탄소 순환(Carbon Cycle)

  산업혁명 이후의 화석연료 사용과 토지이용 변화는 전지구적 기후위기를 초래하고 있습니다. 이를 극복하기 위해  많은 나라들은 대기 중의 이산화탄소 농도 증가를 막고자 탄소중립을 선언하고 이에 동참하고 있습니다. 지각에서의 탄소의 주요 저장고는 대기, 해양, 생물권, 지각 등이 있습니다. 탄소는 대기권에서는 주로 이산화탄소(CO2), 해양(수권)에서는 탄산 이온(CO32-)과 중탄산이온, HCO3-), 지권에서는 석회암(CaCO3)이나 탄화수소류의 화석연료 등으로 존재합니다. 생물체 내에서의 탄소는 다양한 유기물의 형태로 존재하게 됩니다. 탄소는 산업화 이전에는 오랜기간동안 이러한 저장고를 순환하며 대기 농도가 일정하게 유지되는 정상상태의 탄소순환을 오랜기간 유지하고 있었습니다. 현재의 탄소순환의 균형이 무너진 배경을 이해하려면 우선 전 지구적인 탄소 순환에 대한 이해가 있어야 합니다. 지구에서의 탄소순환과정은 다양한 생물학적, 화학적, 지질학적 과정을 통해 이루어지는데 중요한 과정만 간단하게 아래와 같이 그려보았습니다만 실제로는 훨씬 더 복잡한 과정이 관여하고 있을 것으로 생각됩니다. 

탄소순환 모식도(직접 작성)

① 대기에서의 수권(해양, 하천, 호소)으로의 탄소의 이동

   대기에는 농도로는  약 0.03~0.04 %의 탄소가 존재하고 양으로는 약 800  gigatons의 탄소가 존재하는 것으로 추정되고 있습니다. 대기의 이산화탄소는 용해되어 수권(대부분 해양)으로 흡수되거나 강우에 용해되어 해양으로 이동하게 됩니다. 해양은 약 40,000  gigatons의 탄소를 저장하고 있어 대기의 약 50배에 해당하는 탄소를 저장하고 있습니다.  바다는 이러한 대기 중의 탄소를 흡수 및 저장하여 대기중의 탄소량을 조절하는 기능을 가지고 있습니다. 해양에 용해된 탄소는 해양의 식물성플랑크톤 등에 의한 광합성과 이어지는 먹이연쇄의 과정으로 생체유기물로 변화되고 사멸되어 침전되는 과정(biological pump)이나 해류의 흐름을 따라 해양심층으로 이동하게되는데, 이러한 과정에 의해 해양의 약 97 % 정도의 탄소는 해양심층에 존재합니다.
   하지만 온난화로 해수의 온도가 상승하게 되면 수온이 증가할수록 기체의 용해도는 감소하므로 해수의 이산화탄소 용해능력도 감소하게 되고 따라서 해수의 탄소저장능력도 부족해질 것으로 생각됩니다. 이러한 과정은 다시 온난화를 더욱 심화시킵니다.
 

② ③ 광합성, 대기나 물에서 생물로의 탄소 이동

  탄소순환의 중요한 점은 태양에너지가 생명체로 유입되는 과정이라는 점입니다. 즉 광합성을 통한 유기물 합성이 생물 간의 먹이사슬을 통해 전체 생물로 퍼져나가는 점입니다. 즉 육상식물이나 해양 등의 식물성플랑크톤류는  대기나 물로부터 탄소를 흡수하여 유기물을 합성합니다. 육상에서는 대기 중의 CO2를 이용하고 수중에서는 주로 탄산 이온(CO32-)이나, 중탄산이온(HCO3-) 형태의 탄소를 이용합니다.  광합성에 의해 식물이나 플랑크톤의 생체 내로 유입된 탄소는 먹이사슬, 먹이그물을 통해 지구 상의 여러 단계의 소비자들에게 전달되게 됩니다.

식물(좌)과 플랑크톤(우) : 광합성을 통한 생물체로의 탄소 유입요소

④⑤ 호흡, 분해

  생물체는 생존과 번식에 필요한 에너지를 얻기 위해 호흡과정을 반드시 거치게 됩니다. 생물체 내의 탄소는 호흡과정을 통해 이산화탄소로 전환되어 물이나 대기중으로 이동하게 됩니다. 또한 생물의 사체나 벌채 등으로 인한 수목잔재물, 동물의 배설물에 포함된 유기물 속의 탄소는 이를 분해하는 미생물의 호흡작용을 통해 이산화탄소로 변화되어 대기나 수중으로 이동하게 됩니다.  또한 식생 등의 생물체는 화재나 화전농업 등에 의한 연소작용에 의해서도 이산화탄소 등의 탄소로 전환되어 대기 중으로 방출됩니다.

벌채와 산불에  의한 대기 중으로의 탄소 방출

⑥⑦⑩ 석회암 광물, 시멘트 제조

  지각에는 석회암(탄산칼슘)이라는 탄소의  가장 큰 저장고가 있습니다. 다행이 석회암층에서의 대기로의 탄소 이동은 아주 느리고 규모가 작은 과정으로 대기권 탄소 증가에 거의 영향을 미치지 않습니다. 석회암은 과거 지질시대에  조개나 산호 등이 해수의 칼슘이온(Ca2+)과 탄산이온(CO32-)을 이용하여 자신의 보호용 패각(조개껍데기 등), 몸체 등을 만들고 이들이 오랜 지질학적 시간을 거쳐 퇴적됨으로 생성된 것으로 추정되고 있습니다. 또한 이러한 생물적 작용 외에  칼슘이온(Ca2+)과 탄산이온(CO32-) 상호간의 반응에 의해서도 탄산칼슘의 침전이 생성될 수도 있습니다.

튀르키예의 파묵칼레의 석회암(좌)와 고둥(우)

  석회암은 상대적으로 다른 암석에 비해 물에 녹기 쉬운데 지하수나 빗물에 의해 석회암이 녹게 되면 다시 수권으로 탄소가 유입되게 됩니다. 예를 들어 석회암 동굴은 석회암 지대를 흐르는 지하수에 의해 석회암 지칠층이 녹아서 생긴 지형입니다. 석회암 용해반응은 아래와 같습니다.

H2O + CO2 → H2CO3
CaCO3 + H2CO3 → Ca2++ 2HCO3-
 

  석회암 속에 포함된 탄소는 그 양을 추정할 수 없을 정도로 엄청나게 많기 때문이 이들이 대기중으로 뿜어져 나온다면 지구의 기온은 섭씨 수백도까지 상승하여 생물이 살 수 없는 죽은 행성이 될 것입니다. 다행이 이런일은 있기 힘들지만 인간이 석회암을 이용하여 시멘트를 만드는 과정에서 석회암에서의 탄소가 대기중으로 나오고 있습니다. 시멘트 제조공정에서는 아래와 같은 반응으로 이산화탄소가 대기 중으로 유입되게 됩니다.
                     CaCO3(s)  -----> CaO(s)+CO2(g)

시멘트 공장

⑧ ⑨ 화석연료 생성 및 사용

  화석연료는 지각에 퇴적되어 파묻힌 동식물의 사체가 지질학적인 오랜 세월에 걸쳐 열과 압력에 의해 변형되어 생성된다고 알려져 있습니다.  이렇듯 생성에는 수백만에서 수억년까지의 지질학적인 시간이 소요되는데 반해 인간은 손쉽게 이러한 원유를 채굴하여 원유 속의 탄소를 대기 중으로 내어보내어 심각한 탄소수지의 균형을 훼손하고 있는 점이 기후온난화의 주원인입니다. 기후 온난화를 막기 위해서는 이러한 화석연료의 사용을 줄이는 것이 제일 큰 과제입니다. 

화석연료 사용으로 발생하는 이산화탄소

⑪⑫ 생물권에서 토양, 토양에서 대기로의 탄소 이동

   한편, 엄청나게 많은 양의 생물체가 시베리아나 북극 주변 지역의 영구동토층에 냉동된 상태로 보관되어져 있는 것이 인류에게는 아주 큰 위험요인입니다. 북극 주변의 기온이 증가한다면 그동안 얼어있던 유기물이 미생물에 의한 분해되면 대기중의 이산화탄소의 급격한 증가는 피할 수 없습니다. 문제는 이렇게 증가된 이산화탄소는 지구의 기온을 높이고 다시 영구동토층을 녹이는 양의 피드백으로 작용할 수 있다는 점입니다
   또한 열대우림지역이나 습지의 토양도 많은 생물체가 저장되어있는 탄소의 저장고로 알려져 있습니다. 열대우림이나이나 습지가 개발로 인해 파괴된다면 이들이 품고있던 토양 내의 탄소가 대기 중으로 풀려나오게 되는 결과를 맞이하게됩니다. 

습지 : 탄소의 저장고

⑬ 화산, 지진 활동

  사실상 지구에서의 대부분은 탄소는 지각이나 맨틀층에 존재하고 있습니다. 하지만 이러한 탄소는 아주 안정되게 존재하여 지상의 탄소 농도에  큰 영향을 주지 않습니다. 간혹 지진이나 화산활동에 의해 이러한 지층이나 맨틀층에 포함된탄소가 지상으로 누출되는 경우가 있습니다. 화산이 발생하면 마그마가 분출되는 과정에서 한번에  많은 양의 탄소가 대기 중으로 유입되게됩니다.

화산 : 지각이나 맨틀층의 탄소 배출 경로