빙하기는 아무 때나 오지 않습니다. 시계처럼 정확한 주기가 있고, 그 시계는 지구 바깥에 있습니다.
지구가 태양에서 받는 총 에너지는 거의 변하지 않습니다. 그런데도 빙하기가 왔다 갔다 합니다. 총량이 그대로인데 어떻게 지구가 얼었다 녹았다 할 수 있을까요?
지구의 공전과 자전은 완벽하게 일정하지 않습니다. 다른 행성들의 중력이 잡아당기면서 세 가지 방식으로 천천히 흔들립니다.
지구 궤도는 완전한 원이 아니라 타원입니다. 그런데 이 찌그러진 정도가 변합니다. 거의 원에 가까울 때도 있고, 더 길쭉해질 때도 있습니다.
궤도가 길쭉하면 태양과 가까울 때와 멀 때의 차이가 커집니다. 지금은 원에 가까운 편이라 연중 받는 햇빛의 차이가 작습니다.
지구 자전축은 약 23.4° 기울어 있고, 이것이 계절을 만듭니다. 이 각도가 22.1°에서 24.5° 사이를 오갑니다.
기울기가 크면 여름은 더 덥고 겨울은 더 춥습니다 — 계절차가 커집니다. 기울기가 작으면 계절차가 줄어듭니다.
팽이가 돌면서 축이 천천히 원을 그리듯, 지구 자전축도 느리게 회전합니다.
그 결과 북반구가 여름일 때 지구가 태양에 가까운지 먼지가 바뀝니다. 지금은 북반구 겨울에 태양과 가장 가깝습니다. 1만 년 뒤엔 반대가 됩니다.
여기가 이 이론의 결정적 통찰입니다. 세르비아의 밀루틴 밀란코비치는 빙하기를 좌우하는 것이 겨울의 추위가 아니라 북반구 고위도의 여름 햇빛이라고 봤습니다.
겨울에는 어차피 눈이 내립니다. 아무리 추워도 그건 마찬가지죠. 문제는 그 눈이 여름에 다 녹느냐입니다.
여름이 서늘해서 눈이 다 녹지 못하면 조금 남습니다. 이듬해 또 조금 남습니다. 이것이 수천 년 쌓이면 빙상이 됩니다.
왜 북반구인가? 남반구 고위도는 대부분 바다입니다. 빙상이 자랄 육지가 북반구(북아메리카·유라시아)에 몰려 있습니다.
궤도 변화가 만드는 햇빛의 차이 자체는 크지 않습니다. 되먹임이 그것을 증폭한 것입니다. 궤도는 방아쇠이고, 증폭기는 지구 자신입니다.
밀란코비치는 1914년 제1차 세계대전 발발 직후 포로로 붙잡혔습니다. 헝가리 부다페스트에서 비교적 자유로운 연금 상태로 지내며, 그는 도서관에서 계산을 이어갑니다.
컴퓨터가 없던 시절입니다. 그는 지난 60만 년 동안 여러 위도가 받은 일사량을 손으로 계산했습니다. 30년에 걸친 작업이었습니다.
그리고 그 결과는 수십 년간 무시당했습니다. 당시 지질학자들이 확인한 빙하기 기록이 그의 계산과 잘 맞지 않았기 때문입니다.
전환점은 심해 퇴적물 코어였습니다. 육상의 빙하 기록은 새 빙하가 이전 흔적을 밀어 없애 버려 불완전합니다. 반면 심해 바닥에는 퇴적물이 조용히, 끊김 없이 쌓입니다.
퇴적물 속 유공충 껍데기의 산소 동위원소비를 재면 당시 빙하의 양을 알 수 있습니다. 얼음에는 가벼운 산소가 우선 갇히므로, 빙하가 많을 때 바닷물에는 무거운 산소가 남습니다.
1976년 이 자료를 주파수 분석하자 10만 년·4.1만 년·2.3만 년의 주기가 그대로 나타났습니다. 밀란코비치가 계산으로 예측한 바로 그 값이었습니다.
이론이 증명됐다고 모든 게 끝난 건 아닙니다. 큰 수수께끼가 하나 남아 있습니다.
세 주기 중 이심률(10만 년)이 일사량에 미치는 영향이 가장 작습니다. 그런데 지난 80만 년의 빙하기 기록에서 가장 뚜렷하게 나타나는 주기가 바로 10만 년입니다.
가장 약한 신호가 가장 강한 결과를 냅니다. 이것을 10만 년 문제라고 부릅니다. 게다가 그 이전 100만 년 동안은 4.1만 년 주기가 우세했고, 어느 시점에 10만 년으로 바뀌었습니다.
왜 바뀌었는지, 왜 약한 신호가 지배하는지는 아직 확정된 답이 없습니다. 빙상 자체의 성장·붕괴 방식, 이산화탄소 되먹임, 대륙 배치 변화 등이 후보로 논의됩니다.
"정설이 있다"와 "다 안다"는 다른 말입니다.
궤도 계산에 따르면 현재 지구는 간빙기(빙기와 빙기 사이의 따뜻한 시기)에 있고, 북반구 여름 일사량은 서서히 줄어드는 중입니다.
다만 궤도 요인만 보면 다음 빙기는 수만 년 뒤로 예측되며, 지금의 궤도 조건은 이심률이 낮아 변화 폭 자체가 작습니다.
여기에 중요한 단서가 붙습니다. 인간이 배출한 이산화탄소가 이 계산에 없던 변수라는 점입니다. 궤도는 앞으로도 계속 흔들리겠지만, 지금의 온실기체 농도는 궤도가 만드는 신호보다 훨씬 강한 힘으로 작용합니다.
| 과목·영역 | 이 레슨과의 연결 | 성취기준 |
|---|---|---|
| 중학교 과학 — 태양계 | 지구의 공전·자전과 계절의 발생. 그 조건이 아주 느리게 변한다는 확장 | [9과07-03] |
| 지구과학 — 기후변화의 원인 | 기후변화의 자연적 요인과 인위적 요인 구분. 궤도 요인은 자연적 요인의 대표 사례 | [12지구01-06] |
| 통합과학2 — 지구온난화 메커니즘 | 되먹임이 작은 변화를 증폭하는 과정. 알베도·이산화탄소 되먹임이 궤도 신호를 키운다 | [10통과2-02-03] |
| 지구과학 — 심층 순환과 기후 | 해양이 기후 기록을 보존하는 방식. 심해 퇴적물이 육상 기록보다 연속적인 이유 | [12지구01-02] |
영상 준비 중입니다
기획안 — 「포로수용소에서 30년간 손으로 계산한 빙하기」
밀란코비치는 여름의 서늘함이 빙하기를 만든다고 했습니다. 직관적으로는 "겨울이 추워야 빙하기"일 것 같은데 왜 아닐까요? 눈이 쌓이는 과정과 녹는 과정을 나눠서 설명해 보세요.
궤도 변화가 만드는 일사량 차이는 크지 않습니다. 그런데도 지구는 수 km 두께의 빙상을 만들었습니다. 작은 원인이 큰 결과를 낳으려면 무엇이 필요할까요? 028의 눈덩이 지구와 같은 구조인지 비교해 보세요.
10만 년 문제는 가장 약한 신호가 가장 뚜렷한 결과를 낸다는 모순입니다. 당신이 연구자라면 이 문제를 풀기 위해 무엇을 조사하겠습니까? 어떤 자료가 새로 필요할까요?
이 글은 위 자료들을 확인해 직접 작성한 것입니다. 특정 저작물의 문장을 옮기거나 요약하지 않았습니다. 사실 관계에 오류가 있다면 알려주세요.