지난 평가 이후 성층권 기후의 장기적인 변화에 대한 지식을 정량화하고, 규명하며, 개선하기 위한 새로운 연구가 계속되었다. 오존층 파괴 물질과 오존 변화가 대기 온도와 순환, 해양과 빙권을 포함한 기후 시스템에 미치는 영향을 정량화하는 새로운 연구들이 평가되었다. 새로운 연구 결과는 이전 평가의 주요 결론을 뒷받침한다.
성층권 기후의 변화
∙ 성층권 온도: 잘 혼합된 온실 가스(GHG; 주로 이산화탄소[CO2])가 증가하고 오존층 파괴 물질(ODSs)의 변화에 반응하여 성층권 오존이 변화되기 때문에 지구 성층권 중층 및 상층은
~–0.6K decade–1의 속도로 계속 냉각된다. 성층권 하층 온도는 1990년대 후반 이후로 거의 일정했다. 전반적인 변화는 오존, ODS, GHG, 성층권 에어로졸, 태양 변동성의 잘 알려진 효과와 일치한다. 이는 이전 평가와 일치한다.
∙ 성층권 수증기: 지난 평가 이후 성층권으로의 수증기 유입에 영향을 미치는 과정에 대한 이해가 강화되었다. 성층권 하층 수증기의 경년변동은 관측된 열대 대류권계면 온도와 정량적으로 일치하며 몬순 순환과 오버슈팅 대류의 기여가 적다. 모델은 GHG 증가에 대한 반응으로 대류권계면 온도와 성층권 하층 수증기가 수십 년간 소폭 증가할 것으로 예측하지만 이러한 변화는 여전히 분명하지 않으며 관측 기록의 가변성 내에 있다.
∙ 브루어-돕슨 순환2(BDC):
-성층권 하층의 BDC는 최근 수십 년간 가속화되었으며 온실가스 양이 지속적으로 증가함에 따라 향후 계속 가속화될 것으로 예측된다.이러한 결과는 모델, 관측치, 재분석을 통해 확인된다. 지난 평가 이후의 새로운 연구에 따르면 모델의 BDC 가속은 20세기 후반 수십 년 동안 GHG 증가와 ODS로 유발된 오존 감소가 원인이다. 모델 시뮬레이션은 ODSs의 감소와 그에 따른 오존의 회복이 2000년 이후 BDC 가속 속도를 감소시키는 역할을 했음을 나타내지만, 이러한 변화가 BDC의 자연적 변동성의 범위를 넘어서 감지되었는지 여부를 결정하기 위한 분석은 아직 충분하지 않다.
-관측에 기반한 성층권 중층 및 상층의 과거 BDC 추세 추정치는 계속 모델링된 추세와 반대이다.
하지만 지난 평가 이후 관측에 기반한 새 추정치에 따르면 관측된 추세가 모델링된 추세에 근접한다.
∙ 극소용돌이 추세 및 변동성: 최근 양쪽 반구에서 발생한 극단적인 극소용돌이 현상은 극지 오존의 강한 변화를 야기했다. 그러나 현재 어느 쪽 반구에서도 더 빈번한 극소용돌이 붕괴를 향한 체계적인 추세에 대한 증거는 없다.
- 1979년 포괄적인 위성 기록이 시작된 이래로 남반구(SH)에서 두 차례의 성층권 돌연승온(SSW)3 현상이 관측되었다. 새로운 모델 연구에 따르면 이 현상은 모델 시뮬레이션과 일치하며 이 발생률을 설명하기 위해 SSW 빈도의 변화는 필요하지 않다. 과거 오존 고갈로 인한 호주 극소용돌이 붕괴 시기의 지연은 중간 및 높은 배출 시나리오에서 온실가스 증가의 반대 효과로 인해 21세기 말까지 완전히 역전되지는 않을 것으로 예상된다.
-북반구(NH)에서 새로운 연구에 따르면 SSW 빈도 및 극소용돌이 강도의 변화가 과거 기록에서 확실하게 감지되지 않았고 모델 전체에서 향후 변화가 확실하지는 않다.
∙ 준2년주기진동(QBO)4: 지난 평가 이후 BDC의 가속으로 인해 향후 QBO의 진폭이 약해질 것이라는 점이 보다 확실하지만 주기성 및 관련 오존 변동성의 변화에 대해서는 여전히 상당히 불확실하다.
-신모델 연구의 추론에 따르면 GHG 증가의 결과로 2016년과 2019년에 발생한 것과 같은 QBO 추가 교란의 가능성이 더 높아질 수 있다.
2 성층권에서 질량, 열, 지시물질을 수송하는 글로벌 대상평균 순환.
3 남반구에서 적응된 SSW 정의에 기반함; 5장, 5.2.6.1 참조.
4 성층권 적도풍의 동풍에서 서풍으로의 준주기적(~28개월 주기) 진동.
오존과 ODS가 기후에 미치는 영향
∙ 오존 및 ODS 복사강제력(RF): 새로운 추정치는 오존량에 대한 간접적인 영향을 포함하여 ODS의 복사강제력이 20세기 후반기에 플러스였으며 인위적 온실가스 강제력에 기여했다는 점에서 이전 평가를 확인한다. 성층권 오존 변화로 인한 1850~2011년에 성층권 조정 RF의 최신 최대 추정치는 –0.02 W m–2이며, 불확도는 ±0.13 W m–2이다. 이 RF의 범위는 ODS의 RF(0.337 W m-2)보다 작은 상태이다. 그러나 새로운 연구는 1) 대류권 순환 변화로 인한 빠른 조정과 2) 모델링된 오존 추세의 불확도로 인해 복사강제력 추정의 불확도를 드러낸다.
1990년대 후반 이후 ODS의 RF와 성층권 오존량의 변화는 몬트리올의정서의 결과로 거의 일정하게 유지되었다.
∙ ODS가 기후에 미치는 영향: 지난 평가 이후 ODS가 기후에 미치는 직접적인 복사 영향이 지구 온난화에 기여했을 뿐만 아니라 20세기 후반에 북극 증폭5을 강화했다는 것을 시사하는 새로운 증거가 있다.
∙ GHG 강제력에 대한 기후 반응에서 성층권 오존의 역할: 증거에 따르면 GHG로 인한 오존 변화가 GHG로 인한 표면 온도 온난화를 약화시키는 작용을 한다. 지난 평가 이후 새로운 추정치에 따르면 성층권 오존에 의한 이러한 기후 피드백이 음이지만 이전에 추정된 것보다는 작다. 또한 성층권 오존이 오존-순환 커플링을 통해 GHG에 대한 대류권 및 성층권 순환 반응에 미치는 영향에 대한 새로운 증거가 있다.
∙ 추세 및 경년변동성과 성층권 오존-순환 커플링의 관련성:
-양방향 오존 순환 커플링은 오존 고갈 및 회복이 남반구 성층권 순환 추세에 미치는 영향과 두 반구 모두에서 열대 및 중위도 지역의 성층권 경년변동성을 조절한다.
- ODS로 인한 북극의 장기적인 오존 추세가 대류권 및 지표 기후에 미치는 영향은 감지할 수
없었다. 그러나 새로운 증거에 따르면 개별 연도에 봄철 낮은 북극 오존이 기존의 성층권 순환 이상과 순환 이상이 대류권 순환 및 지표 기후에 미치는 후속 영향을 증폭시킬 수 있다.
∙ 남반구 순환에서 오존 회복의 특징:
-이전 평가에서 요약한 바와 같이, 남극의 오존 고갈은 남반구 대기 순환을 현저하게 변화시켰다.
새로운 증거는 남극 오존의 회복이 오존 감소기와 회복기(각각 대략 2000년 이전 시기와 이후 시기) 사이의 남반구 대기 순환 추세의 변화로 이제 분명해졌다는 것을 시사한다. 관측된 순환 추세의 변화는 성층권 고도에서 중요하지만 대류권에서는 부차적이다. 모델 시뮬레이션은 대기 순환 추세의 변화가 오존 회복에 의해 주도된다는 가설을 뒷받침한다.
5 북극 증폭은 특정 기간 동안 지구 온난화에 대한 북극 온난화(60–90°N)의 비율을 의미한다.
-기후 시뮬레이션에 따르면 향후 오존 회복의 영향은 온실가스 증가가 남반구 대류권 순환 변화에 미치는 영향과 경합하여 높은 온실가스 배출 시나리오에서 모든 계절에 중위도 제트를 극 방향으로 이동시킬 것이지만 낮은 온실가스 배출 시나리오에서 변화가 거의 없거나 심지어 여름철 호주에서 제트를 적도 방향으로 이동시킬 것이다.
∙ 남반구 해양 및 빙권에 미치는 오존 유발 영향:
-해양 및 해빙: 1950년대 이후 관측된 남극해 상층부 온난화와 담수화는 주로 온실가스 증가에 의해 주도되었다. 성층권 오존 감소는 온난화에서 부차적인 역할을 한다. 이전 평가와 마찬가지로 오존 추세는 1979년 이후 관측된 고위도 해수면 온도 냉각과 약한 해빙 변화를 주도했을 가능성이 낮다. 해양 소용돌이는 바람 변화에 대한 해양의 반응에서 계속 불확도의 원천으로 남아 있다. -탄소 흡수: 남극해 탄소 흡수는 10년 주기로 큰 변동을 보인다. 오존 변화는 이전 평가의 결론과
일치하는 남극해 탄소 흡수에서 관측된 순 변화에 실질적으로 기여했을 가능성이 낮다. -남극 빙상: 새로운 모델링 증거는 성층권 오존 고갈이 20세기 후반에 남극 대륙의 강수량을
증가시킴으로써 남극 빙상의 표면 질량 균형에 잠재적으로 영향을 미쳤을 수 있음을 시사한다. 그러나 성층권 오존 고갈이 대륙 전체 강수량에 영향을 미치는 기본적인 과정은 그다지 제약을 받지 않는다. 또한 관측된 남극의 지표질량균형은 큰 변동성을 보여준다.
몬트리올의정서의 기후 영향
∙ 지난 평가 이후 새로운 증거에 따르면 몬트리올의정서의 이행으로 인한 ODS 배출량 감소는 남극 오존 구멍의 안정화와 느린 회복으로 인해 이미 남반구 순환 추세에 영향을 미쳐 여름철 호주의 대류권 순환 추세를 변화시켰다.
∙ 최근의 모델링 연구는 몬트리올의정서가 2020년에 이미 0.17±0.06 K의 지구 지표 온난화와 0.45±0.23 K의 북극 지표 온난화를 방지하는 결과를 낳았으며, 규제되지 않은 ODS 배출량 시나리오와 비교해 볼 때 21세기 중반까지 약 0.5–1 K (0.79±0.24 K)의 지구 지표 온난화를 방지할 것으로 추정한다.
∙ 지난 평가 이후 새로운 증거는 몬트리올의정서가 또한 지상의 탄소 흡수원을 자외선(UV) 복사 손상으로부터 보호함으로써 21세기 말까지 지구 평균 0.5-1.0K의 추가적인 지표 온난화를 잠재적으로 방지했으며, 이로 인해 추가적인 CO2가 대기에 남아 있을 거라는 점을 시사한다.
6장 : 성층권 에어로졸 주입과 그에 따른 성층권 오존층에 미치는 잠재적 영향
2018년 오존 평가 이후 지구 온난화는 계속되어 현재 산업화 이전 수준보다 약 1.2℃ 높은 수준에 도달했다. IPCC(2021)에서 고려한 모든 기후 모델 시나리오에 따르면 추가적인 해로운 영향을 방지하기 위해 제안된 한계인 산업화 이전 수준보다 1.5℃ 이상 높은 온난화가 향후 지속될 것이다. 이 한계를 넘어서는 온도 오버슈트 가능성을 최소화하고 향후 지구 표면 온도를 안정화하려면 획기적인 완화 및 탈탄소화 노력이 필요하다. 그러나 온도 오버슈트로 인해 기후 시스템에 돌이킬 수 없는 영향이 발생할 수도 있다. 성층권 에어로졸 주입(SAI)은 햇빛을 다시 우주로 반사하여 지표 온난화의 일부를 상쇄하는 잠재적인 메커니즘으로 제안되었다. 폭발적인 화산 폭발과 다양한 모델 시뮬레이션에서 도출된 증거에 따르면 성층권 황산염 에어로졸이 증가하면 지구를 실질적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서 SAI 및 기타 태양 복사 조정(SRM) 접근 방식은 지구 표면 온도를 한계치인 1.5℃ 아래로 유지하는 유일한 옵션일 수 있다. 필요한 SAI의 양과 기간은 감축 및 탈탄소화 노력을 통해 대기 중 온실 가스(GHG) 농도가 얼마나 빨리 감소되는가에 달려 있다.
SAI는 지구 온난화의 영향을 일부 줄일 수 있지만 과거의 기후 조건을 복원할 수 없으며 성층권 오존 농도의 변화를 포함하여 의도하지 않은 결과를 초래할 가능성이 매우 높다. 지금까지 지구 시스템 모델(ESM)은 SAI의 기후 영향, 이점, 위험에 대한 정보를 제공하기 위해 시뮬레이션을 수행했다. 다중 모델 설정에서 SAI가 성층권 구성과 총 칼럼 오존(TCO)에 미치는 영향을 정량화하는 연구는 거의 수행되지 않았고 황산염 이외의 에어로졸 유형의 영향을 조사한 연구는 훨씬 적다. 기존 연구는 이미 경험한 것 이상으로 오존 구멍이 심화되는 것을 시사하지 않지만, 필요한 프로세스를 모델로 재현하는데 있어 현재의 단점으로 인해 결과에 대해 신뢰하기엔 제한적일 수밖에 없다.
오존 평가에 대해 새로운 본 챕터에서는 성층권 화학반응 및 수송에서 SAI 관련 변화를 통해 SAI가 성층권 오존에 미치는 영향을 평가한다. SAI가 미래 기후 변화 시나리오 및 주입 전략에 미치는 영향들의 상관성과 현재 우리의 이해가 가지는 불확실성 및 모델의 결점을 평가한다. 성층권 오존에 미치는 영향을 넘어서는 부작용과 위험에 대해서는 간략하게 다룬다. 향후 SAI의 적용 가능성은 근본적으로 복잡한 도덕적, 윤리적, 거버넌스 문제와 연결되어 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 이러한 측면은 매우 중요하지만 물리학에만 초점을 맞추는 본 챕터의 범위를 벗어난다.