얼음-반사율 되먹임

얼음-반사율 되먹임 또는 얼음-알베도 되먹임(ice–albedo feedback)은 빙모, 빙하, 해빙 면적의 변화가 행성의 반사율과 표면 온도를 변화시키는 기후변화 되먹임 현상이다. 얼음은 반사율이 매우 높기 때문에 개활지나 다른 육지보다 훨씬 더 많은 태양 에너지를 우주로 다시 반사한다. 이 현상은 지구에서 발생하며, 외계 행성에서도 발생할 수 있다.

고위도 지역은 기온이 가장 낮기 때문에 다년생 눈 덮임, 광범위한 빙하 및 빙모가 존재할 가능성이 높으며, 심지어 빙상을 형성할 가능성도 있다. 그러나 온난화가 발생하면 높은 기온으로 인해 얼음으로 덮인 면적이 줄어들고, 더 많은 바다나 육지가 노출된다. 반사율이 감소함에 따라 더 많은 태양 에너지가 흡수되고, 이는 더 큰 온난화와 빙권의 반사 부분의 더 큰 손실로 이어진다. 반대로 기온이 낮아지면 얼음 덮임이 증가하여 반사율이 높아지고, 이는 더 큰 냉각 결과로 이어져 얼음 형성을 더욱 촉진한다.

따라서 얼음-반사율 되먹임은 전 지구적 기후변화에서 강력한 역할을 한다. 이는 약 7억 2,000만 년 전 눈덩이 지구 상태가 시작될 때와 약 6억 3,000만 년 전 끝날 때 모두 중요했다. 빙하 후퇴 과정에는 먼지 축적으로 인한 반사율의 점진적인 어두워짐이 포함되었을 가능성이 크다. 지질학적으로 더 최근인 과거에는 이 되먹임이 플라이스토세 시대(약 260만 년 전~1만 년 전) 동안 빙상의 전진과 후퇴에 핵심적인 요인이었다. 더 최근에는 인위적인 온실 기체 배출 증가가 전 세계적으로 많은 기후변화의 영향을 미쳤으며, 북극해 해빙 감소가 가장 눈에 띄는 현상 중 하나였다. 해빙 면적이 줄어들어 햇빛을 덜 반사하게 되면서, 북극은 지구 평균보다 최대 4배 더 빠르게 따뜻해지고 있다. 전 지구적으로 북극에서 수십 년간 지속된 얼음 손실과 최근 남극의 해빙 감소는 1992년에서 2018년 사이 같은 기간 동안 배출된 전체 온실 기체의 10%와 맞먹는 온난화 영향을 미쳤다.

얼음-반사율 되먹임은 초기 기후 모형들에서부터 존재해 왔으므로, 수십 년 동안 관찰된 이러한 영향들을 시뮬레이션해 왔다. 결과적으로 미래 온난화에 대한 예측에는 다른 기후 변화 동인과 함께 미래의 해빙 손실도 포함된다. 태양 빛이 가장 강렬하고 반사 표면의 부재가 가장 큰 영향을 미치는 북극의 여름 동안 지속적인 얼음 손실이 발생할 경우, 약 의 지구 온난화가 발생할 것으로 추정된다. 산악 빙하와 그린란드 빙상 및 남극 빙상의 소멸로 인한 온난화 영향에 대한 모형 추정치도 존재한다. 그러나 이들의 손실로 인한 온난화는 일반적으로 해빙 감소로 인한 것보다 작으며, 그 영향이 온전히 나타나기까지 매우 오랜 시간이 걸릴 것이다.

 초기 연구 

1950년대에 마나베 슈쿠로와 같은 초기 기후학자들은 이미 지구의 에너지 수지에서 얼음 덮임의 역할을 설명하려는 시도를 하고 있었다. 1969년, 소련의 미하일 이바노비치 부디코와 미국의 윌리엄 D. 셀러스는 얼음의 반사율이 지구 기후에 상당한 영향을 미치며, 눈-얼음 덮임의 변화가 양방향 모두에서 강력한 되먹임으로 작용할 수 있음을 보여주는 최초의 에너지 균형 기후 모형을 발표했다.

이 과정은 곧 1974년 리뷰 논문에서 기후 모형화의 중요한 부분으로 인정되었으며, 1975년 마나베 슈쿠로와 리처드 T. 웨더럴드가 대기 중 이산화 탄소 농도 배가 현상(기후 민감도의 핵심 측정치)의 영향을 설명하기 위해 사용한 대기 대순환 모형에도 이미 "눈 덮임 되먹임"이라는 이름으로 포함되어 있었다. 얼음-반사율 되먹임은 이후의 모형들에도 계속 포함되고 있다. 되먹임의 계산은 플라이스토세 시대(약 260만 년 전~1만 년 전)와 같은 고기후학 연구에도 적용된다.

 현재의 역할 

눈 및 얼음-반사율 되먹임은 지역 기온에 상당한 영향을 미친다. 특히 얼음 덮임과 해빙의 존재는 북극점과 남극점을 얼음이 없었을 때보다 더 차갑게 만든다. 결과적으로 최근의 북극해 해빙 감소는 1979년(북극 해빙의 지속적인 위성 관측이 시작된 해) 이후 북극이 지구 평균보다 거의 4배 빠르게 따뜻해지는 북극 증폭 현상의 주요 요인 중 하나이다.

모형 연구에 따르면 강력한 북극 증폭은 해빙 손실이 상당한 달에만 발생하며, 시뮬레이션에서 얼음 덮임을 고정하면 대부분 사라진다. 반면, 동남극 빙상의 두께 덕분에 해발 약 4km까지 솟아오른 남극 얼음 덮임의 높은 안정성은 지난 70년 동안 이 대륙이 순 온난화를 거의 겪지 않았음을 의미하며, 온난화의 대부분은 서남극에 집중되었다. 남극의 얼음 손실과 해수면 상승에 대한 기여는 대신 남극해의 온난화에 의해 압도적으로 주도되는데, 남극해는 1970년에서 2017년 사이 모든 해양이 흡수한 전체 열량의 35~43%를 흡수했다.

얼음-반사율 되먹임은 전 지구 기온에도 작지만 주목할 만한 영향을 미친다. 1979년에서 2011년 사이의 북극해 해빙 감소는 제곱미터당 0.21와트(W/m2)의 복사강제력을 유발한 것으로 추정되며, 이는 같은 기간 이산화 탄소(CO2) 증가로 인한 복사강제력의 4분의 1에 해당한다. 산업 혁명 시작 이후 온실 기체 복사강제력의 누적 증가와 비교할 때, 이는 2019년 아산화 질소의 추정 복사강제력(0.21 W/m2)과 같고, 2019년 메테인 복사강제력(0.54 W/m2)의 거의 절반, 누적 CO2 증가분(2.16 W/m2)의 10%에 해당한다. 1992년에서 2015년 사이 이 효과는 남극 주변의 해빙 면적 증가로 인해 부분적으로 상쇄되었으며, 이는 10년당 약 0.06 W/m2의 냉각 효과를 냈다. 그러나 그 이후 남극 해빙도 감소하기 시작했으며, 1992년에서 2018년 사이의 얼음 덮임 변화의 결합된 역할은 모든 인위적 온실 기체 배출의 10%와 맞먹는다.

 미래 영향 
섬네일|left|upright=1.35|2000-2006년 대비 2011년 그린란드의 반사율 변화. 사실상 빙상 전체의 반사율이 낮아졌다.
섬네일|upright=0.8|기온이 에 도달하여 산악 빙하, 그린란드 빙상 및 서남극 빙상(WAIS)이 결국 사라지고 북극해 해빙이 매년 6월마다 녹아 없어진다면, 이 반사율 손실과 그로 인한 2차 되먹임은 그림과 같은 추가 온난화를 일으킨다. 가능성은 있지만, 빙상의 소멸은 수천 년이 걸릴 것이다.
기온에 대한 얼음-반사율 되먹임의 영향은 미래에 더욱 강화될 것으로 예상된다. 모든 공통사회경제경로(SSP) 하에서 2050년 이전 최소 한 번은 북극의 여름이 끝나는 9월에 해빙 면적이 거의 완전히 소멸(100만 km2 미만)할 것으로 예상되며, 온실 기체 배출이 계속 가속화되는 시나리오에서는 2035년경에 발생할 것으로 보인다.

9월은 북극 여름의 끝을 알리기에 현재 기후에서 해빙 면적이 최저점에 달하는 시기이며, 이후 북극의 겨울에 연간 회복 과정이 시작된다. 가까운 미래에 9월에 해빙이 계속해서 없는 상태가 지속될 가능성은 매우 낮지만, 지구 온난화 수준이 높아짐에 따라 그 빈도는 증가할 것이다. 2018년의 한 논문은  온난화 시 40년에 한 번,  시 8년에 한 번,  시 1.5년에 한 번꼴로 9월의 해빙이 소멸할 것으로 추정했다. 이는 9월이나 그 이전 여름 동안의 북극 해빙 소멸이 비가역적인 것은 아니며, 지구 온난화가 역전되기 시작하는 시나리오에서는 연간 빈도도 다시 낮아지기 시작할 것임을 의미한다. 따라서 이는 기후전환점 중 하나로 간주되지 않는다.

특히 9월의 해빙 소멸은 북극곰과 같은 북극 야생 동물에게 중대한 영향을 미치는 역사적 사건이 되겠지만, 9월에 북극이 받는 총 태양 에너지량은 이미 매우 낮기 때문에 얼음-반사율 되먹임에 미치는 영향은 상대적으로 제한적이다. 반면 6월 해빙 범위의 비교적 작은 감소라도 훨씬 더 큰 영향을 미치는데, 6월은 북극 여름의 절정기이며 태양 에너지 전달이 가장 강력한 시기이기 때문이다.

CMIP5 모형들은 6월부터 9월까지 북극 해빙이 완전히 소멸할 경우 지구 기온이 (범위 0.16~0.21 °C) 상승하고, 지역 기온은  이상 상승할 것으로 추정한다. 이 추정치에는 얼음-반사율 되먹임 자체뿐만 아니라 해빙 손실이 기온 감률 되먹임에 미치는 영향, 수증기 농도의 변화 및 지역적 구름 되먹임과 같은 2차 효과도 포함된다. 이러한 계산은 이미 모든 CMIP5 및 CMIP6 모형의 일부이므로, 모든 기후 변화 경로에 따른 온난화 예측에 포함되어 있으며, 기존 예측 위에 얹어지는 "추가적인" 온난화원을 나타내지는 않는다.

 장기적 영향 

섬네일|left|upright=0.8|전체 온난화 수준이 로 일정하게 유지된다고 가정할 때, 네 가지 주요 빙하 질량과 그 반사율의 잠재적 소멸로 인해 발생하는 지구 온난화. 
지구 온난화가 매우 높은 수준에 도달하면 북극의 겨울 동안 해빙이 다시 형성되는 것을 막을 수 있다. 해빙이 없는 여름과 달리, 해빙이 없는 북극의 겨울은 되돌릴 수 없는 전환점을 나타낼 수 있다. 이는 약 에서 발생할 가능성이 가장 높지만, 빠르면 , 늦으면 에서도 발생할 수 있다. 북극 해빙이 일 년 내내 사라지더라도, 이는 북극이 햇빛을 받는 달(즉, 3월부터 9월까지) 동안에만 얼음-반사율 되먹임에 영향을 미친다. 이러한 해빙의 완전한 손실과 1979년 상태 사이의 차이는 1조 톤의 CO2 배출량과 맞먹으며, 이는 1850년에서 2019년 사이의 누적 배출량 2조 3,900억 톤의 약 40%에 해당한다. 단, 이 영향의 약 4분의 1은 이미 현재의 해빙 손실과 함께 발생했다. 현재와 비교할 때, 해빙 없는 겨울은 의 지구 온난화 영향을 미치며, 지역 온난화는 에서  사이가 될 것이다.

얼음-반사율 되먹임은 산악 빙하, 그린란드 빙상, 서남극 빙상 및 동남극 빙상과 같은 지구 표면의 다른 거대 얼음 덩어리에서도 발생한다. 그러나 이들의 대규모 용융은 수 세기 또는 수천 년이 걸릴 것으로 예상되며, 현재부터 2100년 사이의 면적 손실은 무시할 수 있는 수준이다. 따라서 기후 변화 모형들은 21세기 기후 변화 예측에 이들을 포함하지 않는다. 이들의 소멸을 가정한 실험에 따르면 그린란드 빙상의 완전한 손실은 지구 온난화에 (범위 0.04~0.06 °C)를 더하고, 서남극 빙상의 손실은 (0.04~0.06 °C), 산악 빙하의 손실은 (0.07~0.09 °C)를 더한다. 이러한 추정치는 지구 온난화가 평균 로 유지된다고 가정한 것이다. 온실 효과의 로그 성장 특성 때문에, 얼음 손실로 인한 영향은 2020년대의 약간 낮은 온난화 수준에서는 더 크겠지만, 온난화가 더 높은 수준으로 진행되면 낮아질 것이다.

동남극 빙상은 지구 온난화가 라는 매우 높은 수준에 도달하기 전까지는 완전 소멸의 위험이 없으며, 그때조차도 완전히 사라지는 데 최소 1만 년이 걸릴 것으로 예상되므로 이러한 평가에서는 거의 고려되지 않는다. 만약 발생한다면 지구 기온에 미치는 최대 영향은 약 가 될 것으로 예상된다. 그린란드 빙상의 완전한 손실은 북극의 지역 기온을 에서  사이로 상승시키며, 서남극 빙상 소멸 후 남극의 지역 기온은 , 동남극 빙상 소멸 후에는  상승할 가능성이 높다.

 눈덩이 지구 
섬네일|upright=1|먼지 플럭스에 초점을 맞추어 눈덩이 지구 기간 동안 얼음-반사율 되먹임에 영향을 미치는 요인들을 설명하는 도식
폭주하는 얼음-반사율 되먹임은 사실상 완전한 얼음 덮임을 가진 매우 추운 상태인 눈덩이 지구의 형성에도 중요했다. 고기후학적 증거에 따르면 눈덩이 지구는 약 7억 1,700만 년 전 스터트 빙하기와 함께 시작되었다. 이는 약 6억 6,000만 년 전까지 지속되었으나, 불과 수백만 년 후 또 다른 눈덩이 지구 시기인 마리노아 빙하기가 이어져 약 6억 3,400만 년 전까지 지속되었다.

지질학적 증거는 당시 적도 근처에 빙하가 있었음을 보여주며, 모형들은 얼음-반사율 되먹임이 역할을 했음을 시사했다. 얼음이 더 많이 형성됨에 따라 유입되는 태양 복사 에너지가 더 많이 우주로 반사되어 지구 기온이 떨어졌다. 지구가 완전히 꽁꽁 얼어붙은 완전한 고체 눈덩이였는지, 아니면 적도 부근에 얇은 띠 모양의 물이 남아 있는 진흙탕 지구(slush ball)였는지는 여전히 논란의 여지가 있지만, 얼음-반사율 되먹임 기제는 두 경우 모두 중요하다.

나아가 눈덩이 지구 시기의 종식에도 얼음-반사율 되먹임이 관여했을 것이다. 침식으로 발생한 먼지가 눈-얼음 표면에 층을 이루어 충분히 쌓여 반사율을 상당히 낮추었을 때 빙하 후퇴가 시작되었다는 가설이 제기되었다. 이는 열대보다 춥지만 강수량은 적은 중위도 지역에서 시작되었을 가능성이 높은데, 새로운 눈이 내려 먼지 축적물을 덮고 반사율을 복원할 기회가 적었기 때문이다. 중위도 지역에서 얼음이 충분히 사라지자 지구 전체의 온도를 높이는 데 도움이 되었을 뿐만 아니라, 지각의 평형 반등(이소스타시)으로 인해 결국 화산 작용이 강화되고 이전에는 불가능했던 CO2 축적이 이루어지게 되었다.

 눈 어두워짐 효과 
얼음-반사율 되먹임의 효과는 빛을 흡수하는 입자의 존재에 의해 강화될 수 있다. 공기 중의 입자가 눈과 얼음 표면에 침전되어 어두워짐 효과를 일으키며, 입자 농도가 높을수록 반사율이 더 크게 감소한다. 반사율이 낮아진다는 것은 더 많은 태양 복사가 흡수되어 용융이 가속화됨을 의미한다. 어두워짐을 유발할 수 있는 입자에는 블랙카본과 광물 먼지가 포함된다. 빙하의 눈 조류(snow algae)나 해빙의 얼음 조류(ice algae)와 같은 미생물의 성장 또한 눈 어두워짐 효과를 일으킬 수 있다. 조류에 의한 용융은 눈과 얼음 표면에 액체 상태 물의 존재를 증가시키며, 이는 다시 더 많은 눈 및 얼음 조류의 성장을 자극하고 반사율을 감소시켜 양의 되먹임을 형성한다.

 외계 행성의 얼음-반사율 되먹임 
지구의 기후는 태양 복사와의 상호작용 및 되먹임 과정에 의해 크게 좌우된다. 다른 항성 주변의 외계 행성 또한 그 세계의 기후에 영향을 미치는 항성 복사에 의한 되먹임 과정을 겪을 것으로 예상할 수 있다. 다른 행성의 기후를 모형화하는 연구에 따르면, 근자외선 복사가 높은 항성 주변을 공전하는 지구형 행성에서 얼음-반사율 되먹임이 훨씬 더 강력하게 나타난다.

 같이 보기 
 기후 변화의 원인
 기후 민감도
 다크 스노우 프로젝트
 남북극 진동

 각주 

분류:기후 변화의 영향
분류:기후 변화 되먹임