A first-of-its-kind geoengineering experiment is about to take its first step

지구공학, 대담하고 위험한 실험

올여름 하버드 연구진은 성층권에 풍선을 띄워 새로운 지구공학 실험에 필요한 장비를 시험할 예정이다.

하버드대 1층 연구실에는 성층권의 축소판이 담긴 긴 유리관이 있다.

내가 2019년 가을 프랭크 코이치(Frank Keutsch)의 연구실을 찾았을 때, 그는 회색 단열재로 둘러싸인 기다란 튜브가 있는 연구실 구석으로 나를 안내했다. 벤치만큼 긴 이 유리관에 특정 온도와 압력 조건에 맞춰 여러 가지 기체를 적절한 배합으로 채운 다음, 코이치와 동료들은 지면 위 약 20킬로미터 부근의 환경을 시뮬레이션했다.

공기가 희박한 곳에서 다양한 화학 물질이 반응하는 방식을 시험하면서, 연구진은 ‘태양 지구공학(solar geoengineering)’으로 알려진 논쟁적 계획에 대한 예비 실험을 수행하길 희망했다. 이는 기후변화에 대응하기 위해 성층권에 작은 입자를 뿌려 태양열이 우주로 더 많이 반사되도록 하려는 계획이다.

하지만 코이치는 유리관을 가리키며, 그 안에 들어 있는 것이 “정말로 성층권과 비슷할지” 반문한다. 그는 공학, 화학, 대기과학 분야의 교수다. 그는 “그것이 문제다. 우리는 모든 가능성을 생각하려고 노력하지만, 그 누구도 결코 확신하기는 어렵다”고 말한다.

하버드대 기후 과학자인 데이비드 키스(David Keith)와 동료 연구자들은 이 문제를 풀고자 성층권 모형이 아닌 실제 성층권에서 실험하고 싶어 한다. 그들은 과학 풍선을 띄워 실험을 시행할 수 있기를 희망하는데, 그중 첫 번째 실험은 빠르면 이번 여름 스웨덴 키루나(Kiruna, 스웨덴 최북단 도시)에 있는 이스레인지(Esrage) 우주 센터에서 수행될 수 있다.

나는 이 실험을 실제로 수행할 상황이 닥치지 않기를 진심으로 바란다. 이 연구는 매우 걱정스러운 개념에 기반을 두고 있고, 언제든 잘못될 가능성이 있다고 생각하기 때문이다.

프랭크 코이치, 스코펙스(SCoPEx)의 연구책임자

성층권은 온도가 -50˚C 이하로 떨어질 수 있고, 압력은 해면 기압(Sea-level pressure)의 10분의 1부터 1,000분의 1까지 넓은 범위에 걸쳐 나타난다. 초기 비행에서는 단순히 이러한 극한 환경에서 항공기의 설비와 소프트웨어가 제대로 작동하는지만 평가하면 된다. 그러나 연구원들은 후속 발사에서 햇빛을 산란시킬 입자를 방출하는 실험을 하고 싶어 한다.

현재 이산화탄소 배출량이 줄어드는 속도는 기후 변화의 대이변을 막기에는 턱없이 부족하다. 이런 상황에서, 태양 지구공학은 약간의 시간을 벌 수 있을지 모른다. 그러나 이를 큰 규모로 적용하다가는 지구 전체의 날씨 패턴이 엉망이 될 수 있다. 효과를 예측할 수 없으며, 어떤 곳에서는 이 실험이 재앙이 될 수도 있다.

이러한 까닭에 몇 주 안에 프로젝트를 둘러싼 법적, 윤리적, 환경적 문제를 검토하는 독립적인 자문위원회에서 이 연구진의 첫 번째 비행체 발사 여부를 결정할 것으로 예상된다. 위원회는 실제로 물질을 분사하는 비행이 있기 전에 규칙을 정해야 하며, 연구진이 공공 및 규제 기관에 협조하기 위해 취해야 하는 조치를 결정해야 한다.

이러한 발사가 승인되면 성층권에서 이루어진 최초의 지구공학 실험이 될 것이다. 하지만 풍선이 지면을 떠나기도 전에 이 실험은 이미 비판받고 있다.

사용하기에 너무 위험한 기술

대기 중에 입자를 흩뿌려 햇빛을 가리고 온실가스 배출로 인한 온난화를 상쇄해 지구를 냉각하는 아이디어는 처음이 아니다. 사실 자연은 이미 그렇게 해왔다.

1991년 필리핀 북부 피나투보(Pinatubo) 화산 폭발과 같은 대규모 화산 폭발은 수백만 톤의 이산화황을 대기 중에 분출해 이후 몇 년 동안 지구 기온을 떨어뜨렸다. 비슷한 원리로, 석탄발전소와 선박에서 배출되는 이산화황은 측정 가능한 수준의 냉각 효과를 일으키기도 했다.

기후 변화에 대한 조치로 이를 의도적으로 수행하는 것에 대해 일부 비판론자는 실험은 커녕 일고의 가치조차 없는 것으로 여긴다. 어떤 연구에 따르면 태양 지구공학은 강우 패턴을 크게 변화 시켜 특정 지역의 작물 수확량을 줄일 위험이 있다. 반면 다른 논문에서는 지구공학이 적당한 방식으로 수행될 수 있다면 환경 부작용이 적을 것으로 결론지었다.

지금까지 몇 가지 소규모 실험을 제외하면 모든 연구는 컴퓨터 모델 또는 실험실 안에서 수행되어왔다. 그래서 코이치와 그 동료들은 풍선 실험이 중요한 다음 단계라고 주장한다.

2014년에 처음 제안된 스코펙스(SCoPEx) 실험의 기본 아이디어는 프로펠러와 센서가 장착된 풍선을 발사하는 것이다. 이 풍선은 대략 1km쯤 되는 연기 기둥(plume)에서 마이크로미터보다 더 작은 크기의 입자를 최대 2kg 방출한다. 키스에 따르면 이는 상업용 여객기가 매 분 방출하는 물질의 양과 비슷하다.

그 후 풍선은 선회하여 연기 기둥 반대쪽으로부터 이리저리 움직이면서 데이터를 모은다. 이때 센서는 입자가 분사되는 넓이, 다른 화합물과 상호작용하는 방식, 햇빛이 반사되는 양을 측정한다.

사진: SCOPEX 제공

센서로 얻은 정보는 모두 컴퓨터 모델에 피드백되며, 이를 통해 분사된 수십만 톤에서 수백만 톤에 이르는 물질이 어떤 효과를 일으키는지에 대해 더 잘 알 수 있게 된다.

연구진은 현재 이러한 비행 시험을 수년에 걸쳐 계속 수행할 수 있길 바란다. 그들은 초반에 분필의 주성분인 탄산칼슘을 미세한 분말로 방출할 계획이지만, 결국 나중에는 황산(화산에서 방출되는 이산화황의 부산물)을 포함한 다른 물질을 시험하고 싶어 한다.

그러나 어떤 이들은 이러한 제한적인 실험조차도 너무 과감한 시도가 아닌지 염려한다.

아메리칸대학(American University)의 탄소 제거법 및 정책 연구소(Institute for Carbon Removal Law & Policy)의 공동 책임자인 윌 번스(Wil Burns)는 야외 실험이 진행되기 전에 이러한 ‘도구’를 사용해야 할지 여부에 대해 일종의 지구적 사회적 합의가 이루어져야 한다고 믿는다.

하지만 그의 대답은 ‘아니오’이다. 이 도구의 환경적 영향은 밝혀지지 않았다. 이러한 도구를 통제하는 것은 어려운 일이다. 한 나라가 시도해도, 영향은 모든 국가에 파급된다. 이러한 영향은 수백 년간 지속될 수 있으며 후손들이 그 대가를 치러야 할 수도 있다. 그는 이러한 효과가 지구적 규모로 완전히 발현되기 이전에 어떠한 일이 일어날지를 완벽하게 예측하는 것은 불가능하며, 만약 실제로 그러한 상황에 부닥치게 된다면 우리는 한동안 그 상황에서 벗어나기 어렵다고 말했다.

일부 환경 단체와 지구공학 비판론자들은 첫 번째 SCoPEx가 취항할 스웨덴 정부와 이 실험을 관리할 스웨덴 우주 공사(Swedish Space Corporation)에게 실험에 반대할 것을 촉구하고 있다. 그들은 연구 자체의 환경적 위험보다도 이 실험이 위험하고 강력한 수단의 표준화 및 실제 수행으로 이어지는 문을 여는 선례가 될 것을 우려한다.

그린피스 스웨덴, 바이오연료 감시단(Biofuelwatch) 등의 단체는 서한을 통해 태양 지구공학이 “극단적인 결과를 초래할 가능성이 있는 기술이며, 위험하고 예측할 수 없고 통제할 수 없다는 특징이 두드러진다”면서 “사용하기에 너무 위험하므로 이 기술을 시험하고 실험할 정당한 이유가 없다”고 밝혔다.

달갑지 않은 연구자

코이치도 지구공학 실험이 이 극단적인 기술의 사용을 조장할 것이라는 우려는 “매우 타당하다”고 말한다. 그의 연구실에서 인터뷰했던 바와 같이, 그는 지구공학이 기후 변화를 다루는 잘못된 방법이라고 생각한다. 그는 이를 심한 통증을 완화하지만, 중독과 같은 부작용을 낳는 아편에 비유했다. 훨씬 더 안전하고 효과적인 해결책은 온실가스 배출을 빠르게 줄이는 것이다.

그러나 그는 기후 변화가 지금까지 너무 파괴적이어서 일부 절망적인 국가가 지구공학으로 먼저 나아갈 수 있다고 우려한다. 하버드대의 초기 연구에 따르면 이 작업을 수행하기 위해 특수 비행기를 개발하고 날리는 데 드는 비용은 연간 20억 달러에 불과하며, 이는 많은 국가가 감당할 수 있는 범위 내에 있다.

이 방법은 정치인이 임기 내에 지구 온도에 실질적 변화를 일으킬 수 있는 유일한 도구이기 때문에 치명적인 폭염, 가뭄, 기근, 화재 또는 홍수로 고통받는 국가에 매혹적인 선택이 될 수 있다. 하지만 충분한 연구 없이 사용하는 것은 “매우 위험하다”고 코이치는 말한다.

사진: 하버드대 교수이자 스코펙스의 연구책임자인 프랭크 코이치.

그는 “사람들은 내가 지구공학을 연구하고 있기 때문에 지구공학을 하고 싶어 한다고 생각한다”며 “나는 이 실험을 실제로 수행할 상황이 닥치지 않기를 진심으로 바란다. 이 연구는 매우 걱정스러운 개념에 기반을 두고 있고, 언제든 잘못될 가능성이 있다고 생각하기 때문이다”라고 말했다.

그는 “그러나 동시에 이 기술의 위험성을 더 잘 이해하는 것이 매우 중요하다고 생각한다”며 “만약 위험을 크게 줄일 수 있는 물질이 있다면 내가 가장 관심 있는 직접 연구를 통해 그 종류가 무엇인지 알아내야 한다고 생각한다”고 말한다.

감시

처음 연구진은 2018년부터 애리조나주 투손에서 열기구 비행을 시작하길 원했다. 이후 뉴멕시코에서 계획을 모색했다. 프로젝트의 웹사이트에 따르면 그들은 “코로나19 및 기타 물류와 일정 문제” 때문에 첫 번째 계획을 스웨덴으로 옮기기로 했다.

계획이 지연된 이유 중 하나는 코이치 팀이 자신들의 실험과 관련된 윤리 및 법적 영향을 평가하기 위하여 독립적인 위원회를 꾸리기로 했기 때문이다. 사실 이 연구는 미국 연방정부의 지원금을 받지 않았기 때문에 위원회를 구성할 의무는 없었다. (실제로 프로젝트가 시작되었을 때 지구공학 분야에 대한 미국 연방 보조금은 없었다. 이 프로젝트는 하버드대 내부 자금과 빌게이츠재단, 윌리엄앤플로라 휴렛재단, 알프레드 P. 슬론 재단 등의 후원으로 운영되고 있다.)

그러나 로렌스리버모어국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 전 부소장인 제인 롱(Jane Long)은 외부 자문위원회를 만들 것을 강력히 권고했다. (그는 위원회장을 선출하는 것도 도왔다.) 그는 “이 기술의 미래를 위해서는 그들이 어떤 검토조차 없이 실험을 저지르는 나쁜 과학자로 비치지 않는 것이 중요했다”고 말한다.

처음 제안된 것처럼 실험은 규모가 매우 작으며 건강이나 환경에 위험을 초래할 가능성이 작다고 롱은 강조한다. 그러나 그녀는 위원회 설치가 연구진에게 연구의 목적을 명확하게 하고 대중의 우려를 해소하는 데 도움이 된다고 말한다.

벌써 위원회는 입자를 분사하는 비행이 수행되기 전에 연구진이 어떻게 대중과 소통해야 하는지 제안하는 보고서를 발표했다. 이 보고서 안에는 연구진이 문제를 설명하는 요약집을 만들고, 풍선의 비행 경로 근처에 사람들이 “태양 지구공학 연구의 수행 구조뿐만 아니라 실험 자체에 대한 숙의에 동참”하도록 초청할 것을 권장하는 내용도 담겨 있다.

그럼에도 번스와 다른 이들은 위원회가 지구공학 연구 자체에 대한 비판과 저개발국가의 의견 등 중요한 목소리들을 놓치고 있다고 지적한다. 그리고 그는 초기 보고서에서 이러한 사각지대가 명백하다고 믿는다. 그는 “이 보고서는 시민 참여가 연구 진행을 가능케 하기 위한 과정으로서만 필요하다는 편견을 깔고 있고, 또 그러한 편견을 피력하기까지 한다”며 “그래서 어떠한 일이 일어날지, 그리고 일어나야 하는지에 대해 미리 정해진 결론을 끌어내는 것으로 보인다”고 말한다.

이번 비행으로 알게 될 정보

코이치 팀은 이미 컴퓨터 시뮬레이션으로 장비에서 방출된 입자가 공기 중으로 어떻게 분산되는지 분석했다. 실제로 시험에 들어가면 탄산칼슘 또는 황산 입자가 어떻게 퍼지거나 서로 뭉치는지 더 정확하게 측정할 수 있어야 한다. 지구공학에서 이러한 물질 작동 시험은 매우 중요하다. 만약 입자가 너무 크면 성층권에서 너무 빨리 가라앉아 같은 양의 햇빛을 산란하는데 더 많은 양의 물질이 필요하다.

또 다른 중요한 문제는 입자가 성층권의 다른 화학 물질에 반응하는 방식이다. 특히 탄산칼슘의 경우 성층권에서 자연적으로 발생하지 않기 때문에 이 문제가 특히 중요하다.

사진: SCOPEX 제공

연구진은 두 가지 이유로 황산염 대신 칼슘을 선택했다고 코이치는 말한다. 황산염은 오존층을 파괴하고, 지표면에서 냉각 효과가 있는 것과는 달리 성층권을 덥힌다. 이는 예측하기 어려운 방식으로 기상 패턴에 분란을 일으킬 수 있다. 그는 “우리 모델이 잘 예측하지 못하는 방식으로 지구 시스템을 건드릴 우려가 있다”라고 말한다.

그러나 탄산칼슘 역시 알려지지 않은 부분이 많은 물질이다. 유리관 실험에서 탄산칼슘은 성층권에서 마주칠 화합물과 특별히 반응하지 않는 것으로 관찰됐다. 그러나 실제 성층권에서는 화학 물질과 상호 작용하는 과정에서 자외선 흡수량과 햇빛 산란량에 영향을 미칠 수 있다.

비행을 통해 관찰되는 내용은 지구 온도를 낮추기 위해 이러한 물질이 얼마나 필요할지, 입자 방출로 인한 위험성은 무엇이 있을지, 혹은 효과가 있거나 전혀 없을지 여부를 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

그러나 연구진이 작은 풍선 실험에서 배울 수 있는 것에는 여전히 한계가 있다. 성층권으로 방출되는 입자는 감지할 수 없을 정도로 빠르게 희석되기 때문에 이로 인한 장기적인 효과는 관찰할 수 없다. 더욱이 코이치는 태양 지구공학이 전 지구적 규모로 본격 전개된 이후에야 알게 될 것이 있다는 사실을 인정한다.

그는 “지구는 정말로 복잡한 시스템”이라며 “우리가 모든 것을 예측할 수는 없으리라 본다. 우리가 이 실험을 시도하면 어떤 일이 일어날지 정말 알 수 없다”고 말한다.

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