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아, 진짜, 드디어 대기권 얘기네요. 아유, 진짜 다행이야, 우리한테 대기가 있어서. 덕분에 따뜻하게 살잖아요. 만약에 대기가 없었으면, 지구는 진짜 삭막한 얼음 덩어리였을 거예요. 평균 기온이 막 영하 50도까지 떨어지고 그랬을 거야. 게다가, 대기가 있어서 우주에서 날아오는 끔찍한 우주선이나, 막 전기를 띤 입자, 자외선 같은 것도 막아주잖아요. 진짜, 두꺼운 대기가 4.5미터 콘크리트 벽이랑 똑같대요. 그런 거 없으면, 우주에서 오는 보이지 않는 것들이 우리 몸에 막 작은 칼처럼 팍팍 꽂힐 거래요. 에휴, 생각만 해도 끔찍해. 대기가 없으면, 빗방울도 우리를 기절시킬 수 있대요.
근데 진짜 신기한 게, 이 대기가 그렇게 많은 것도 아니래요. 위로 쭉 뻗어 있는데, 한 190km 정도까지밖에 안 간대요. 땅에서 보면 엄청 많아 보이지만, 지구를 책상 위에 있는 지구본 크기로 줄이면, 대기는 페인트 한두 겹 정도밖에 안 되는 두께래요. 진짜 얇죠?
과학적으로 편하게 보려고, 대기를 층층이 나눠놨대요. 굵기가 다 다른 네 개의 층으로 나눴는데, 바로 대류권, 성층권, 중간권, 전리층(요즘은 열권이라고도 한대요) 이렇게 나눈대요. 그중에서도 대류권은 우리한테 진짜 소중한 곳이에요. 진짜, 대류권에 있는 열이랑 산소만 있어도 우리가 살아갈 수 있거든요. 물론, 대류권을 뚫고 올라가면 금방 생명체가 살기 힘든 곳으로 변하긴 하지만요. 땅에서 제일 높은 곳까지, 대류권은 적도에서는 한 16km 정도 되고, 우리가 주로 사는 온대 지역에서는 10~11km 정도밖에 안 된대요. 대기 질량의 80%가, 거의 모든 날씨 변화가 이 얇고 희박한 층에 다 들어있대요. 우리 머리 위 하늘이랑 우리 사이에는 진짜 별로 없는 거죠.
대류권 위에는 성층권이 있어요. 막 뭉게구름 꼭대기가 쫙 퍼져서 모루처럼 생긴 거 본 적 있죠? 그거, 대류권이랑 성층권이 만나는 경계래요. 안 보이는 천장 같은 건데, 그걸 대류권 계면이라고 부른대요. 프랑스 사람이 1902년에 기구를 타고 발견했대요. 이름이 레옹-필리프 테세랑 드 보르래요. 여기서 "계면"은 "멈춘다"는 뜻이 아니라 "덮는다"는 뜻이래요. 영어 단어 menopause랑 어원이 같대요. 대류권 제일 높은 곳도 우리한테 그렇게 멀진 않아요. 요즘 초고층 빌딩에 있는 빠른 엘리베이터 타면 한 20분 만에 갈 수 있대요. 그렇지만, 안 하는 게 좋을 거예요. 밀폐된 공간이 아니면, 그렇게 빨리 올라가면 뇌나 폐에 물이 차는 심각한 부종이 생길 수 있대요. 조직에 있는 체액이 막 위험한 수준까지 늘어나는 거죠. 전망대 문이 딱 열리는 순간, 안에 있는 사람은 거의 죽거나 죽기 직전일 거예요. 천천히 올라가도 불편하긴 마찬가지래요. 10km 상공은 영하 57도까지 떨어져요. 산소도 필요하고, 적어도 산소가 있으면 좋겠죠.
대류권을 벗어나면, 오존층이 자외선을 흡수해서 온도가 금방 다시 올라간대요. 한 4도 정도까지 올라간대요. 중간권에 가면 다시 영하 90도까지 떨어지고, 이름부터 뜨거운 열권에 가면 갑자기 1500도 이상으로 확 올라간대요. 게다가, 열권은 낮이랑 밤 기온 차이가 500도 넘게 난대요. 아, 근데, 여기서 온도라는 게 약간 이론적인 개념이래요. 온도는 그냥 분자 움직임 정도를 나타내는 거거든요. 해수면에서는 공기 분자가 엄청 빽빽해서, 분자가 진짜 조금만 움직여도, 정확히 말하면 백만 분의 1센티미터 정도만 움직여도 다른 분자랑 쾅 부딪힌대요. 수조 개의 분자가 계속 부딪히면서 열을 주고받는 거죠. 그런데, 열권 높이, 그러니까 한 80km 이상 올라가면, 공기가 너무 희박해서 분자 두 개가 막 몇 km 떨어져 있고, 거의 만날 일이 없대요. 그래서, 분자 하나하나의 운동 에너지는 엄청 높은데, 서로 거의 영향을 안 줘서 열이 잘 전달이 안 된대요. 이거는 인공위성이나 우주선한테는 좋은 소식이에요. 왜냐하면, 열 교환이 너무 자주 일어나면, 그 높이에서 날아다니는 물체가 활활 타오를 테니까요.
그래도, 우주선은 대기권 밖에서도 조심해야 한대요. 특히 지구로 다시 돌아올 때요. 2003년에 일어난 콜롬비아 우주왕복선 참사가 그걸 보여줬죠. 대기가 얇긴 하지만, 우주선이 대기권으로 들어오는 각도가 너무 크거나, 한 6도 이상, 아니면 속도가 너무 빠르면, 너무 많은 분자랑 부딪혀서 불이 나기 쉬운 힘이 생긴대요. 반대로, 들어오는 각도가 너무 작으면, 물수제비 뜨듯이 튕겨져 나갈 수도 있대요.
우리가 땅에 얼마나 붙어 있어야 하는지 알고 싶으면, 대기권 끝까지 갈 필요도 없대요. 높은 지대에 있는 도시에 살아본 사람이면 알 거예요. 몇 백 미터만 올라가도 몸이 불편해지기 시작하잖아요. 경험 많은 등반가들도, 몸이 튼튼하고 훈련도 받고 산소통도 가지고 가는데, 금방 고산병에 걸린대요. 머리가 멍해지고, 토할 것 같고, 피곤하고, 동상 걸리고, 몸이 너무 차가워지고, 입맛도 없어지고, 여러 가지 문제가 생긴대요. 우리 몸은 높은 곳에서 제대로 작동하지 않는다고 엄청나게 강하게 알려주는 거죠.
등반가 피터 해벌러는 에베레스트 꼭대기 상황에 대해서 "최고의 조건에서도, 한 걸음 걷는 데 엄청난 의지가 필요하다"라고 말했대요. "계속 움직이려고 애쓰고, 잡을 수 있는 곳은 다 잡아야 한다. 항상 극심한 피로감을 느낀다"라고요. 마테 디킨슨이라는 영국 등반가 겸 영화 제작자는 "에베레스트의 다른 면"이라는 책에서 하워드 서머빌이라는 사람 얘기를 썼대요. 1924년에 서머빌은 영국 탐험대랑 에베레스트를 등반하다가, "목구멍에 염증이 생긴 살덩어리가 떨어져 나와서 기도를 막아서 질식할 뻔했다"라고요. 서머빌은 엄청 애써서 그 살점을 뱉어냈는데, 알고 보니까 "후두 전체 몽골 막"이었대요. 으, 상상만 해도 끔찍하네요.
한 7500미터 이상 높이, 등반가들이 "죽음의 지대"라고 부르는 곳에 가면 몸이 진짜 힘들대요. 그렇지만, 4500미터 정도 높이에서도 엄청 약해지거나 심지어 아파서 쓰러지는 사람도 많대요. 얼마나 예민한지는 몸이 튼튼한지 아닌지랑 거의 상관이 없대요. 어떤 때는 할머니는 높은 곳에서도 멀쩡한데, 튼튼한 젊은 사람들은 끙끙 앓으면서 더 이상 못 버티고 낮은 곳으로 실려 가기도 한대요.
사람이 계속 살 수 있는 한계는 한 5500미터 정도래요. 물론, 높은 곳에 익숙한 사람도 오랫동안은 못 버틴대요. 프랜시스 애쉬크로프트라는 사람이 "극단적인 환경에서의 삶"이라는 책에서 이렇게 썼대요. 안데스 산맥 5800미터 높이에 유황 광산이 있는데, 광부들은 매일 밤 460미터 내려와서 자고, 다음 날 다시 올라간대요. 계속 그 높이에서 사는 것보다 그게 낫대요. 높은 곳에서 사는 사람들은 몇 천 년 동안 가슴이랑 폐가 점점 커져서 산소를 운반하는 적혈구 농도가 3분의 1 정도 늘어난대요. 그렇지만, 혈액이 감당할 수 있는 적혈구 농도에는 한계가 있대요. 너무 짙어지면 혈액이 잘 안 흐르거든요. 게다가, 5500미터 이상 높이에서는 완전히 적응한 여자도 뱃속에 있는 아기한테 산소를 충분히 못 줘서 아기가 제때 태어나지 못한대요.
1780년대에 유럽 사람들이 기구를 타고 올라가는 실험을 시작했대요. 그런데, 올라갈수록 온도가 낮아지는 걸 보고 깜짝 놀랐대요. 1000미터 올라갈 때마다 온도가 한 1.6도 정도 떨어진대요. 상식적으로 생각하면, 뜨거운 태양에 가까워질수록 더 따뜻해야 하는 거잖아요. 그 이유 중 하나는 우리가 태양에 그렇게 가까워지는 게 아니래요. 태양이 1억 5천만 km나 떨어져 있대요. 태양 쪽으로 몇 백 미터 움직이는 거는 오하이오에 서서 호주 산불 쪽으로 한 걸음 다가가면서 연기 냄새를 맡으려고 하는 거랑 똑같대요. 또 다른 이유는 대기 속 분자 밀도 때문이래요. 햇빛이 원자를 활성화시키고, 원자 움직이는 속도를 빠르게 만든대요. 활성화된 원자는 서로 부딪히면서 열을 내고요. 여름에 햇빛이 등에 따뜻하게 느껴지는 거는 햇빛이 원자를 활성화시키고 있기 때문이래요. 높이 올라갈수록 원자가 적어지니까 서로 부딪히는 횟수도 줄어드는 거죠. 아, 신기하다. 공기는 우리를 속이는 것 같아요. 해수면에 있을 때, 우리는 공기가 가볍고 무게가 거의 없다고 생각하잖아요. 그렇지만, 사실은 공기 질량이 엄청나고, 그게 느껴질 때도 많대요. 해양학자 와이빌 톰슨은 100년 전에 이렇게 썼대요. "아침에 일어나 보면 기압계가 2.5cm 올라가 있는 걸 볼 때가 있는데, 밤새 반 톤에 가까운 무게가 우리를 누르고 있었는데도 우리는 아무 불편함도 못 느끼고 오히려 활력이 넘치는 기분을 느낀다. 밀도가 높은 기체 안에서 몸을 움직이는 데 힘이 덜 들기 때문이다." 반 톤이나 되는 무게가 우리를 누르고 있는데도 짓눌리는 느낌이 없는 이유는 우리가 바다 깊은 곳에 있어도 짓눌리지 않는 이유랑 똑같대요. 우리 몸은 압축되지 않는 액체로 되어 있어서 몸 안과 밖의 압력이 균형을 이루기 때문이래요.
그런데, 공기가 막 움직이고 있을 때는, 예를 들어 태풍이나 센 바람이 불 때는 공기 무게가 엄청나다는 걸 금방 알 수 있대요. 우리 주변에는 약 5200조 톤의 공기가 있대요. 지구 표면 1제곱 킬로미터당 900만 톤이 넘는 양이에요. 진짜 어마어마하죠? 수백만 톤의 공기가 시속 50~60km로 움직일 때 나뭇가지가 부러지고 지붕이 날아가는 건 당연한 일이에요. 앤서니 스미스에 따르면, 일반적인 기상 전선은 10억 톤의 따뜻한 공기와 그 밑에 깔린 7억 5천만 톤의 차가운 공기로 이루어져 있대요. 기상청 사람들이 흥분하는 것도 당연하죠.
물론, 우리 머리 위에 있는 세상에는 에너지가 엄청 많대요. 큰 뇌우 한 번에 미국 전체가 나흘 동안 쓰는 전력량만큼의 에너지가 들어 있대요. 조건이 맞으면, 뇌우 구름은 10~15km까지 올라갈 수 있고, 시속 150km가 넘는 상승 기류와 하강 기류를 포함한대요. 이 두 가지 기류는 같이 나타나는 경우가 많아서 비행기 조종사들은 뇌우 구름을 피하려고 한대요. 구름 안에서 입자들이 전기를 띠게 된대요. 왜 그런지는 정확히 모르지만, 가벼운 입자는 양전하를 띠고 상승 기류에 휩쓸려서 구름 꼭대기로 올라간대요. 무거운 입자는 구름 밑바닥에 남아서 음전하를 쌓고요. 이 음전하를 띤 입자들은 양전하를 띤 지구로 달려가고 싶어 하는데, 그 사이에 낀 것들은 운이 좋기를 빌어야 한대요. 번개는 시속 435,000km로 움직이면서 주변 공기를 28,000도까지 데울 수 있대요. 태양 표면 온도보다 몇 배나 더 높은 거죠. 전 세계에서 매 순간 1800건의 큰 뇌우가 발생하고, 하루 평균 4만 건 정도의 뇌우가 발생한대요. 번개는 밤낮으로 지구를 가르면서 매초 100개 정도가 땅에 떨어진대요. 하늘은 정말 활기 넘치는 곳이에요.
놀랍게도, 우리가 하늘에 대해서 알게 된 건 대부분 최근의 일들이래요. 제트 기류는 보통 9,000~10,000미터 상공에 있는데, 시속 300km 가까이로 움직이면서 모든 대륙의 날씨 시스템에 엄청난 영향을 준대요. 그렇지만, 제2차 세계 대전 때 비행기 조종사들이 그 안으로 날아다니기 시작하면서야 우리는 제트 기류가 있다는 걸 알게 됐대요. 지금도 우리가 잘 모르는 공기 현상이 많대요. "청천 난기류"라고 불리는 것도 있는데, 갑자기 비행기를 심하게 흔든대요. 매년 20건 정도는 심각해서 뉴스에 나올 정도래요. 이런 난기류는 구름이나 레이더로 잡히는 것과는 아무 상관이 없대요. 맑은 하늘에서 갑자기 나타나는 난기류인 거죠. 예를 들어서, 싱가포르에서 시드니로 가는 비행기가 호주 중부를 평온하게 날아가고 있는데, 갑자기 90미터나 뚝 떨어지는 거예요. 안전벨트를 안 맨 사람은 천장에 부딪힐 정도래요. 12명이 다치고, 심하게 다친 사람도 있었대요. 왜 이런 혼란스러운 기류가 생기는지 아무도 모른대요.
공기가 대기권 안에서 움직이는 과정은 지구 내부에서 기계가 돌아가는 과정과 똑같대요. 바로 대류 현상이죠. 습하고 따뜻한 공기가 적도에서 올라가다가 대류권 계면에 부딪히면 밖으로 퍼져 나간대요. 적도에서 멀어지면서 점점 식고 아래로 내려오고요. 바닥에 닿으면 다시 적도 쪽으로 돌아간대요.
적도 지역에서는 대류 과정이 비교적 안정적이고 날씨도 항상 좋대요. 반면에, 온대 지역은 계절도 바뀌고 지역마다 달라서 날씨가 불규칙하대요. 그래서, 고기압과 저기압이 끊임없이 싸운대요. 저기압은 상승 기류 때문에 생기고, 수증기를 하늘로 보내서 구름을 만들고 비를 내리게 한대요. 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 수증기를 더 많이 담을 수 있어서 열대 지방에 비가 많이 오는 이유래요. 그래서, 저기압 지역은 구름이랑 비랑 관련이 많고, 고기압 지역은 햇볕이 쨍쨍하고 날씨가 좋은 경우가 많대요. 이런 두 가지 기압이 만나면 구름 모양으로 알 수 있대요. 예를 들어서, 수증기를 머금은 상승 기류가 위에 있는 안정적인 공기층을 뚫지 못하면, 연기가 천장에 부딪힌 것처럼 밖으로 퍼져 나가면서 층운이 만들어진대요. 층운은 별로 예쁘지도 않고 특징도 없어서 하늘을 흐리게 만들죠. 사실, 담배 피우는 사람이 담배 연기가 바람 없는 방에서 어떻게 올라가는지 보면 이해가 잘 될 거예요. 처음에는 연기가 일직선으로 쭉 올라가다가, 밖으로 퍼져 나가면서 물결 모양 층을 이루잖아요. 슈퍼컴퓨터도 이런 물결 모양 연기가 어떻게 될지 정확하게 예측하지 못하는데, 기상학자들은 끊임없이 자전하고 바람이 많이 부는 세상에서 이런 움직임을 예측해야 하니까 얼마나 힘들겠어요.
우리가 아는 건 태양열이 골고루 퍼지지 않아서 지구에 기압 차이가 생긴다는 거예요. 공기는 이런 상태를 싫어해서 막 움직이면서 균형을 맞추려고 한대요. 바람은 공기가 균형을 맞추려고 하는 방법 중 하나래요. 공기는 항상 고기압 지역에서 저기압 지역으로 이동한대요. 압력 차이가 클수록 바람 속도가 빨라진대요.
바람 속도는 쌓이는 것들처럼 지수적으로 증가한대요. 그래서 시속 300km로 부는 바람은 시속 30km로 부는 바람보다 10배가 아니라 100배나 강하대요. 파괴력도 훨씬 크고요. 수백만 톤의 공기를 그 정도 속도로 움직이면 엄청난 에너지가 생기는 거죠. 열대 태풍 한 번에 영국이나 프랑스 같은 나라가 1년 동안 쓰는 에너지만큼의 에너지가 나온대요. 엄청나죠?
대기가 균형을 맞추려는 힘은 에드먼드 할리가 처음 발견했대요. 그 사람은 여기저기 안 끼는 데가 없네. 그리고 할리의 영국 동료인 조지 해들리가 18세기에 자세히 설명했대요. 해들리는 상승 기류와 하강 기류가 "순환"을 만든다는 걸 알아챘대요. 그 이후로 해들리 순환이라고 불린대요. 해들리는 변호사였는데 날씨에 관심이 많았대요. 그러고 보니 영국 사람이네요. 그는 순환, 지구 자전, 공기 방향 전환의 관계도 설명했대요. 공기가 방향을 바꾸는 것 때문에 무역풍이 생긴대요. 그렇지만, 1835년에 파리 고등 공업 학교 교수였던 가스파르-귀스타브 드 코리올리가 이런 상호 작용을 자세히 설명해서 코리올리 효과라고 부른대요. 코리올리는 학교에서 냉각기도 발명했는데, 아직도 코리올리 냉각기라고 부른대요. 지구는 적도에서 시속 1675km 정도로 돈대요. 북극이나 남극으로 가면 속도가 엄청 느려져서 런던이나 파리에서는 시속 900km 정도밖에 안 된대요. 적도에 있으면 지구는 우리를 데리고 4만 km 정도나 돌아야 제자리로 돌아올 수 있지만, 북극에 있으면 몇 미터만 걸어도 한 바퀴를 다 돌 수 있대요. 어디에 있든 24시간 안에 제자리로 돌아와야 하니까 적도에 가까울수록 돌아야 하는 속도가 더 빨라지는 거죠.
공중에서 지구 자전 방향과 수평으로 움직이는 물체가, 거리가 멀면 북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘어져 보이는 이유는 뭘까요? 코리올리 효과 때문이래요. 지구가 밑에서 돌고 있기 때문이죠. 이해하기 쉽게 설명하자면, 큰 경기장 가운데 서서 가장자리에 서 있는 사람에게 공을 던진다고 상상해 보세요. 공이 가장자리에 도착할 때쯤이면 그 사람은 이미 앞으로 이동해 있고 공은 그 사람 뒤로 날아갈 거예요. 그 사람 눈에는 공이 휘어져서 빗겨나가는 것처럼 보일 거예요. 이게 바로 코리올리 효과래요. 코리올리 효과 때문에 날씨 시스템이 휘어지고 태풍이 팽이처럼 도는 거래요. 해군이 대포를 쏠 때 왼쪽이나 오른쪽으로 방향을 조절해야 하는 이유도 코리올리 효과 때문이래요. 그렇지 않으면 25km 떨어진 곳에 쏘는 대포알이 목표 지점에서 90m나 빗나가서 바다에 빠질 수도 있대요.
날씨가 우리 삶에 얼마나 중요한지 생각하면, 기상학이 19세기쯤에야 과학이 됐다는 게 진짜 놀라워요. 기상학이라는 이름은 1626년에 T. 그랜저라는 사람이 논리학 책에서 처음 만들었다는데 말이죠.
문제는 정확한 기상학에는 정확한 온도 측정이 필요하고, 온도계를 만드는 게 예상보다 훨씬 어려웠대요. 정확한 온도를 재려면 유리관 안쪽 지름이 엄청 균일해야 하는데, 그게 쉽지 않았대요. 다니엘 가브리엘 파렌하이트라는 네덜란드 계기 제작자가 처음으로 이 문제를 해결했대요. 1717년에 아주 정확한 온도계를 만들었대요. 그런데, 이유는 알 수 없지만, 온도계에서 물이 어는점을 32도, 끓는점을 212도로 설정했대요. 처음부터 불편하게 생각하는 사람들이 있었대요. 1742년에 스웨덴 천문학자 안데르스 셀시우스가 다른 온도 단위를 만들었대요. 만든 사람이 처음부터 완벽하게 만들기는 힘들다는 걸 보여주듯이, 셀시우스는 끓는점을 0도, 어는점을 100도로 설정했대요. 그렇지만, 그 단위는 곧 뒤집혔대요.
현대 기상학의 아버지로 여겨지는 사람은 영국의 약사 루크 하워드래요. 그는 19세기 초에 유명해졌대요. 하워드는 1803년에 구름 종류에 이름을 붙였대요. 그는 린네 협회의 활동적이고 존경받는 회원이어서 린네 원칙을 사용했지만, 잘 알려지지 않은 아스케시 협회를 발표 장소로 선택했대요. 아스케시 협회 회원들은 웃음 가스를 즐기는 데 몰두했기 때문에 하워드의 발표가 진지하게 받아들여지고 중요하게 여겨졌기를 바랄 뿐이래요.
하워드는 구름을 세 가지로 나눴대요. 층층이 있는 구름은 층운, 솜털 모양 구름은 적운(라틴어로 "쌓다"라는 뜻), 높은 곳에 있는 얇은 깃털 모양 구조는 권운(뜻은 "말다")이라고 불렀대요. 권운은 보통 추운 날씨가 오기 전에 나타난대요. 나중에 비가 오는 구름을 우운("구름"이라는 라틴어 뜻)이라고 하는 네 번째 이름을 추가했대요. 하워드 체계의 장점은 하늘에 떠다니는 모든 모양과 크기의 구름을 설명할 수 있다는 거였대요. 층적운, 권층운, 적란운 등등으로 자유롭게 조합해서 쓸 수 있었대요. 이 체계는 영국뿐만 아니라 금방 성공했대요. 괴테는 이 체계를 너무 좋아해서 하워드에게 4편의 시를 썼대요.
그 후로 하워드 체계는 내용이 많이 추가돼서 백과사전 같고 잘 읽히지도 않는 "국제 구름 도감"이 두 권이나 됐대요. 그렇지만, 하워드가 죽고 나서 정해진 구름 종류는 학계 밖에서는 거의 안 받아들여졌대요. 학계 안에서도 조금밖에 안 받아들여지고. "젖꼭지 구름", "갓 구름", "안개 구름", "두꺼운 구름", "솜털 구름", "중간 구름" 같은 건 아무도 안 쓴대요. 1896년에 나온 첫 번째 도감은 구름을 10가지로 나눴대요. 그중에서 가장 풍만하고 폭신폭신한 권적운이 아홉 번째로 실렸대요. 적운은 깨끗하고 경계가 뚜렷한데, 다른 구름은 흐릿하대요. 왜냐하면 적운은 촉촉한 내부와 바깥쪽 건조한 공기가 명확하게 나뉘어 있기 때문이래요. 수증기가 구름 가장자리를 넘어가면 바깥쪽 건조한 공기가 바로 없애버려서 적운 가장자리가 깨끗하게 유지되는 거죠. 반면에, 훨씬 높은 곳에 있는 권운은 얼음이랑 구름 가장자리와 바깥쪽 공기 사이에 있는 영역으로 이루어져 있어서 가장자리가 흐릿하대요. "구중궁궐"이라는 표현은 여기서 유래됐대요.
가끔 험악해 보이는 모루 모양 뇌우 구름은 사실은 온순하고 실속 없는 거래요. 여름에 솜털 같은 적운은 한쪽이 수백 미터나 되는데도 물이 100~150리터밖에 안 들어 있대요. 욕조 하나 채울 정도밖에 안 된대요. 구름이 겉만 번지르르하다는 걸 알고 싶으면 안개 속을 걸어 보면 된대요. 안개는 멀리 날아가지 못하는 구름일 뿐이래요. 제임스 트레필의 말을 다시 빌리자면, "평범한 안개 속을 91미터 걸으면 8세제곱센티미터 정도의 물밖에 안 닿는다. 제대로 한 모금 마실 정도도 안 된다." 그러니까 구름은 큰 물탱크가 아니래요. 지구에는 담수의 0.035% 정도밖에 우리 머리 위에 떠다니지 않는대요.
수증기는 어디에 떨어지느냐에 따라 운명이 많이 달라진대요. 비옥한 땅에 떨어지면 식물이 흡수하거나 몇 시간, 며칠 안에 다시 증발한대요. 그렇지만 지하수로 들어가면 몇 년 동안, 심지어 몇 천 년 동안 햇빛을 못 볼 수도 있대요. 호수를 보면 평균 10년 동안 그 자리에 있었던 분자들을 볼 수 있대요. 바닷물 분자는 100년 정도 머무는 것 같대요. 일반적으로 비가 내리면 60% 정도는 하루 이틀 안에 다시 대기권으로 돌아간대요. 증발하면 1주일 정도 하늘에 있다가 다시 비로 내린대요.
증발은 금방 일어나는 과정이라서 여름에 물웅덩이가 어떻게 되는지 보면 알 수 있대요. 물을 계속 채워 넣지 않으면 지중해 같은 큰 바다도 1000년 안에 말라 버릴 수 있대요. 이런 일이 6백만 년 전에 일어난 적이 있는데, 그때 지중해가 말라서 과학계에서는 "메시니아 염분 위기"라고 부른대요. 그때 대륙 이동 때문에 지브롤터 해협이 막혔대요. 지중해에서 증발된 수증기는 다른 바다에 비로 내렸대요. 그래서 바다 염도가 조금 낮아졌대요. 덕분에 넓은 지역에 얼음이 생길 수 있을 정도로 희석됐대요. 얼음이 많아지면 태양열을 더 많이 반사해서 지구가 빙하기로 들어갔대요. 물론, 이건 이론적인 얘기래요.
확실한 건 지구에 작은 변화만 생겨도 상상할 수 없는 결과가 일어날 수 있다는 거예요. 우리도 그런 사건으로 태어났을 수도 있대요.
바다는 지구 표면 활동의 진짜 동력이래요. 기상학자들은 바다와 대기를 하나의 시스템으로 생각하고 더 자세히 연구하고 있대요. 물은 열을 저장하고 전달하는 데 엄청나게 능숙하대요. 멕시코 만류는 매일 유럽에 전 세계 석탄 생산량 10년치만큼의 열을 보낸대요. 영국이랑 아일랜드 겨울 날씨가 캐나다나 러시아보다 따뜻한 이유가 바로 그거래요. 그렇지만, 물은 천천히 뜨거워져서 제일 더운 날에도 호수나 수영장 물은 차갑잖아요. 그래서 천문학적으로는 계절이 시작됐는데도 실제로는 그 계절이 안 느껴질 때가 많은 거죠. 북반구 봄은 3월에 시작되지만 4월이 돼서야 봄이 느껴지는 곳이 많잖아요.
바닷물은 다 똑같지 않대요. 바닷물의 온도, 염도, 깊이, 밀도 등이 다 달라서 열을 전달하는 방식에 큰 영향을 주고, 기후에도 영향을 준대요. 예를 들어서 대서양은 태평양보다 염도가 높대요. 짜릿하죠? 바닷물이 짤수록 밀도가 높아지는데 밀도가 높은 바닷물은 가라앉는대요. 만약에 대서양 해류가 염도를 더 많이 가지고 가지 않으면 북극까지 밀고 올라가서 북극을 따뜻하게 만들겠지만 유럽은 귀한 열을 다 잃게 될 거래요. 지구에서 열을 전달하는 주요 운반체는 열염 순환이라는 거래요. 이 과정은 과학자이자 모험가인 럼포드 백작이 1797년에 발견했대요. 럼포드 백작은 진짜 대단한 사람이네요. 표면의 바닷물이 유럽 근처에 도착하면 밀도가 높아져서 깊은 곳으로 가라앉고, 천천히 남반구로 돌아간대요. 이 바닷물은 남극 대륙에 도착해서 남극 환류를 만나고 태평양으로 밀려 들어간대요. 시간이 오래 걸리지만 막대한 양의 열과 물을 운반하고 기후에 큰 영향을 준대요.
(물이 대양에서 대양으로 이동하는 데 얼마나 걸리는지 어떻게 계산할까요? 과학자들은 물에 들어있는 혼합물을 측정해서 공기 중에 얼마나 오래 노출되었는지 계산한대요. 여러 깊이와 위치에서 측정한 결과를 비교해서 물의 이동 경로를 비교적 정확하게 그릴 수 있대요.)
열염 순환은 열을 전달할 뿐만 아니라 해류가 움직이면서 먹이를 휘젓는 역할을 해서 더 넓은 해역에서 물고기와 다른 해양 동물들이 살기 좋게 만든대요. 안타깝게도 열염 순환은 주변 변화에 민감한 것 같대요. 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면 바다 염도가 조금만 희석돼도 순환이 엉망이 될 수 있대요. 예를 들어서 그린란드 빙하가 빨리 녹으면 재앙이 일어날 수도 있대요.
바다는 우리에게 또 다른 큰 도움을 주고 있대요. 바다는 많은 탄소를 흡수하고 탄소를 안전한 곳에 숨겨두는 방법을 가지고 있대요. 지금 태양이 타는 정도는 태양계가 처음 생겼을 때보다 25% 정도 더 강렬하대요. 그래서 지구가 지금보다 훨씬 더 뜨거워야 했대요. 그렇지만 지질학자 오블리 매닝이 말했듯이 “지구에는 절대적으로 재앙적인 결과가 일어났어야 하지만 지구는 거의 영향을 받지 않았대요.”
무엇이 지구를 안정적이고 시원하게 유지해 줄까요? 바로 생명체래요. 공기 중에 이산화탄소 형태로 존재하던 탄소가 빗물과 함께 떨어지면 수조 개의 작은 해양 생물들이 탄소를 포획하고 탄소를 이용해서 자신들의 작은 껍질을 만든대요. 그 생물들은 우리가 들어본 적도 없는 유공충, 코콜리스, 석회 조류 같은 것들이래요. 그들은 탄소가 껍질 속에 가두어서 다시 대기 중으로 증발하지 못하게 막아줘요. 작은 유공충, 코콜리스 같은 것들은 죽어서 바다 밑바닥으로 떨어진대요. 그리고 압축돼서 석회암이 되고요. 잉글랜드 도버의 하얀 절벽을 보면 거의 다 죽은 작은 해양 생물로 만들어진 게 믿기지 않겠지만 그 생물들이 얼마나 많은 탄소를 흡수했는지 알면 더 놀라울 거예요. 15세제곱센티미터 도버 백악에는 1000리터가 넘는 압축된 이산화탄소가 들어 있대요. 이산화탄소가 없으면 우리에게 좋을 게 없대요. 지구 암석에 갇힌 탄소는 대기 속에 있는 탄소의 2000배 정도나 된대요. 석회암의 많은 부분은 화산의 원료가 되어서 대기층으로 돌아가서 비의 형태로 지구에 떨어진대요. 그래서 전체 과정을 장기 탄소 순환이라고 부른대요. 탄소 원자 하나가 50만 년 정도 걸리는데 다른 요인들이 방해하지 않으면 기후를 안정적으로 유지하는 데 도움이 된대요.
안타깝게도 인간은 유공충이 준비됐는지 안 됐는지 상관없이 탄소를 대량으로 배출해서 순환을 엉망으로 만들고 있대요. 1850년부터 지금까지 대략 1천억 톤 탄소를 공기 중에 추가로 배출했고 매년 약 70억 톤씩 계속 증가하고 있대요. 자연은 화산 폭발과 나무 부패를 통해 매년 2천억 톤씩 이산화탄소를 대기 중에 배출하는데 이것은 자동차와 공장에서 배출하는 양의 30배 정도나 된대요.
지금까지 지구에 있는 바다와 숲이 자멸하는 운명에서 우리를 구해줬대요. 기상청 피터 콕스는 “생물권이 이산화탄소를 줄이는 데 한계가 있어서 우리에게 악영향을 주고 문제를 악화시키는 시점이 올 거다"라고 말했대요. 많은 나무와 식물들이 적응하지 못하고 죽어서 탄소를 내뿜고 지구 온난화가 빠르게 악화될까 봐 걱정하는 거죠. 이런 일이 과거에 인간이 관여하지 않았을 때도 있었대요. 탄소 순환은 회복돼서 지구를 안정적이고 아름답게 만들어 줄 거라고 하니 좋은 소식이죠? 마지막으로 이런 일이 일어났을 때 6만 년밖에 안 걸렸대요.