지구는 6천만 년 동안 냉각됐다 — 이산화탄소가 어디로 갔는지 아무도 몰랐다. 이제 알았다

6000만 년 동안 지구의 대기에서 이산화탄소가 줄어들며 기온이 떨어졌지만, 그 탄소가 정확히 어디로 사라졌는지는 오랫동안 수수께끼였다. 옥스퍼드 대학의 로즈 리카비 박사는 “그 탄소가 어디에 저장되었는지에 대한 이해가 극히 부족했다”고 말했다. 새로운 연구를 주도한 그는 이번 연구에서 답을 찾았다. 해양 화학이 해수면과 인산염 재활용에 의해 작동하는 거대한 시스템으로, 신생대 throughout the Cenozoic Era 동안 지구의 온도를 조절하는 느린 열기구 역할을 했다.

이 연구는 Proceedings of the National Academy of Sciences에 게재되었으며, 6000만 년에 걸친 지질학적 증거를 재구성했다: 고대 해수면, 해양 산소 농도, 인산염 가용성, 대륙붕 퇴적물에서 유기탄소의 매장 속도 등. 그 결과는 네 개의 시스템을 연결하는 새로운 피드백 루프가 드러났다. 각 시스템은 별도로 연구되었지만, 이번에야 비로소 하나의 메커니즘으로 결합되었다.

이 체인의 작동 방식

열기구는 해수면에서 시작된다. 해수가 현재 수준보다 10~40미터 높게 유지되면(팀이 시스템의 “적정 범위”라고 부르는 영역), 대륙붕의 얕은 물에서 산소 농도가 유기물 분해로 인해 임계점을 넘지 못한다. 이렇게 하여 탄소 풍부한 대륙붕 퇴적물이 가장 노출된 곳에서 저산소수대가 형성된다.

저산소 조건은 인산염에 특정한 영향을 미친다. 일반적으로 산소가 존재할 때 인산염은 퇴적물 입자에 결합하지만, 산소를 제거하면 물속으로 다시 방출된다. 재활용된 인산염은 해조류와 플랑크톤의 성장을 촉진하며, 이들은 표면 수역의 탄소를 흡수한다. 이 생물이 죽고 가라앉을 때 탄소를 운반하고, 저산소 조건에서 유기탄소가 분해되지 않고 매장된다 — 그리고 수백만 년 동안 그대로 유지된다.

결과는 자체 강화되는 루프를 만든다: 해수면이 초기 상태를 설정하고, 저산소가 인산염을 방출하며, 인산염은 해양 생산성을 높이고, 생산성은 탄소를 매장하며, 매장된 탄소는 대기 중의 CO₂를 감소시킨다. 이 과정은 적절한 해수면 조건이 유지되는 한 지속되며, 시스템이 재조정되기 전까지 수백만 년 동안 진행될 수 있다.

“공동 연구자 크리스티안 비에르럼은 20년 전 컴퓨터 모델로 해수면, 해양 산소 및 인산염의 관계를 연구했습니다.” 시라큐스 대학의 쭌리 루 박사가 말했다. “이제 필요한 지질학적 기록을 완성해 이 가설을 검증할 수 있었습니다.”

열기구가 꺼진 순간

팀의 기록에 따르면 이 메커니즘은 연속적으로 작동하지 않았다. 약 5600만 년 전부터 3400만 년 전까지 이어진 고제3기 동안 해수면이 너무 높아져 적정 범위를 넘어섰다. 그 결과 저산소수대는 유기물 풍부한 대륙붕 퇴적물과 겹치지 않게 되었다 — 피드백을 작동시키기 위한 두 가지 조건이다. 탄소 매장 펄스는 약해졌고, CO₂는 대기 중으로 남아 있었다. 지질학적 기준으로는 고제3기는 따뜻한 시기였다: 와이오밍에 열대림이 자라났고, 악어류가 북극권 위에서도 살았다.

시스템의 복귀 — 남극 빙하화와 관련된 해수면 변화와 관련해서 —는 지구 역사상 마지막 3400만 년을 정의하는 지속적인 냉각과 일치했다.

“우리의 결과는 해양 퇴적물에서 유기탄소 매장이 이전에는 생각했던 것보다 훨씬 중요한 역할을 했다고 시사합니다.” 리카비 박사가 말했다.

이 열기구가 할 수 없는 것

열기구는 백만 년 단위로 작동한다. 해수면 트리거에서 인산염 방출, 탄소 매장, 측정 가능한 CO₂ 감소를 포함하는 각 주기는 수백만 년이 걸린다. 산업화 이후 인류가 대기 중으로 추가한 CO₂는 약 200년 동안 축적되었다. 지질학적 메커니즘은 그 속도로 대응할 수 없다.

구조적 불일치도 있다: 현재 저산소수대는 신생대 최고 조작 기간보다 더 깊게 위치한다. 현대 대륙붕은 좁아지고, 산소 부족한 가장자리가 유기물 풍부한 퇴적물과 상호작용하기에 잘 위치해 있지 않다. 열기구를 6000만 년 동안 효율적으로 작동하게 한 조건들은 현재 맞지 않는다.

연구자들은 이 한계를 명확히 한다. 시스템은 수천 년에 걸쳐 조정된 기후를 안정화했지만, 급속한 탄소 흡수기로 설계되거나 작동하도록 의도된 것은 아니다.

지구의 CO₂ 열기구에 대한 일반적인 질문

저산소수대는 일반적으로 100~1000미터 깊이의 해양 수층에서 용해 산소가 급격히 떨어지는 층을 말한다. 유기물을 분해하는 해양 생물은 가용한 산소를 대부분 소비하며, 물순환이 이를 보충하기 전에 대부분의 산소를 사용해 버린다. 이 지역에서는 정상적인 화학 반응이 변한다: 일반적으로 퇴적물과 결합할 인산염이 다시 물속으로 방출된다.

이 메커니즘은 해양이 CO₂를 직접 흡수하는 것과 어떻게 다른가? 직접적인 해양 흡수는 표면에서 CO₂를 용해시키지만, 이를 영구적으로 제거하지는 않는다. 해양 온도가 변하면 역전될 수 있다. 이번 연구에서 설명한 메커니즘은 유기탄소를 해저 퇴적물에 물리적으로 매장하여 기후 변화 단위보다 훨씬 긴 지질학적 시간 동안 대기 중으로 방출되지 않도록 한다.

이 과정이 실패한 적은 있는가? 고제3기의 사례는 약해질 수 있음을 보여준다. 해수면이 너무 높아지면(적정 범위를 넘어선다면) 피드백 루프가 깨진다. CO₂는 여전히 높게 유지되고, 지구는 따뜻해진다. 메커니즘은 해수면이 적절한 범위로 돌아올 때만 다시 시작된다.

이 과정을 인위적으로 유발할 수 있는가? 이번 연구는 지오엔지니어링을 다루지 않는다. 피드백은 해수면, 저산소수대의 위치 및 대륙붕 퇴적물의 분포에 의존한다 — 현재 인간의 기술로 제어할 수 없는 규모이다.

다음 단계

이 연구는 고고기후학의 오래된 수수께끼 중 하나인 신생대 동안 지구의 탄소 흡수가 부드럽지 않았음을 직접 조사하는 길을 연다: 지질학적 기록은 냉각 펄스가 따뜻한 기간으로 분리되는 패턴을 보여주며, 열기구 모델이 해수면 변화에 따라 시스템을 효과적인 범위 내외로 이동시켜 이 패턴을 설명한다.

현대 기후 과학에 있어 이 발견은 과거의 따뜻한 시기와 현재의 차이를 명확히 한다. 고제3기는 열기구가 꺼져 있었기 때문에 따뜻했다. 현재 온난화는 열기구가 구조적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 발생하고 있지만, CO₂ 추가 속도가 어떤 지질학적 반응보다 훨씬 빠르기 때문이다.

참고문헌: Rickaby et al., “Shelf-invading low-oxygen waters control Cenozoic organic carbon burial rates,” Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026. DOI: 10.1073/pnas.2526409123

태그: climate, carbon burial, Cenozoic era, ocean chemistry, phosphorus, PNAS