그린란드와 남극 빙상(ice sheet)은 지구상 담수의 99%를 저장하고 있습니다. 만약 모두 녹으면 해수면은 65m 상승합니다(그린란드 7.4m, 남극 58m). 다행히 아직은 전부 녹지 않았지만, 빠르게 얼음을 잃고 있습니다. NASA GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment) 위성은 2002년부터 중력장 변화로 빙상 질량을 측정합니다. 데이터에 따르면 그린란드는 2002~2024년 연평균 280 Gt(기가톤, 10억 톤)를 잃었습니다. 총 5,880 Gt 손실, 해수면 16mm 상승 기여입니다. 남극은 연평균 150 Gt, 총 3,150 Gt 손실, 9mm 상승 기여입니다. 특히 서남극 빙상(WAIS)의 스웨이츠 빙하는 "지구종말의 날 빙하"로 불리며 불안정합니다. NASA·ESA 위성 데이터 22년 기록을 분석해, 빙상 융해 속도, 메커니즘, 미래 해수면 기여를 정리했습니다.
빙상의 질량을 측정하는 것은 어렵습니다. 빙상은 면적이 수백만 km²에 달하고, 두께가 수 km입니다. 지상 측정만으로는 전체를 파악할 수 없습니다. 2002년 NASA와 독일 DLR이 공동으로 GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment) 위성을 발사하며 혁명이 시작되었습니다.
GRACE는 쌍둥이 위성 두 개로 구성됩니다. 두 위성이 약 220km 간격으로 같은 궤도를 따라 비행합니다. 핵심 원리는 "중력 변화 측정"입니다. 지구 아래 질량이 많으면 중력이 강하고, 적으면 약합니다. 빙상이 녹아 질량이 줄면, 그 지역 중력도 약해집니다.
구체적으로 작동 방식은 다음과 같습니다. 두 위성 사이 거리를 마이크로파로 정밀 측정합니다(정확도 10 μm, 머리카락 굵기). 앞쪽 위성이 질량이 많은 지역 위를 지나면, 중력이 강해져 앞으로 당겨지며 속도가 빨라집니다. 뒤쪽 위성과의 거리가 늘어납니다. 앞쪽 위성이 그 지역을 벗어나면 느려지고, 뒤쪽 위성이 진입하며 빨라집니다. 거리가 줄어듭니다. 이런 거리 변화 패턴을 분석하면, 지구 중력장을 역산할 수 있습니다.
GRACE는 한 달에 한 번 전 지구 중력장 지도를 만듭니다. 이를 여러 달, 여러 해 동안 반복하면 중력장 변화를 추적할 수 있습니다. 그린란드나 남극에서 중력이 감소하면, 얼음이 녹았다는 의미입니다. 정확도는 약 ±30 Gt/년입니다. 즉 연간 300억 톤 얼음 손실을 감지할 수 있습니다.
GRACE는 2002년 3월부터 2017년 10월까지 15.5년간 작동했습니다. 2017년 연료 고갈로 임무를 종료했지만, 2018년 5월 GRACE-FO(GRACE Follow-On, 후속 위성)가 발사되어 측정을 이어받았습니다. 2024년 현재까지 22년 연속 기록을 확보했습니다. 이는 빙상 변화를 추적하는 가장 정밀하고 긴 데이터셋입니다.
그린란드 빙상 현황
그린란드 빙상은 면적 약 1.71백만 km²(한국의 17배), 부피 약 2.85백만 km³입니다. 평균 두께는 약 1,670m이며, 최대 두께는 3,000m 이상입니다. 만약 그린란드 빙상이 완전히 녹으면 해수면은 7.4m 상승합니다. 전 세계 해안 도시 대부분이 침수됩니다.
GRACE 데이터에 따르면, 그린란드는 2002~2024년 총 약 5,880 Gt의 얼음을 잃었습니다. 연평균 약 280 Gt 손실입니다. 1 Gt는 10억 톤으로, 대략 1 km³ 얼음에 해당합니다(얼음 밀도 약 900 kg/m³). 5,880 Gt는 약 6,533 km³입니다. 이는 해수면 약 16mm 상승에 기여했습니다(1 Gt 얼음 융해 = 해수면 약 0.0028mm 상승).
중요한 것은 손실 속도가 가속화되고 있다는 점입니다. 2002~2012년 연평균 손실은 약 250 Gt/년이었습니다. 2012~2024년은 약 310 Gt/년으로 24% 증가했습니다. 특히 2019년은 역대 최대 손실(약 530 Gt)을 기록했습니다. 2019년 여름은 유럽 폭염이 북쪽으로 확장되며 그린란드에도 이상 고온이 발생했습니다. 표면 융해가 극심했고, 얼음 손실이 폭증했습니다.
| 기간 | 연평균 손실 (Gt/년) | 누적 손실 (Gt) | 해수면 기여 (mm) |
|---|---|---|---|
| 2002~2012 (10년) | 250 | 2,500 | 7.0 |
| 2012~2024 (12년) | 310 | 3,720 | 10.4 |
| 2019년 (최대 손실) | 530 | - | 1.5 (단일 연도) |
| 전체 (2002~2024) | 280 (평균) | 5,880 | 16.4 |
그린란드 빙상 융해 메커니즘
그린란드 빙상은 두 가지 방식으로 얼음을 잃습니다. 표면 융해(surface melting)와 빙하 방출(ice discharge)입니다.
표면 융해 (약 60%) - 여름철 태양열로 빙상 표면이 녹습니다. 녹은 물(meltwater)은 세 가지 경로를 따릅니다. 첫째, 크레바스(crevasse, 얼음 틈)로 스며들어 빙상 내부와 바닥으로 흘러갑니다. 이 물은 빙상 바닥에서 "윤활제" 역할을 하며, 빙상이 바다로 미끄러지는 속도를 높입니다. 둘째, 빙상 표면을 흘러 가장자리로 배출됩니다. 셋째, 표면에 "빙상 상부 호수(supraglacial lakes)"를 형성합니다. 이 호수는 면적이 수 km²에 달하며, 어두운 파란색입니다. 어두운 색은 알베도를 낮춰 더 많은 태양열을 흡수하며, 추가 융해를 일으킵니다.
표면 융해는 기온에 매우 민감합니다. 2019년 여름 그린란드 평균 기온은 평년보다 약 2.5°C 높았습니다. 이로 인해 표면 융해 면적이 급증했습니다. 7월 30~31일 이틀간 그린란드 표면의 약 90%에서 융해가 발생했습니다. 평년에는 여름철 평균 50~60% 정도만 녹습니다. 2019년 여름 융해량은 약 320 Gt로 역대 최고였습니다.
빙하 방출 (약 40%) - 그린란드 가장자리에는 약 200개의 빙하(glacier)가 있습니다. 이들은 내륙 빙상에서 바다로 흐르는 "얼음 강"입니다. 빙하 끝(terminus)이 바다에 닿으면, 거대한 얼음 덩어리가 떨어져 나갑니다. 이를 "빙산 분리(calving)"라고 부릅니다. 분리된 얼음은 빙산(iceberg)이 되어 바다로 떠내려갑니다.
가장 빠른 빙하는 야콥스하븐 빙하(Jakobshavn Isbræ)입니다. 서부 그린란드에 있으며, 폭 약 6km, 길이 약 65km입니다. 빙하 흐름 속도는 연간 약 12.6km로, 세계에서 가장 빠릅니다. 하루 평균 35m 움직입니다. 야콥스하븐은 연간 약 40~50 Gt의 얼음을 바다로 배출합니다. 그린란드 전체 손실의 약 15%를 차지합니다. 영화 '타이타닉'을 침몰시킨 빙산도 야콥스하븐에서 나왔다는 설이 있습니다.
빙하 방출은 왜 증가할까요? 두 가지 이유입니다. 첫째, 빙하가 바다로 빠르게 미끄러집니다. 빙상 바닥에 융해수가 많아지면, 마찰이 줄어들어 빙하가 가속됩니다. 둘째, 빙하 끝이 바다와 만나는 곳에서 해수 온도가 상승합니다. 따뜻한 바닷물이 빙하 아래쪽을 녹여 불안정하게 만듭니다. 이를 "기저 융해(basal melting)"라고 부릅니다. 빙하가 불안정해지면 더 빨리 부서지며, 빙산 분리가 증가합니다.
그린란드 빙상의 지역별 변화
그린란드 빙상은 지역마다 변화 양상이 다릅니다. 가장자리는 빠르게 녹고, 내륙 중앙부는 상대적으로 안정적입니다.
서부 그린란드 - 가장 큰 손실이 일어나는 지역입니다. 야콥스하븐 빙하 외에도 여러 큰 빙하가 있습니다. 서부 그린란드는 대서양 난류의 영향을 받아 해수 온도가 높습니다. 따뜻한 물이 피오르드(fjord, 빙하가 만든 좁고 깊은 만)로 침투해 빙하를 녹입니다. 2002~2024년 서부 그린란드는 연평균 약 120 Gt를 잃었습니다. 전체 손실의 43%입니다.
북동부 그린란드 - 북동 그린란드 빙하군(Northeast Greenland Ice Stream, NEGIS)은 그린란드에서 가장 큰 배수 시스템입니다. 최근 빠르게 얼음을 잃고 있습니다. 2003년 자차리에 이스트룀(Zachariae Isstrøm) 빙하의 부유 빙설(floating ice tongue)이 붕괴했습니다. 이후 빙하 방출이 급증했습니다. 북동부는 연평균 약 50 Gt 손실입니다.
남동부 그린란드 - 헬하임 빙하(Helheim Glacier), 칸게르들루수아크 빙하(Kangerdlugssuaq Glacier) 등이 있습니다. 이들도 최근 가속화되고 있습니다. 남동부는 연평균 약 60 Gt 손실입니다.
북부 그린란드 - 페터만 빙하(Petermann Glacier)가 있습니다. 2010년과 2012년 거대한 빙산이 분리되었습니다. 2010년 빙산은 면적 약 250 km²(맨해튼의 4배)로, 2000년 이후 북극에서 가장 큰 빙산이었습니다. 북부는 연평균 약 30 Gt 손실입니다.
내륙 중앙부 - 빙상 내부 고지대(해발 2,000~3,000m)는 온도가 낮아 표면 융해가 거의 없습니다. 오히려 눈이 쌓여 질량이 약간 증가합니다. 하지만 증가량(연 약 20 Gt)은 가장자리 손실에 비해 미미합니다. 전체적으로는 큰 손실입니다.
남극 빙상 현황
남극 빙상은 그린란드보다 훨씬 큽니다. 면적 약 14백만 km²(한국의 140배, 미국 본토의 1.5배), 부피 약 26.5백만 km³입니다. 평균 두께는 약 1,900m이며, 최대 두께는 4,800m입니다. 만약 남극 빙상이 완전히 녹으면 해수면은 58m 상승합니다. 남극은 그린란드의 약 8배 많은 얼음을 가지고 있습니다.
남극은 크게 세 부분으로 나뉩니다. 서남극 빙상(West Antarctic Ice Sheet, WAIS), 동남극 빙상(East Antarctic Ice Sheet, EAIS), 남극 반도(Antarctic Peninsula)입니다.
GRACE 데이터에 따르면, 남극은 2002~2024년 총 약 3,150 Gt의 얼음을 잃었습니다. 연평균 약 150 Gt 손실입니다. 이는 해수면 약 9mm 상승에 기여했습니다. 그린란드보다 절대 손실량은 적지만, 가속 추세는 더 뚜렷합니다. 2002~2012년 연평균 손실은 약 100 Gt/년이었습니다. 2012~2024년은 약 200 Gt/년으로 2배 증가했습니다.
특히 2015년 이후 손실이 급증했습니다. 2019년과 2020년은 각각 약 250 Gt 이상 손실로 역대 최고를 기록했습니다. 남극은 그린란드보다 변동성이 크지만, 장기 추세는 명확히 증가하고 있습니다.
서남극 빙상: 가장 취약한 지역
서남극 빙상(WAIS)은 면적 약 2백만 km²로, 남극의 약 14%를 차지합니다. 만약 WAIS가 완전히 붕괴하면 해수면은 약 5m 상승합니다. WAIS의 가장 큰 문제는 "해양 기반 빙상(marine-based ice sheet)"이라는 것입니다. 빙상 바닥이 해수면 아래에 있습니다. 일부는 해저 2,000m 아래까지 들어가 있습니다.
해양 기반 빙상은 매우 불안정합니다. 따뜻한 바닷물이 빙상 아래로 침투하면, 빙상 밑바닥부터 녹습니다. 빙상과 암반 사이 접지선(grounding line, 빙상이 암반에서 떨어져 바다에 뜨기 시작하는 선)이 후퇴하면, 빙상이 불안정해집니다. 일단 후퇴가 시작되면 멈추기 어렵습니다. 이를 "해양 빙상 불안정성(Marine Ice Sheet Instability, MISI)"이라고 부릅니다.
스웨이츠 빙하 (Thwaites Glacier) - 서남극에서 가장 위험한 빙하입니다. 면적 약 192,000 km²(플로리다주 크기)로, 남극에서 가장 넓은 빙하 중 하나입니다. "지구종말의 날 빙하(Doomsday Glacier)"라는 별명이 있습니다. 왜 그럴까요? 스웨이츠는 WAIS의 "마개" 역할을 합니다. 만약 스웨이츠가 붕괴하면, 뒤쪽의 거대한 빙상이 바다로 밀려들어갑니다. 해수면이 급격히 상승할 수 있습니다.
스웨이츠는 현재 연평균 약 50 Gt의 얼음을 잃고 있습니다. 접지선이 2010년대 이후 약 14km 후퇴했습니다. 빙하 흐름 속도도 증가하고 있습니다. 2014년 NASA 연구는 "스웨이츠 붕괴는 이미 시작되었으며 돌이킬 수 없다(irreversible)"고 경고했습니다. 다만 붕괴 완료까지는 수백 년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 빠르면 200~300년, 느리면 500~1,000년입니다.
2019~2024년 국제 연구팀(International Thwaites Glacier Collaboration, ITGC)이 스웨이츠를 집중 조사했습니다. 로봇 잠수정(AUV)을 빙하 아래로 보내 해저 지형과 해류를 측정했습니다. 결과는 충격적이었습니다. 따뜻한 바닷물(+1.5°C, 주변 해수보다 높음)이 빙하 아래로 빠르게 침투하고 있었습니다. 접지선 근처 빙하 두께가 예상보다 얇았습니다. 일부 지역은 두께 100m 미만으로, 조만간 부유(floating) 상태가 될 것으로 예상됩니다.
파인 아일랜드 빙하 (Pine Island Glacier) - 스웨이츠 옆에 있는 또 다른 위험 빙하입니다. 면적 약 175,000 km²로, 스웨이츠와 비슷합니다. 파인 아일랜드는 연평균 약 45 Gt 손실입니다. 접지선이 2010년대 이후 약 10km 후퇴했습니다. 빙하 방출 속도가 1970년대 대비 75% 증가했습니다.
스웨이츠와 파인 아일랜드를 합치면, WAIS 전체 손실의 약 60%를 차지합니다. 이 두 빙하가 WAIS 불안정성의 핵심입니다.
동남극 빙상: 상대적으로 안정
동남극 빙상(EAIS)은 남극의 약 86%를 차지하는 거대한 빙상입니다. 면적 약 12백만 km², 부피 약 24백만 km³입니다. 만약 EAIS가 완전히 녹으면 해수면은 약 53m 상승합니다. 하지만 EAIS는 WAIS보다 훨씬 안정적입니다. 대부분 빙상이 해수면 위 암반 위에 있기 때문입니다. 또한 EAIS는 내륙 깊숙이 있고, 매우 춥습니다(평균 기온 -30~-60°C). 표면 융해가 거의 없습니다.
GRACE 데이터는 EAIS가 약간의 질량 증가를 보였다가 최근 약간 감소하는 추세를 보여줍니다. 2002~2024년 전체로는 약 +200 Gt~-200 Gt 사이로, 거의 균형입니다. 내륙 일부는 눈이 쌓여 질량이 증가하지만, 가장자리 일부는 빙하 방출로 손실됩니다. 전체적으로는 큰 변화가 없습니다.
하지만 EAIS도 완전히 안전하지는 않습니다. EAIS 일부(예: Totten Glacier, 토텐 빙하)는 해양 기반이며, 따뜻한 바닷물에 노출되어 있습니다. 토텐 빙하는 EAIS에서 가장 큰 빙하로, 만약 붕괴하면 해수면이 약 3.5m 상승할 수 있습니다. 2015년 연구는 토텐 빙하 아래로 따뜻한 물이 침투하고 있음을 발견했습니다. 아직 대규모 손실은 없지만, 장기적으로는 위험할 수 있습니다.
남극 반도: 빠른 온난화
남극 반도(Antarctic Peninsula)는 남극 대륙에서 북쪽으로 튀어나온 긴 반도입니다. 남미에 가장 가까우며, 남극에서 가장 따뜻한 지역입니다. 20세기 후반 이후 남극 반도는 전 지구 평균보다 3배 빠르게 따뜻해졌습니다. 1950~2000년 약 2.5°C 상승했습니다. 최근 20년(2000~2020년)은 약간 정체 또는 냉각되었지만, 장기 추세는 여전히 온난화입니다.
남극 반도는 2002~2024년 연평균 약 20~30 Gt 손실입니다. 특히 빙붕(ice shelf, 빙상이 바다로 확장된 떠 있는 얼음 판) 붕괴가 문제입니다. 2002년 라센 B 빙붕(Larsen B Ice Shelf)이 단 35일 만에 3,250 km² 면적이 붕괴했습니다. 놀라운 속도였습니다. 빙붕은 수천 년 동안 안정적이었지만, 온난화로 갑자기 붕괴했습니다.
빙붕 자체는 이미 물에 떠 있어, 붕괴해도 해수면에 직접 기여하지 않습니다(아르키메데스 원리). 하지만 빙붕은 육지 빙하를 막는 "버팀목" 역할을 합니다. 빙붕이 사라지면 육지 빙하가 빠르게 바다로 흘러들어갑니다. 라센 B 붕괴 후, 뒤쪽 빙하들이 300~800% 가속되었습니다. 이것이 해수면 상승에 기여합니다.
빙상 융해의 피드백 루프
빙상 융해는 여러 "양의 피드백(positive feedback)" 메커니즘으로 가속됩니다.
알베도 피드백 - 하얀 얼음은 태양빛의 약 80~90%를 반사합니다. 얼음이 녹으면 어두운 암석이나 물이 드러나며, 10~30%만 반사합니다. 더 많은 열을 흡수하며, 주변 얼음을 더 녹입니다. 또한 표면에 먼지, 검댕이(soot, 산불·화석연료 연소 입자)가 쌓이면 얼음이 어두워집니다. 이것도 알베도를 낮춥니다.
융해수 윤활 - 빙상 표면에서 녹은 물이 크레바스를 통해 빙상 바닥으로 스며듭니다. 이 물이 빙상과 암반 사이에서 "윤활제" 역할을 합니다. 빙상이 바다로 미끄러지는 속도가 빨라집니다. 빙하 방출이 증가합니다.
해양 온난화 - 지구 온난화로 해수 온도가 상승합니다. 특히 심층수가 따뜻해지며, 빙하 아래로 침투합니다. 기저 융해가 가속됩니다. 빙하가 불안정해지며 붕괴 위험이 증가합니다.
동적 얇아짐(dynamic thinning) - 빙하 방출이 증가하면, 빙하가 빠르게 흘러나가며 내륙 빙상이 얇아집니다. 얇아진 빙상은 더 빨리 녹습니다. 표면 고도가 낮아지며, 더 따뜻한 공기에 노출되기 때문입니다(고도가 낮을수록 기온이 높음).
이런 피드백들이 결합되면, 빙상 융해는 "자기 강화(self-reinforcing)" 과정이 됩니다. 일단 시작되면 점점 빨라집니다. 이것이 과학자들이 우려하는 이유입니다.
미래 해수면 기여 예측
IPCC AR6 보고서는 그린란드와 남극의 2100년 해수면 기여를 예측했습니다. 예측은 배출 시나리오에 따라 달라집니다.
그린란드 기여 - SSP1-2.6(저배출): 2100년까지 약 9cm 상승 기여. SSP2-4.5(중간): 약 13cm. SSP5-8.5(고배출): 약 18cm. 현재 추세(연 280 Gt 손실)가 계속되면, 2100년까지 약 21,840 Gt 손실, 약 60mm = 6cm 기여입니다. 하지만 융해가 가속화되며, 실제로는 더 클 것입니다.
남극 기여 - 남극은 불확실성이 훨씬 큽니다. SSP1-2.6: 약 3cm. SSP2-4.5: 약 8cm. SSP5-8.5: 약 15~28cm(범위가 넓음). 불확실성의 주요 원인은 WAIS 붕괴 가능성입니다. 만약 스웨이츠와 파인 아일랜드가 빠르게 붕괴하면, 기여가 훨씬 클 수 있습니다. 일부 연구는 "저확률 고영향(low-likelihood high-impact)" 시나리오로 2100년 남극 기여가 1m 이상일 가능성(5% 미만)도 제시합니다.
전체적으로 그린란드와 남극을 합치면, 2100년까지 약 12~46cm 해수면 상승 기여가 예상됩니다. 이는 전체 해수면 상승(43~84cm, 열팽창 + 산악 빙하 포함)의 약 28~55%를 차지합니다. 빙상은 21세기 해수면 상승의 가장 큰 불확실성 요인입니다.
2100년 이후에도 빙상 융해는 수백~수천 년 계속됩니다. 만약 온난화가 2°C로 제한되어도, 장기적으로(2300년) 그린란드는 상당 부분 녹을 것으로 예상됩니다. 4°C 온난화면 그린란드가 거의 완전히 녹고(수천 년 걸림), WAIS도 붕괴할 가능성이 높습니다. 장기적으로 해수면은 수 미터 이상 상승할 수 있습니다.
티핑 포인트와 비가역성
빙상 융해에는 "티핑 포인트(tipping point, 전환점)"가 있을 가능성이 있습니다. 티핑 포인트는 시스템이 급격히 다른 상태로 전환되는 임계값입니다. 일단 넘으면 되돌리기 어렵거나 불가능합니다.
그린란드 티핑 포인트 - 연구에 따르면, 그린란드 빙상은 온난화 약 1.5~3°C에서 티핑 포인트를 넘을 수 있습니다. 티핑 포인트를 넘으면, 빙상이 점진적으로 완전히 녹습니다. 시간은 수천 년 걸리지만, 과정은 되돌릴 수 없습니다. 이유는 "고도-질량 균형 피드백(elevation-mass balance feedback)"입니다. 빙상이 녹으면 표면 고도가 낮아지고, 더 따뜻한 공기에 노출되며, 융해가 가속됩니다. 악순환이 반복되며, 결국 완전히 녹습니다.
현재 온난화(1.2°C)는 이미 그린란드 티핑 포인트 범위 안에 있을 가능성이 있습니다. 일부 과학자들은 "그린란드는 이미 티핑 포인트를 넘었을 수 있다"고 경고합니다. 하지만 확실하지는 않습니다. 1.5°C 제한이 중요한 이유 중 하나입니다.
WAIS 티핑 포인트 - WAIS는 해양 빙상 불안정성(MISI) 때문에 티핑 포인트가 낮을 수 있습니다. 일부 연구는 온난화 1.5~2°C에서 WAIS 붕괴가 시작될 수 있다고 봅니다. 스웨이츠 빙하는 이미 "되돌릴 수 없는 후퇴"를 시작했을 가능성이 있습니다. WAIS 완전 붕괴는 수백 년 걸리지만, 과정을 멈출 수 없습니다.
티핑 포인트의 문제는 정확한 위치를 모른다는 것입니다. 언제 넘는지 알 수 없습니다. 넘고 나서야 알게 됩니다. 따라서 예방 원칙(precautionary principle)이 중요합니다. 온난화를 최대한 낮게 유지해, 티핑 포인트를 피해야 합니다.
참고 자료 및 데이터 출처
- NASA GRACE & GRACE-FO - 그린란드·남극 질량 변화 데이터 (2002~2024)
- NASA JPL (Jet Propulsion Laboratory) - 빙상 질량 균형 분석
- ESA CryoSat-2 - 빙상 두께 및 고도 변화 측정
- IMBIE (Ice Sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise) - 다중 위성 데이터 통합 분석
- IPCC AR6 - "Climate Change 2021: The Physical Science Basis" (Chapter 9: Ice Sheets)
- Nature - "Mass balance of the Antarctic Ice Sheet" (2018)
- Science - "Four decades of Antarctic Ice Sheet mass balance" (2019)
- Nature Geoscience - "Marine ice sheet instability in West Antarctica" (2014)