제4기 빙하기

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1. 개요
2. 발견
3. 원인
4. 영향
5. 과거 빙하기의 기록
6. 다음 빙하기
참조

1. 개요

제4기 빙하기는 제4기에 발생한 일련의 빙하기를 의미하며, 18~19세기의 전 지구적 관찰을 통해 그 존재가 밝혀졌다. 빙하기는 지구의 기후계 작용, 특히 천문 주기(밀란코비치 주기), 대기 조성, 지각판 운동, 조산 운동 등 다양한 요인에 의해 발생하며, 빙하의 침식과 퇴적 작용을 통해 독특한 지형을 형성한다. 빙하기는 호수, 황토, 사구, 해류, 금 퇴적 등 광범위한 영향을 미치며, 과거의 빙하기 기록은 지질학적 증거와 화석 연구를 통해 확인된다. 최근에는 대기 중 이산화탄소 농도 증가로 인해 다음 빙하기의 출현이 늦어지거나 없을 수도 있다는 전망이 제기되고 있다.

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빙하기 - 빙기
빙기는 제4기 동안 여러 번의 빙하기와 간빙기가 반복된 현상으로, 최종 빙기 동안 북반구의 많은 지역이 빙하로 덮였으며 해수면 하강과 식생대 남하 등 한반도와 주변 지역의 동식물 이동과 기온 변화에 영향을 미쳤다.
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간빙기는 플라이스토세 빙하기 동안 나타나는 짧고 온난한 시기로, 기온 상승, 숲 확장, 해수면 상승과 같은 현상이 나타나며 지구 궤도 변화와 같은 천문학적 요인이 주요 원인으로 작용한다.
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제4기 빙하기
개요
시기	제4기
시점	전 - 현재
특징	반복적인 빙기와 간빙기
설명
정의	두께의 대륙 빙상 해수면 하강 동식물 분포 변화
원인	밀란코비치 주기 대기 중 이산화 탄소 농도 변화
빙하기	북반구: 로렌시아 빙상, 페노스칸디아 빙상, 바이칼 빙상 남반구: 남극 빙상
빙기와 간빙기
주기	4만 년 또는 10만 년
플라이스토세	지난 백만 년 동안 10만 년 주기가 우세
홀로세	지난 동안 비교적 안정된 기후
기타
영향	빙하 지형 형성 빙하호 형성 뢰스 퇴적층 형성 해수면 변화 하천 경로 변경 동식물 멸종 및 이동

2. 발견

제4기 빙하기에 대한 이해는 과학 혁명의 일환으로 18세기와 19세기에 걸쳐 이루어진 전 지구적인 관찰을 통해 시작되었다. 유럽, 북아메리카, 시베리아 등지에서 드럼린, 에스커, 빙퇴석과 같은 빙상으로 인해 생기는 지형적 변화가 발견되었고, 이를 통해 과거 빙상의 범위를 파악할 수 있었다. 이러한 지구에 남겨진 흔적들은 과거 빙상이 여러 차례 확대와 축소를 거듭했다는 것을 보여주었다.

18세기와 19세기에 과학 혁명을 거치면서 유럽, 북아메리카, 시베리아의 광대한 지역에서 대륙 빙하의 흔적을 발견하였다. 수백 명의 지질학자들이 드럼린, 에스커, 모레인, 빙퇴석, 빙하 하천의 위치와 방향을 지도화하여 빙상의 범위, 흐름 방향 및 융빙수 채널 시스템을 밝혀냈다. 또한 과학자들은 여러 차례 빙하의 전진과 후퇴의 역사를 해독할 수 있었다. 전 세계적인 빙하기 이론이 일반적으로 받아들여지기 전에도 많은 관찰자들은 빙하가 한 번 이상 전진하고 후퇴했다는 것을 인지했다.

3. 원인

빙하기는 지구의 기후 시스템에 영향을 미치는 다양한 요인들의 복합적인 상호작용으로 발생한다.

보스토크 기지에서 채취한 얼음 코어를 바탕으로 재구성한 지난 42만 년 동안의 기온(파란색), 이산화탄소 농도(녹색) 및 먼지(빨간색) 그래프

지구의 기후계는 여러가지 요인이 복합적으로 작용하여 변화한다. 예를 들어 지구의 공전 궤도 변화는 지구가 받는 태양의 복사 에너지 변화로 이어지고, 화산 활동이 증가하면 온실 가스 농도가 높아진다. 식물 군집의 발달도 온실 가스 농도와 지구의 반사율을 변화시킨다. 해류의 변화와 탄소 순환의 변화 역시 기후에 영향을 준다. 이러한 여러 요소가 복합적으로 작용하여 지구의 평균 기온이 일정 이하로 떨어지면 육지에 빙상이 발달하여 빙기를 맞고 반대로 일정 이상으로 상승하면 빙상이 축소되며 간빙기를 맞는다.^[66]

빙하기의 주요 원인은 다음과 같다.

'''밀란코비치 주기''': 지구 공전 궤도의 변화는 지구의 기후에 영향을 미치는 요인 중 하나이다.
'''대기 조성''': 온실 기체인 이산화탄소 농도 변화는 지구의 기온 변화에 큰 영향을 준다.
'''지각판 운동과 해류 변화''': 지각판 운동으로 인한 대륙의 위치변화는 해류의 흐름과 대기의 순환에 영향을 주어 장기적인 빙하기 발달의 중요 요소로 작용한다.
'''조산 운동''': 조산 운동으로 생겨난 높은 산맥들은 빙하 형성에 유리한 환경을 제공하여 빙하기 발달에 영향을 준다.

3. 1. 천문 주기 (밀란코비치 주기)

제임스 크롤은 19세기 후반 지구의 공전 궤도와 기후가 연관되어 있음을 발견하였다.^[67] 이후 20세기 초 세르비아의 지구물리학자였던 밀루틴 밀란코비치가 지구 궤도의 불규칙성을 자세히 설명하여 밀란코비치 주기를 계산하였다.^[68]

지구의 공전궤도 이심률은 약 10만 년을 주기로 변동한다. 지구의 공전면 기울기인 궤도 경사 역시 4만 1천 년 가량을 주기로 22°에서 24.5° 사이에서 변한다.^[69] 또한 지구의 세차 운동으로 춘분점과 추분점을 이루는 분점 역시 약 2만 6천 년을 주기로 변동한다. 밀란코비치는 이를 종합적으로 적용하여 약 4만 년마다 빙기가 발생한다는 밀란코비치 주기 이론을 발표하였다. 이 이론은 지구가 받는 연간 태양 복사 에너지의 열량이 일정하더라도 계절 간의 대비가 변동되기 때문에 육지가 많은 북반구의 겨울이 길어지면 얼음이 녹는 것보다 쌓이는 양이 많아지고 결국 빙상이 발달한다는 것이다.

밀란코비치는 1920년대에서 1930년대에 걸쳐 기후 주기에 대한 아이디어를 내놓았지만, 당시로서는 이를 검증할 방법이 없었다. 1970년대가 되어서야 제4기 기온 변화에 대한 충분히 길고 상세한 연대기적 관찰이 가능하게 되어 이 이론을 검증할 수 있게 되었다.^[70] 심해의 퇴적층을 채취한 코어의 분석과 화석 연구는 지난 수십만 년 동안의 기후 변동이 밀란코비치의 예측과 놀라울 정도로 유사함을 보였다.

3. 2. 대기 조성

온실 기체인 이산화탄소 농도 변화는 지구의 기온 변화에 큰 영향을 준다. 지질학적 증거에 따르면 중생대 중반 이후 대기 중 이산화탄소 농도가 90% 이상 감소하였고, 이는 지구 기온 하강과 남극 빙상의 출현으로 이어졌다.^[14]^[15]^[72]^[73] 해양 식물성 플랑크톤의 일종인 후각편모조강이 생성하는 알케논을 분석하여 과거 대기 중 이산화탄소 농도를 추정할 수 있다.^[73]

이산화탄소 수치는 간빙기와 빙하기 사이의 전환에도 중요한 역할을 하며, 높은 이산화탄소 함량은 따뜻한 간빙기에 해당하고, 낮은 이산화탄소 함량은 빙하기에 해당한다. 그러나 이산화탄소가 간빙기-빙하기 전환의 주요 원인이라기보다는 변화를 가속시키는 피드백으로 작용한다는 연구 결과도 있다.^[19]

3. 3. 지각판 운동과 해류 변화

신생대에 들어 대서양이 발달하면서 북아메리카판과 남아메리카판이 서쪽으로 이동하였고, 그 결과 북극해는 유라시아판과 북아메리카판에 둘러싸여 북대서양 해류가 약화되었다. 열순환이 줄어든 북극해는 약 365만~350만 년 전부터 해빙이 발달하기 시작하였고 플리오세에 대륙 빙상이 발달하는 기반이 되었다.^[76]^[21] 약 260만 년 전에는 남북 아메리카가 연결되며 파나마 지협이 형성되어 대서양과 태평양이 완전히 분리되면서^[77]^[23] 북대서양 열염순환이 강화되었고, 이는 북극권 빙상의 발달을 촉진시켰다.^[78]^[24]^[25]

한편, 남극 대륙은 에오세에서 올리고세 사이인 3390만 년 전에 남아메리카와 분리되어 드레이크 해협이 형성되었으며, 이로 인해 남극순환류가 형성되어 주변의 바다로부터 남극해를 격리시켜 남극의 빙상형성을 촉발하였다.^[76]

3. 4. 조산 운동

신생대 후기 조산 운동으로 생겨난 높은 산들은 저위도 지방에서도 고산지대에 빙하가 형성될 수 있게 하였다.^[79] 예를 들어 그린란드 빙상은 1천만 년 전에서 500만 년 전에 걸쳐 그린란드 동부와 서부가 융기하여 고지대가 되면서 형성되기 시작하였다.^[80] 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 지형 융기가 강수량 증가와 함께 기온 감률에 영향을 주어 빙상을 형성할 수 있음이 확인되었다.^[80] 안데스산맥의 경우 약 1백만 년 전 무렵 빙하가 형성될 수 있는 높이까지 솟아오른 것으로 추정된다.^[81]

4. 영향

빙하는 침식과 퇴적 작용을 통해 독특한 지형을 만들고, 지구의 수문 시스템, 기후, 생태계 등 다양한 영역에 영향을 미친다.

빙하의 영향으로는 호수와 다우호의 형성, 지각 평형의 변화, 바람과 해류의 변화, 그리고 금의 퇴적을 들 수 있다.

4. 1. 호수

제4기 빙하기에는 다른 모든 지질 시대보다 많은 호수가 형성되었다. 대륙 빙하가 이전의 수계를 완전히 붕괴시켜, 물줄기가 바다에 이르지 못하고 빙하에 의해 깎여나간 저지대에 고였기 때문이다.

북아메리카와 유럽의 빙상 두께는 최대 3km에 달했다. 두꺼운 빙상 밑의 지각은 얼음 무게로 인해 깎여나갔다. 간빙기가 되면 얼음이 녹고, 지반 침하와 침식이 있던 자리는 위에서 누르던 압력이 사라지면서 후빙기 반동을 겪으며 경사가 생겼다. 수천 년에 걸쳐 만들어진 경사로 인해 주변보다 낮은 분지가 형성되어 호수가 되었다. 호수 주위의 땅은 여전히 높기 때문에 바닷물의 침입이 저지되거나 일부 구간만 바다와 연결되었다. 이렇게 형성된 담수호로는 오대호가^[82] 있고, 내해로는 발트해가 있다.^[83]^[84]

캐나다 순상지, 스웨덴, 핀란드의 호수수오미 등은 빙하가 기반암을 침식하여 형성되었다.^[85]^[86]

빙상에서 멀리 떨어진 건조 지역은 계절에 따라 녹고 어는 빙하의 영향으로 강수량과 하천 유수량이 증가했다. 육지 내의 폐쇄된 저지대에 형성된 호수는 간빙기가 되면 다시 말라붙어 건호가 되어 소금 평지를 형성한다.

4. 1. 1. 다우호

빙상이 발달하는 지역에서 얼음이 쌓이며 하천의 흐름이 정지되는 것과 달리, 빙상에서 멀리 떨어진 건조 지역은 오히려 계절에 따라 녹고 얼기를 반복하는 빙하의 영향을 받아 강수량이 증가하고 하천의 유수량이 커진다. 간빙기에는 강수량이 적어 바다에 이르기 전에 하천이 말라버리는 건천이었던 지역도 빙기가 되면 풍부해진 강수량을 바탕으로 저지대에 다우호가 형성된다.^[1]

4. 2. 지각 평형 조정

지각 평형설에 따라 빙상에 눌린 지각은 침하되며, 간빙기를 맞아 얼음이 사라져도 일부만 반등할 뿐 온전히 회복되지는 않는다. 이렇게 침하된 기반암은 주변에 비해 낮은 넓은 분지를 형성하였다가 해수면 상승과 함께 바다에 편입된다. 이러한 지형으로는 캐나다의 허드슨만이나 유럽의 발트해가 있다.^[87] 간빙기에 얼음이 녹으면서 압력이 사라지면 지각 반등으로 지진이 일어날 수 있다. 스칸디나비아반도에서는 약 9천 년 전 빙상이 후퇴하면서 일어난 지진의 흔적이 남아있다. 이 지진은 일반적인 판 구조 이동과는 관련 없이 발생한 것이다.

간빙기의 지각 반등은 두 단계로 이루어진다. 첫 단계는 빙상이 녹은 직후 얼음이 누르던 압력이 사라지면서 지각이 "탄성"을 띠고 비교적 빠르게 반등하는 것이다. 두 번째 단계는 지각을 유지하는 "점성"이 반등하는 "탄성"을 제어하는 단계로, 오랜 시간에 걸쳐 천천히 일어난다. 이러한 느린 반등은 오늘날에도 계속 진행되고 있어 연간 1cm 정도의 지각 상승률을 보인다. 다만 알래스카 지역은 연간 약 2.54cm 이상으로 여전히 빠르게 상승하고 있다.^[87] 북유럽의 지각 상승은 GPS 데이터를 통해 실시간으로 관측되고 있다.^[39] 과거 빙상이 덮여있던 지역의 지각은 앞으로도 1만 년 이상 계속 융기할 것으로 예상되며, 얼음이 두터웠던 빙상의 중심 지역일수록 반등하는 높이도 커서 최대 수백 미터에 이를 수 있다.

4. 3. 바람

빙상이 덮인 내륙의 대기는 차가워지면서 주변보다 기압이 높아진다. 그 결과 빙하권에서 주변으로 강한 바람이 지속적으로 분다. 이 바람은 빙하에 의해 침식된 미세한 빙하퇴적물을 주변으로 운반하여 황토를 퇴적시킨다. 북아메리카의 미주리강 계곡이나 유럽 중부, 그리고 중국 북부의 많은 지역이 마치 담요를 덮듯 황토가 퇴적되었다. 중국의 황토지대는 오늘날에도 겨울철 얼어붙었던 땅이 녹으면서 황사가 발생한다.^[88]

빙기의 대기 순환 변화로 발생한 황토가 쌓여 형성되는 사구는 제4기 초기에 오늘날 보다 훨씬 더 넓은 지역에 형성되었고 더 활동적이었다. 이렇게 하여 형성된 미국 네브래스카주의 샌드힐스 지역의 넓이는 60000km²에 달한다.^[89] 샌드힐스는 플라이스토세 시기 빙하의 영향을 받아 형성된 거대한 사구였으나 이후 안정되어 오늘날에는 대부분 초원을 이루고 있다.^[90]^[91]

4. 4. 해류

빙하가 크게 발달하여 두꺼워지면 일부 바다의 해저까지도 빙하가 닿았다. 이렇게 바다가 얼음으로 막히면 직접적으로 해류의 흐름이 변화했고, 간접적으로 해양의 열염분 순환에 변화를 주었다.^[20]

두꺼운 빙하는 여러 주요 지역에서 해저에 닿을 정도로 무거웠으며, 이는 해수의 흐름을 막아 해류에 영향을 미쳤다. 해류는 지구 열 이동에 기여하기 때문에 이러한 현상은 피드백 효과를 발생시켰다.^[20]

4. 5. 금 퇴적

빙하가 주변 지형을 침식하면서 여러 물질을 운반하다가 얼음이 녹는 곳에 빙퇴석 등의 퇴적물을 쌓는다. 이 과정에서 금광석이 함께 침식되면 사광 형태로 운반되어 빙하 하구에 쌓이게 된다. 칠레 최남단 마가야네스이데라안타르티카칠레나주에는 제4기 빙하에 의해 퇴적된 금이 해안에 집중된 곳들이 있다.^[92] 빙하기에 빙하가 퇴적시킨 빙퇴석과 퇴적물은 금의 가치 있는 사금 퇴적물 형성에 기여했는데, 칠레 최남단의 경우 제4기 빙퇴석이 다시 쌓이면서 해상에 금이 집중되었다.^[43]

5. 과거 빙하기의 기록

지구 역사에서 빙하기는 육지에 일년 내내 녹지 않는 얼음이 대량으로 존재하는 시기를 의미한다. 지질 시대를 살펴보면, 고원생대 시데로스기 (24억-21억년 전), 크리오스진기 (7억 2천만~6억 3천 5백만 년 전), 고생대 전기 오르도비스기 (4억 5천만~4억 2천만 년 전), 고생대 후기 빙하기 (3억 6천만~2억 6천만 년 전) 등에 빙하기가 있었다는 증거가 남아있다.^[62]^[63]

빙하기는 지구 전체 역사에서는 드문 사건이지만,^[93] 3억 년 전 ~ 2억 년 전 사이의 고생대 후기와 8억 년 전 - 6억 년 전의 선캄브리아 시대 후기인 신원생대에도 빙하가 있었다는 흔적이 남아있다.^[94] 그 후 지구는 오랫동안 온화하고 균일한 기후를 유지하다가 200만 년 전 ~ 300만 년 전 무렵 현재의 제4기 빙하기가 시작되었다. 빙하기의 존재는 빙하가 만들어내는 지형 변화, 퇴적물뿐만 아니라 화석에서 보이는 식생과 동물의 변화에서도 확인할 수 있다.^[95]

고생대 후기에는 아프리카 남부, 인도, 남아메리카, 남극 대륙 및 오스트레일리아가 하나의 대륙으로 연결되어 남극점 부근에 위치했고, 지구 기온이 내려가자 이들 대륙에 걸쳐 넓은 빙상이 발달하였다. 약 3억 년 전 ~ 2억 년 전 사이의 이 시기를 카루 빙하기 또는 고생대 후기 빙하기라 부른다. 이보다 앞선 8억 년 전 ~ 6억 년 전의 선캄브리아 빙하기는 더욱 광범위한 기온 강하가 있었고, 극저온으로 인해 지구 대부분이 눈에 덮이는 눈덩이 지구 상태였을 것으로 추정된다.^[96]

6. 다음 빙하기

밀란코비치 주기에 따르면 약 6,000년 전에 시작된 기온 냉각 추세는 앞으로 2만 3천년 동안 계속될 것이다.^[98] 그러나 지구 궤도의 매개변수에 의한 이러한 추정은 약간의 예측 수치 변경으로도 예측 결과에 큰 차이를 보이기 때문에 인간의 활동에 의한 지구 온난화가 아니더라도 향후 5만 년 동안 다음 빙기가 출현하지 않을 수도 있음을 보인다.^[99] 현재 간빙기 상태인 제4기 빙하기는 앞으로 6만 년 이내에 종료되어 지구는 다시 높은 기온을 보이다가 앞으로 10만 년 정도가 지난 뒤 다음 빙기의 극대기를 맞을 가능성이 있다.^[100]

1970년대에는 과거 간빙기의 기간이 약 1만 년이었던 점에 착안하여 다음 빙기가 시작되는 지구 한랭화가 임박하였다는 우려가 있었다. 그러나 지구 공전 궤도의 이심률 변화를 반영하면 지금의 간빙기는 앞으로 약 5만 년 간 유지될 것으로 보인다.^[101] 한편 태양 에너지의 변화 주기에 기반한 다른 예측 모델은 약 1만 년 후 다음 빙기가 출현할 것으로 예측하고 있다.^[102]

인간이 환경에 미치는 영향 가운데 가장 큰 요인으로 꼽히는 대기 중 이산화탄소 농도의 증가는 이미 기존의 지질 시대에서 보이던 변화 패턴을 훨씬 뛰어넘는 단계에 접어들었기 때문에 다음 빙기의 출현은 매우 늦어지거나 아예 없을 수도 있다. 현재의 대기 중 이산화탄소 농도는 약 417 ppm^[103]으로 지금의 증가 추세를 감안하여 최대 750 ppm까지 상승한다고 가정하면 지구 궤도 변화와 태양 에너지 변화에도 불구하고 지금의 간빙기가 향후 5만 년 이상 지속될 것으로 추정된다.^[104] 지구 온난화의 장기적 영향은 오늘날 영구동토층에 포집되어 있는 메테인과 같은 온실가스를 대기와 해양으로 방출시킬 수 있고, 이 경우 5만 년 이후 시작될 다음 빙기는 없을 수도 있다.^[105]^[106] 막대한 온실 가스 농도의 증가는 예측 불가능한 기후 변화로 인류의 삶에 큰 타격을 줄 수 있다.

참조

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