우리가 지구과학을 공부할 때는 고체 지구, 유체 지구, 우주 파트로 단원을 나누어 학습을 하지만, 실제로 지구는 각 요소가 상호작용을 하는 거대한 시스템을 이루고 있으며, 이를 ‘지구 시스템(지구계)’라고 한다. 이러한 지구 시스템 내의 상호 작용을 보여주는 대표적인 사례로서, 남극 대륙의 ‘냉장고 효과(refrigerator effect)’를 지구과학1에서 학습하는 내용들을 기반으로 설명해 보고자 한다.

지구과학1 개념을 충분히 학습한 상태라면, 거대한 시공간적 규모에서 이뤄지는 지구 시스템 내의 상호작용을 실감할 수 있는 매우 흥미로운 시간이 될 것이다.

남극 대륙의 냉장고 효과가 무엇인지 이해하기 위해서는 먼저 남극 순환류와 신생대의 기후 변화의 관계에 대해 이해해야 한다.

‘대기 대순환과 표층 순환’ 단원에서 우리는 ‘남극 순환류’에 대해서 학습한다. 편서풍의 영향을 받아 남극 주변을 시계 방향으로 순환하는, 시험에서 빈출 되는 표층 해류이다. 

표층 해류는 수륙 분포의 변화에 따라 그 흐름이 바뀔 수 있다. 남극 순환류 또한 그렇다. 신생대초만 하여도, 남극 순환류는 존재하지 않는 해류였다. 신생대 초 판의 이동에 의한 수륙 분포의 변화로 남극 순환류가 형성된 것이다.

한편, 신생대 초는 현재보다 전지구적으로 평균 기온이 높은 시기였다. 이후 시간 흐름에 따라, 전지구적으로 평균 기온이 대체로 감소했다. 

신생대 초, 남극 순환류가 형성되었고, 그 무렵부터 지구의 평균 기온이 낮아졌다? 답은 ‘그렇다’이다. 신생대의 평균 기온 변화에는 남극 순환류의 형성이 영향을 미친 것이다.

표층 해류의 변화가 어떻게 전지구적인 평균 기온의 변화를 불러왔다는 것일까? 

지구과학1에서 직접적으로 다루지는 않지만, 남극 순환류는 남극 대륙으로의 열 수송을 차단하는 역할을 한다. 남극 대륙을 돌면서 열 수송을 막는 바리케이드 역할을 한다고 생각하면 된다. 오늘날 남극 대륙이 북극해보다 평균 기온이 낮은 이유 중 하나이다.

앞서 말했든, 신생대 초까지만 하여도, 남극 순환류는 존재하지 않았기 때문에 신생대 초 이전에는 남극 대륙으로의 열 수송이 현재보다 활발하게 이뤄졌다. 

즉, 남극 대륙이 현재보다 비교적 따뜻했다. 초목이 자랄 수 있을 정도의 환경이었다. 그러나, 신생대 초에 수륙 분포의 변화로 인해 남극 순환류가 형성하면서 남극 대륙으로의 열 수송이 차단됐고, 남극 대륙의 평균 기온이 급격히 낮아지면서 남극 대륙은 오늘날처럼 눈과 빙하로 뒤덮인 땅이 되어버렸다. 이에 따라 남극 대륙 주변의 해수들 또한 냉각 및 결빙 과정을 거치며, 밀도가 높아졌고, 이에따라 남극의 웨덜해(Weddell Sea) 인근에서 ‘남극 저층수’라는 심층 수괴가 형성되게 된다. 

그렇다. 지구과학1의 ‘심층 순환’ 단원에서 학습하는 남극 저층수는 사실 신생대 초 남극 순환류의 형성으로 인해 만들어진 것이다. 

수온이 매우 낮아 밀도가 큰 남극 저층수는 이후 매우 깊은 심해로 가라앉아 전 세계 해양으로 퍼져나갔으며, 해수의 심층을 냉각시키기도 하고, 용승하여 그 근처의 기온을 낮추는 역할을 하기도 했다. 그리고 그 과정에서 지구의 평균 기온을 낮추었다.

결과적으로, 남극 순환류의 형성으로 인해 남극 대륙에 갇히게 된 냉기가 남극 저층수를 통해 전 지구적으로 분배된 것이라고 할 수 있겠다. 그리고 이를 남극 대륙의 ‘냉장고 효과’라고 하며, 이러한 냉장고 효과가 신생대의 평균 기온이 대체로 감소하는 데 기여한 것이다.

결과적으로 남극 대륙의 냉장고 효과는 판의 이동이 만들어낸 수륙 분포의 변화와 해수의 표층 순환과 심층 순환, 그리고 기후가 서로 긴밀하게 상호작용 하는 지구 시스템의 대표적인 사례에 해당한다. 이와 같이 지구를 구성하는 각 요소가 거대한 시공간 규모에서 상호작용을 하며, 시스템을 이룬다는 사실은 경외감을 불러일으키기에 충분하다. 

자연과학, 그중에서도 지구과학의 매력은 이와 같이 자연환경이 어떤 식으로 작동하는지를 이해하고, 설명할 수 있음에 있다. 오늘만큼은 단순히 시험 문제를 맞히기 위한 공부에서 벗어나 지구과학에서 배운 내용을 기반으로 자연환경이 작동하는 방식에 대해 생각해 보는 시간을 가져본다면, 지구과학에 더 깊은 흥미를 느낄 수 있을 것이다.