지구에 대한 고정관념을 버려라
46억년 지구 진화의 놀라운 사실들
‘대기’와 ‘해양’의 변화에 대한 깊은 통찰

▲ 책 소개

이 책은 일본의 지구시스템이론 전문가가 일반 대중들의 눈높이에 맞춰 서술한 46억년 지구환경 역사에 관한 책(원제: 地球環境 46億年の大變動史, 2009)이다. 지구가 탄생한 이래 대기와 해양이 어떻게 변화해왔는지를 중심으로 지구가 지금까지 경험해온 다양한 기후변동에 관한 최신 연구 성과와 정보를 소개한다. 이를 통해 지구환경의 본질이 ‘변동’이라는 점 그리고 다른 한편으로 생명을 키울 수 있는 온난 습윤한 환경이 장기간에 걸쳐 ‘안정’한 상태를 유지해왔다는 점과 그 이유를 알아본다.

이 책은 총 8개 장으로 구성되어 있다. 지구가 왜 다른 태양계 행성들과는 달리 생명체가 살 수 있는 조건을 갖추었는지를 다룬 ‘생명이 살아 숨 쉬는 행성’에서부터 ‘대기와 해양의 기원’ ‘지구환경의 안정화 요인은 무엇인가?’ ‘생명의 탄생과 산소의 증가’ 등에서 초년기 지구가 어떻게 형성되었는지를 밝히고 있다.

이어서 ‘극적으로 변화한 기후의 역사’ ‘눈덩이 지구’ 등을 통해서는 기후 변동의 열쇠를 쥐고 있는 이산화탄소, 반복되는 빙하시대, 거대한 생물들이 등장한 대빙하시대, 히말라야 융기가 야기한 한랭화 등의 문제를 짚고 이후 지구 전체가 눈덩이로 바뀐 파국적인 환경의 변화가 얼음 밑에서도 생물이 활동할 수 있는 조건을 만드는 등 생물 대진화의 원인이 되었다고 밝히는 등 지구가 역동적으로 현재의 모습을 갖춰나가는 모습을 조망한다.

마지막 7장과 8장에서는 공룡의 멸종을 초래한 소행성의 충돌이 구체적으로 어떻게 진행되었고, 해양 충돌 시 바다 생물의 대량 멸종과 반복된 해일 현상 등이 벌어졌음을 밝혔고, 현재의 지구환경은 어떻게 유지되고 있으며 앞으로 안정된 기후와 인류 문명의 번영 조건이 무엇인지 등을 살펴보았다.

저자는 46억 년에 이르는 지구 역사에서 단순히 온난화와 한랭화가 반복되기만 한 것이 아니라 해수가 모두 증발해버리거나 지구 전체가 얼음에 뒤덮이거나 대규모의 화산이 폭발하는 등 여러 가지 일이 일어났다고 강조한다. 심지어 생명에 필수적인 산소 농도가 크게 변하거나 소행성과 충돌하는 일도 있었다. 저자에 따르면 지구는 지금도 ‘빙하시대’이다. 현생대에 들어와서 약 3억 년 전 고생대 석탄기 후기에 대빙하시대가 있었다. 당시 이산화탄소의 농도는 현재와 비슷하게 낮았던 것으로 추정된다. 바꿔 말하면 현재의 이산화탄소 농도가 약 3억 년 전에 필적하는 현생대 최저 수준이라는 것이다. 아마도 지구 역사 전체에서도 최저 수준이 아닐까? 실제로 남극이나 그린란드에 빙하가 존재하므로 오늘날도 빙하시대로 분류된다. 현재 지구온난화 때문에 따뜻한 시대로 생각할 수도 있지만 사실 지구 역사 전체에서 보면 매우 한랭한 시대에 살고 있는 것이다. 우리가 알고 있는 현재와 같은 지구환경이 계속 유지되지는 않았다는 것이다.

다른 한편 저자는 지구가 변화 속에서도 비교적 안정된 환경상태를 유지해왔다는 점을 힘주어 말한다. 이 점 또한 지구환경을 이해하기 위한 중요한 키워드라고 말이다. 그러나 최근 1만 년간 지구환경이 안정적으로 유지될 수 있었던 이유는 무엇일까? 그리고 이것이야말로 인류가 문명을 일으킬 수 있었던 중요한 요인이었을 것이다. 그러나 최종 빙기에서 볼 수 있는 갑작스럽고 급격한 기후변동이 반복된다면 하나의 문명이 장기적으로 유지되기 어려울지도 모른다.

▲ 각 장별 핵심 내용

제1장 생명이 살아 숨 쉬는 행성
지구형 행성의 대기는 적어도 초기에는 모두 이산화탄소가 주성분이었을 것이다. 46억 년에 걸친 지구 진화 과정에서 대기의 구성 성분과 그 양이 크게 변한 것으로 보인다. 또한 지표면의 평균온도가 15도이고 액체 상태의 물이 존재할 수 있다는 점이다. 생명체가 존재하려면 액체 상태의 물이 반드시 필요하기 때문이다. 같은 지구형 행성이라도 금성과 지구, 화성의 표층 환경은 크게 다르다. 행성의 환경은 태양복사의 양, 행성의 알베도, 대기의 온실효과 등 세 가지 요인이 중요한 역할을 담당한다. 지구환경도 이 세 요인이 상호작용한다. 즉, 이들 요소가 시간의 흐름의 따라 변화하면 지구나 다른 행성의 환경도 시간의 흐름에 따라 크게 변동하는 것이다.

제2장 대기와 해양의 기원
생명체가 살 만한 조건을 충족시키려면 바다가 존재할 수 있는 환경이 수십억 년 유지되어야 한다. 지구를 생명의 행성이라고 부를 수 있는 것은 장기간 바다가 존재했기 때문이다. 물론 해양이 존재했다는 사실을 뒷받침하는 증거가 있기는 하지만 모두 간접적인 것에 불과하다. 그러나 아르곤 동위원소의 비가 의미하듯이 탈가스 현상은 지구 형성기에 발생한 것이 틀림없다. 그렇다면 물이나 이산화탄소를 포함한 다른 휘발성 성분도 동시에 탈가스화했을 것이다. 지구가 탄생했을 때 대량의 물이 지표면에 존재했다면 그것을 수증기 상태로 유지하기는 물리적으로 어려우므로 반드시 응결되어 바다가 형성되었을 것이다. 즉, 지구 탄생 당시에 이미 대기와 해양 모두 형성되어 있었을 것으로 보인다.

제3장 지구환경의 안정화 요인은 무엇인가?
대기의 이산화탄소 농도는 이산화탄소의 공급과 소비의 균형에 의해 결정된다. 당연히 지구환경의 장기적인 안정성도 이 과정과 밀접한 관련이 있다. 이산화탄소는 기후에 따라 소비량이 다른데, 열대처럼 따뜻한 기후에서는 이산화탄소의 소비가 크고 극지방처럼 한랭한 기후에서는 이산화탄소가 거의 소비되지 않는다. 따라서 서로 다른 기후가 이산화탄소의 농도를 조절하고 있는 것이다.

제4장 생명의 탄생과 산소의 증가
우주에서 지구를 관측했을 때 대기의 주성분이 산소라는 사실은 지구에 생명이 존재한다는 증거이다. 그러나 대기 중의 산소 농도가 어떻게 결정되었는지 그 메커니즘은 아직도 확실하지 않다. 산소 발생형 광합성 생물이 언제 출현했는가 하는 문제는 지구 표층에 언제부터 산소가 발출되기 시작했는가 하는 문제와 밀접한 관련이 있다. 산소 문제에 대해서는 아직 밝혀지지 않는 것들이 많다. 우리에게 남겨진 커다란 과제가 아닐 수 없다.

제5장 극적으로 변화한 기후의 역사
탄소순환에 의한 워커 피드백이 기능해도 화산 활동 등의 경계 조건이 바뀌면 평형상태 자체가 바뀌어버린다. 그 결과 기후변동이 발생한다. 이것이 장기적인 기후변동의 원리로 보인다. 워커 피드백은 기후를 일정하게 유지하는 역할을 하는 것이 아니라 기후의 평형상태를 실현하는 구조이다. 다만 탄소순환을 둘러싼 조건이 그다지 크게 변화하지 않는다면 장기적으로 안정된 지구환경을 실현하는 역할을 한다. 만약 이러한 장치가 없다면 기후의 평형상태가 존재하지 않아 지구환경은 지극히 불안정하게 되어버린다. 이처럼 탄소순환과 워커 피드백 작용으로 지구환경은 장기적으로 안정된 상태를 유지하는 동시에 한편으로 기후변동이 발생한다. 안정된 상태와 기후변동이 언뜻 모순되는 것 같지만, 사실은 하나의 시스템에서 생겨나는 결과이다.

제6장 눈덩이 지구
눈덩이 지구 이론에 따라 원생대의 빙하 퇴적물에 나타나는 이상한 특징을 모두 설명할 수 있다. 이는 눈덩이 지구 이론의 매우 뛰어난 점으로 이 이론이 많은 이들의 지지를 받은 이유이기도 하다. 그러나 눈덩이 지구 이론에 대한 반론도 만만치 않다. 게다가 본래 전 지구 동결이라는 극단적인 개념은 생물의 진화라는 입장에서는 받아들이기 어려운 것이기도 하다. 실제 지구는 훨씬 복잡하므로 이처럼 단순한 시나리오로는 설명할 수 없는 것도 당연하다. 눈덩이 지구 이론을 둘러싼 논쟁은 지금도 계속되고 있다.

제7장 공룡의 멸종을 초래한 소행성의 충돌
공룡이 번성했던 백악기 중반에는 한랭한 고위도 지역도 매우 온난했다는 다양한 증거가 나타났다. 당시 북극권(현재의 알래스카)이나 남극권(현재의 오스트레일리아)에도 공룡이 서식했음을 보여주는 화석이 발견된다. 공룡은 여름에만 극지방으로 이동해 겨울이 되면 원래 장소로 되돌아가겠지만, 극지방에 정착한 종도 있었다고 한다. 북극권이나 남극권은 여름에는 백야로 하루 종일 해가 지지 않는다. 그러나 해가 전혀 뜨지 않는 겨울에는 매우 추워진다. 이런 환경에서 어떻게 공룡이 활동할 수 있었는지 커다란 수수께끼가 아닐 수 없다. 그러나 고위도 지방이 비정상적으로 따뜻해지는 현상은 다른 온난기에서도 나타나는 특징이다. 예를 들어 지금으로부터 약 5000만 년 전에도 백악기 중반과 같은 온난기였다고 하는데, 당시 극지방의 지층에서 온난한 기후에 사는 식물 화석이 발견되고 있고 위도 50도(현재 프랑스 파리나 캐나다 밴쿠버 부근)까지 열대우림이 분포했다고 한다. 이러한 현상은 지금의 기상학이나 기후학으로는 설명하기 어렵다. 온난화가 극도로 진행되면 우리가 아직 알지 못하는 어떤 과정이 작용할 가능성이 있는 것이다.
그렇다면 지름 10킬로미터 정도의 소행성이 지구에 충돌하면 어떻게 될까? 핵겨울을 생각하면 쉽게 이해가 될 것이다. 충돌 때문에 생긴 분진이 대기 상공으로 올라가 지구 전체를 뒤덮으면서 햇빛이 차단된다. 그렇게 되면 식물의 광합성 활동이 정지되어 식물을 먹는 작은 동물이 죽고 이어서 작은 동물을 먹는 대형 동물, 먹이사슬의 정점에 있는 대형 육식 공룡도 멸종을 피할 수 없게 된다. 그러나 여러 증거에도 불구하고 소행성 충돌과 생물의 대량 멸종의 직접적인 인과관계를 확실하지 않다는 사실은 놀라울 뿐 아니라 유감스러운 일이기도 하다. 그 과제는 아직도 남아 있는 셈이다.

제8장 그리고 현재의 지구환경
현재 우리가 살고 있는 시기는 빙기가 끝나고 조금 따뜻해진 ‘간빙기’이다. 간빙기란 빙기와 빙기 사이에 있는 시대라는 의미인데, 이는 앞으로 다시 빙기가 찾아올 것을 암시한다. 현재의 지구에도 남극 대륙이나 그린란드에 거대한 빙하가 존재한다는 점에서 빙하시대로 분류된다. 즉 빙하시대에 빙기와 간빙기라는 두 가지의 기후 상태가 존재하고 이것들이 교대로 반복되는 것이다. 전체 지구 역사에서 보면 현재(간빙기)를 결코 온난한 시대라고 할 수 없다. 어디까지나 빙하시대의 한 시기일 뿐이다.
지금으로부터 약 2만 년 전 최종 빙기가 한창일 때는 한랭한 기후 때문에 육상 식물도 현재와는 달랐고 토양에 축적된 탄소의 양은 현재보다 650기가톤이나 적었던 것으로 추정된다. 이는 그만큼의 이산화탄소가 해양에 녹아들었을 것이라는 뜻이다. 다시 말해 그 정도 양의 이산화탄소가 소비되지 않으면 대기 중에 존재하는 이산화탄소의 양은 줄지 않는 것이다. 대기에 존재하는 이산화탄소의 농도 변화는 지금 문제가 되고 있는 지구온난화와도 깊은 관련이 있어 탄소순환 시스템의 움직임을 해명하는 급선무이다. 대기 중에 존재하는 이산화탄소의 증가와 감소에 어떤 프로세스가 관여하는지 이해하기 위해 이런 과거의 실례를 상세히 연구할 필요가 있는 것이다.