지구와사람

기후변화 콜로키움 2회 (2021.2.24.)

인류세 지구 시스템에서 기후와 사회적 티핑 요소 간의 연속적 상호작용 : 위험과 기회
(Cascading interactions between climate and social tipping elements in the Anthropocene Earth system: Risks and Opportunities)
- 조나단 동게스 박사 (Dr.Jonathan Donges), 독일 포츠담 기후영향연구소

지난 2월 24일 서울연구원과 지구와사람이 주최한 두번째 기후변화 콜로키움이 온라인으로 진행되어, 독일 포츠담 기후영향연구소 조나단 동게스 박사가 ‘인류세 지구 시스템에서 기후와 사회적 티핑 요소 간의 연속적 상호작용 : 위험과 기회' 를 주제로 강연을 진행했다. 경희대학교 미래문명원 안병진 교수의 사회로 서울연구원 유정민 부연구위원과의 질문과 토론의 시간을 가졌다. 

〈조나단 동게스 박사의 강연 내용 요약〉

이번 콜로키움에서는 바다, 대기, 생물권, 지구의 빙상을 포함한 자연 기후 시스템에서 나타나는 위험요소와 티핑 역학에 대해 이야기하고, 파리 기후 협약 및 지속 가능한 변화와 동일선상에 있는 긍정적인 사회적 티핑 포인트(전환점)의 가능성과 전체 지구 시스템 분석(Whole Earth System Analysis)에 대한 연구 내용을 공유합니다. 이는 기후 및 사회 시스템에서 티핑 포인트에서 나타나는 인간-기후 시스템 상호 작용 및 피드백 역학에 대한 통합적 접근입니다. 

지구온난화

마지막 빙하기와 인류 문명이 발달한 홀로세 사이에는 약 3도 정도의 차이가 있었습니다. 우리가 알 수 있는 것은 마지막 최대 빙하기부터 홀로세가 시작되는 변화가 진행되기까지는 약 1만년 가량이 필요했다는 것입니다. 그리하여 천문학적 주기에 의해 자연적 지구 온난화가 일어났습니다. 태양 주위를 도는 지구의 궤도 주기, 그리고 지구 궤도의 변화에 의한 것이었습니다. 그러나 3도의 자연적 온난화가 전개되는 데에는 1만년이 걸렸습니다. 홀로세 당시의 기후는 비교적 안정적이었고 이 안정적인 기후는 인간 문명이 시작되고, 농업이 복잡한 사회를 발전시키고, 이후에는 산업화까지 일어나도록 해주었습니다.

인류세

이제 이 모든 것이 인류 사회를 포함한 우리의 지구 시스템이 더 이상 홀로세에 머물러 있지 않다는 자각인 인류세의 개념을 만듭니다. 더 이상 자연적으로 진화하는 상태는 아니지만, 인류 사회가 범지구적, 지질학적 세력이 된 시대에 접어 들었습니다. 최근에 별세한 폴 크루첸(Paul Crutzen)이 인류세라는 용어를 처음 제시했을 때 염두에 두었던 것입니다. 그는 지구 온난화를 언급했습니다. 우리가 이해해야 할 핵심은 인류세가 실제로 이러한 사회-기술적 네트워크 구조와 인간이 창조해낸 거대한 에너지, 물질, 정보, 사람, 생물종의 흐름에 의해 만들어졌다는 것입니다. 우리는 전례없는 규모로 물건을 쉴새 없이 운송하고 있으며 이것이 인간이 지구 시스템에서 이렇게나 지배적이고 심지어 지질학적인 프로세스가 된 이유입니다.

티핑 포인트는?

티핑 포인트는 시스템이 가장자리 가까이에 위치한 지점입니다. 마치 달걀과 같습니다. 테이블에 올려진 날달걀을 상상해 보십시오. 달걀이 테이블의 가장자리에 매우 가깝게 놓여 있다면, 아주 가벼운 바람 한 줄기나 손가락으로 살짝 건드리기만 해도 가장자리에서 굴러 떨어져 깨지고 말 것입니다. 그러나 달걀이 테이블 중앙에 있다면 충격에 달걀이 테이블에서 움직일 뿐 떨어지지 않고 안전합니다. 이와 같이 시스템이 티핑 포인트에 가까우면 쉽게 무너질 수 있고, 이 경우 시스템의 임계성은 높다고 할 수 있습니다. 반면에 시스템이 티핑 포인트에서 멀리 떨어져 있으면 임계성이 낮아지고, 시스템은 쉽게 무너지지 않습니다. 즉, 시스템이 티핑 포인트에 가까울 수록 외부에서 오는 작은 동요 또는 작은 변화가 시스템에 실제로 분열을 가져올 만한 큰 변화를 일으킬 수 있습니다. 시스템이 무너진다는 것은 시스템이 질적으로 변한다는 것을 의미하고, 이는 인간 사회에 매우 큰 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

티핑 요소 지도에서 보듯이, 기후 시스템에는 서남극과 그린란드 뿐만 아니라 산악 빙하와 북극 해빙, 북반구의 제트 기류를 포함하는 대기 및 해양 순환 시스템이 있습니다. 이는 아시아, 유럽 및 북미의 날씨에 아주 중요한 역할을 합니다. 해양의 열을 전달하는 해양 순환은 어업뿐만 아니라 우리의 기후, 지역 기후, 그리고 생태계에도 매우 중요합니다. 숲, 사바나숲, 해양 생물군 등은 지구 온난화로 인해 급격한 변화를 겪을 수 있습니다. 이러한 다양한 티핑 요소들을 좀 더 체계적으로 살펴볼 때, 우리는 미래 인류 사회에 큰 영향을 미칠만한 큰 변화를 겪을 위험성을 지닌 온도 임계값이 무엇인지 관찰할 수 있습니다.

남극과 그린란드 빙상의 티핑 포인트

이러한 티핑 요소들은 이미 넘어갈 위험에 처해 있으며, 실제로 서남극 빙상이 이미 티핑 포인트를 넘어 돌이킬 수 없이 녹고 있다는 증거가 있습니다. 또한 우리는 가속된 빙하의 흐름을 통해 서남극뿐만 아니라 그린란드에서도 얼음이 녹는 속도를 볼 수 있습니다. 따라서 이 빙상들은 이미 해수면 상승에 크게 영향을 미치고 있습니다. 장기적으로 그린란드는 7미터의 해수면 상승, 서남극 빙상에는 최대 2미터까지 상승하게 될 수 있습니다. 이는 전 세계의 도시에게 엄청난 영향을 미칠 것입니다. 산호초도 이미 많은 영향을 받아 지구 온난화에 의해 발생하는 해양 폭염 현상으로 인해 부분적으로 크게 훼손되었습니다. 기후 조치가 심각하게 다루어지지 않는다면 기온이 더욱 높아져 금세기 안에 4도에서 5도의 지구 온난화 레벨에 도달할 가능성이 있습니다. 그리고 아마존 열대 우림, 북미 및 유라시아의 아한 대림, 열염순환(Thermohaline circulation, THC), Sahel, ENSO 등과 같은 시스템들도 이러한 티핑 포인트를 넘을 위험이 있습니다. 실제로 이미 티핑 포인트들이 교차했거나 곧 교차될 위험이 있으며, 심지어 이번 세기 안에도 더욱 많은 티핑 포인트가 교차될 수 있습니다. 이 과정에는 큰 위험이 따릅니다.

히스테리시스(hysteresis) 현상

또한 남극 빙상에 히스테리시스 현상(이력 현상, hysteresis)이 있다는 것을 발견할 수 있습니다. 즉, 온도를 올렸다가 다시 낮추더라도 시스템은 이전 상태로 즉시 돌아가지 않는다는 뜻입니다. 오늘날과 같은 빙상의 상태로 되돌아 가려면 훨씬 더 강력한 냉각현상이 필요합니다. 어느 시점에 지구 온난화가 어떻게든 역전되어 지구 냉각이 시작된다 하더라도 빙상이 녹았던 것 처럼 다시 얼 수 있는 것이 아닙니다. 이는 빙상이 본래의 상태로 돌아가는 데에는 훨씬 더 긴 경로가 필요하다는 것을 의미합니다. 그리고 이것이 히스테리시스 현상이 의미하는 바입니다. 시스템이 거쳐온 것과 같은 길이 아니라 멀리 돌아가는 길을 통해 되돌아온다는 것을 의미합니다. 서남극의 빙상이 녹으면 해수면이 2에서 3미터까지 상승할 있습니다. 동남극 빙상의 손실은 궁극적으로 최대 50m까지의 해수면 상승을 초래할 수 있습니다. 지구 온난화가 매우 빠르게 진행되더라도 빙상이 녹는데는 수천 년이 걸릴 것이고, 이는 오랜 시간 같지만 지질학적 시간으로 볼 때 이 현상은 ​매우 빠르게 일어나는 것입니다. 우리는 과거에 생성되는 데 수백만 년이 걸린 이 빙상을 인간이 수천년 안에 녹일 수 있다는 것을 알고 있고, 이는 다시 한번 인류세의 특징이 될 것입니다. 인간은 이런 변화를 일으킬 수 있습니다.

제트기류의 티핑 포인트

또 다른 주요 잠재적 티핑 포인트는 북반구 제트 기류 기후특성의 전환입니다. 이것은 북극 주변을 굽이쳐 움직이며 유라시아와 북미 지역에 고압 및 저압 시스템을 이동하는 순환 시스템입니다. 그리고 이것은 실제로 아시아, 유럽 및 북미 간의 기후를 결합하고 동기화할 수 있습니다. 그리고 지구 온난화로 인해 이미 관찰되는 기후특성의 전환으로 제트 기류가 갇힐 수 있기 때문에 더욱 빈번한 기상 이변으로 이어질 수 있다는 것을 볼 수 있습니다. 제트 기류는 보통은 굽이치며 이동하지만, 한 곳에 갇혀 이동을 멈출 수 있습니다. 이 경우 고기압 및 저기압 시스템이 같은 장소에 오랫동안 머물게 되면서 기상 이변을 일으킬 수 있습니다. 이는 한 장소에 오랜 기간 동안 많은 비가 내리거나 많은 열이 발생하기 때문입니다. 이 제트 기류가 북반구 전체를 덮고 있기 때문에 유럽, 동아시아 및 북미의 기상이변이 동기화될 수 있습니다. 예로 2018년 일본에 폭염이 발생했을 때, 캘리포니아에서는 산불과 폭염, 중부 유럽 전역에는 가뭄이 일어났던 것과 같이 말입니다.

숲의 티핑 포인트

그리하여 숲 상태와 사바나숲 상태 사이에는 티핑 포인트가 있고, 이는 숲의 회복성에서 나타납니다. 아마존 열대 우림이 지구 온난화에 대한 강한 반응을 보이는 것을 관찰할 수 있습니다. 아마존 열대 우림, 아프리카 및 콩고 열대 우림의 회복력은 크게 저하된 반면 동남아시아 열대 우림에서는 이것이 덜 두드러지게 나타나며 거의 반응이 보이지 않습니다. 이 시스템에는 많은 탄력성이 있는 듯 합니다. 생태계는 복잡하고 상황별로 달라지는 경향이 있다는 것을 볼 수 있습니다. 너무나도 많은 사람들이 생계를 이런 숲들에게 의존하고 있을 뿐만 아니라 숲은 지구상 생물 다양성의 매우 중요한 보물이기 때문에 계속 관찰하는 것이 아주 중요합니다. 이러한 숲의 감소는 심각한 생물 다양성의 감소로 이어질 수 있습니다. 

티핑 캐스케이드 (연쇄작용) 및 도미노 효과

이러한 다른 시스템 사이에서 발생하는 티핑 캐스케이드 및 도미노 효과의 위험을 살펴보는 최근의 연구를 보면, 이들은 지구 온난화에 독립적으로 반응하지 않고 상호 작용할 수 있기 때문에 이런 현상이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 그린란드 빙상이 넘어지면 도미노 게임에서와 같이 잠재적으로 대서양 자오면 순환(AMOC)을 넘어뜨릴 수 있습니다. 그리고 이러한 유형의 연구에서의 어려움은 현재 이러한 티핑 프로세스 중 상당수가 IPCC가 사용하는 것과 같은 최첨단 모델에 아직 완전히 반영되지 않았다는 것입니다. 티핑 요소에는 상당한 불확실성이 있기 때문에 우리는 항상 잠재적인 티핑 요소와 이들의 위험에 대해 이야기합니다. 물론 위험 분석과 불확실성 분석을 할 수는 있으나 현재의 복잡한 지구 시스템 모델은 위험 분석에 필요한 대규모 시뮬레이션을 하기엔 미흡한 상황입니다. 이것이 바로 저희가 네트워크 접근 방식, 복잡한 시스템 접근 방식에 대한 접근법을 제시하는 이유입니다. 이러한 접근 방식은 위험 분석을 효율적으로 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 티핑은 하나의 시스템에서 시작되어 계단식(캐스케이딩) 상호 작용을 통해 다른 시스템에 확산될 수 있습니다.

탈탄소화를 위한 사회적 티핑 포인트

탈탄소화를 위한 사회적 티핑 포인트의 잠재력과 저희가 수집한 실증적 증거와 모델링에 대해 알아보겠습니다. 많은 연구자들은 급속하게 탈탄소화를 이루기 위한 한가지 특정 사회적 변화에 의견을 모았고, 이는 긍정적 사회적 티핑 포인트, 민감한 개입 포인트 또는 사회적 티핑 역학이라고 불리는 것입니다. 여기에는 물론 사회적 티핑 역학, 사회적 변화, 혁명, 붕괴 및 회복력에 대한 경험적 증거가 존재합니다. 제가 일로나 오토(Ilona Otto)와 함께 한 연구에서 여러 역사가와 생태학, 사회학 등의 지식을 종합하려고 노력했고 전세계의 천여명의 전문가들에게 "사회적, 경제적으로 혁신적인 변화를 일으킴으로써 2050년까지 완전한 탈탄소화로 이어질 수 있는 사회적 티핑 요소는 무엇입니까?"라고 질문을 던짐으로써 전문가 의견을 모았습니다. 이 연구 결과를 작년 PNAS에 발표했습니다. 티핑 역학을 보여줄 잠재력이 있는 사회의 6개 주요 시스템 군집에 대해 설명하였고, 이는 에너지 생산 및 저장 시스템, 인간 정착지, 금융 시장, 교육 시스템, 규범 및 가치 시스템, 그리고 정보 피드백입니다. 이 모든 시스템들은 서로 다른 단계의 사회적 구조에 위치해 있으며, 다양한 참여자가 연관되어 있고 많은 다양성이 존재합니다. 

이들은 각기 다른 시간대에서 발전하고 있습니다. 급속하게 진화하는 금융 시장은 세대에 따라 변화하는 규범 및 가치 시스템 또는 교육 시스템보다 훨씬 더 빠르게 발전하고 있습니다. 정책 입안자, 사회 운동 및 기타 참여자들이 실제로 시스템의 변화 가능성이 있는 사회적 티핑의 주요 포인트를 찾았고, 이는 에너지 시스템에서 화석 연료 보조금을 없애고 분산된 에너지 생성을 촉진하는 것을 포함합니다. 이는 탄소 중립 도시와 인간의 거주지에 관한 것이고, 금융 시장의 화석 연료 투자 회수에 관한 것이자, 다양한 제품 및 서비스를 통해 온실 가스 배출 폐쇄와 같은 정보 피드백 생성에 관한 것이며, 유치원에서부터 일찍이 기후 교육 및 지속 가능성 교육을 하는 것입니다. 그리고 마지막으로 그레타 툰베리(Greta Thurnberg) 등이 참여 활동한 "미래를 위한 금요일" 운동과 같이 화석 연료의 영향을 널리 알리는 노력을 하는 것이고, 그리하여 조금 더 긴 시간대 안에 사람들이 지구를 그들의 생계의 기반으로 여기도록 규범과 가치 체계를 근본적으로 변경하고자 하는 것입니다.

Jonathan Donges 박사는 포츠담 기후영향연구소(PIK, 독일)의 인류세 지구 복원력에 관한 FutureLab (www.pik-potsdam.de/earthresilience) 의 공동 리더입니다. 또한 전체 지구 시스템 분석 Working Group의 리더이며, COPAN Collaboration (www.pik-potsdam.de/copan) 공동 발표자이기도 합니다. 스웨덴 스톡홀름 대학의 스톡홀름 복원력 센터의 연구원으로, 프린스턴 대학의 High Meadows 환경 연구소의 Visiting 연구원으로 지구 복원력 및 지속 가능성 이니셔티브 (www.earthresiliencesustainability.org)를 연구하고 있습니다. Jonathan은 베를린 훔볼트 대학에서 이론 물리학 박사 학위를 받았으며 지구 시스템 분석, 기후학, 고 기후, 사회-생태 시스템, 컴플렉스 네트워크, 컴플렉스 시스템 이론, 비선형 역학 및 시계열 분석을 포함한 다양한 주제에 대해 연구결과를 발표하고 있습니다.