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[2602호] 2020.04.06
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[과학 연구의 최전선]서울 이산화탄소 파수꾼 자처한 과학자

최준석  선임기자 jschoi@chosun.com

▲ 서울 용산의 엘지유플러스 빌딩 옥상에 설치된 이산화탄소 농도 측정기를 점검하러 간 정수종 서울대 교수. photo 이신영 영상미디어 기자
정수종 서울대 환경대학원 교수가 가르치는 학생들은 16일마다 서울 남산타워 꼭대기와 서울 용산 엘지유플러스 본사(21층) 맨 위층에 간다. 두 곳에는 정수종 교수 실험실이 설치한 이산화탄소 농도 측정기가 있다. 지난 3월 9일 서울대 연구실에서 만난 정 교수는 “측정 장비는 시간이 지나면 조금씩 오차가 생긴다. 순도 99.9%인 이산화탄소를 갖고 가서 보정해 줘야 한다”라고 말했다.
   
   정 교수는 서울의 탄소 순환을 연구하는 국내 거의 유일한 연구자다. 그는 탄소가 어디에서 배출되며(배출원), 어디로 흡수되는지(흡수원)를 연구한다. 탄소는 자연생태계가 배출하기도 하고, 인간이 화석연료(기름, 석탄)를 태워 만들기도 한다. 이산화탄소는 지구온난화와 기후변화를 일으키는 온실 기체다.
   
   대기 중의 이산화탄소는 식물이 광합성작용을 할 때 흡수된다. 그동안 지구 생태계는 이산화탄소 배출량과 흡수량이 일정하게 균형을 이루며 탄소순환을 해왔다. 그런데 인간이 탄소를 지나치게 배출하면서 문제가 되고 있다. 정 교수는 “현재 대기 중 이산화탄소 농도는 410ppm이다. 기자님이 학교 다녔을 때는 350ppm이었을 것이고, 산업혁명 이전에는 280ppm이었다”고 말했다.
   
   
   세계 1만3000개 도시 중 서울 배출량 1위
   
   그가 모니터 화면에 띄워 보여주는 수치를 보니 한국의 이산화탄소 배출량이 놀랍다. 그의 연구그룹이 측정한 서울 용산의 이산화탄소 농도는 2018년 말(10월 18일~12월 11일)에 지구 평균(410ppm)보다 최대 131.8ppm 높을 때도 있었다. 평균적으로는 30.1ppm이 높았다. 이산화탄소 지구 평균값은 하와이 마우나로아섬 정상에서 측정한다. 미국의 대기과학자 C D 킬링이 1958년부터 측정을 시작했고, 그의 아들이 대를 이어 마우나로아 관측소에서 대기 중 이산화탄소 농도 값을 얻고 있다. 그런데 여기서 얻는 지구 평균 값 410ppm보다 서울 용산의 대기 중 이산화탄소 농도가 최대 131.8ppm 높을 때가 있으니, 수치가 541.8ppm(410+131.8)까지 올라간다는 얘기다. 정 교수에 따르면 프랑스 파리는 에펠탑에서, 도쿄는 새로 세운 스카이트리에서 7~8년 전부터 도시 대기 중 이산화탄소 농도를 측정해왔는데 서울의 경우는 2018년부터야 신뢰할 수 있는 값을 얻기 시작했다고 한다. 물론 그것도 정 교수가 측정을 시작하면서부터다.
   
   서울에 국한해서 이산화탄소 배출량 합계를 보니 더 놀랍다. 노르웨이과학기술대(NTNU)의 한 연구자는 2018년 논문에서 세계 1만3000개 도시 중 서울의 이산화탄소 배출량이 1등이라고 지적했다. 정 교수가 미국 항공우주국(NASA)이 만든 동영상(‘A Year in the Life of Earth’s CO2’) 한 개를 보여주는데 지구촌 전체적으로 CO2가 어느 지역에서 얼마나 나오고 있는지를 한눈에 알 수 있는 자료다. 여기서 미국과 중국, 한국 등 북반구의 주요 도시들은 시뻘겋다 못해 검게 보이는 물질을 대기 중으로 쏟아내고 있었다. 끔찍했다.
   
   
   NASA 인공위성이 8일마다 측정
   
   정 교수가 이번에는 서울 도심을 위성으로 찍은 사진을 보여줬다. NASA의 위성(Orbiting Carbon Observatory ·OCO) 사진으로 서울 대기 중 이산화탄소 농도를 볼 수 있는 이미지다. 이 위성은 2014년부터 8일마다 서울 상공을 지나가면서 서울을 스캔하듯 훑는다. OCO가 찍은 이미지에는 남산을 포함해 서울 도심 일부가 보이는데 녹색과 파란색의 세로 막대기가 그려져 있다. 서로 다른 색의 막대기는 이산화탄소 농도가 다른 걸 가리킨다.
   
   공기 샘플을 가져다가 분석하지도 않았는데, 사진만으로 대기 중 이산화탄소 농도를 어떻게 확인할까? 정 교수는 대기 중 어떤 물질이 얼마나 들어 있느냐에 따라 사진을 촬영할 때 반응하는 주파수 파장이 다르다고 했다. 이 자료는 이산화탄소 배출량뿐 아니라 흡수량(sink)도 알려준다. 식물, 즉 이산화탄소 흡수원이 얼마나 많으냐를 확인할 수 있다. 식물은 광합성을 위해 대기 중의 이산화탄소를 빨아들이기 때문에 식물이 많으면 주변 공기에는 탄소가 그만큼 적다. 실제 정 교수가 보여주는 이미지에는 지역별 이산화탄소 농도가 다르게 나와 있었다. 공중에서 찍은 사진만으로 대기 중 이산화탄소 농도를 측정할 수 있다는 게 놀라웠다.
   
   
   탄소배출량과 흡수량의 5% 오차의 비밀
   
   정수종 교수는 “나는 기후변화가 왜 일어나는지를 알고 싶다. 그리고 그 방법으로 이산화탄소가 어디에서 와서 어디로 가는지를 보고 있다”라고 말했다. 대기과학자들은 지금까지 기후변화의 ‘원인’보다는 ‘결과’를 연구해왔다. 즉 어떤 일이 일어나고 있는지에 연구가 쏠려 있었다. 하지만 앞으로는 ‘원인’에 대한 고민이 더 필요하다고 한다.
   
   보통 대기 중에 배출된 이산화탄소의 51%는 자연생태계가 흡수한다. 44%는 공기 중에 남는다. 두 개를 합하면 95%에 불과한데 나머지 5%는 어디로 갔을까? 이에 대해 정 교수는 “나머지 5%의 탄소는 어떻게 된 것인지 모르고 있다”라고 말했다. 이게 무슨 말일까?
   
   결국 탄소배출량(source) 보고 수치 아니면 흡수량(sink) 연구 중 하나가 잘못되었다는 얘기다. 과거에는 흡수량 연구가 잘못되어서 탄소 순환 수치가 잘 맞지 않는 걸로 생각했다고 한다. 육상 생태계의 흡수량 계산이 잘못되어서 ‘5% 오차’가 생긴다고 보고 육상 생태계가 29%가 아니라 34%를 흡수하는 게 아니냐는 의구심을 갖고 있었다는 것이다. 육상 생태계의 탄소 흡수는 바다보다 훨씬 계산이 복잡하다. 해양 생태계의 탄소흡수량 조사는 바닷가와 선박에 설치된 장비를 이용하는데 바다 표면은 균일성이 높아 하나의 관측 지점의 대표성이 크다. 하지만 육상은 다르다. 지표 특성이 워낙 다양해 관측소의 대표성이 떨어진다. 학계는 육상의 이산화탄소 관측 결과가 바다에 비해 상대적으로 불확실성이 큰 점을 ‘5% 오차’ 발생의 원인으로 보았다.
   
   하지만 흡수원에 대한 연구가 지난 10년간 엄청나게 이뤄졌음에도 불구하고 배출량과 흡수량이 여전히 맞지 않는다. 이 때문에 최근에는 ‘배출량’이 정확하냐는 쪽으로 연구자들의 시선이 쏠리고 있다. 정 교수는 “최근 분위기가 달라졌다. 국가들이 보고하는 화석연료 기반 탄소배출량 수치가 정확하냐는 문제가 제기되고 있다”라고 했다.
   
   가령 몇 년 전 중국이 학술지 네이처에 화석연료에 기반한 중국의 탄소배출량이 줄어들고 있다는 논문을 낸 적이 있다. 미국과 유럽은 이 논문을 신뢰하지 않았다. 중국은 산업화가 급속도로 진행되고 있는데, 화석연료 기반 탄소배출량이 어떻게 줄어들 수가 있느냐는 불신이었다. 그래서 나온 것 중 하나가 탄소배출량을 감시하는 미국 항공우주국의 인공위성이다. 지구궤도에 올라가 관측해서 중국의 보고량이 맞는지 안 맞는지를 직접 보겠다는 것이다.
   
   
▲ NASA 위성에서 관측한 서울의 이산화탄소 농도.

   점점 깐깐해지는 이산화탄소 보고 시스템
   
   현재 각국은 탄소배출량을 매년 보고한다. 한국은 환경부의 ‘온실가스종합센터’가 보고 주체인데 기업들이 탄소배출량을 정부에 제출하면 이를 모아서 국제기구에 제출한다. 그런데 한 국가가 배출하는 탄소배출량 보고가 부정확하면 미래 예측을 할 수 없다. 한국도 마찬가지다. 한국도 정부 차원에서 측정해 보지 않고 기업들의 보고량을 취합하는 수준이기 때문이다. 한국에서 미세먼지 관련 측정 사이트는 최근 급속하게 늘어나 환경부는 서울에 40개 측정 사이트를 만든다고 하고, 서울시는 시 차원에서 1000개 이상을 설치하겠다고 발표했다. 그런데 온실가스는 이런 게 없다. 미세먼지 문제는 당장 눈앞에 보이지만, 온실가스가 불러올 문제는 당장의 문제가 아니기 때문에 연구 우선순위에서 밀린 결과다.
   
   정 교수에 따르면, 이와 관련한 국제적인 노력도 새롭게 시작되었다. 온실가스 배출원과 흡수원 간의 오차 문제를 해결하기 위해 유럽연합은 2018년 보고량 취합 외에 관측량 자료까지 갖고 오도록 교역국가에 요구하겠다고 예고했다. 또 IPCC(기후변화에 관한 정부 간 패널)는 2019년 인천 송도 회의에서 새로운 ‘가이드라인’을 제시했다. 정 교수는 “지금까지 탄소배출량은 배출량 보고를 근거로 한 통계적 기법에만 의존해 불확실성이 있다. 앞으로는 대기 측정값 및 수학적 모델링을 통해 배출량을 산출하라고 IPCC가 이야기한 것이다”라고 말했다. 쉽게 말하면 공장이 이만큼 배출한다고 보고하면, 해당 기업의 배출량을 측정하고, 기업이 말하는 게 맞는지 맞지 않는지를 확인하라는 요구라고 한다. 물론 법적 구속력은 없지만 2001년 가이드라인에서 한발 더 나아간 것이다. 2001년 가이드라인은 통계에 기반한 배출량 보고 의무화였는데 기후변화에 관한 파리협약에 따라 2026년부터는 관측 기반 배출량을 보고해야 한다.
   
   미국이나 일본은 새로운 가이드라인과 관련한 논문이 이미 나오고 있다. 온실기체 측정과 수학적 모델링을 통한 예측 자료 시스템을 구축한 상태이며, 시스템을 고도화하는 작업을 하고 있다. 정수종 교수는 “한국의 연구는 국제 수준과 비교하면 한참 아래에 있다”라고 말했다.
   
   
▲ 미국 LA 곳곳의 이산화탄소 농도를 실시간으로 보여주는 자료. photo 헤스티아프로젝트

   뉴욕은 실시간 측정… 서울은 2년 전 자료만
   
   실제 정 교수가 미국 뉴욕, LA, 솔트레이크시티 자료를 보여주는데 입이 다물어지지 않는다. 이 도시들은 실시간으로 탄소 농도를 측정하고 있다. 도심 어디의 탄소 농도가 현재 어느 수준인지를 3차원 그래픽 영상으로 실시간 보여준다. LA의 경우 ‘헤스티아 프로젝트(Hestia Project)’라는 이름으로 도시 탄소배출원을 파악하려는 노력을 하고 있었다. 솔트레이크시티는 특히 모범적이다. 재키 비스쿱스키 시장이 2050년까지 탄소배출량을 2005년 대비 80% 감축하겠다고 선언하고 각종 프로그램을 가동하고 있었다. 지상관측네트워크도 구축했다. 예컨대 도시 공공 교통수단인 트램의 지붕 위에 측정기를 설치해 트램이 도시를 돌아다니며 탄소 농도 자료를 실시간으로 수집한다. 개별 건물의 시간당 이산화탄소 배출량도 산출하고 있다. 시간별 전기 사용량과 가스 사용량을 갖고 이산화탄소 배출량을 환산해낼 수 있다.
   
   서울은 어떨까? 정수종 교수는 “한국의 대기 중 이산화탄소 농도를 낮추려면 서울의 이산화탄소 농도를 때려잡으면 된다”라고 말했다. 그는 “도시가 배출량의 70%를 차지하니 도시를 공략하면 되고, 한국은 서울을 잡으면 된다”라고 했다. 주요 이산화탄소 배출원은 발전소, 차량, 개별난방(보일러) 등이다.
   
   정수종 교수는 2019년 1월 차량에 측정장치를 설치한 후 서울 도심의 남산, 광화문, 동대문 지역을 왔다갔다 하며 이산화탄소와 NOx(질소산화물) 농도를 측정했다. 1주일간 하루 6시간씩(오후 1~7시) 작업했다. “도시의 연소 특징을 알아야 한다. CO2가 서울의 어디에서 많이 배출되고 있고, 대기 중에 실제로 얼마가 있느냐를 알아야 한다. 서울 강남과 강북은 왜 차이가 나는지도 알아야 하고. 실제로 기상과학원 14개 사이트를 통해 얻은 데이터를 분석해 보았다. 이산화탄소 농도가 서울 강남이 1위였고, 2위는 성남이었다. 성남의 분당 쪽보다 판교 쪽이 높은 듯했다. 판교가 왜 높은지는 분석하기 매우 어렵다. 그리고 3위는 인천 송도였다. 2017년, 2018년 평균값이 그랬다.”
   
   정 교수에게 서울의 이산화탄소 농도와 관련해 무엇을 발견했는지 묻자 “서울의 경우 이산화탄소 간접 배출량이 직접 배출량보다 더 많을 거라고 생각해 왔는데 그렇지 않았다”라고 답했다. 이 같은 간접 배출량은 서울의 이산화탄소 농도에는 직접 영향을 주지 않기에 문제의식이 그리 높지 않았다. 서울이 전기를 사용하면 발전기를 돌린 인천 지역의 이산화탄소 농도가 높아질 뿐이기 때문이다. 그러나 정수종 교수 팀이 관측해 보니, 서울의 이산화탄소 직접 배출량이 상당히 높았다. 직접 배출량은 어디에서 왔을까? 물론 차량의 기여가 높을 것 같지만 서울을 전체적으로 확장해서 조사해야 한다는 것이 정 교수의 말이다. 현재는 남산과 종로 일대만 관측하고 모델링을 해본 상태다. “중요한 건 서울이 어떤 이산화탄소 특성을 갖고 있느냐를 아는 것이다. 서울은 이산화탄소 돔에 싸여 있다. 지구 평균 이산화탄소 농도(410ppm)보다 27.84ppm이 높은 돔으로 덮여 있다. 이산화탄소 돔은 또 다른 효과를 유발한다. 이 논문은 현재 학술지에 기고한 상태다.”
   
   
   10대 탄소배출국 한국에 연구자는 한 명뿐
   
   그의 얘기를 들으니, 서울 대기의 이산화탄소 농도 연구자가 정수종 교수밖에 없다는 게 믿기지가 않았다. 정 교수 역시 “세계 10대 탄소배출국인 한국으로서 그건 의아한 일”이라고 했다. 도쿄나 파리와 같은 선진국 대도시의 탄소 순환 연구자는 얼마나 될까? 정수종 교수는 “어마어마하게 많다”라고 말했다.
   
   서울이 온실기체 관리에서 지지부진을 면치 못하고 있다는 건 이산화탄소 배출량 보고서에서도 확인할 수 있다. 서울의 이산화탄소 배출량 보고서는 1년에 한 번 나온다. 정 교수는 “보통 사람이 지금 확인할 수 있는 이산화탄소 농도 자료는 2017년 12월 것이 최신 자료일 것이다. 지금이 2020년 3월인데 2년 전 자료밖에 볼 수 없다. LA와 뉴욕은 실시간으로 수치를 보고 있는 것과 너무 다르다”라고 말했다.
   
   정수종 교수는 부산대 대기과학과 1996학번이다. 서울대에서 2010년 박사학위를 받았다. 논문 제목은 ‘식생과 기후 상호작용 분석 및 미래 기후의 응용연구’. 식물이 기후변화 강도를 조절하는 능력이 기존에 알려진 것보다 더 크다라는 결과를 담았다. 그는 학자로 출발할 때만 해도 온실가스를 빨아들이는 ‘흡수원’ 연구로 첫걸음을 뗐다. 그때만 해도 그의 연구에서 탄소는 주요 토픽이 아니었다. 2010년 가을 미국 프린스턴대학에 박사후연구원으로 가서야 탄소 순환 연구를 시작했다. 프린스턴대학에는 NOAA(미국 해양대기청) 산하 ‘지구물리유체연구소(GFDL·Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)’가 있다.
   
   “GFDL은 세계 최고의 기후 예측 모형을 갖고 있지만 그때까지는 식물의 활동이 기후변화에 어떤 영향을 주는지를 설명하는 방정식이 없었다. GFDL의 이 ‘식물 계절 활동’ 모델을 내가 만들었다고 해도 거짓말이 아니다. 3년간 컴퓨터 모델링 작업을 했다. 자연을 이해하려고 만든 컴퓨터 시뮬레이션 모델이다. 이 방정식은 세부식까지 하면 수식이 수십만 개도 더 될 것이다.”
   
   정 교수는 3년간의 프린스턴 생활을 뒤로하고 2013년 미국 서부 LA에 있는 NASA 산하기관 JPL(제트추진연구소)로 일터를 옮겼다. 이곳에서 2016년까지 일했다. JPL은 화성 표면 탐사 로봇인 ‘큐리오시티’를 만든 기관으로, 온실기체 농도를 하늘에서 측정하기 위해 위성 관측장비를 띄워 운영한다. 정 박사는 JPL의 기후생태팀에서 일하면서 OCO 위성 업무를 맡아 식물활동이 대기 중 이산화탄소를 얼마나 흡수하는지를 연구했다.
   
   정수종 교수의 경력에서 눈에 띄는 건 중국 대학 경험이다. 그는 미국 JPL에서 3년을 일한 뒤 2016년 중국 광둥성 선전에 새로 생긴 남방과기대 교수로 부임했다. 그리고 정 교수는 2018년 3월 서울대 환경대학원 교수로 왔다. 정 교수는 한국에 온 지 2년이 되었고, 이제 논문을 쏟아내고 있다. 한국의 온실기체(이산화탄소) 연구는 최근 미세먼지에 가려있지만 정수종 교수가 한국인에게 다가오는 이산화탄소의 위험을 알리는 파수꾼이 되어주기를 기대한다.

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