탄소 순환 — 탄소는 지구의 어디를 돌아다닐까

나무 한 그루가 자라 몇 톤이 되는 동안, 그 무게는 어디서 왔을까요. 흙에서 빨아올린 것 같지만 나무 아래 흙은 거의 줄지 않습니다. 나무의 몸을 이루는 탄소는 공기 속 이산화 탄소에서 왔습니다. 우리가 숨을 내쉴 때 나가는 이산화 탄소, 탄산음료의 거품, 석회암 절벽, 땅속의 석탄은 모두 같은 탄소입니다. 탄소는 한자리에 머물지 않고 공기·바다·땅·생물 사이를 끝없이 옮겨 다니는데, 이것이 탄소 순환입니다.

탄소는 네 곳에 나뉘어 있습니다

탄소가 머무는 곳은 지구 시스템의 네 권역입니다. 기권에서는 이산화 탄소로 떠다닙니다. 수권에서는 바닷물에 녹아 대부분 탄산수소 이온($\mathrm{HCO_3^-}$)으로 있습니다. 지권에서는 석회암 같은 탄산염 암석과 석탄·석유 같은 화석 연료로 묻혀 있습니다. 생물권에서는 생물의 몸을 이루는 유기물, 곧 탄수화물·단백질·지방입니다.

양은 고르지 않습니다. 탄소가 가장 많이 쌓인 곳은 지권이고, 그다음이 수권입니다. 기권과 생물권의 탄소는 둘에 견주면 아주 적습니다. 그런데 탄소가 가장 빨리 오가는 곳은 바로 이 적은 두 곳입니다. 숲이 한 해 동안 들이마시고 내뱉는 탄소는 대기 속 탄소의 몫으로 보면 결코 작지 않습니다. 그래서 적은 양이라도 기권의 탄소가 조금 늘면 지구 전체의 기후가 흔들립니다.

탄소를 옮기는 길

기권에서 생물권으로 가는 길은 광합성입니다. 식물이 빛에너지로 이산화 탄소와 물을 포도당으로 바꾸면, 공기의 탄소가 식물의 몸이 됩니다. 그 식물을 동물이 먹으면 탄소는 먹이 사슬을 따라 옮겨 갑니다. 되돌아오는 길은 호흡과 분해입니다. 생물이 유기물을 분해해 에너지를 꺼낼 때, 죽은 생물을 세균과 곰팡이가 썩힐 때 탄소는 이산화 탄소가 되어 공기로 나갑니다. 광합성과 호흡은 서로 반대 방향의 식이고, 둘의 균형이 기권과 생물권 사이의 탄소를 지킵니다(광합성과 세포 호흡).

기권과 수권 사이는 용해로 오갑니다. 이산화 탄소는 물에 녹아 탄산이 되고, 탄산은 수소 이온과 탄산수소 이온으로 갈라집니다. 기체는 찬물에 더 잘 녹으니 차가운 고위도 바다는 대기의 이산화 탄소를 빨아들이고, 따뜻한 저위도 바다는 도로 내놓습니다. 수온이 올라가면 바다가 품을 수 있는 이산화 탄소가 줄어 대기로 되돌아가는 쪽이 커집니다.

수권에서 지권으로 가는 길은 바다 생물이 엽니다. 조개·산호·플랑크톤은 바닷물의 탄산수소 이온과 칼슘 이온으로 탄산 칼슘 껍데기를 만듭니다. 생물이 죽으면 껍데기가 바닥에 가라앉아 쌓이고, 오랜 세월 눌려 석회암이 됩니다. 바다와 늪에 묻힌 생물의 유해가 열과 압력을 받아 석탄·석유가 되는 것도 생물권에서 지권으로 가는 길입니다. 지권의 탄소는 화산 활동으로 다시 기권에 나옵니다. 마그마에 녹아 있던 이산화 탄소가 분출할 때 빠져나오고, 땅 위로 드러난 석회암은 풍화되어 탄소를 강물과 바다로 돌려보냅니다.

사람이 손을 댄 뒤

이 순환은 오랫동안 균형을 이루어, 한 권역에서 나가는 양과 들어오는 양이 거의 같았습니다. 그래서 기권의 이산화 탄소 농도도 크게 변하지 않았습니다. 사람이 바꾼 것은 속도입니다. 화석 연료는 수백만 년에 걸쳐 지권에 묻힌 탄소인데, 그것을 캐내어 태우면 지권에서 기권으로 가는 길이 갑자기 넓어집니다. 숲을 베어 내면 기권에서 생물권으로 가는 광합성의 길은 좁아집니다. 두 변화가 모두 기권에 탄소를 쌓는 쪽이라 대기의 이산화 탄소 농도가 올라가고, 온실 효과가 강해집니다.

늘어난 이산화 탄소 가운데 일부는 바다가 받아 줍니다. 그러면 바닷물에 탄산이 늘어 pH 가 조금씩 낮아지고, 탄산 칼슘 껍데기를 만드는 생물이 살기 어려워집니다. 이것이 해양 산성화입니다. 바다가 많이 흡수할수록 대기의 농도 상승은 더디어지지만, 그 대가를 바다 생물이 치르는 셈입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 권역마다 탄소의 형태를 묻습니다. 기권은 이산화 탄소, 수권은 탄산수소 이온, 지권은 석회암·화석 연료, 생물권은 유기물.
• 탄소가 가장 많이 저장된 곳은 지권(탄산염 암석)이고, 그다음은 수권입니다.
• 이동 방향을 가립니다. 광합성은 기권 → 생물권, 호흡·분해는 생물권 → 기권, 용해는 기권 → 수권, 석회암 생성은 수권 → 지권, 화산 활동과 화석 연료 연소는 지권 → 기권.
• 수온이 높아지면 이산화 탄소의 용해도가 줄어 바다에서 대기로 나가는 양이 늘어납니다.
• 화석 연료 연소와 삼림 벌채는 기권의 이산화 탄소를 늘리고, 바다의 흡수는 해양 산성화로 pH 를 낮춥니다.

자주 헷갈리는 것

• "탄소는 생물의 몸에 가장 많다" — 생물권의 탄소는 아주 적습니다. 대부분은 지권의 석회암과 화석 연료에 묻혀 있습니다.
• "바다는 이산화 탄소를 흡수만 한다" — 바다는 녹이기도 하고 내놓기도 합니다. 찬 바다는 흡수하고 따뜻한 바다는 방출합니다.
• "식물은 이산화 탄소를 흡수만 한다" — 식물도 밤낮으로 호흡합니다. 낮에 광합성이 호흡보다 많아 흡수하는 쪽으로 보일 뿐입니다.

정리합니다. 탄소는 기권의 이산화 탄소, 수권의 탄산수소 이온, 지권의 석회암과 화석 연료, 생물권의 유기물로 모습을 바꾸며 돕니다. 광합성과 용해가 기권의 탄소를 거두고, 호흡·분해·화산 활동이 되돌려 놓습니다. 사람이 화석 연료를 태워 지권의 탄소를 빠르게 기권으로 옮긴 것이 오늘의 이산화 탄소 증가입니다.

그림 참고: [Wikimedia Commons, Carbon cycle diagram (NASA, public domain)](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon_cycle-cute_diagram.svg) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.