[그린스마트 및 기후 폭염] 기후변화와 폭염 그리고 생태에너지

김정호 건국대학교 교수
라펜트l김정호 교수l기사입력2020-03-01


기후변화와 폭염 그리고 생태에너지




_김정호  건국대학교 교수



지구상의 인류는 마치 나무와 같다. 그 특성에 따라 각각 문명이라 불리는 열매를 맺고 있기 때문이다. 어떤 문명이 발달하는데는 다양한 요소들이 작용하지만, 기후적 요건 또한 매우 중요하게 작용하고 있다. 기후가 우리의 생활에 미치는 영향은 극명한데, 이를 세 가지 정도로 구분해 보면, 첫째, 기후는 인간의 건강과 활동에 직접적인 영향을 미친다. 둘째, 기후는 식량과 자원 형성에 영향을 미치고 생활양식을 결정하는 간접적인 요인으로 작용한다. 셋째, 기후는 이러한 직접적인 요인과 간접적인 요인이 결합하여 이주, 인종혼합, 자연도태를 유발하는 강력한 요인이 되어 왔다.


이처럼 기상weather과 기후climate는 우리 생활 모든 면에 영향을 미친다. 좀더 쉽게 이야기하면, 우리는 겨울철 추위와 여름철 더위에 견디고 안락한 삶을 위하여 집과 난로, 에어컨, 단열재 등을 개발하였으며 옷을 입을 때 날씨를 확인하고 옷을 살 때도 기후를 고려한다.


기후는 지표면의 특정 장소에서 매년 비슷한 시기에 출현하는 평균적이며 종합적인 대기의 상태를 말한다. 반면에 기상은 공기 중에서 일어나는 하나하나의 대기현상 또는 순간적으로 나타나는 대기의 상태이다. 즉, 기상은 순간적이고 개별적으로 나타나는 대기현상을 말한다. 기상과 기후를 인간의 특성과 비교해서 설명해 보면, 기후는 ‘어떤 사람이 가지는 성격 혹은 기질이며', 기상은 '오늘의 기분’으로 생각하면 된다. 기후는 기상에 비하여 비교적 시간이 길다. 시간규모가 짧은 대기현상을 기상이라고, 보다 장기적인 경우를 기후라고 한다. 그러나 시간규모의 차이를 명확히 구분할 수는 없다. 보통 30년 평균값을 기후값으로 사용하지만, 상황에 따라서는 일주일 정도의 시간규모를 경계로 기상과 기후를 구분하는 경우도 간혹 있다.


우리는 오랫동안 평균적으로 나타나는 기후에 적응하면서 생명을 유지하지만, 수십년 혹은 수백년에 한 번 정도 출현하는 기상에는 순간적으로 대응해야 한다. 우리는 정상상태에서 크게 벗어난 날씨를 이상기상abnormal weather이라 하며, 세계기상기구에서는 매 10년마다 예년값을 갱신하여 사용할 것을 권고하고 있다. 우리나라에서 오늘날 사용하는 예년값은 1981~2010년의 평균값이다. 계절 혹은 월평균값이 예년값에서 크게 벗어나는 상태가 지속적으로 나타나면 이를 이상기후abnormal climates라 한다.


기후변화는 지구가 탄생한 이래로 오래전부터 지속적으로 진행되어 왔다. 오늘날 기후변화에 대한 중요한 이슈는 장기간의 기후변동에 비하여 최근 100~150년 동안 기후변화가 어느 정도의 규모인가, 그리고 최근의 기후변화가 인류활동에 의해서 배출되는 온실기체에 의한 것인가 등이다. 기후변화는 현재의 기후계가 자연적, 인위적 요인에 의하여 점차 변하는 것으로 정의되며, 자연적 요인으로는 태양복사에너지의 변화, 화산과 지각변동, 기후시스템의 자연변동성,지구공전궤도의 변화(밀란코비치 이론), 지구대기에 의한 에너지 흐름의 변화, 해양 열저장량의 변화 등이 있으며 인위적 요인으로는 온실가스 및 에어로졸의 증가, 벌채와 같은 산림파괴, 사막화 등이 있다.


태양으로부터 지구로 유입된 태양복사에너지의 대부분은 가시광선 형태인데, 이중 30%는 우주로 다시 방출되고 약 70% 정도만 지표면에 도달한다. 지표면에 도달한 에너지는 적외선이나 열복사 형태로 다시 우주로 방출되는데, 대기 중 온실가스가 이 열에너지를 흡수, 산란시켜 대기를 일정 수준으로 따뜻하게 하여 지구생태계를 유지한다. 그러나 최근 도시화와 산업화에 따른 다량의 온실가스 배출은 대기 중 온실가스 농도를 크게 증가시켜 과다한 온실효과를 유발하고 이는 기상시스템의 균형을 파괴하여 현재 세계 각지에서 예측 불가능한 기후변화와 자연재해가 발생하고 있다. 이런 기후변화에 따른 다양한 현상은 여러 곳에 확인되는데, IPCC 4차 보고서에 의하면, 과거 100년 동안 0.74±0.2℃ 상승하였고 최근 50년 동안에는 1.3℃의 상승폭을 기록하였다. 이와 더불어 빙하의 후퇴, 가뭄, 홍수, 이상고온 등 다양한 기상기후 혹은 이상기상이 빈번하게 발생하고 있다.


최근 기후변화와 연계하여 우리나라 핵심이슈는 ‘겨울철과 봄철 미세먼지’, ‘여름철 폭염’으로 요약할 수 있다. 이 두 가지를 해결하기 위해 국가적으로도 다양한 노력을 하며 지역별, 분야별로도 각각 다양한 이론과 기술이 개발되고 있는 실정이다. 여름철 폭염의 경우 과거에도 있었던 현상이지만, 최근 기후변화의 진행에 따라 그 발생시기가 불확실해지고 발생빈도나 강도 등이 더 심화되고 있는 추세이다. 앞으로 30년 뒤, 2050년 8월을 생각했을 때, 2019년 오늘의 가장 더운 여름 혹은 폭염일이 가장 시원한 날로 기억될 수도 있을 것이다. 폭염의 영향은 다양한 분야에서 발생하지만, 특히 건강에 대한 영향이 큰데, 이미 전 세계 대도시에서 발견되어 검증된 수준이다. 폭염으로 인한 사망사고 보고는 1995년 미국 시카고 697명, 2003년 프랑스 14,802명, 2010년 러시아 55,730명 등으로 보고되고 있다. 우리나라에서도 보건복지부에 따르면 2013년 온열질환자 수가 1,195명이며 이는 2012년 대비 1.2배에 해당하는 수치이다.


폭염은 극한 더위 또는 열파라고 부르며 일반적으로 갑작스럽게 찾아오는 심한 더위로서 일정 온도 이상의 기온이 수일동안 지속되는 기상현상을 의미한다. 폭염에 대한 정의는 국가별로 다양하게 정의되고 있지만, 주로 30~35℃수준의 기온이 일정 기간 동안 지속될 때로 정의하고 있으며 우리나라 기상청에서는 일 최고기온이 33℃이상 2일 연속 지속이 예측될 때에는 폭염주의보를, 일 최고기온이 35℃이상 2일 연속 지속이 예측될 때에는 폭염경보를 발령하고 있다.


폭염의 영향은 개인의 건강뿐 아니라 다양한 산업에 영향을 미치고 이는 사회경제적 영향 및 피해로도 이어질 수 있다. 실제 폭염으로 인해 여름철 에어컨의 보급 증가와 이로 인한 전력위기로 공공기관의 냉방 제한, 해역 주변의 수온 증가로 인한 연안 양식생물의 집단 폐사, 새로운 아열대 생물의 확산, 가축의 폐사, 온열질환자의 다수 발생 등 다양하게 언급될 수 있다. 즉, 폭염은 이제 일시적 현상이 아니라 우리가 맞이해야 할 기후적 요소이며 폭염에 대한 대응은 개인의 건강뿐 아니라 생물다양성 측면에서도, 사회경제적 측면에서도 새로운 패러다임을 야기할 수 있을 것이다.


앞에서 언급한 기후, 기후변화 그리고 이런 영향으로 야기되는 폭염을 이해하기 위해서는 지구 혹은 지역별 에너지 수지 측면에서 이해하고 접근해야 한다. 지구에서 발생하는 에너지의 99%는 태양에너지에 의존한다. 일부 지구 내부에서 에너지가 생성되지만, 1%미만이므로 우리는 태양에너지가 유일한 에너지라고 해도 과언이 아니다.


그러므로 지구로 유입되는 유일한 에너지는 태양에너지만을 생각하면 되고, 지구는 우주공간과 물질(질량)의 유출입이 없다고 생각해도 무방하므로 이를 닫힌 계라고 부른다. 지구에서 에너지는 크게 4개 형태로 존재하는데, 복사에너지, 열에너지, 운동에너지, 위치에너지이다. 이들은 태양에너지가 지구에서 변환되어 나타난 것들이며 에너지 전달에는 전도, 대류, 복사의 세가지 양식이 있다. 일반적으로 에너지의 입력과 저장 사이에는 다음과 같은 식이 성립되는데, ‘에너지의 입력 = 에너지의 출력 + 에너지 저장량의 변화’이다. 태양에너지는 상기에서 언급한 전달 방식 중 복사의 방식으로 전달되므로 우리는 이를 태양복사에너지라고 부른다. 태양에서 지구로 전달되는 에너지를 태양복사에너지, 태양에너지가 지구에서 흡수되어 다시 외부로 방출되는 것을 지구복사에너지라고 한다. 이런 태양복사에너지와 지구복사에너지의 관계 즉 에너지의 평형이 이루어질 때, 우리는 정상적인 지구의 기후를 맞이할 수 있지만, 다양한 요인에 의해 에너지 균형이 파괴되어 지금과 같은 기후변화, 폭염, 태풍 등의 다양한 기상현상이 생기는 것이다. 이런 에너지의 불균형을 야기하는 데는 물론 자연적인 측면도 있다. 그렇지만, 앞에서도 언급했듯이 최근 발생하는 에너지의 불균형은 인간의 과도한 경제활동과 사회활동이 크게 영향을 미친다는 것에 주의해야 한다.


지구-대기시스템에 대한 태양에너지 흐름 모식도
(T. Mizukoshi and S. Yamashita, 1985 자료 재구성)


에너지의 흐름 (Hubert, 1971 자료 재구성)


태양복사에너지가 지구로 유입만 된다면, 지구는 계속 뜨거워져 생물이 살 수 없을 것이다. 지구는 받은 태양복사에너지를 다시 우주공간으로 방출함으로써 생물이 살 수 있는 적절한 온도를 유지하는데, 이때 지구에 흡수되었다가 재방출 되는 에너지를 지구복사에너지라고 하며 이러한 일련의 과정을 지구복사수지라고 한다. 만일 태양복사에너지를 100%라고 가정하였을 경우, 이중 31%는 대기의 산란과 지표면의 반사로 인해 우주로 바로 방출되고 나머지 69% 중 49%는 지표에 흡수되며 20%는 대기에서 흡수하게 된다. 지표면에 흡수된 49% 중 30%는 대류와 전도, 증발의 형태로 대기 중으로, 나머지는 지구복사형태로 방출된다. 이때 에너지 평형을 위한 공기와 물의 순환과정에서 바람 등 기상현상과 해류의 이동이 발생하게 된다.


대기에는 태양으로부터 직접 흡수한 20%와 지표로부터 방출된 49%를 합한 69%의 에너지가 존재하는데, 이렇게 흡수된 복사에너지는 대기-지표간의 재복사 과정을 거쳐 지구의 온도를 높이고 마지막으로 우주공간으로 빠져나가게 된다. 즉, 지표와 대기가 흡수한 복사에너지의 양과 방출하는 복사에너지의 양은 같은 복사평형을 이루며 이 결과로 지구의 연평균 기온이 거의 일정한 것이다.


조경분야에서도 이제는 에너지 메커니즘을 이해하고 이를 적극적으로 적용해야 할 시기이다. 지금까지 알베도를 고려한 포장재 적용, 물순환을 고려한 시스템, 입체녹화 등을 통한 열섬저감 등을 다양하게 적용해 왔지만, 단편적으로 접근한 수준이다. 이제는 더 적극적인 방안 모색이 필요하다. 단순히 수동적 측면에서 수목만을 식재하면 기온이 내려간다는 측면이 아니라 식재한 수목이 일사를 차단, 차단된 일사에 의해 표면에서 발생하는 지구복사량이 감소하여 기온에 미치는 영향이 어느 정도인가를 고려한 설계와 식재가 이루어져야 할 것이다. 아울러 식재에 의해서만 해결될 수는 없으므로 식재에 의해서 몇 %, 수공간에 의해서 몇 %, 포장재 종류에 따라서 몇 % 등으로 다양한 과학적 측면이 적용되어야 할 것이다. 이제 나무 한 주를 심어서 온도 몇도를 낮춘다는 소극적 측면이 아니라 종합적이며 체계적으로 그리고 적극적으로 대응해야 할 시기이다. 조경은 기후적 관점에서 보면, 작은 스케일에 대한 접근이므로 조경에 의한 조작(지형의 조작, 수목의 식재, 공간의 조작 등)만으로 기온과 습도를 변화시키는 것은 거의 불가능하다. 그 이유는 대기는 항상 움직이기 때문에 작은 스케일에 수목을 몇 주 식재한다고 해도 외부의 뜨거운 공기와 교류가 일어나 수목 하부의 기온 저감에는 큰 영향을 미치지 못한다. 다만, 일사의 차단과 차단된 일사에 의한 지표면 복사열의 감소로 인해 우리가 덜 뜨겁게 느끼는 것이다. 이런 에너지 메카니즘과 그 영향에 대해 간과해서는 안된다.


특히 인간의 에너지평형은 인체가 흡수하는 에너지와 방출하는 모든 에너지 흐름과 관계가 있는데, 일반적으로 에너지 평형이 이루어졌을 때, 열적 쾌적감을 느낀다. 에너지 평형을 수식으로 나타내면, ‘에너지 평형 = 신진대사에너지 + 태양복사에너지 흡수량 + 지구복사에너지 흡수량 – 증발로 손실된 열 – 대류로 손실된 에너지량 – 방사된 지구복사에너지량’이다. 상기의 메카니즘을 이용한 에너지 조경설계, 즉 사이언스디자인이 이루어진다면, 지금보다 더 쾌적한 공간 연출이 가능할 것이다.


도시에너지 저감 측면에서도 지금까지는 건축물 에너지절감 및 신재생에너지 사용 등을 중심으로 집중되어 왔다. 이제 생각의 변환을 해서 외부 공간 온도를 일부 낮출 수 있다면, 이는 건축물의 설비를 통한 에너지절감비용보다 훨씬 더 효과가 크다고 할 수 있다. 지금까지는 단순히 수목 혹은 녹지를 조성하면 온도가 낮아진다는 단순한 접근으로 수행했다면, 이제 즉, 지금의 시대에서는 녹지만으로 도시의 기후문제를 해결하는 시대는 지났다고 생각이 든다. 그러므로 녹지의 조성 + 기화냉각을 활용한 증발냉각시스템의 복합적 적용도 바로 인간의 쾌적감 증진과 더불어 도시 외부 미기후를 개선시키는 중요한 방안이 될 수 있다. 건축물에서 온도 1℃를 절감하기 위해 얼마나 많은 기법 즉, 단열재 강화, 신재생에너지 도입 등이 적용되고 있는가. 만일 이를 돈으로 환산한다면 그 비용은 매우 클 것이다. 우리가 외부공간의 에너지 메카니즘을 제대로 적용해서 외부공간 기온 1℃를 낮춘다면, 이때 낮아진 온도 1℃가 건물에 미치는 영향을 고려할 때, 그 경제적 가치를 예상할 수 있을 것이다. 따뜻한 지역의 건축비가 추운지역보다 더 싼 이유가 여기에 있는 것이다. 즉, 외기의 열환경을 억제하기 위해 건물의 열관류값을 낮추기 위해 많은 노력을 하는 것처럼 우리도 외부공간의 열환경 측면에 더 많은 신경을 쓴다면 비로서 대기-도시-조경(녹색공간)-건축이 하나가 되어 도시의 열환경 혹은 도시에너지 과잉 현상 개선을 도모할 수 있을 것이다.


‘독일의 공학, 스위스의 기술적 혁신, 그리고 미국은 .... 기여한 바 없음’ 다임러벤츠가 남아프리카공화국에서 시행한 소형차 스마트 포포광고 문구에 나오는 글귀이다. 환경과 에너지 시대를 대비하는 우리의 모습은 과연 무엇일까? 그리고 조경과 녹색환경분야에 종사하고 연구하는 우리들의 모습은 어떨까?


토머스 프리드먼이 미래의 생존전략 핵심키워드로 설정한 코드그린code green은 좁게 해석하면 녹색혁명이고 넓게 해석하면 세계혁명이라고 할 수 있다. 코드그린에서는 단순히 신재생에너지 사용만을 국한하지 않고 가장 친환경적인 세계, 가장 에너지 생산성이 높은 세계, 가장 그린컬러가 많은 그린세상을 꿈꾸고 있다. 우리는 에너지기후시대energy-climate era에 살고 있고 이 뜨겁고, 평평하고, 붐비는 세상을 헤쳐 나아갈 수 있는 유일한 길이 바로 녹색환경을 기초로 한 에너지 사이언스디자인이라고 생각된다.


우리가 살고 있고 일하고 연구하는 대상인 산림이나 숲 그리고 공원 등의 녹지가 바로 환경 및 인간에 미치는 중요한 에너지의 근원이라고 할 수 있다. 이는 식물 및 지형의 요인일 수도 있고, 녹지내부의 미기상 때문일 수도 있다. 아니면 토양 및 주변의 환경 때문일 수도 있다. 앞으로 녹지가 주는 건강한 에너지를 바로 “생태에너지eco energy”라고 정의하고자 한다. 우리가 건강을 위해 치유의 숲을 방문하듯이 자연은 우리에게 그리고 도시에게 건강한 에너지를 생산해 주고 있으므로 이를 연구하여 새로운 분야를 개척해야 할 것이다. 이를 위해 지금은 생태와 에너지학, 녹지기상학, 음이온 및 대기물질, 식물과 미기후와의 관련성 등에 대한 기초연구를 하나씩 확립해 나아간다면, 생태에너지로 인해 인간뿐 아니라 도시 및 건축, 지구 그리고 다양한 생태계에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.


마지막으로 ‘땅도 숨을 쉰다’라는 의미에서 우리가 눈으로 볼 수 없지만, 흙 속에는 다양한 동물, 식물이 서식하고 있고 이들이 살아가기 위해 많은 에너지 메커니즘을 형성하고 있다. 우리의 환경훼손이 이런 메커니즘을 파괴하고 그리고 궁극적으로는 환경의 악화와 더불어 기후변화 등을 야기하는 원인이 되기도 한다. 환경과 에너지에 대한 문제는 이제 비단 전문가만의 문제가 아니라 우리 모두가 동참해야 할 문제인 것이다. 환경보전과 복원을 고려할 때, 생물다양성 측면만을 보지 말고 이제 생물다양성 측면과 더불어 생태에너지 측면에서도 우리의 자연과 도시를 바라봐야 할 것이다.

_ 김정호 교수  ·  건국대학교
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