS-20은 지난 10만 년 동안 가장 춥고 약한 남아시아 몬순을 보인 시기였다.[2] YTT가 GS-20의 극단성에 영향을 주었을 가능성도 있지만, 냉각은 이미 진행 중이었기 때문에 YTT 없이도 한랭화가 발생했을 것이라는 주장도 있다.[2] 남중국해에서는 YTT 퇴적 이후 1,000년에 걸쳐 1K의 냉각이 나타났지만, 아라비아해에서는 뚜렷한 영향이 없었다.[2] 인도와 벵골만에서는 YTT 화산재층 위에서 초기 냉각과 장기간의 건조화가 관찰되지만, 이러한 변화가 YTT 이전에 이미 발생하고 있었다는 주장도 있다.[2] 말라위호 퇴적물은 YTT 분화 후 몇 년 이내의 화산 겨울을 지지하는 증거를 제공하지 않지만,[2] 퇴적물 혼합으로 인해 결과의 해상도가 의심된다.[2]

일부 과학자들은 YTT 분화가 빙하기를 가속화하고, 인류를 포함한 동물 개체 수의 급격한 감소를 초래했다고 주장한다. 하지만, 분화의 기후 영향이 작고 단기적이어서 당시 인구에 큰 영향을 주지 않았다는 반론도 있다.[3] 분화와 동시기에 인류 분화가 갑자기 일어났다는 점은 화산 겨울과 관련된 병목 효과를 시사할 수 있다.

7억 1700만 년 전 스터티안 빙하기 시작 직전에 분출된 대륙 홍수 현무암의 풍화 작용은 지구 역사상 가장 심각한 빙하기의 원인으로 여겨진다.[2] 이 기간 동안 지구 표면 온도는 전 세계적으로 물의 어는점 이하로 떨어졌고, 얼음이 적도까지 확장되어 전 세계를 덮었다.

러시아의 시베리아 트랩은 거대한 홍수 현무암 분출의 흔적이며, 도쿄 대학의 이소자키 유키오는 페름기-트라이아스기 대멸종(P-T 경계)이 슈퍼 핫 플룸 분출에 의한 대규모 화산 활동, 즉 화산 겨울 때문이며, 시베리아 트랩이 그 흔적이라는 가설을 제시했다. 이소자키는 이 화산 겨울을 "플룸의 겨울(plume winter)"이라고 명명했다.[5]

5. 생물에 미치는 영향

화산 겨울은 생물 종의 개체수 감소와 유전적 다양성 변화에 영향을 미칠 수 있다.

다음은 화산 폭발로 인해 발생한 주요 사건들이다.



5. 1. 병목 현상

일부 연구자들은 화산 겨울이 종의 개체수 급감 후 생존자들 사이에서 유전적 분화가 급격히 일어나는 현상인 개체수 병목 현상을 유발한다고 본다. 이러한 현상은 개체수를 "진화적 변화가 훨씬 더 빠르게 일어나는 소규모 개체군에서 급속한 개체군 분화를 일으킬 수 있을 정도로 낮은 수준"으로 감소시킬 수 있다.[1]

인도네시아 수마트라 섬의 토바 호에서 발생한 대분화(71,000~73,000년 전)는 화산 겨울의 한 사례로 꼽힌다. 이 분화로 인해 지난 11만 년 동안 가장 많은 양의 화산성 황이 퇴적되었고, 동남아시아에서 심각한 산림 감소와 1℃ 단위의 세계적인 기온 저하를 일으켰다고 한다.[2] 일부 과학자들은 이 분화가 빙하기로의 급격한 회귀를 유발하고 지구상 동물과 인류의 개체수를 대규모로 감소시켰다고 주장한다. 하지만, 분화에 의한 기후 영향이 너무 작고 단기적이어서 당시 인구에 큰 영향을 주지 않았다는 과학자들도 있다.[3]

인류학자 스탠리 앰브로스(Stanley Ambrose)는 토바 화산의 병목 현상으로 많은 종이 유전자 풀 축소의 영향을 받았으며, 인류도 거의 멸종 직전까지 몰렸다고 주장했다(토바 재앙 이론).[1] 토바 화산 폭발은 인류의 개체수를 15,000명에서 40,000명 사이, 또는 그보다 더 적게 감소시켰을 수 있다.[1]

참조

[1] 서적 Climate Change in Prehistory: The End of the Reign of Chaos Cambridge University Press
[2] 논문 Limited global change due to the largest known Quaternary eruption, Toba 〜〜 74 Kyr BP
[3] 문서
[4] 논문 The size and frequency of the largest explosive eruptions on Earth
[5] 논문 "Integrated"plume winter"scenario for the double-phased extinction during the Paleozoic-Mesozoic transition:The G-LB and P-TB events from a Panthalassan Perspective.
[6] 서적 In the Wake of the Plague: The Black Death and the World it Made
[7] 논문 Rhyolite magma processes of the 〜AD 1315 Kaharoa eruption episode, Tarawera volcano, New Zealand
[8] 뉴스 Volcanic Eruption Of 1600 Caused Global Disruption http://www.scienceda[...] University of California - Davis 2008-04-25
[9] 간행물 Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: a new dataset from 1850


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