기후변화가 깨우는 탄소의 냉동고, 영구동토층

기후변화가 깨우는 탄소의 냉동고, 영구동토층

대학생신재생에너지기자단 29기 박유리, 임혜원, 조성현, 30기 이서인, 최이현

기후변화로 녹기 시작한 지구의 ‘탄소 냉동고’, 영구동토층

[자료 1. 영구동토층]

출처 : ⓒ29기 조성현 Chat GPT 생성

북극과 남극의 얼음이 사라지고 있다는 사실은 이제 많은 사람에게 익숙한 이야기다. 특히 눈물을 흘리는 북극곰과 같은 이미지는 기후변화로 삶의 터전을 잃어가는 동물들의 위기를 상징하며 기후 위기의 심각성을 알리는 데 큰 역할을 해왔다. 그러나 이제는 인류 역시 극지방의 변화 앞에서 눈물을 흘릴 수 있다. 

최근 알래스카 북부를 비롯한 북극 전역에서 급격한 기후변화가 나타나고 있다. 세계기상기구(WMO)는 향후 북극의 기온 상승폭이 전 지구 평균보다 높을 것으로 전망했으며, 미국 농무부는 알래스카의 경우 지구 평균보다 2~3배 빠른 속도로 온난화가 진행되고 있음을 밝혔다. 기온 상승으로 빙하의 해빙 속도가 점차 빨라지고 있는 가운데, 수천 년 동안 얼어 있던 영구동토층까지 녹으면서 그 안에 갇혀 있던 미생물과 고대 바이러스, 탄소가 지표면으로 드러나고 있다.

영구동토층의 해빙을 단순히 얼음이 녹는 현상으로만 볼 수 없다. 영구동토층은 수천 년 동안 동식물 잔해와 같은 유기물이 얼어 있는 상태로 보존되면서 막대한 양의 탄소를 저장하고 있다. 북부 영구 동토 지역에는 약 1.46~1.60조 톤의 유기탄소가 저장돼 있으며, 이는 현재 대기 중에 존재하는 탄소의 약 두 배에 달한다. 이곳이 녹으면 저장돼 있던 유기물이 분해되면서 이산화탄소와 메탄이 배출되고, 이는 다시 지구온난화를 가속할 수 있다. 기후변화로 녹기 시작한 영구동토층이 또다시 기후변화를 가속하는 악순환이 시작되는 것이다.

탄소 냉동고는 어떻게 만들어졌나 : 영구동토층에 쌓인 수천 년의 탄소

그렇다면 영구동토층이란 정확히 무엇인지 살펴보자. 영구동토층은 단순히 얼음이 쌓여 만들어진 땅이 아니다. 토양이나 퇴적물이 최소 2년 이상 연속적으로 0°C 이하로 유지되는 지반을 의미한다. 하지만 이 땅은 지표면부터 땅속 전체가 항상 얼어 있는 것은 아니다. 여름에 계절적으로 녹았다가 다시 어는 활성층이 영구동토층 위에 존재하는 것이다.

그렇다면 영구동토층의 많은 탄소는 어떻게 그 땅속에 들어갔을까? 영구동토층의 탄소는 오랜 시간 동안 식물·동물 등의 유기물이 토양에 축적되며 보존된 것이다. IPCC에 따르면 북부 영구동토 지역의 탄소를 포함한 유기물이 수천 년간 축적됐으며, 얼어 있거나 물에 잠긴 토양에서 유기물 분해 속도가 느렸기 때문에 완전히 분해되지 않은 유기물이 계속하여 축적되었다고 설명한다. 그 결과 대량의 탄소가 포함된 토양층이 형성된 것이다.

[자료 2. 북극 주변 영구동토층 지역의 토양의 깊이에 따른 탄소량]

출처 : NOAA IN THE ARCTIC

영구동토 지역의 탄소는 땅 표면에만 있는 게 아니라 깊은 토양과 퇴적층에도 상당량이 존재하여 전체 저장량이 매우 크다. NOAA 자료에 따르면 북부 영구동토 지역의 전체 유기탄소 추정량은 1,460~1,600 PgC(페타그램, 약 1조 4,600억~1조 6,000억 톤)이고, 그중 약 65~70%가 지표에서 3m 이내에 있지만, 나머지 상당량은 3m보다 깊은 곳에도 저장되어 있다.

우리가 영구동토층을 탄소 냉동고라고 부르는 이유는 이처럼 영구동토층이 탄소를 장기간 보존해 왔고, 규모가 크기 때문이라고 볼 수 있다. 그렇다면 이 냉동고가 열리면 어떻게 될까?

녹아내리는 영구동토층, 무엇이 달라지는가 : 온실가스와 기후변화의 악순환

영구동토층이 녹기 시작하면 그 안에서는 어떤 일이 일어날까. 얼어 있는 동안 활동이 제한됐던 미생물이 다시 활동하면서 토양 속 유기물을 분해하기 시작한다. 이 과정에서 이산화탄소와 메탄이 발생하고, 대기 중으로 방출될 수 있다. 기후변화로 시작된 영구동토층의 해빙이 또 다른 온실가스 배출로 이어지는 셈이다.

실제로 2025년 한국 극지연구소는 알래스카 툰드라의 영구동토층을 직접 채취해서 동토가 녹는 환경에서 미생물의 변화를 분석했다. 연구진은 저온에서 활동이 저하됐던 일부 미생물이 영구동토층이 녹으면서 다시 활동하고 개체 수가 증가할 수 있음을 확인했다. 이런 미생물의 변화는 영구동토층 해빙 이후 탄소순환이 달라질 수 있음을 보여준다.

온실가스가 증가하는 경로가 미생물의 활동만 있는 것은 아니다. 산불 또한 영구동토층에 저장된 탄소를 대기로 방출하는 요인이 될 수 있다. 2024년 기초과학연구원(IBS)에 따르면, 기후변화가 계속될 경우 영구동토층 지역에서 산불 위험이 커질 수 있다고 분석했다. 영구동토층이 녹으면서 토양의 환경이 달라지고, 일부 지역에서는 토양이 건조해져 산불이 발생하기 쉬워질 수 있다는 것이다. 산불이 발생하면 식물과 토양에 저장된 탄소가 추가로 대기 중에 방출될 수 있다.

[자료 3. 기후시뮬레이션을 이용한 영구동토층 해빙, 토양 수분, 산불의 급격한 미래 변화 결과]

출처 : IBS 기후물리연구단

문제는 이렇게 방출된 온실가스가 다시 기후변화를 심화시킬 수 있다는 점이다. 기온이 올라가 영구동토층이 녹으면 미생물의 활동이 활발해지고 온실가스가 발생한다. 대기 중 온실가스가 많아지면 지구의 온도는 다시 올라가고, 이는 영구동토층의 해빙을 더 빠르게 만들 수 있다. 한쪽의 변화가 다시 다른 변화를 일으키는 악순환이 일어나는 것이다.

하지만 영구동토층이 녹는다고 해서 모든 지역에서 같은 양의 온실가스가 나오는 것은 아니다. 토양의 온도와 수분, 식생 등 주변 환경에 따라 발생하는 온실가스의 종류와 양이 달라질 수 있다. 실제로 앞으로 얼마나 많은 온실가스가 추가로 배출될지는 더 오랜 기간의 관측과 연구가 필요한 부분이다. 그럼에도 영구동토층의 해빙이 온실가스 배출과 산불 등 여러 경로를 통해 기후변화에 영향을 줄 수 있다는 점에서 지속적인 관찰이 필요해 보인다.

왜 관심을 가져야 하는가 : 기후, 생태계, 지역사회의 관점

[자료 4. 북극 영구동토층의 탄소 저장량과 급격한 해빙 취약 지역]

출처 : IPCC AR6 WG1 

영구동토층 해빙으로 방출되는 메테인(CH4)과 이산화탄소(CO2)는 지구온난화를 가속화한다. IPCC에 따르면, 특히 메테인의 20년 기준 지구온난화 지수(GWP20)는 이산화탄소의 약 81배에 달해 단기적으로 폭발적 충격을 준다. 지구 방출 적외선 영역(8~13μm)에서 강한 흡수 밴드를 가진 메테인은 수십 년 내 분해되지만, 수백 년간 잔존하는 이산화탄소와 함께 퍼마프로스트 탄소 피드백(PCF) 루프를 구동하는 핵심 동력으로 작용한다. 이에 대응하기 위해서는 전 지구적 탄소중립 가속화가 필수적이다. 지구 온도가 1.5°C를 초과하면 북극 영구동토층이 최대 70% 이상 소실될 수 있기 때문이다. 아울러 빙하 소실로 인한 알베도 저하를 막기 위해, 반사율 높은 미세 입자를 살포하거나 눈을 다져 지중 열 수지를 낮추는 공학적 대응 연구도 병행되고 있다.

북극은 전 지구 평균보다 약 4배 빠르게 온난화되며 서모카스트 현상으로 습지와 호수가 급증하고 있다. 침수된 토양은 혐기성 환경이 조성되어 미생물의 4단계 반응을 거쳐 수십 배 많은 메테인을 방출하며, 이로 인해 북극여우와 북극곰 등 극지 생태계의 균형이 무너지고 있다. 한편 대기 중 이산화탄소로 인한 해양 산성화(pH 약 0.1 감소→수소이온 농도 30% 증가)는 산호초 성장과 식물성 플랑크톤의 탄소 흡수 능력을 저하시킨다. 이는 결과적으로 해양의 생물학적 탄소 흡수 능력(Biological Pump)을 약화시키는 악순환을 낳는다.

[자료 5. 초식동물의 활동에 따른 영구동토층 냉각]

출처 : Pleistocene Park

우리는 생태계 종과 생태계의 항상성에 집중해야 한다. 특히 대형 초식동물을 활용한 생태공학적 기법이 주목할 만하다. 시베리아의 ‘플라이스토세 공원’은 겨울철 순록을 방목하여 눈을 다지게 하는 프로젝트를 진행 중이다. 눈 내부의 공기층을 없애 단열 효과를 제거해 주면 겨울 대기의 냉기를 지반에 깊숙이까지 전달할 수 있고 전체적인 동토층의 해빙 속도를 지연시킬 수 있다. 아울러 해양에 알칼리성 물질을 투입해 산성화를 중화하고, 산성 환경에 내성을 가진 산호의 인공 복원을 병행하여 해양 생태계의 기초 생산력과 탄소 흡수원을 시급히 보존해야 한다.

영구동토층 해빙은 인간의 삶과 안전을 직접적으로 위협하는 현실적 재난이다. 단단했던 지반이 진흙(Slurry) 형태로 변하면서 주택, 도로, 파이프라인 등 핵심 인프라가 붕괴되고 있으며, 이에 대응하기 위해서는 지반 냉각 기술(예: 써모시펀)과 지반 침하를 견디는 유연한 구조물 설계 기준을 인프라 건설에 도입해야 한다. 또 과거에 매립된 산업 폐기물과 고대 병원체가 유출되어 수자원 오염 및 공중보건 위기를 초래할 수 있으므로, 센서와 위성 원격 탐사를 활용해 지형 변형과 오염 물질 유출을 실시간으로 감지하는 조기 경보 시스템을 구축해야 한다. 지반 침하가 극심해지면서 주민들의 거주 안전이 위협받고 있어, 붕괴 위험 지역의 공동체를 위해 안전한 이주를 지원하는 제도적 거버넌스와 재정적 뒷받침이 시급하다.

탄소 냉동고의 미래, 영구동토층의 미래는 지금에 달렸다.

영구동토층의 영구라는 단어는 더 이상 맞지 않는 표현이 됐다. 2024년 기준 지구는 인류 관측 역사상 처음으로 산업화 이전 대비 연평균 기온 상승폭이 1.5°C를 넘겼다. 동시에 북극곰의 눈물과 같은 인류의 눈물 또한 점차 기정사실화되고 있다.

서울대학교 지구환경과학부의 국종성 교수팀의 연구에 따르면 2050년 탄소중립 혹은 역배출을 달성하여 기온이 낮아지더라도 영구동토층의 탄소 배출이 지속될 것임을 연구로 증명했다. 탄소중립을 통해 온실가스 배출이 줄어들더라도, 영구동토층은 회복 속도가 느려 탄소 배출이 한동안 계속된다는 것이다. 연구를 이끈 국 교수는 "기후변화 완화를 위한 정책과 기후 모델은 대부분 인간 활동에 의한 탄소 배출 감축에만 초점을 맞추고 있다"라며 "영구동토층이 탄소 배출원으로 작용할 경우까지 반영한 더 정교한 예측 모델과 정책이 필요하다"고 말했다.

영구동토층에 저장된 탄소량은 1조 8,000억 톤에 달한다. 이 중 금세기 말까지 최대 1,600억 톤이 배출될 것으로 전망되는데, 이는 인류의 탄소중립 노력을 상당 부분 무력화할 수 있는 양이다.

영구동토층의 탄소 배출을 완전히 막기는 어렵다. 하지만 그 속도를 늦출 방법은 있다. 온실가스 감축 목표를 앞당겨 영구동토층이 배출원으로 전환되는 시점 자체를 지연시키고, 영구동토층의 자연적 탄소 피드백을 반영한 기후 예측 모델과 정책을 마련해야 한다. 동시에 북극권 국가 간 관측 협력을 통해 변화를 실시간으로 감시하는 작업도 병행돼야 한다.

영구동토층이라는 이름을 다시 영구하게 만드는 길은, 결국 지금 이 순간의 감축 속도에 달려 있다.

기후변화 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "기후 변화, 이젠 완화를 넘어 적응의 시대", 29기 박승준, https://renewableenergyfollowers.org/climate-change/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=170794265&t=board

2. "불난 지구에 부채질하는 '슈퍼 엘니뇨'", 29기 임혜원, https://renewableenergyfollowers.org/climate-change/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=171215324&t=board

참고문헌 

[기후변화로 녹기 시작한 지구의 ‘탄소 냉동고’, 영구동토층]

1) 김용원, “[기고] 알래스카 북극 평원의 폭염 주의보”, Los Angeles, 2026.08.10, https://www.koreadaily.com/article/20260810181124289

2) World Meteorological Organization (WMO), “Global Annual to Decadal Climate Update 2026–2035”, World Meteorological Organization, 2026.

[탄소 냉동고는 어떻게 만들어졌나 : 영구동토층에 쌓인 수천 년의 탄소]

1) 국립기상과학원, "기상기후이야기-영구동토층이란 무엇이며 이것은 기후변화와 어떤 관련이 있는가?", http://www.nims.go.kr/?sub_num=866

2) IPCC, "Climate Change 2021: The Physical Science Basis, Chapter 5: Global Carbon and Other Biogeochemical Cycles and Feedbacks", 2021.

3) NOAA Arctic, "Permafrost and the Global Carbon Cycle", 2019.

[녹아내리는 영구동토층, 무엇이 달라지는가 : 온실가스와 기후변화의 악순환]

1) 극지연구소 홍보실, " 북극 동토 녹으면 농작물 위협하는 세균 깨어나", 극지연구소, 2025.02.04, https://www.kopri.re.kr/_prog/bbs/?mode=V&site_dvs_cd=kopri&menu_dvs_cd=0402&code=0502&no=e88d7e3404da590798d062e668825e13

2) 박주영, "2050년 이후 영구동토층 절반 녹을 것…북극 산불 심화", 연합뉴스, 2024.09.25, https://www.yna.co.kr/view/AKR20240924118300063

3) 이주영, "북극 겨울, 녹는점 도달…북극해 스발바르 제도가 녹고 있다", 연합뉴스, 2025.07.22, https://www.yna.co.kr/view/AKR20250721078000017

[왜 관심을 가져야 하는가 : 기후, 생태계, 지역사회의 관점]

1) chuur, E. A. G., et al., "Climate change and the permafrost carbon feedback", Nature, 520, 171–179, 2015.

2) IPCC, Climate Change 2021: The Physical Science Basis, 2021.

3) Jan Hjort, “Impacts of permafrost degradation on infrastructure”, Nature, 3, 24–38, 2022.

[탄소 냉동고의 미래, 영구동토층의 미래는 지금에 달렸다.]

1) 김기봉, “[날씨학개론] 지구 온난화로 영구동토층 해빙…기후 재앙 되나”, YTN 사이언스, 2022.01.11, https://m.science.ytn.co.kr/program/view.php?mcd=0082&key=202201111646048469

2) 서울대학교 지구환경과학부, “영구동토층, 뒤늦은 탄소중립 달성 이후에도 탄소 배출 지속... 기후 완화 노력에 '빨간불'”, 2025.02.14, https://www.snu.ac.kr/research/highlights?md=v&bbsidx=152533