이 메탄 같은 사람아!

May 1, 2018

 

글감: The methane mystery Scientists struggle to explain a worrying rise in atmospheric methane A potent greenhouse gas - The Economist Apr 28th 2018 

 

 

지구 온난화의 원인 중에서 중요도에 비해 상대적으로 주목을 못 끌고 있는 메탄(methane)에 대한 내용이 이번 주 이코노미스트 지에 실렸다. 이 재미없는 기사를 중심으로 주변 지식을 덧붙여 상당부분 각색해서 쉽게 정리해 본다.

 

이 메탄 같은 사람아~

 

위와 같은 말이 나올 법도 할 것 같다. 메탄의 속성 때문이다.

메탄의 녹는 점은 영하 183도이고 끓는 점은 영하 162도다. 따라서 빙하 속에 꽁꽁 얼어 있지 않으면 기체 상태라고 봐도 무방하다. 메탄 같은 사람은 늘 떠다닐 준비가 되어 있는 사람이다.

 

메탄(CH4)은 수소(H)가 네 개에 탄소(C) 결합한 것이다. 이산화탄소(CO2)는 산소(O) 두 개에 탄소(C) 하나가 결합한 것이니 메탄을 사수소화탄소라고 불러도 될 것이다. 그런데 이 탄소와 수소의 결함이 재미있다. 탄소와 수소의 결합 강도는 매우 강해서 산, 알칼리, 금속, 산화제, 환원제 등과는 거의 반응을 일으키지 않는다. 이렇게 고무신을 거꾸로 신지 않는 지조가 있으니 메탄 같은 사람은 평생 반려자로 손색이 없을 것이다. 하지만 이렇게 온전해 보이는 결합도 연소 반응과 치환 반응에는 속수무책이라고 하니 방심하면 그걸로 끝이다. 세상에 완벽한 결합은 없는 것 같다.

 

그런데 좋아 죽겠다고 붙어 다니는 수소와 탄소를 제3자가 쳐다볼 때는 불안해 죽을 지경이다. 외국 여행할 때 지하철에서 기차역에서 부둥켜안고 더듬거리는 모습을 보면 “Get a room”이라고 말해 주고 싶다. 메탄도 마찬가지다. 어디 방을 구해서 메탄이 안 보이게 묶어 두고 싶다. 왜냐하면, 지구 온실 효과에 치명적인 역할을 하기 때문이다.

 

매년 인류가 뿜어내는 온실 효과 유발 물질인 이산화탄소와 유사물질(carbon dioxide equivalent)은 500억 톤 정도 된다. 이 중에 70%가 이산화탄소이고 15%가 메탄가스다. 메탄은 이산화탄소보다 약 5분의 1 수준으로 대기에 있는 셈인데 온실 효과는 이산화탄소에 비교하면 25배 정도라고 한다. 실로 어마어마한 규모다. 그런데도 자연적인 메탄 발생 원인 외 인간이 자연을 인위적으로 조작해서 발생하게 되는 원인과 그 규모에 대해서는 과학자마다 이견이 있고 이 연구에 투자가 덜 되고 있다고 한다. 이산화탄소를 주제로 하는 연구가 2,000 건인 데 반해 메탄은 주제로 하는 연구는 600여 건밖에 없다고 한다. 원인을 알아야 적절한 대처가 가능할 텐데 연구가 활발하지 않아서 걱정이다.

 

하지만, 대기 중에 있는 메탄을 관리하는 것을 시스템 사고(Systems Thinking)로 간단히 살펴볼 수 있다. 물질의 저장과 흐름을 욕조로 빗대어 생각해 보는 것이다.

 

(그림1) 욕조모델 (Bathtub model)

 

 

대기 중의 메탄을 욕조에 담겨있는 물로 생각하면 된다. 그러면 욕조의 물을 적정하게 관리하는 방법은 두 가지다. 하나는 들어오는 물을 줄이기 위해서 1번 수도꼭지를 잠가야 하고 나가는 물을 늘리기 위해서 2번 수도꼭지를 틀어야 한다.

들어오는 물을 줄이기 위해서는 이 물이 어느 파이프를 통해 들어오는지를 살펴야 한다. 메탄이 발생하는 대표적인 사례는 세 종류다. 유기물이 물속에서 부패하거나 발효할 때와 석탄이나 천연가스를 채굴하거나 수송할 때, 그리고 토양에 갇혀있던 메탄이 슬금슬금 빠져나와 대기에 바로 유입되는 경우다.

 

반추동물(反芻動物)이라는 표현이 있다. 추(芻)를 반복(反)하는 동물이라는 뜻인데 추(芻)라는 단어는 풀을 베어 묶은 단을 손에 들고 있는 모양이 위아래 겹쳐 있는 것으로 동물들이 먹는 꼴을 의미한다. 즉, 소와 같이 위에서 오랜 시간 되새김을 반복하는 동물을 의미한다. 이렇게 되새김질을 반복하면서 꼴을 미생물에 의해 분해되고 소화되는 과정에서 메탄이 발생한다. 소가 트림하거나 방귀를 뀔 때 메탄이 발생하는 것이다. 그래서 항간에 지구 온난화 주범으로 소의 방귀를 지적하기도 했는데 틀린 말이 아니다. 미세먼지의 발생 메커니즘을 보더라도 그렇다. (사)한국시스템다이내믹스학회에서는 2017년 학회 차원에서의 미세먼지 연구를 벌여 ‘미세먼지는 동네 먼지’라는 연구를 선보인 바 있다. 미세먼지 발생 원인이 다양하며 각 지역의 특징이 영향을 미친다는 것이다. 즉, 대단위 축산 사업을 하는 곳은 메탄이 미세먼지의 2차 발생 원인이 된다는 것이다. 이 외에도 습지에서도 미생물의 분해가 활발하게 일어나기 때문에 마찬가지로 메탄이 발생한다. 이렇게 메탄이 발생하는 첫 번째 경우는 유기물이 분해하는 과정에서 일어난다. 음식물 쓰레기들이 흙과 함께 비닐봉지에 담아 지하실에 두면 메탄 중독을 경험하기 딱 좋다. 이런 원인 때문에 중국과 인도에서 축산업의 성장으로 급증하고 있는 소와 더불어 메탄 생성 미생물(methanogen)의 번식지로 동남아시아의 논 농사지대의 습지와 열대지역의 습지가 주목받기도 한다. 석탄이나 천연가스를 채굴하거나 수송할 때 메탄이 다량 유출되는 것 때문에 구소련 연방 시절의 낡은 천연가스 배관 시설이 의심을 받기도 한다. 그도 그럴 것이 낡은 천연가스 배관 시설에서 새어 나오는 메탄이 습지와 가축에서 발생하는 것보다 더 많았기 때문이었다.

 

그런데 메탄 발생 원인 중에 가장 우려스러운 것은 토양에 갇혀있던 메탄이다. 툰드라 지대를 포함한 북극은 산업화 시대(19세기) 이후로 지금까지 인류가 내뿜고 있는 이산화탄소 총량보다 2.3배가 많은 메탄을 가두고 있다. 이 지역이 데워 지고 있다. 메탄이 살아서 도망가고 있다. 진짜 심각한 이유는 두 가지다. 이산화탄소보다 온실효과를 25배나 증폭시킨다는 점이고 이렇게 증폭시킨 온실 효과 때문에 툰드라 지역과 북극이 더욱 데워져서 더 많은 양의 메탄이 배출된다는 것이다. 즉 피드백이 만들어지면서 대기 중의 메탄은 우상향 곡선을 만드는 지수 증가를 하게 된다는 것이다.

 

(그림2) 피드백이 있는 욕조모델

 

이제 그림 1에서 언급한 두 번째 수도꼭지를 말할 때다. 제아무리 물이 많이 들어온다고 해도 빠져나가는 물이 많으면 욕조의 물은 걱정할 바가 아니다. 이렇게 물을 빠져나가게 하는 역할을 하는 것이 있다. 지구 상에 존재하는 다양한 오염 물질을 없애주면서 인체에 무익한 물질, 신이 인간에게 내려 준 축복과 같은 물질이 있다. 수산기(hydroxly radical)라는 천연 물질이다. 산화력이 매우 뛰어난 산소 음이온계 물질로 스스로 매우 활발하게 활동한다. 공기와 물 속의 오염 물질에 직접 관여하여 자신은 다시 중간물질(hydroperoxy radical, 하이드로 페록시)로 바뀌고 오염 물질을 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)로 환원시켜 준다. 그런데 최근 연구에 따르면 이 신의 선물이 점점 줄어들고 있다는 것이다. 더 안타까운 것은 줄어드는 사실은 발견되는데 그 이유에 대해서는 아직 연구가 안 되고 있다는 점이다. 원인을 알아야 대처할 수 있을 텐데 말이다.

 

이 메탄 같은 사람아~

 

어떤 뜻으로 사용될지 주목된다.

 

 

 

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