지구 시스템의 상호작용 — 물과 탄소는 어디를 돌까

오늘 아침에 마신 물 한 컵은 며칠 전 어느 바다 위의 구름이었을지 모릅니다. 방금 내쉰 이산화탄소는 몇 달 뒤 어느 나뭇잎의 한 조각이 되어 있을 수 있습니다. 지구에서 물과 탄소는 새로 생기지도 사라지지도 않고 자리만 옮겨 다닙니다. 그 자리를 나눠 놓은 것이 지구 시스템이고, 자리 사이를 오가는 일이 상호작용입니다.

지구는 다섯 권으로 나뉩니다

• 지권 — 지각과 맨틀, 핵까지 땅으로 이루어진 부분. 부피가 가장 큽니다.
• 수권 — 바다, 빙하, 호수와 하천, 지하수. 대부분이 바닷물입니다.
• 기권 — 지표를 둘러싼 공기층. 높이에 따라 대류권·성층권·중간권·열권으로 나뉩니다.
• 생물권 — 지구에 사는 모든 생물.
• 외권 — 기권 바깥의 우주 공간.

나누는 것 자체가 목적은 아닙니다. 중요한 것은 경계에서 벌어지는 일입니다. 바다에서 물이 증발하면 수권의 물이 기권으로 갑니다. 화산이 터지면 지권의 기체가 기권으로 나옵니다. 식물이 광합성을 하면 기권의 이산화탄소가 생물권의 몸이 됩니다. 파도가 해안 절벽을 깎으면 수권이 지권을 바꿉니다. 이렇게 두 권 사이에서 물질과 에너지가 오가는 것이 상호작용이고, 지구에서 일어나는 거의 모든 일은 이 목록 안에 들어갑니다.

시스템을 움직이는 에너지는 셋입니다

• 태양 복사 에너지 — 가장 큽니다. 물을 증발시키고, 대기와 해수를 순환시키고, 광합성을 시킵니다. 날씨도, 바다의 수온 분포도 결국 이 에너지가 만든 것입니다.
• 지구 내부 에너지 — 맨틀을 대류시켜 판을 움직입니다. 화산과 지진, 조산 운동이 여기서 나옵니다.
• 조력 에너지 — 달과 태양이 잡아당겨 생기는 밀물과 썰물.

기권과 수권이 움직이는 것은 태양, 지권이 움직이는 것은 지구 내부, 바닷물이 하루 두 번 드나드는 것은 조력입니다. 이 셋을 갈라 두면 시험에서 헷갈리지 않습니다.

물의 순환 — 총량은 그대로입니다

태양 에너지를 받은 바닷물이 증발해 수증기가 되고, 올라간 수증기가 식어 응결하면 구름이 됩니다. 구름은 비와 눈으로 내려 땅을 적시고, 그 물은 하천을 따라 흐르거나 땅속으로 스며들었다가 다시 바다로 돌아갑니다. 이 고리에서 물이 없어지는 자리는 없습니다. 그래서 지구 전체로 보면 증발량과 강수량이 같습니다.

다만 자리마다는 다릅니다. 바다는 증발량이 강수량보다 많고, 육지는 강수량이 증발량보다 많습니다. 남는 물은 하천과 지하수가 되어 바다로 흘러가 그 차이를 메웁니다.

물의 순환이 옮기는 것은 물만이 아닙니다. 물은 증발할 때 열을 품고 응결할 때 내놓기 때문에, 저위도에서 가져간 열을 고위도에서 풀어놓습니다. 물이 흐르면서 흙과 돌을 깎아 나르는 것은 물질의 이동입니다. 순환 하나가 물·열·물질을 함께 옮기는 셈입니다.

탄소의 순환 — 대부분은 돌 속에 있습니다

탄소는 권마다 다른 모습으로 머뭅니다. 기권에서는 이산화탄소 기체, 수권에서는 물에 녹은 탄산수소 이온, 생물권에서는 몸을 이루는 유기물, 지권에서는 석회암과 화석 연료입니다. 이 가운데 양이 압도적으로 많은 곳은 지권입니다. 공기 중의 탄소는 전체로 보면 아주 적습니다.

오가는 길은 이렇습니다. 광합성으로 기권에서 생물권으로, 호흡과 분해로 생물권에서 기권으로. 이산화탄소가 바닷물에 녹으면 기권에서 수권으로, 바다 생물이 껍데기를 만들고 그것이 쌓여 석회암이 되면 수권에서 지권으로. 화산이 분출하면 지권에서 기권으로 돌아옵니다.

여기에 사람이 길을 하나 더 냈습니다. 화석 연료는 수억 년에 걸쳐 생물권의 탄소가 지권에 갇힌 것인데, 그것을 캐서 태우면 백여 년 만에 기권으로 나옵니다. 기권의 탄소는 원래 적은 양이라, 조금만 늘어도 온실 효과가 눈에 띄게 강해집니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 상호작용의 방향 짝짓기. 화산 가스 분출은 지권 → 기권, 광합성은 기권 → 생물권, 석회암 생성은 수권 → 지권, 파도의 침식은 수권 → 지권, 강수는 기권 → 수권.
• 에너지원 구분. 대기와 해수의 순환은 태양 복사, 화산과 지진은 지구 내부, 밀물과 썰물은 조력.
• 물의 순환에서 증발량과 강수량. 지구 전체는 같음, 바다는 증발이 많고, 육지는 강수가 많음.
• 탄소가 가장 많이 저장된 권은 지권.
• 화석 연료 연소가 지권의 탄소를 기권으로 옮긴다는 것.

자주 헷갈리는 것

• "다섯 권은 층층이 쌓여 있다" — 겹쳐 있습니다. 하늘을 나는 새는 기권과, 물고기는 수권과, 땅속 뿌리와 미생물은 지권과 겹칩니다. 특히 생물권은 나머지 권 위에 얇게 스며든 영역입니다.
• "물의 순환은 물만 옮긴다" — 열도 함께 옮깁니다. 저위도 바다에서 증발할 때 흡수한 열이 고위도에서 응결할 때 나옵니다.
• "탄소는 대부분 공기 중에 있다" — 대부분은 석회암 같은 퇴적암 속입니다. 기권의 몫이 작기 때문에 오히려 변화가 크게 드러납니다.

정리합니다. 지구는 지권·수권·기권·생물권·외권으로 나뉘고, 태양 복사와 지구 내부, 조력이 이들을 움직입니다. 물은 증발과 강수로 돌며 물질과 열을 함께 나르고, 탄소는 광합성과 호흡, 용해와 퇴적, 분출을 거쳐 네 권을 오갑니다. 어느 쪽도 양이 늘거나 줄지 않고 자리만 바뀝니다.