달로 인해 온실기체가 방출된다고?

달로 인해 온실기체가 방출된다고?

대학생신재생에너지기자단 19기 박소연

 

달의 인력으로 인해 조석 현상이 일어난다는 것은 모두들 알고 있을 것이다. 하지만 이러한 현상이 심해에 있는 메탄을 대기로 방출하여 지구온난화에 영향을 준다는 사실을 들어본 적이 있는가? 이번 기사를 통해 온실기체와 메탄 하이드레이트에 대해 알아보고, 달이 어떻게 지구온난화에 영향을 미치는지 자세히 알아보려고 한다.

 

온실기체

앞서 온실기체에 대해 알아보려고 한다. 온실기체는 대기를 구성하는 기체 중 지구의 지표면에서 우주로 발산하는 적외선 복사열을 흡수 또는 반사하여 지구 표면의 온도를 상승시키는 온실 효과를 일으키는 특정 기체를 뜻한다. 온실기체에는 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 프레온(염화불화탄소 CFCs, 수소불화탄소 HFCs, 과불화탄소 PFCs, 육불화유황 SF ), 오존(O3) 등이 있으며 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소, 과불화탄소, 육불화유황을 6대 온실기체라고 한다.

이 기사에서 다룰 메탄에 대해 더 알아보자면, 메탄은 유기물질이 혐기성 박테리아에 의해 분해될 때 발생되며 주로 농업과 축산업종에서 많이 발생한다. 산업혁명 이후 석탄으로 에너지 생산, 천연가스, 반추동물의 사육의 증가, 벼농사와 바이오매스의 연소와 같은 인간의 활동이 늘어남에 따라 메탄의 발생이 증가해왔다. 더하여 최근에는 시베리아의 영구동토층이 녹으며 심해에 존재하는 메탄 하이드레이트에서 메탄이 대기로 빠져나가는 현상 또한 증가하고 있다.

온실기체	지구온난화 잠재력	대기 중 체류시간(년)
CO2	1	50~200
CH4	21	9~12
N2O	310	120
HFCs	140~11700	2~264
SF6	23900	3200
PFCs	6500~9200	3200~50000

[자료 1. 주요 온실기체, 지구온난화 잠재력, 대기 중 생존기간]

출처: 환경대기과학

대기 중 메탄의 양은 이산화탄소의 200분의 1에 불과하지만, 위의 표를 참고하면 메탄 분자 하나의 온실효과는 이산화탄소의 21배에 이르기 때문에 메탄에 대한 주의가 필요하다.

 

메탄 하이드레이트

클라스레이트 화합물은 내포 화합물이라고도 불린다. 이 물질은 원자가 화학결합에 의하여 3차원 골격구조가 형성된 후 그 격자 내에 적당한 크기의 틈이 생길 때, 다른 원자 또는 분자가 화학결합을 형성하지 않고 격자구조 안으로 들어가서 거의 일정한 조성의 결정구조가 되는 물질이다. 메탄 하이드레이트는 내포 화합물 중 하나로 물 분자 사이에 메탄이 갇혀 있는 구조이다.

 

 

[자료 2. 메탄 하이드레이트 구조]

출처: 한국중부발전 공식 블로그

메탄 하이드레이트는 밀도가 0.94g/mL로 해수보다는 작고, 빙하보다는 크기 때문에 존재할 수 있는 위치 조건이 까다롭다. 메탄 하이드레이트는 저온 고압(해저 500m에서의 수압과 비슷한 5MPa이상, 온도 25도 이하)의 환경에서 안정되어 얼음 형태로 존재하기에 주로 해저 지반 아래나 영구동토층에 존재한다. 수심이 너무 얕거나 수온이 너무 높아 압력이 낮은 환경에서는 메탄이 기체로 존재하게 되며 미세한 변화로 메탄이 고체에서 기체로 상태가 변할 수 있다. 따라서 메탄 하이드레이트가 가벼워져 위로 떠오르는 것을 막기 위해 메탄 하이드레이트가 존재하는 부분의 위쪽에는 퇴적물이 쌓여 있는 층이 있어야 한다.

 

 

[자료 3. 메탄 하이드레이트 존재 가능 구간]

출처: An Introduction to the Chemistry of the Sea Second Edition

이러한 메탄 하이드레이트는 연소될 때, 석탄과 석유에 비해 이산화탄소, 일산화탄소 같은 대기유해물질들이 적게 나와 차세대 청정에너지로 각광받고 있다. 하지만 메탄 하이드레이트 시추 과정에서 메탄이 연소되지 않고 그대로 방출할 경우 이산화탄소보다 더 큰 온실효과를 유발하며, 아직 경제성이 부족해 상용화가 더뎌지고 있는 상황이다.

 

 

달로 인한 온실기체 방출

최근 기후변화로 인해 수온이 상승하면서 해양 아래에 매장되어있는 메탄 하이드레이트가 가스 형태로 바뀌어 방출되고 있다. 메탄가스가 공기 중으로 방출되면 온실 효과를 일으켜 다시 수온이 올라가면서 더 많은 온실가스 배출로 이어지는 악순환이 반복될 수 있기에 이를 우려하고 있는 상황이다.

더하여 안드레아 플라사-파베롤라 노르웨이 북극대 북극 가스하이드레이트 및 환경기상연구소 연구원팀은 메탄 방출에는 온도뿐만 아니라 압력도 영향을 준다고 하며 해양의 조석 현상에도 주목하였다. 조석 현상은 달의 인력으로 인해 일어나는 것으로 간조 때 물이 빠지면 해양 속 압력이 낮아지고 반대로 만조 때 물이 차오르면 압력이 높아진다. 연구팀은 메탄 하이드레이트가 있는 북극 스발바르 제도의 심해 퇴적물의 압력과 온도를 측정하여 방출되는 메탄의 양을 추정해본 결과 압력이 낮아지는 썰물 때, 실제로 메탄의 방출량이 증가하는 것을 확인하였다. 한 마디로 썰물 때 압력이 낮아지면 고체 형태로 존재하던 메탄 하이드레이트가 메탄가스로 바뀌고 해양에 용해되었다가 대기로 방출되게 된다는 것이다. 이로 인해 북극해의 가스 방출량이 실제 측정치보다 과소평가가 되었을 수도 있으며, 심해에서는 수심이 깊어 작은 압력 변화로 방출된 메탄이 그대로 해양에 용존되어 머무르지만 수심이 얕은 곳에서는 메탄이 대기로 방출될 가능성이 더욱 커질 수도 있다.

 

 

[자료 4. 만조와 간조 때 가스 배출 개념적 모델]

출처: Impact of tides and sea-level on deep-sea Arctic methane emissions

마무리

이번 연구를 통해 메탄 하이드레이트로 방출되는 대량의 메탄가스는 해양 온난화를 촉진시킨다는 결과도 나왔다. 그렇기에 조수 간만이 해저에서의 메탄가스 방출량이 어떤 영향을 미치는지를 아는 것이 기후 예측에 매우 중요해질 것이라는 견해가 나타났다. 현재 우리가 생활에서 방출하는 인위적인 메탄가스가 증가하고 있는 상태에서 조수 간만의 차로 인하여 북극해 심해에 있는 메탄가스 또한 더욱더 빨리 증가하고 있다. 이러한 현상이 장기적으로 가속화된다면 지구온난화 또한 걷잡을 수 없이 빨리 진행될 것으로 예상되기에 지구 온난화의 가속화를 막기 위해 온실기체의 방출을 줄이는 노력이 필요하다.

 

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참고문헌

1) '바다 밑 온실가스 메탄, 썰물 때 대기 중으로 빠져나간다', 동아사이언스, 2020.12.15., https://dongascience.com/news.php?idx=42384

2) “온실기체”, 위키백과, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%98%A8%EC%8B%A4_%EA%B8%B0%EC%B2%B4 (검색일: 5월 3일)

3) 환경대기과학, 동화기술, chapter10, 2015

4) An Introduction to the Chemistry of the Sea Second Edition, MICHAEL E. Q. PILSON, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 2.3 Clathrate compounds(P41-44), 2012

5) 'Impact of tides and sea-level on deep-sea Arctic methane emissions', nature communications, 2020.10.09., https://www.nature.com/articles/s41467-020-18899-3