칼 세이건(Carl Sagan)은 "지구의 대기 두께는, 지구의 크기와 비교하자면, 학교 수업 시간에 쓰는 지구본 위에 그 지구본 지름만큼 두껍게 셸락(shellac)을 바르는 것에 비유할 수 있다."라고 말했습니다. 그런데 우리 행성에서 생명체가 살 수 있는 건 바로 이 희미한 아지랑이 덕분입니다. 대기는 소중한 열기를 붙잡아주는 담요 역할을 하고, 밤과 낮의 기온차가 극단적으로 벌어지지 않게 막아줍니다.
현재 지구 대기는 산소가 20퍼센트 정도이고 질소가 80퍼센트 정도이며, 아르곤, 수증기, 이산화탄소 같은 기체가 조금씩 섞여 있습니다. 이는 원시 대기와 상당히 다른 모습인데, 전적으로 생명체가 만들어낸 결과입니다. 엄청난 시간 동안 남조류(남세균)는 광합성을 하고 남은 찌꺼기인 산소를 대기로 뿜어냈습니다. 대기로 나온 산소는 지구에 풍부했던 철과 결합해 산화철이 되면서 엄청나게 많은 적갈색 암석을 만들었습니다. 오늘날 오스트레일리아에서 그런 암석을 쉽게 찾을 수 있습니다. 철이 더는 산소를 흡수하지 못하자, 산소는 대기에 쌓이고 생명체들에게 재앙을 불러왔습니다. 수많은 유기체가 산소의 독성 때문에 죽었습니다. 하지만 결국 산소는 동물이 활용하는 막강한 에너지 자원이 되었고, 사람도 산소를 에너지원으로 선택하게 됐습니다.
증류기와 냉각기
대기는 그저 지구를 감싸고 있는 산소가 풍부한 담요가 아닙니다. 태양 에너지를 받아 끊임없이 움직이는 공기층입니다. 태양은 지구의 극지방보다 적도 지방을 뜨겁게 데우기 때문에, 극지방보다 적도 지방의 기온이 더 높습니다. 열은 언제나 온도를 똑같이 맞추기 위해 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동합니다. 지구의 열도 온도 차를 없애기 위해서 적도 지방에서 대기를 타고 극지방으로 이동합니다. 19세기에 영국 물리학자 존 틴들(John Tyndall)은 "지구와 지구의 대기는 거대한 증류기이다. 적도의 해양은 보일러 역할을 하고 추운 극지방은 냉각기 역할을 한다."라고 말했습니다.
끊임없이 움직이는 대기
지구의 반구를 세 등분하는 대기의 순환에서 사람들이 가장 흥미로워하는 지역은 극지방 순환대와 적도 지방 순환대 사이에 있는 중위도 순환대입니다. 중위도에서 북쪽과 남쪽으로 움직이는 공기는 지구 자전제 크게 영향을 받습니다. 그렇기 때문에 대기는 매우 불안정하고 혼란스럽습니다. 중위도에서 대기의 순환 역시 고도가 높은 곳에서는 주로 아주 빠른 서풍이 붑니다. 시속 400킬로미터가 넘는 이 제트 기류는 날씨계(weather system)를 조정합니다. 미국에서 유럽으로 가는 데 걸리는 시간이 유럽에서 미국으로 가는 데 걸리는 시간보다 적은 이유도 바로 제트 기류 때문이라고 말할 수 있습니다.
지구는 기울어져 있다
계절이 생기는 이유는 지구가 공전할 때 지구의 적도가 언제나 태양을 가리키지 않기 때문입니다. 지구는 자전축이 23.5도 기울어져 회전합니다. 이것은 곧 지구가 공전하는 동안 북반구가 태양이 있는 쪽으로 기울어지면 여름이 되고(그때 남반구는 겨울입니다.), 6개월 뒤에는 태양에서 먼 곳으로 기울어지면서 겨울이 된다는 뜻입니다.(이때 남반구는 여름입니다.). 지구의 공전 궤도는 원이 아니라 타원이라서 지구가 태양에 가장 가까워졌을 때 남반구는 여름입니다.
적도가 항상 태양을 가르키지 않기 때문에 지표면에서 가장 뜨거운 부분이 항상 정도는 아닙니다. 실제로 계절에 따라 태양 직하점(subsolar point)은 북쪽과 남쪽으로 옮겨 다니는데, 그와 함께 두 반구의 전체 대기 순환대 세 곳도 바뀝니다.
다음 빙하기는 언제인가
과학은 놀랍게도 지구의 기후가 항상 지금과 같지 않을 것이라는 걸 알려줍니다. 예를 들어 지난 100만 년의 90퍼센트 정도는 남반구와 북반구에서 빙상이 확장해 지구 기온이 크게 내려간 빙하기였습니다.
지구에 작용하는 태양과 달과 여러 행성들의 중력 때문에 생기는 지구의 자연스러운 공전 주기가 빙하기를 유발한다고 알려져 있습니다. 10만 년이 넘는 기간 동안 지구의 타원형 공전 궤도는 볼록하다기보다는 좀 더 옆으로 늘어난 형태가 되었습니다. 지금은 수직에서 23.5도가 기울어진 자전축은 4만 2000년에 걸쳐 훨씬 누운 상태를 유지하다가 다시 수직으로 서게 됐습니다. 2만 6000년 동안 지구의 자전축은 우주 공간에서 방향을 바꾸고, 거의 수직으로 서서 원을 그리며 돈 것입니다.밀란코비치 주기라고 알려진 이 주기에 따라 지표면에 닿는 태양 광선의 양도 달라집니다.
영원하지 못한 지구
그린란드와 남극 대륙의 얼음은 이미 녹고 있습니다. 얼음이 녹는 속도는 더 빨라지고, 결국 전 세계 해수면은 크게 상승하여 해안 저지대는 침수를 피할 수 없을 것입니다. 바닷물과 대기의 순환은 전혀 예상하지 못한 상태로 바뀔 것입니다. 결국 지구가 어떻게 변할지는 아무도 모릅니다.
지구의 시련은 또 있습니다. 50억 년 안에 태양은 중심에 있는 수소 연료를 모두 태울 것입니다. 그렇게 되면 엄청난 빛을 내는 거대한 적색 거성이 되고, 지금보다 1만 배는 강한 열을 내뿜을 것입니다. 거대하게 부풀어 오른 태양이 우리 지구를 삼키지는 않다고 하더라도 결국 지구는 불타올라 잿빛 덩어리가 될 것입니다.
그보다 훨씬 전에 우리 인류는 정착할 새로운 행성을 찾아 태양계를 떠나야 합니다. 소련의 항공학자이자 로켓 연구의 선구자인 콘스탄틴 치올코프스키(Konstantin Tsiolkovsky)는 "지구는 인류의 요람이다. 하지만 인류가 이 요람에 영원히 머물지는 못할 것이다."라고 말했습니다.