스크랩 인류를 위협하는 대재앙 메탄가스 대폭발

[구용모(물오리)]

인류를 위협하는 대재앙 메탄가스 대폭발

우주에서 지구를 바라보면 매우 아름다운 푸른빛이다. 생명의 근원인 바다가 지구를 감싸고 있기 때문이다. 하지만 이처럼 아름다운 바다 깊은 곳에 인류를 멸망시킬 수도 있는 대재앙의 시한폭탄이 장전되어 있다고 주장하는 학자가 있어 과학자들 사이에 논란이 되고 있다. 바로 노스웨스턴대학교 화학공학과 교수인 그레고리 라이스킨이 그 주인공이다. 라이스킨은 과거에도 메탄가스 대폭발이 일어났으며 앞으로도 일어날 것이라고 확신한다. 그의 이론대로 바다에서 ‘메탄가스 대폭발’이 발생한다면 인류 역사상 초유의 대재앙이 될 것이다.

ⓒ연합뉴스

페름기 대멸종은 ‘메탄가스 대폭발’이 원인
라이스킨 박사는 지금으로부터 2억 5천만 년 전 지구 역사상 최대 규모인 페름기 대멸종이 일어난 것은 ‘메탄가스 대폭발’ 때문이라고 생각한다. 고생대 마지막 시대인 페름기 대멸종이 일어나기 전 지구는 지금처럼 여러 개로 나눠진 대륙들과 달리 판게아(PANGEA)라는 하나의 거대한 대륙으로 존재했다. 이 시기는 아직 공룡이 출현하기 전이다. 원시의 나무에 지느러미를 가진 호랑이 크기의 파충류가 살았고 습지엔 악어와 비슷한 양서류가 살았으며 지구의 대부분을 차지하는 바다에는 고대 물고기와 바다 생물들이 살고 있었다. 바로 이 시기에 엄청난 규모의 ‘대멸종’이 일어난 것이다.

페름기 말과 중생대 첫 시대인 트라이아스기 초반에 지구상에 존재했던 생물의 95%가 사라져버리는 ‘대멸종’이 있었다는 것에 대해 학자들은 일치된 견해를 보인다. 반면 대멸종의 원인에 대해서는 의견이 분분하다. 어떤 학자는 빙하기가 원인이라고 주장하고 있으며 대륙이동이나 기후변화가 원인이라고 주장하는 학자도 있다. 소행성 충돌설을 주장하는 학자가 있는가 하면 지구와 가까운 거대 초신성의 급격한 폭발이 영향을 주었을 것이라는 의견 혹은 시베리아의 용암 분출이 원인이라고 분석하는 학자도 있다.

하지만 라이스킨 교수는 바다 속 다량의 메탄가스 분출과 그로 인한 가공할 위력의 가스 폭발이 대멸종의 원인이라고 주장한다. “메탄가스가 폭발하면서 내뿜는 에너지는 동일 규모의 핵폭탄을 터뜨렸을 때보다 무려 만 배나 더 큰 위력을 갖는다.” 이런 주장이 성립하기 위해서는 페름기와 트라이아스기 사이에 바닷물이 정체된 지리학적 변화가 있었다는 전제가 필요하다.

바닷물 속의 미생물은 유기물을 섭취할 때 물속에 녹아 있는 메탄가스도 함께 섭취해 몸에 축적시킨다. 그런데 아주 느린 속도로 해류순환이 이루어지거나 정체된 심해는 산소가 희박해 메탄을 먹는 미생물도 살 수 없어 메탄가스의 농도는 더욱 짙어진다. 라이스킨 교수는 심해에 녹아 있는 메탄가스 농도는 해수면 근처의 물에 녹아 있는 메탄분자 양보다 2백 배 더 진하다고 설명한다.

이처럼 해저 가장 깊은 곳의 퇴적 분지에 메탄가스 대폭발을 유발할 수 있는 메탄가스가 수십만 년 혹은 수백만 년간 축적돼 왔다는 것이다. 그의 시니리오에 따르면 페름기 시대에 메탄이 녹아있던 해저 퇴적분지는 지진이나 해저 산 사태 등의 어떤 충격에도 폭발을 일으킬 수 있는 환경이 조성된다. 곧이어 마치 거대한 탄산수 병을 흔든 것처럼 해저폭발이 일어나게 되어 치명적인 메탄가스 폭풍이 발생해 바다 생명체에 위협이 가해지게 된다.

거품이 된 메탄가스가 산소결핍 상태의 바닷물을 위로 밀어 올리기 시작하면 수많은 해양 동식물이 질식해 죽게 된다. 또한 거품상태의 메탄가스는 엄청난 양의 물과 섞여 분수처럼 하늘로 뿜어져 나온다. 이런 상태가 며칠 혹은 몇 주간이나 계속되면서 해저가스의 폭발 충격으로 판게아 대륙 해안에는 쓰나미가 몰려왔을 것이다. 수많은 동물들이 바닷물에 의해 사라졌으며 불모지가 된 지구가 생명체를 회복하는 데는 아마 500만 년은 걸렸을 것이다.

그레고리 라이스킨 노스웨스턴대학교 화학공학과 교수 ⓒ중앙방송(대표 김문연) 케이블·위성TV 역사전문 히스토리채널

창7장11절 ‘큰 깊음의 샘들이 다 터지고…’
라이스킨 교수는 자신의 이론과 일치하는 창세기 구절을 발견한 기억을 떠올렸다. “어느 날 집에 가서 창세기 7장 11절을 보는데 이런 문구가 있었다. ‘큰 깊음의 샘들이 다 터지고…’ 그걸 보고 얼마나 놀랐는지 모른다. 그것은 메탄가스 폭발을 의미하는 내용이었던 것이다.”

물론 라이스킨 박사가 주장하는 메탄가스 폭발이론에 동조하는 과학자는 거의 없다. 하지만 소규모라도 이런 현상이 발생할 가능성이 있는 것은 사실이다. 1994년 뉴저지 주의 숲에 묻혀있던 91cm 천연가스 송유관에 문제가 생기면서 엄청난 폭발사건이 일어났다. 2시간 반 동안 섭씨 815℃의 거대한 불기둥이 183m 높이까지 솟아올랐는데 이 불기둥은 가스를 차단한 뒤에야 잦아들었다. 만일 송유관에서 새어나온 가스의 30억 배에 달하는 바다 속 메탄가스가 대기 중에 누출돼 대폭발을 일으킨다면 그야말로 인류의 멸종은 불을 보듯 뻔하다.

다량의 메탄가스가 매장된 흑해는 최근 연구 대상이 되고 있다. 흑해는 해수 흐름이 정체된 구역으로 메탄이 쌓일 수 있는 최적의 장소로 지목되고 있기 때문이다. 라이스킨은 이 해역에 최소한 메탄가스가 몇 십만 년은 축적됐을 것이라고 주장했다. 그러나 흑해의 메탄가스 농도는 폭발위험 수위에서는 한참 모자란 수준이다. 그럼에도 불구하고 라이스킨 교수는 분명히 상당한 규모의 폭발이 그곳에서 일어날 것이라고 주장하고 있는데 그 규모는 캘리포니아 주 크기 정도가 될 것으로 전망한다. 하지만 그가 염려하는 대재앙은 흑해보다 수심이 두 배 깊은 심해에서 일어날 것으로 예상하고 있다. 만일 수압이 높고 메탄 축적량이 많은 심해에서 폭발이 일어난다면 전 세계적인 대재앙이 찾아올 수밖에 없는 것이다.

태평양 대폭발 시나리오
2004년에 발생한 인도네시아 쓰나미가 불러온 대참사는 너무나 유명하다. 그러나 메탄가스 수중 폭발이 불러올 쓰나미에 비하면 조족지혈이다. 라이스킨은 쓰나미가 한 번으로 끝나지 않고 몇 날 혹은 몇 주에 걸쳐 계속될 수 있다고 경고한다. 미시간 주 수력학연구소는 메탄분수로 인해서 생긴 쓰나미 여파에 관한 소규모 가상실험을 했다. 실험 결과 한두 개 큰 파도를 만들어 내는 지진과는 달리 메탄 분수로 인한 쓰나미는 약해진 해안선을 향해 가스분출이 끝날 때까지 계속해서 파도를 보내는 것을 볼 수 있었다.

라이스킨의 이론을 토대로 태평양에서 메탄가스가 폭발한다고 가정해 보면 미국 서부해안 전체가 위험에 처하게 된다. 메탄이 녹아 있는 물이 지진에 의해 흔들리기 때문에 폭발은 해저 가장 깊은 곳에서부터 시작될 것이다. 곧 메탄가스가 거품을 내고 올라오면 연쇄반응이 일어난다. 캘리포니아 주 면적에서 메탄과 물이 섞인 분수가 솟구쳐 오르면 분수에 의해 생성된 메탄가스와 물의 혼합물은 쓰나미가 되어 아주 빠른 속도로 수면을 따라 펴져 나가는데 이 속도는 미 서부 해안을 덮치고 몇 시간 안에 하와이까지 도달할 수 있을 정도로 엄청나게 빠른 속도다.

태평양에서 발생한 메탄가스 분출 가상시나리오에 의하면 메탄가스 분출로 발생한 쓰나미는 맨 먼저 샌디에이고를 덮쳐 저지대 개발지역들이 엄청난 규모의 수해를 입게 된다. 큰 폭발은 무려 100미터 높이의 쓰나미를 만들어 낼 수 있으며 그 정도 높이의 쓰나미가 샌디에이고를 덮친다면 25개 초고층 빌딩의 꼭대기를 제외하고는 모든 것이 물에 잠기게 된다. 순식간에 전 세계가 피해 영향권에 들어오고 메탄가스 거품으로 전 세계 해수면이 35~40m 정도 높아지면서 재앙의 수위는 더 높아진다.

라이스킨은 메탄가스 거품이 완전히 없어지려면 몇 개월은 걸릴 것이라고 말한다. 그동안 해수면은 평소보다 39m가 높아지고 바닷물이 내륙으로 밀려오면서 인구가 밀집된 도시들이 물에 잠기며 전 세계 해안선의 모습도 달라질 것이다. 허리케인 카트리나의 피해 규모에 비추어 볼 때 메탄가스 쓰나미가 온다면 수백만 명의 이재민이 집을 잃고 방황하게 될 것이다.

또한 “전 세계 인구의 약 25%가량이 해발 100미터도 안 되는 해안 지역에 살고 있다. 적어도 25%의 인구는 가스 분출로 인한 쓰나미와 홍수의 영향을 받을 것이다”고 예상한다. 그러나 홍수와 쓰나미는 시작에 불과하다. 쓰나미가 해안 도시를 덮치고 휘발성 가스 구름에 불이 붙기 시작하는 날 대재앙은 하이라이트를 이루게 된다. 작은 불꽃만 발화해도 쓰나미를 겪은 해안도시로 메탄가스 불바람이 불어닥치게 된다. 기류 흐름에 따라 휘발성 가스 구름은 삽시간에 전 세계로 퍼지게 된다는 것이 라이스킨의 설명이다. 메탄가스 분출 자체는 해저 한 지역에 국한될 수 있지만 그 영향은 전 세계에 미치기 때문에 수십억 명의 사상자를 낼 수 있다.

ⓒ중앙방송(대표 김문연) 케이블·위성TV 역사전문 히스토리채널

학계의 이단아 라이스킨
바다에 매장된 매탄가스가 대재앙을 몰고 올 수 있다는 라이스킨의 학설은 대다수 학자들로부터 인정받지 못하고 있다. 화학공학자인 라이스킨이 지질학자나 고생물학자의 영역을 연구한다는 사실도 다른 학자들의 반발을 사고 있다. 그는 “최근 과학은 그 범위가 너무나 넓어져 한 분야에 대해서도 사실상 다 알기가 힘들다. 따라서 나 같은 이방인의 주장에 더욱 배타적일 수밖에 없을 것이다. 게다가 급진적인 성향이 강하니 충분히 그럴 수 있는 일”이라며 학계에서 자신의 의견이 통용되지 못하는 상황을 받아들이고 있다. 하지만 “샴페인처럼 탄산가스가 녹아 있는 병들은 마개의 압력 때문에 그 실체가 보이지 않지만 뚜껑을 열어 압력을 없애 주면 엄청난 팽창력 때문에 가스가 분출된다. 이처럼 심해에 축적되어 있는 메탄가스도 압력이 사라지면 대폭발로 이어질 가능성이 있다”는 견해에 대해서는 여전히 확고하다.

탄화수소의 최소 단위체인 메탄은 천연가스의 주요 성분으로 지구에서 최대매장지는 바다다. 심해에는 다량의 메탄가스가 해수에 녹아 얼음 침전물의 형태로 토사에 얼어붙어 있다. 해저에서 거품이 되어 올라오는 메탄은 물에 녹아버리는 성질 때문에 시간이 지나면 대부분 사라진다. 하지만 라이스킨은 바다에 축적되는 메탄가스의 양이 심해로 분출되는 양보다 훨씬 많다고 주장한다. 그의 주장을 반박하는 학자들은 메탄을 그렇게 오래 쌓아놓을 만큼 거대한 해저 퇴적분지가 실제로 있는지 의심하고 있다.

또 다른 학자는 바다가 매탄가스 대폭발의 위험에 다다를 정도로 많은 양의 메탄가스를 축적할 수 없다고 설명한다. 해양학자 제럴드 디킨스는 “메탄가스는 대부분 흩어지는 성질이 있어서 심해에 쌓이기 전에 새어나오기 때문에 라이스킨의 주장처럼 그렇게 많이 쌓일 수가 없다”는 것이다. 또한 대량의 메탄가스가 축적될 만한 부피의 넓은 바다에 해류순환이 정체된 곳이 있을 것이라고 생각하지 않는다는 것이다. 그러나 라이스킨은 정체된 구간이 있을 거라는 데에 의심의 여지가 없다고 생각한다.

“전 세계적으로 해저는 연구자체가 힘들어 다른 연구에 비해 기금 후원도 충분하지 않아 아직 제대로 연구가 이루어지지 않고 있다. 그래서 심해에 대해 별로 알려진 바가 없을 뿐이지 조건을 갖춘 해저 퇴적분지는 꼭 존재한다.”

학자들이 라이스킨 박사의 이론을 반대하는 이유는 또 있다. 지표보다 낮은 곳에 있던 가스 덩어리가 엄청난 불바람을 일으킬 수 있다는 주장에 대한 반박이 그것이다. 왜냐하면 메탄가스는 공기보다 가볍기 때문이다. 미시간대학교 수력학연구소의 조지 클링 교수가 메탄가스의 기본원리를 메탄거품을 이용한 비누방울로 설명했다. 메탄가스가 만들어낸 비누방울에 불을 붙이자 불길에 휩싸인다.

그러나 이는 순수 메탄거품일 때에만 가능한 일이다. 해저에서 메탄가스는 미세한 물방울들과 섞이게 된다. 학자들은 이것을 2단계 혼합이라고 부르는데 물방울과 섞인 메탄가스는 순수 메탄과는 다르게 반응한다는 것이다. 조지 클링 박사는 “불순물이 섞이지 않는 순수 메탄가스만 분출이 된다면 곧바로 올라오게 된다. 그러나 물방울과 섞이면 뜨거운 공기풍선처럼 떠다닐 수가 없다. 대기 중에서 발화할 확률도 당연히 낮아지게 된다”며 메탄가스의 대폭발 가능성을 일축했다.

캘리포니아대학교 산타바바라 캠퍼스의 해양과학연구소에서 메탄가스 분출지역을 연구하고 있는 아이라 라이퍼 박사는 해저에서 분출된 매탄가스 중 얼마만큼의 양이 해수에 용해되고 얼마만큼이 거품이 되어 수면과 공기 중으로 누출되는지를 조사하기 위해 메탄이 분출되는 바다에 배를 띄어 놓고 주변의 메탄가스 농도를 세심하게 관찰했다.

라이퍼 박사는 “메탄은 부력 때문에 빨리 떠오르며 하늘 위로 올라가면서 투명한 연기를 내뿜기도 한다. 수심이 얕고 흐름이 활발한 곳에선 메탄이 물속에 갇혀 있지 않고 거품이 되어 나오게 된다. 하지만 최저 폭발 농도가 되려면 메탄농도가 최소 4만ppm은 돼야 하는데 현재 배출농도가 아무리 짙은 지역에서도 대부분 담배정도는 피워도 될 정도로 미미한 수준”이라며 라이스킨 교수의 이론에 회의적인 태도를 보였다.

1986년 니오스호에서 사상 초유의 사건이 일어났다.
니오스 호수 아래 압축되어 있던 160만 톤의 이산화탄소가 호수의 물을 밀어 올리면서 거대한 분수처럼 100m 높이까지 하늘로 솟구쳐 올랐다. 곧이어 공기보다 두 배나 무거운 100%에 가까운 농도의 이산화탄소가 방수로를 넘어 2km 떨어진 계곡까지 흘러들면서 1,700명의 주민과 가축들이 질식사하는 대형참사가 발생했다.
<출처:중앙방송(대표 김문연) 케이블·위성TV 역사전문 히스토리채널이 방영한 라이스킨 박사의 ‘메탄가스 대폭발’ 이론> ⓒ중앙방송(대표 김문연) 케이블·위성TV 역사전문 히스토리채널

니오스 호수의 교훈
페름기 대멸종의 원인이 메탄가스 대폭발이라는 라이스킨의 이론은 학계에서 인정받지 못하고 있다. 그의 이론에 대한 회의적인 이유는 메탄가스 폭발을 목격한 사람이 없다는 데서 비롯된다. 화산폭발이나 지진, 쓰나미 등의 재해는 과거는 물론 현재도 일어나는 재앙이다. 그러나 해저 깊은 곳에 대량으로 매장된 메탄가스가 공기 중으로 방출돼 대폭발로 이어졌던 재앙을 목격했다는 사람도 역사적인 자료나 근거도 없는 상황이다. 하지만 듣지도 보지도 못한 일이라고 해서 전혀 일어나지 않는다는 보장이 없다는 교훈을 1986년 아프리카 중서부지역 카메론의 한 산정호수를 통해 얻은 적이 있다.

대부분 수중 가스폭발과 같은 일은 공상 과학영화에서나 가능한 일로 생각한다. 하지만 아프리카 카메론의 니오스 호수에서 실제 그런 일이 발생했다. 1986년 니오스 호수 바닥에 축적돼 있던 이산화탄소가 한꺼번에 분출되는 사상 초유의 사건이 발생한 것이다. 당시 호수에서 발생한 이산화탄소가 수중폭발을 일으켜 많은 사람들이 죽으리라고 상상한 사람은 아무도 없었다. 이처럼 이산화탄소가 살인호수를 만들 수 있었다면 메탄가스도 충분히 살인바다를 만들 수 있지 않을까.

니오스 호수 아래 압축되어 있던 160만 톤의 이산화탄소가 호수의 물을 밀어 올리면서 거대한 분수처럼 100m 높이까지 하늘로 솟구쳐 올랐다. 곧이어 공기보다 두 배나 무거운 100%에 가까운 농도의 이산화탄소가 방수로를 넘어 2km 떨어진 계곡까지 흘러들면서 1,700명의 주민과 가축들이 질식사하는 대형참사가 발생했다. 정상적인 대기 중 이산화탄소 농도는 보통 0.3% 정도로 아주 미미한 양이다. 인간의 경우 10~15% 농도까지만 견뎌낼 수 있으며 100%에 가까운 이산화탄소를 마시면 후두가 막히고 숨구멍이 막혀 순식간 에 질식사 하게 된다.

과학자들은 니오스 호 바닥 바로 밑의 뜨거운 마그마가 이산화탄소를 만들어냈다는 사실을 밝혀냈다. 이산화탄소가 호수 바닥 위로 올라오면서 물과 섞이게 되었는데 높은 수압에 의해 호수에 갇힌 상태로 있다가 어떤 원인으로 누르고 있던 압력이 사라져버리자 대폭발이 일어났던 것이다. 이처럼 수압이 높은 물에 축적돼 있는 가스폭발은 아주 희귀한 사건이지만 니오스 호수에서 가능했다면 다른 곳에서도 충분히 일어날 수 있다. 학자들은 모노운 호수와 키부 호수에도 가스가 축적돼 있다는 사실을 밝혀내고 가스폭발의 가능성을 예의 주시하고 있다.

인류 탄생시킨 메탄가스 대방출
5천5백만 년 전 다량의 메탄가스 방출로 발생한 ‘지구온난화’가 인류의 출현을 부르는 계기가 되었다는 학설도 있다. NASA는 지난 2001년에 온실가스인 메탄이 선사시대 기후에 어떤 영향을 미쳤는지 알아보기 위해 고대 지구 환경을 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현했다. 이들은 텍토닉 플레이트(판상을 이루어 움직이는 지각의 표층)의 이동이 해저 메탄가스의 분출을 야기했다는 결론을 얻었다. 여기에서 라이스킨의 이론과 차이점은 메탄가스가 한꺼번에 갑자기 폭발을 일으킨 것이 아니라 수천 년에 걸쳐 서서히 방출되었으며 이로 인해 메탄가스가 지구의 기온을 급속히 상승시켜 지구 환경이 완전히 바뀌게 되었다고 보는 점이다.

메탄가스 분출은 공룡이 멸종된 지 천만 년 뒤의 일이고 팔레오세가 끝나고 에오세가 시작되는 초기에 발생했다. 갑작스런 기후변화가 있었던 이 시기를 학자들은 팔레오세-에오세 최대 온도라고 하는데 일명 PETM(Paleocene-Eocene Thermal Maximum)이라고 부른다. 지구화학자인 프란체스카 스미스는 “PETM은 5천 5백만 년 전 온난화가 극에 달했던 시기다. 1만 년에 걸쳐 지구 온도가 최소 10도 이상 올라갔는데 이는 굉장히 급격한 기후 변화라고 할 수 있다”고 설명했다. 고생물 학자들은 PETM 시기의 침전물을 조사하던 중 현존하는 가벼운 탄소보다도 훨씬 더 가벼운 탄소를 발견했다. 그들은 이 가벼운 탄소의 출처가 메탄가스라고 생각한다. 급격한 기온 상승을 부른 메탄가스는 오래전에 사라졌지만 침전물 안에 가벼운 탄소형태의 흔적이 남아 당시 메탄가스가 존재했음을 말해주고 있다.

5천5백만 년 전에도 엄청난 양의 탄소가 바다와 대기 중에 포함되어 있었으며 거대한 메탄가스통이 메탄 수화물의 형태로 해저 침전물 안에 갇혀 있는 상태는 현재와 비슷했을 것이라고 학자들은 추정한다. 다만 이것이 어떤 연유로 해저에서 분출되었는지에 대해서는 현재까지 알려지지 않고 있다.

팔레오세에서 에오세로 넘어가는 시점의 세계지도는 북아메리카, 유럽, 아시아, 남아메리카, 아프리카 대륙으로 이루어져 있어 현재와 비슷해 보인다. 그러나 텍토닉 플레이트가 움직이고 있었다. 예를 들면 인도가 아시아 대륙에 붙으면서 히말라야 산맥을 형성하게 되었고 해저가 위로 점점 올라오게 되었다. NASA 과학자들은 이 과정을 통해 메탄수화물에서 메탄가스가 방출된 것이라 믿고 있다.

바로 이 시기에 영장류와 현재 포유동물들의 조상이 처음 나타나기 시작했다. 즉 지구 온난화는 새로운 생명체의 진화를 불러왔던 것이다. 인간의 조상이라 불리는 새로운 종의 출현도 그중 하나였다. 울창한 숲이 북극지방까지 이어졌고 작고 기이한 동물들이 번성했다. 그러나 팔레오세에서 에오세로 넘어가는 환경변화로 잃은 것도 많았다. PETM 당시와 같은 온난화가 오늘날 일어난다면 지구는 더 큰 재앙을 맞게 될 것이다. 그러나 그레고리 라이스킨 박사의 이론이 맞고 정말로 해저 퇴적분지에서 메탄가스가 분출돼 폭발한다면 그 여파는 온난화보다도 휠씬 더 빠르고 강력할 수도 있다.

‘불타는 얼음’ 메탄하이드레이트
액화가스(물과 용해된 메탄가스)는 라이스킨이 주장하는 것처럼 가스 분수를 만들 농도로는 현저히 부족하다. 그런데 심해 내 존재하는 메탄가스가 물에 녹아 있는 형태로만 존재하는 것은 아니다. 수면에서 500미터 깊이까지는 메탄가스가 물에 녹지만 500미터 이상 내려가면 상황은 달라진다. 메탄가스가 물에 녹는 대신 단단한 수화물로 변하게 되는 것이다. 메탄하이드레이트라고 하는 이 물질 안에는 메탄가스가 숨어 있다. 메탄가스 수화물은 물과 가스가 주성분으로 겉보기엔 일반 얼음과 비슷하지만 불을 붙이면 곧바로 타버리기 때문에 최근 불타는 얼음이란 별명을 얻었다. 메탄 수화물은 물이 얼면서 메탄분자 주위를 단단한 얼음분자들이 둘러싸면서 만들어지는데 수온이 낮고 수압이 높은 심해에서만 가능하다. 하지만 폭발이 가능하려면 샴페인의 탄산처럼 메탄이 물에 녹아야만 한다. 그런데 지금처럼 메탄이 수화물이 되어 얼음결정체 안에 갇혀있는 상태라면 가스폭발은 영영 불가능한 일이 될 것이다.

최근 이러한 메탄하이드레이트가 미래 천연가스의 보고로 인정되면서 전 세계적으로 산업계와 학계로부터 주목을 받고 있다. 지하 깊은 곳에서 뽑아 올리는 현재의 천연가스는 그 매장량이 한정돼 있다. 그러나 바다 속 침전물에는 그 양이 상당히 많은 편이며 수화물에 갇힌 메탄가스만 모아도 땅속의 가스보다 훨씬 더 많은 양을 모을 수 있다. 라이퍼는 “현재 미 대륙 지하에 매장된 메탄가스는 현 속도로 쓸 경우 70년 후면 고갈된다. 다행히 해저의 메탄수화물이 가지고 있는 메탄가스를 추출할 수만 있다면 3천 년은 쓰고도 남는 양을 확보할 수 있다. 하지만 메탄가스 추출 시 자칫 누출이 된다면 그 결과는 상상할 수 없을 정도로 치명적일 것이다”고 우려했다.

이처럼 메탄수화물의 형태로 엄청난 양의 매탄가스가 해저에 매장돼 있지만 만약 이것이 누출된다면 라이스킨의 주장처럼 지구는 순식간에 불타는 공으로 변할지도 모른다. 하지만 현재는 수화물의 형태로 갇혀 있어 바닷물 속에 용해가 불가능하다. 열역학 법칙에 따르면 수화물은 수온이 낮고 수압이 높은 심해에서 형성된다. 그러나 라이스킨은 열역학 자체에 의문을 제기한다. “열역학 자체에는 허점이 많다. 해수에 용해된 메탄이 얼마가 지나야만 수화물로 응결되는지를 말해주지 않고 있기 때문이다. 지구의 나이보다도 더 오래 걸린단 계산도 있다.”

메탄 수화물은 낮은 수온과 고압의 조건이 깨져 얼음결정분자가 파괴되면 언제든 휘발성 가스로 변한다. 따라서 지진이나 해저 산사태 등이 발생해 수화물 안에 갇혀 있던 엄청난 양의 메탄가스가 물속에 용해될 가능성을 완전히 배제할 수 없다. 중국의 지질학자 유슈에 장은 “수심 100미터 깊이에서 다량의 가스가 방출된다면 이미 상당량의 가스를 포함하고 있던 물이 니오스 호수에서처럼 유사한 폭발이 일어날 수 있다”며 라이스킨 이론의 가능성을 어느 정도 인정했다.

니오스 호 폭발이나 라이스킨의 해저폭발 이론과 같은 폭발이 일어나지 않는다 하더라도 다량의 메탄가스가 한꺼번에 대기 중으로 배출된다면 또 다른 위험을 초래하게 된다. 메탄가스는 분자구조로 볼 때 이산화탄소보다 25배나 더 강력한 온실가스의 성질이 있기 때문에 대기 중에 방출된다면 지금 학계에서 최악의 상황으로 내다보고 있는 온난화 현상보다 더 무서운 속도로 지구가 더워질 것이다.

지구 생명체의 긴 역사를 보면 각 시기마다 생명체의 대멸종과 부흥이 번갈아 가며 찾아 왔다. 라이스킨 박사는 이처럼 각 단계를 구분하는 시기마다 메탄가스 대폭발이 일어났다고 주장한다.

“각 지질단계는 다양한 규모의 멸종으로 그 경계를 구분하는데 그 경계가 되는 시기마다 큰 변화가 있었다. 그리고 가스폭발 이외의 다른 어떤 작용도 생명체 대부분을 멸종시킬 정도의 위력을 가지고 있지 못한다고 생각한다. 지난 5억 년간 대멸종은 몇 백만 년마다 있었다. 그리고 마지막 해저 폭발이 80만 년 전에 있었다면 언제 또 그런 일이 닥칠지는 알 수 없지만 이제 때가 다 된 것만은 분명하다.”

라이스킨의 가상시나리오는 상상하기 힘들 정도로 극단적이다. 그러나 지질학자인 유슈에 장은 “라이스킨 교수의 이론이 틀릴 수도 있고 또 현실적이지 않은 부분도 없지 않지만 그 가능성만큼은 인정해 줘야 한다”며 그의 의견에 귀를 기울이고 있다. 분명 메탄가스의 주기적인 대규모 분출이론은 매우 불가능해 보인다. 실제로 가능성이 희박한 것도 사실이다. 그럼에도 불구하고 극단적인 라이스킨의 이론을 무시할 수 없는 이유가 있다. 가능성이 아무리 희박하다 할지라도 일어나기만 한다면 그 결과가 치명적이어서 세계 핵전쟁에 버금가는 규모의 참사가 벌어질 것이기 때문이다. 게다가 지구는 이미 대재앙을 경험해 본 적이 있는 행성이다. 이러한 이유로 언제 다시 올지 모를 대재앙에 대비하기 위해서 전 세계 과학자들은 과거에 왜 그런 일이 일어났는지를 밝혀내려고 노력하고 있다.

탄소 저장고 영구동토가 녹고 있다

최근까지 온실가스의 주범으로 이산화탄소를 지목해 왔다. 하지만 이산화탄소보다 25배나 더 강력한 온실효과를 가진 것으로 알려진 메탄가스가 대기 중으로 대거 방출될 수도 있다는 과학자들의 연구결과가 연이어 발표되면서 최악의 온난화가 올 수도 있다는 경고의 메시지들이 속속 답지되고 있다. 이유는 북극 기온이 급속히 상승하면서 얼었던 토양이 녹아 영구동토층 안에 잠자고 있던 미생물들이 깨어나 활동을 시작했기 때문이다.

과학자들은 최근 10년간 비교적 안정적인 수치를 보이던 대기 중 메탄가스 농도가 갑자기 북극지방을 중심으로 상승하고 있는 현상에 주목하고 있다. 미해양대기청(NOAA)은 2007년 전 세계적으로 대기 중의 메탄가스 농도가 0.5% 증가했으며 특히 북극권 일부 지역의 메탄가스 농도가 다른 지역에 비해 평균 두 배 이상 증가한 사실이 관측됐다고 발표했다. NOAA 발표 이후 영국 런던대학 연구진은 메탄가스가 증가하는 원인을 추적한 결과 북극권 메탄가스 증가 원인이 ‘생물학적 원인’이라는 사실을 밝혀냈다.

지난 100년간 지구 전체 평균온도가 0.74도 상승하는 동안 지구 기후시스템에서 가장 중요한 북극의 온도는 4~5도 상승했다. 이와 함께 지난 2~30년간 북반구 거의 모든 지역의 영구동토층 기온도 상승했다. 지난 세기부터 드러나지 않게 안에서 녹기 시작한 영구동토 융해가 심각하게 진행되면서 부작용들이 속출하기 시작했다. 시베리아와 알래스카의 동토 위에 지어진 시설물들이 붕괴되고 철로가 틀어져 수송로가 막히고 낙석이나 산사태 등이 발생하고 있는 것이다.

이처럼 시설물들의 붕괴도 문제지만 더 심각한 것은 영구동토가 녹으면서 영구동토층 내에 언 상태로 잠자고 있던 미생물들이 깨어나 유기물질 분해가 촉진되면서 이산화탄소보다 더 강력한 온실효과를 가져올 메탄가스가 대기 중에 방출되고 있다는 사실이다. 메탄가스는 주로 가장 최악의 온난화 몸살을 앓고 있는 북극 지방을 중심으로 방출되고 있어 과학자들의 온 신경이 북극지역에 집중돼 있다. 이런 일이 모든 영구동토층에서 대거 발생하게 된다면 메탄가스로 인한 급속한 지구온난화가 진행되어 인류의 생존은 더 큰 난관에 부딪치게 될 것이다.

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얼음도 녹이고 땅도 녹이는 온난화
북극 얼음이 여름에 녹았다가 겨울에 다시 얼어붙는 재결빙률이 점점 줄어들고 있다. 과학자들은 북극해를 덮고 있는 해빙 면적이 지난 30년 동안 두 번째로 작은 것으로 나타나 지구 기후시스템의 균형이 무너지는 임계점에 임박했다고 밝혔다. 미국 국립 눈·얼음자료센터(NSIDC)는 현재 북극해 얼음 면적이 약 520만㎢로 지난 1979년에 관측이 시작된 이래 최저 수준이었던 422만㎢에 이어 두 번째로 작은 것으로 나타났다고 발표했다. 앞으로 5~10년 안에 북극의 여름철 얼음이 완전히 사라질 것이라고 예측하는 전문가도 있다. 최근 몇 년간 북극 상태를 연구하고 지켜봐온 학자들 사이에서는 이제 북극의 상태는 갈수록 악화되고 있어 ‘돌아올 수 없는 길을 가고 있다’는 것이 중론이다.

그런데 얼음뿐만 아니라 영구동토 또한 온난화로 인해 몸살을 앓고 있다. 북반구에 드러난 땅의 24%를 차지하고 있는 영구동토 지대는 6개월 이상 영하의 날씨가 계속되는 곳으로 여름철에도 녹는 지층은 지면에서 1~2미터 정도다. 이러한 영구동토 지대와 비영구동토 지대를 구별하는 특징은 저빙(ground ice)이 있느냐 없느냐의 차이다. 영구동토층에서 저빙이 차지하는 비율은 최소 몇 십 퍼센트에서 크게는 80~90%에 이를 정도로 상당하다. 이처럼 물과 함께 얼어버린 지면의 물리적인 힘은 암반에 필적할 정도로 단단하다. 하지만 토양을 단단하게 붙들고 있던 얼음이 녹아 물이 되고 나면 토양층은 힘없이 무너져 내린다. 따라서 영구동토층 지역의 생태계 안정성은 저빙의 안정성에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.

지난 수십 년간 알래스카, 캐나다 북서지방, 시베리아 그리고 북유럽 영구동토층의 기온이 일반적으로 상승해 지역에 따라 섭씨 0.5도에서 2도까지도 상승했다는 결과가 나왔다. 일본 해양지구과학기술청(JAMSTEC)은 최근 영구동토층이 녹으면서 호수와 늪이 팽창하고 강의 수면이 올라가고 있다고 발표했다. JAMSTEC의 분석을 보면 지표에서 1.2미터 아래 땅의 온도가 1998~2004년 사이에는 연간 평균 영하 2.4도였으나 2005년에는 1.4도, 2006년에는 0.4도로 점차 상승하고 있는 것으로 나타났다. 시베리아 동부의 다른 지역 연간 평균 온도도 2005년도를 기점으로 놀라운 속도로 증가하고 있다.

이처럼 기온 상승으로 영구동토층이 녹아 지반이 약해지자 알래스카 지역에 엄청난 피해가 발생하고 있다. 전문가들은 지구온난화로 인해 알래스카 지역의 붕괴된 다리들과 파열된 하수도관, 부서진 도로들을 재정비하기 위해 향후 수십 년간 100억 달러 이상의 비용을 부담해야 할 것이라고 예측했다. 알래스카 앵커리지 대학의 피터 라센(Peter Larsen) 자원경제학자는 중미 벨리즈에서 열린 기후변화회의에서 지난 50년간 미국 최북단 주의 대기온도가 화씨 3도(약 섭씨 2도) 이상 상승했다고 밝혔다.

얼음 핵을 채취해 얻는 연구결과를 바탕으로 지난 400년 동안 가장 높은 온도를 보이고 있는 알래스카가 어떻게 이 난관을 극복할 수 있을 것인지 연구하고 있는 라센은 “알래스카만 국한해 어림잡아 산출해도 기후변화에 취약한 공공시설에 50억 달러에서 100억 달러가 필요하다”고 설명한다. 또한 국가의 3분의 2 가량을 덮고 있는 영구동토층이 녹을 경우 건물과 배수관, 길 그리고 다리가 무너지게 될 것이라고 경고했다. 만일 지금부터 기반시설물들에 대해 대비하지 않고 2080년까지 그대로 방치할 경우 320억 달러에서 560억 달러에 이르는 비용이 발생하게 될 것이라고 충고했다.

탄소감옥 영구동토가 녹으면?
영구동토층이 형성되는 과정에서 지면이 얼어 부패가 지연되거나 멈춰버릴 당시 광합성을 통해 대기에서 제거된 탄소가 유기물의 형태로 토양 내에 저장된다. 뿐만 아니라 매머드와 같은 대형동물들의 배설물도 함께 묻히게 된다. 시베리아 북동부의 야쿠티아 지방은 대표적인 영구동토지대로 이곳에 매장된 유기물 양은 전 세계 석유 매장량을 능가할 것으로 과학자들은 보고 있다. 그런데 영구동토층 위의 활동층이 여름에 녹은 후 겨울에 다시 완전하게 얼지 않아 영구동토층 융해가 시작되자 잠자고 있던 미생물들의 활동이 시작됐다. 문제는 미생물들의 활동으로 유기물 분해가 일어나면 영구동토층 내에 갇혀 있던 온실가스인 이산화탄소와 메탄이 대기 중으로 방출된다는 데 있다.

아한대와 북극 생태계 내의 영구동토층 상층부(표면에서 1~25미터 아래)는 7500~9500억 톤의 유기탄소를 함유하고 있는 것으로 알려져 있다. 이는 현재 대기에 존재하는 유기탄소 7500억 톤을 훨씬 넘어서는 양이다(유넵 한국위원회 2008 지구환경보고서). 이는 더 깊은 영구동토층에 함유된 탄소나 영구동토층 내외의 수소, 혹은 다른 비영구동토층의 탄소 양은 제외한 수치다. 이처럼 막대한 양의 탄소를 가두고 있던 영구동토층이 녹아 저장돼 있던 유기탄소가 대기 중으로 방출된다면 무서운 속도로 온난화가 진행돼 상상을 초월하는 대재앙이 일어날 것이라고 과학자들은 경고한다.

러시아의 북동 과학기지 연구원인 세르게이 지모프 박사는 최근 열린 한 과학회의에서 “시베리아는 2000년 이상 얼어 있던 땅이기 때문에 풀뿌리, 미생물, 나뭇가지, 매머드의 배설물 등 모든 것이 잘 보존되어 있다. 하지만 얼었던 땅이 녹기 시작하면서 2000년 이상 굶주려 있던 미생물들이 깨어나 이 유기물들에 대한 분해를 시작하면서 앞으로 엄청난 온실가스를 배출하게 될 것이다”고 경고했다. 또한 시베리아를 비롯해 북반구에서 일어나고 있는 영구동토층의 융해 현상을 북부지방의 국지적인 현상으로만 보고 안일하게 대처한다면 지금까지 제기된 최악의 기후변화 전망보다 더 무서운 결과가 엄청나게 빠른 속도로 다가올 것이라고 강조했다. 지모프 박사의 연구에 동참했던 플로리다 대학의 테드 셔 교수는 영구동토가 녹으면서 밖으로 방출될 준비를 하고 있는 메탄가스 같은 탄소를 일종의 ‘저속 시한폭탄’이라고 불렀다.

2007년 6월에 발표된 유엔보고서 자료를 보면 영구동토층 융해가 아직은 온난화를 가속할 만큼 광범위하게 진행된 것은 아닌 것으로 분석된다. 하지만 그렇게 될 가능성이 충분히 있음을 명시하고 있다. 보고서는 “영구동토층의 상층부가 품고 있는 유기 탄소의 양은 현재 대기 중에 존재하는 탄소의 양을 모두 합친 것보다 많다. 따라서 영구동토층이 녹으면 온실가스가 방출될 것이며 이는 온난화에 그대로 반영될 것”이라고 지적하고 있다. 알래스카 대학의 지구물리학과 교수인 블라디미르 로마노프스키 교수는 “시베리아에서는 메탄과 이산화탄소 방출이 아직 심각한 규모는 아니지만 시베리아보다 영구동토가 훨씬 적은 알래스카와 캐나다에서는 그런 일이 일어날 가능성이 크다”는 견해를 밝혔다.

열카스트로 호수에서 방출되는 메탄가스
시베리아 지역의 영구동토지대 기온이 상승하면서 얼었던 강둑이 무너져 내리고 흙 속에 뿌리를 박고 서 있던 나무들이 힘없이 쓰러지고 있다. 또한 토양층을 받치고 있던 얼음이 녹으면서 군데군데 지표면이 내려앉아 커다란 웅덩이를 이루는 현상들이 일어나고 있다. 이러한 지형을 ‘열카스트로 지형’이라 부른다. 얼음이 풍부한 영구동토층이 녹아 생기는 불규칙적인 열카스트로 지형의 함몰 부분에는 영구동토층의 해빙수가 빠져나갈 수 없어 대개 열카스트로 호수가 생긴다.

이러한 호수 밑의 영구동토층에서는 산소가 부족한 상태에서 활발한 융해작용이 발생하게 되는데 이때 메탄가스가 생성된다. 이러한 현상은 폐기물 매립장에서 일어나는 현상을 통해 쉽게 이해해 볼 수 있다. 폐기물이 매립되면 함께 유입된 산소가 소모되기까지는 미생물의 분해 작용을 통해 유기물의 탄소가 이산화탄소로 전환된다. 하지만 산소가 고갈되고 난 이후에는 이산화탄소가 아닌 메탄가스로 바뀐다. 최근 이런 원리를 이용한 재생에너지의 활용에 관심이 집중되면서 매립지 폐기물을 빨리 분해시켜 메탄가스를 얻고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

이처럼 산소가 고갈된 열카스트로 호수 밑에서 생성된 메탄가스가 호수 수면의 거품을 통해 대기로 방출되고 있다. 메탄가스 방출은 여름뿐만 아니라 겨울에도 발생하는데 이는 메탄 거품이 겨울에 얼어버린 호수 빙하에 구멍을 내기 때문이다. 최근 과학자들이 호수 빙하 거품의 양상을 연구하는 과정에서 시베리아에 있는 열카스트로 호수에서 방출되는 메탄 성분을 측정한 결과 이 지역 호수에서 방출되는 메탄가스 나이가 36,000~40,000년인 것으로 밝혀졌다.

올해 유넵 한국위원회가 발간한 지구환경전망보고서 에 의하면 시베리아뿐만 아니라 북극 다른 지역의 열카스트로 호수에서도 메탄가스의 방출이 관찰되고 있으며 지난 수십 년 동안 생성된 새로운 열카스트로 호수와 원래 존재했던 호수들의 팽창으로 인해 시베리아 내 메탄가스 방출이 증가하고 있는 것으로 나타났다. 또한 지금 가시화되고 있는 영구동토층의 융해가 앞으로 지속된다면 최근 대기에 저장되어 있는 4,850테라그램(teragram) 보다 훨씬 많은 양의 메탄이 호수에서 방출될 수 있다고 경고했다.

바다도 메탄가스를 뿜고 있다
북반구에 드러난 영구동토층과 맞먹는 크기의 영구동토층이 바닷물 속에도 자리 잡고 있다. 미해양대기청(NOAA) 지구시스템 연구소의 에드 들루고켄스키 박사는 2006~2008년 사이 북극해의 여름철 얼음이 급격히 줄어들면서 햇빛을 차단하지 못해 해저 영구동토가 녹아 바닷물 속의 메탄 성분이 대기 중에 추가로 방출될 가능성이 있다고 경고했었다. 그리고 이러한 우려가 최근 현실로 나타났다. 영국 일간 인디펜던트지는 9월 23일 “지구 온난화를 일으키는 잠재력이 이산화탄소보다 20배 이상 큰 메탄가스가 북극 해저에서 대량으로 방출되고 있는 것이 확인됐다”고 보도했다.

과학자들은 ‘저속 시한폭탄’이라 부르는 메탄가스가 북극 해저 영구동토층에서 방출이 확인된 것은 이번이 처음이라며 이처럼 북극지대에서 방출되는 메탄가스는 온난화를 가속시키고 온난화는 더 많은 지대의 영구동토층을 녹여 다량의 메탄가스 방출을 초래하는 악순환이 계속될 것이라고 우려했다. 방출되는 메탄가스가 일정수준을 유지하기만 한다면 피드백 메커니즘이 가동될 수 있지만 한계량을 초과하게 되면 지구 기온이 더 상승해 상상을 초월하는 재앙을 몰고 올 것이기 때문이다. 인디펜던트지는 ‘2008 국제시베리아대륙붕연구’ 예비보고서를 인용해 국제조사단이 러시아 탐사선 ‘야콥 스마르니츠키호’를 타고 러시아 북부 해저 대륙붕 전체를 탐사한 결과 수천 평방마일에 달하는 해저 대륙붕에서 ‘메탄 굴뚝’을 통해 분출된 메탄가스가 거품을 만들며 바다 위로 떠오르는 것을 확인했다고 보도했다.

국제조사단의 일원인 스톡홀름대의 오르얀 구스타프슨 교수는 “바닷물의 메탄농도가 증가하고 있는 것은 이미 알고 있었다. 그런데 다량의 메탄이 한꺼번에 방출되면서 미처 용해될 틈도 없이 수면 위에 거품을 형성하며 떠오르는 것은 처음이었다”고 밝혔다. 조사단은 또한 동시베리아 해와 라프테프 해의 광대한 해저대륙붕에서 영구동토층보다 100배나 응축된 메탄가스층을 발견했다며 그런 지역이 해저에 얼마나 많이 분포하고 있는지는 아무도 모른다”고 발표했다. 해저 영구동토층은 바다 높이가 현재보다 100미터 이상 낮았던 마지막 빙하기에 형성된 것으로 서서히 융해현상이 일어나고 있는데 이 과정에서 해저에 고체화되어 갇혀 있는 대량의 메탄이 대기 중으로 방출된다면 아주 작은 불꽃에도 발화해 지구 전체가 폭발할 수 있다는 이론도 발표되어 화제가 되고 있다.

반면 화석연료를 대체할 에너지 수급에 혈안이 되어 있는 선진국들은 깊은 바다 밑에서 메탄이 높은 압력을 받아 고체화한 메탄하이드레이트를 재앙의 근원으로 보지 않는다. 해저에 갇혀 있는 메탄을 추출할 수만 있다면 어마어마한 에너지를 얻을 수 있기 때문이다. 각국은 이 메탄하이드레이트에서 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원을 얻기 위해 고심하고 있다. 하지만 자칫 메탄을 추출하다가 해저가 붕괴되기라도 한다면 2004년에 발생한 쓰나미보다 더 엄청난 참사를 몰고 올 수도 있어 심해에 존재하는 메탄하이드레이트의 존재에 희비가 엇갈리고 있다.