다니엘 로스먼은 매사추세츠 공과대학(MIT) 지구·대기·행성과학과 최상층에 있는 사무실에서 일한다. 캠브리지의 찰스강을 내려다보는 이 거대한 콘크리트 건물에서, 수학을 전공한 로스먼은 복잡계를 연구하며 지구의 행동 양상에서 매력적인 연구 주제를 찾아냈다. 특히 그는 먼 과거, 특히 지구의 탄소 순환이 임계점을 넘어 통제 불능 상태에 빠져 회복하는 데 수십만 년이 걸린 희귀한 순간들을 집중적으로 탐구한다.
지구의 모든 생명은 탄소 기반이므로, 탄소 순환의 대규모 붕괴는 대량 절멸로 더 잘 알려져 있다. 지질학자들은 최근 수십 년 동안 불안한 발견을 해왔는데, 많은 대량 절멸 사건—역사상 최악의 사건을 포함해—은 한때 생각했던 것처럼 소행성 충돌이 아니라, 대기와 바다에 치명적인 수준의 이산화탄소(CO₂)를 방출한 대규모 화산 폭발로 인한 것이었다.
너무 많은 CO₂가 너무 빠르게 방출되면 탄소 순환을 압도하고 행성 차원의 피드백 고리를 촉발할 수 있다. 그러면 지구의 자연 과정이 문제를 증폭시켜 더 많은 탄소를 방출하고 기후를 파괴적인 악순환으로 빠뜨려, 안정성이 회복되기까지 10만 년 동안 지속될 수 있다. 시작할 때 CO₂ 농도가 높든 낮든 중요하지 않다—중요한 것은 변화의 속도다. 급격한 증가는 재앙으로 이어질 수 있다.
탄소 순환은 일반적으로 수백만 년에 걸쳐 화산에서 서서히 꾸준히 방출되는 CO₂를 처리하며, 탄소를 공기, 바다, 생명체 사이에서 이동시킨 후 결국 지구로 되돌린다. 하지만 매우 짧은 시간에 막대한 양의 탄소가 방출되면—지구가 흡수할 수 있는 속도보다 빠르게—초기 사건보다 훨씬 더 파괴적인 연쇄 반응을 일으킬 수 있다. 생명이 적응할 수 있는 일반적인 온난화 사건과 통제 불능의 대량 절멸을 구분하는 임계점이 있을 수 있다.
비록 지구가 마지막으로 이런 임계점을 넘어선 지 6천만 년 이상 지났지만, 로스먼의 연구는 우리가 현재 지구를 같은 위험한 길로 밀고 있음을 시사한다. 그 선을一旦 넘어서면, 대량 절멸은 완전히 전개되는 데 수천 년이 걸린다 해도 피할 수 없게 될 수 있다.
지구 역사 전반에 걸쳐 지각에서 대기로 막대한 양의 탄소를 방출할 수 있는 방법은 소수에 불과했다: 약 5천만 년마다 발생하는 희귀한 대규모 화산 사건, 그리고 우리가 아는 한—산업 자본주의, 단 한 번 발생한.
대량 절멸은 단순히 매우 나쁜 사건이 아니다. COVID-19처럼 문명을 파괴하는 팬데믹—단일 영장류 종의 1% 미만을 사망케 한—도 아니다. 세계 식생의 1/4을 잃은 사건이나 2만 년 전 북미 대부분을 불모지로 만든 빙하기도 아니다. 현대 사회를 파괴할 수는 있지만 지구 생물 다양성에 지속적인 영향을 미치지 않은 초화산 분출과도 다르다. 이들은 모두 지구에서 생명이 겪는 일반적인 도전의 일부다. 생명은 과거에도 이를 견뎌냈다. 만약 생명이 화산 행성의 일상적인 혼란에 취약했다면 말이다. 하지만 지구는 견고한 세계로, 정기적으로 겪는 모든 종류의 상상할 수 없는 스트레스에 회복력이 있지만, 5천에서 1억 년마다 진정한 대참사가 발생한다. 이것이 주요 대량 절멸로, 행성 표면의 조건이 전 세계적으로 너나 할 것 없이 적대적으로 변해 거의 모든 복잡한 생명체의 적응 능력을 압도할 때 발생한다.
동물 생명의 역사상 다섯 번, 이 파괴는 지구 종의 75%를 절멸시키는 다소 임의적인 임계점에 도달했고, 한 경우에는 훨씬 넘어서서 '주요 대량 절멸'이라는 칭호를 얻었다. 고생물학자들은 이를 '5대 대멸종'이라 부르지만, 화석 기록은 수십 건의 덜 심각한 대량 절멸도 보여준다. 5대 멸종 중 가장 최근 것은 6,600만 년 전에 발생했으며, 거대 공룡들의 지배를 끝낼 만큼 심각한全球적 대참사였다.
이는 1978년 멕시코 유카탄 반도 아래에서 국영 석유 회사 페멕스(Pemex) 소속 지구물리학자들이 발견한 직경 110마일(약 177km)의 크레이터를 남겼다. 크레이터의 크기와 모양은 직경 6마일(약 9.7km)의 소행성이 순간적으로 땅에 깊이 20마일(약 32km)의 구멍을 팠음을 나타낸다. 3분 후, 극히 일시적인 높이 10마일(약 16km)의 폭발하는 용융 화강암 산맥이 솟아올랐다. 이 혼란 속에서 동물 종의 76%가 사라졌다.
相比之下, 인간이 다른 생명 세계에 가한 피해는 지금까지는 비교적 적은 편으로, 아마도 절멸된 종의 10% 미만을 차지할 것이다. 적어도 지금은. 고생물학자 앤서니 바노스키(Anthony Barnosky)의 2011년 영향력 있는 《네이처》 연구에 따르면, 현재의 절멸 속도를 유지한다면, 우리는 이미 놀라운 수준—소규모 대량 절멸—에서 불과 3세기에서 길게는 11,330년 안에 6번째 주요 대량 절멸로 escalation(격상)될 수 있다. 미래의 지질학자들에게 이것은 소행성 충돌과 다르지 않게 보일 것이다. 더욱 불안한 것은,途中에 tipping points(전환점/임계점)이 있을 수 있다는 점으로, 남은 종들이 거의 한꺼번에 사라져, 마치 붕괴期間 중 함께 고장 나는 전력망의 노드처럼 될 수 있다.
인간이 생물권에 미친 영향이 이미 얼마나 파괴적인지를 고려할 때, 우리 대량 절멸의 최악의 상황이 아직 앞에 놓여 있을 수 있다는 점은 오싹하게 만든다.
지구 역사에서 한時期는 CO₂ 과부하와 관련해 유일무이하게 교훈적이고—유일무이하게 혼란스럽고, 변동성이 크며, 치명적이다. 3억 년 전, 지구는 반복적으로 탄소 순환을 통제하지 못하고 9천만 년 동안 대량 절멸을 겪었으며, 그중 두 번은 CO₂에 의해 촉발된 역대 최악의全球적 대참사였다. 한 경우에는 행성이 거의 죽을 뻔했다. 고생물학자 폴 위그널(Paul Wignall)은 이를 "유례없이 악의적인 기후"에 굴복한 것이라고形容했다. 페름기 말, 즉 2억 5,200만 년 전, 시베리아에서 분출한 용암은 미국本土 48개 주를 1km 두께의 암석 아래에 묻을 만큼地殼 속으로 스며들었다.
1km 깊이로.
이 고대 용암 흐름의 잔해는 시베리아 트랩(Siberian Traps)으로 알려져 있다. 오늘날, 이들은 러시아의 외딴北方 황야에서 장엄한 강 협곡과 검은 암석의 고원을 형성한다. 이를 생성한 분화는 한때 시베리아를 200만 제곱마일(약 518만 ㎢)의 증기나는 현무암으로 덮었으며, Large Igneous Provinces(LIPs, 대형 화성암 지방)라는 희귀한 거물급 범주에 속한다.
LIPs는 지금까지 지구 역사상 가장 위험한 현상으로, 소행성보다 훨씬 더 catastrophic(참혹한)한 기록을 보유하고 있다. 한 시대에 한 번씩 나타나는 이 행성 살해 화산들은 탐보라, 레이니어 산, 또는 크라카타우—또는 옐로스톤—과 같은 일반적인 분화와는 완전히 다르다. 하와이가 태평양에 흩어져 수천만 년에 걸쳐 형성된 것이 아니라, 짧고 격렬한 분출로 한꺼번에 형성되었다고 상상해보라. 100만 년도 채 안 되어, 그리고 한 지역에 집중되어—때로는 대륙 중심을 뚫고 나오며—일어나는 이러한 대규모 화산 사건(LIPs)은 우리의 얇은 암석 지각과 그를 덮고 있는 섬세한 생명층이 below에 있는 끓어오르는, 무관심한 행성 엔진 위에 놓여 있음을 극적으로 상기시킨다. 여기서, 거대한 암석의 흐름이 전체 해양 판을 행성 핵까지 끌어내려 파괴하고 재형성한다. 이 과정이 방해받으면, LIPs는 구조적 소화불량처럼 분출하여 광대한區域을 화산암으로 범람시킨다. 이 분화가 충분히 크고 빠르면 세계를 파�할 수 있다.
역사상 가장 큰 대량 절멸期間인 페름기 말, 이러한 분화는 무서운 폭발을 일으켰을 것이고, 아마도短暫한 화산 겨울과 산성비를 초래했을 것이다. 수은 중독과 독성 플루오린 및 염소 가스—1차 세계대전 참호에서 병사들을 질식시킨 것과 유사한—가 광범위하게 발생했다. 생명체에게 가장 중요하고 catastrophic(참혹)하게는, 분화는 행성을 바꿀 만큼의 이산화탄소를 방출했다.
흥미롭게도, 시베리아 용암의 연대 측정이 더 정밀해지면서, 우리는現在 대량 절멸이 분화開始 후 30만 년이 될 때까지 시작되지 않았음을 안다—이미 용암의 3분의 2가 북쪽 판게아 대륙을数마일 두께의 암석으로 범람시킨 후였다.これは不可解하다. 화산들은数十万年 동안 평소의 치명적인 혼합물을 뿜어댔고, 현대 산업 오염을 훨씬 능가했다. 무수히 많은 격렬한 폭발과 부식성 산성비 폭풍이 있었을 것이다. 그럼에도 생명은 버텼다; 생물권은 회복력이 있다. 그렇다면 왜, 그렇게 오랜期間 지속된 파괴之后, 생명은 전 세계적으로, 심지어 행성 반대편의最深 해양에서도 갑자기 붕괴되었는가?
대량 절멸의 원인은? “용암은 제외해도 된다”고 미국 지질조사소(USGS)의 지질학자 세스 버지스(Seth Burgess)는 말한다. 하지만 이 시베리아 화산들에 대해 뭔가 30만 년 후 극적으로 변했고, 이로 인해全球적 붕괴가 촉발된 것이 분명하다. 그렇다면 그것은 무엇이었을까?
행성이 자신의 화석 연료를 태우기 시작한 것이다.
그 결과는 막대한 탄소의 유입으로, 지구의 조절 시스템을 압도하고 기후를 불균형 상태로 밀어넣었다.
화산은 자연적으로 상당한 CO₂를 배출한다—분기공에서 나오는 가스의 최대 40%가 이산화탄소일 수 있다. 하지만 수세기 동안의 표면 활동 후, 훨씬 더 위험한 무언가가 지하에서酝酿하기 시작했다. 표면에 도달하지 못한 두께 1,000피트(약 305m)의 거대한 마그마 판들이 빛나는 뿌리처럼 깊은 암석 속으로 옆으로 퍼져나가 그 길목의 모든 것을 가열했다. 이때 conditions(조건)이 catastrophic(참혹)하게 변했다.
이 지하 마그마 관입은 퉁구스카 분지(Tunguska Basin)의 8마일(약 12.9km) 두께 고대 러시아 암석층을 태워穿었다. 이 지질학적 layer cake(층 케이크)에는 오래된 염전과 사암의 잔해도 포함되었지만, 더 critical(중요)하게는 탄소가 풍부한 석회암, 고대 바다에서 온 천연가스 매장층, 과거 시대의 석탄이 포함되어 있었다. 접촉 시, 마그마는 이러한 화석 연료와 탄소가 풍부한 암석에 점화되어 대규모 가스 폭발을 일으켰고, 이는 상부 암석을 파쇄시켰다. 표면에서는 직경 0.5마일(약 0.8km)의 크레이터들이 분출되어 기가톤(gigatons) 단위의 이산화탄소와 메탄을 대기 중으로 방출했다.
数十万年 동안의 전형적인 표면 분화 후, 화산들은 지하를 태우기 시작했다. 시베리아 트랩은 대규모로 분출하여, 거대한 석탄 화력 발전소, 천연가스 시설, 시멘트 공장처럼 작용했다. 한 과학자가 페름기 말 대멸종을形容했듯이, "석탄 연소는 지구 행성 연료 전지로부터 통제되지 않고 catastrophic(참혹)한 에너지 방출을 나타냈을 것이다." 이러한 분화는 행성이 흡수하기에는 너무 빠르게 엄청난 양의 CO₂를 방출했다.
페름기 말 발생했을 가능성이 높은 사건의 순서는 다음과 같다. 첫째, 과잉 CO₂는 지구 표면附近에서 태양 에너지의 더 많은 부분을 가두었다—과학자들이 150년 이상 전부터 이해해 온 기본적인 물리적 과정이다. 그 결과, 행성은 수천 년에 걸쳐 약 10°C 가열되어 동식물 생명을 한계점으로 밀어넣었다. 더 따뜻한 공기는 또한 더 많은 수분을 보유한다—온도 1도 상승당 약 7% 더—따라서 기온이 상승함에 따라 물 순환이 강화되어 더 빈번하고 심한 폭풍이 발생했다.
바다도 따뜻해져 산소含量이減少했다. 이미 더위에 시달리던 해양 동물들은 더 적은 산소가 아니라 더 많은 산소를 필요로 했다. 바다가 더 뜨겁고 정체되면서 해양 생명이 죽어가기 시작했다.更悪化시키는 것은, 대기 중 CO₂가 탄산으로溶解되어 산도를 증가시키고 많은 생물체가 껍질을 만드는 데 사용하는 탄산염을 고갈시켰다. 해양 생물은 약해지고, 아프거나, 껍질 형성에完全히 실패했다.
해양 생명이 붕괴되면서 해양食物 그물도 풀리기 시작했다. 육지에서는 산불이 생태계를 파괴하고 더 많은 CO₂를 방출했으며, 격렬한 폭풍이 대륙을 강타했다. 육지의 잔해물이 바다로 씻겨 들어가 인과 같은 영양분을 운반하여 대규모 조류 대발생(algae blooms)을 촉진시켰다. 이
