통가 화산이 스스로 메탄 배출을 분해한 것으로 보인다

해저 화산 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai가 2022년 1월 15일 분화했을 때, 물질은 약 55킬로미터 상공까지 치솟아 역대 기록된 분화 기둥 중 가장 높은 축에 속했습니다. 하루 뒤 유럽 Sentinel-5P 위성에 탑재된 TROPOMI 장비는 New Caledonia 상공에서 이례적으로 강한 포름알데히드(HCHO) 신호를 포착했습니다. 이 기체는 대기 중에서 메탄이 분해될 때 잠시 생성되는 물질입니다. 이 증가는 같은 플룸에서 별도로 위성이 감지한 이산화황, 에어로졸 입자, 황산염 에어로졸과 일치했으며, 연구자들은 고도가 약간 다른 두 개의 뚜렷한 구름을 구분할 수 있었습니다. 하나는 약 30~32킬로미터, 다른 하나는 약 27~29킬로미터 상공이었습니다.

포름알데히드 농도는 약 30킬로미터 고도에서 최대 12ppb(10억분율)에 달했으며, 불확실성은 약 10퍼센트였습니다. 이는 그 고도에서 통상적으로 관측되는 수준을 크게 웃도는 값입니다. 이 연구에 따르면, 이전에 생물자원 연소와 관련된 성층권 측정에서는 20킬로미터 고도에서 포름알데히드가 약 0.1ppb 미만으로 나타났습니다. 포름알데히드는 성층권에서 햇빛에 의해 분해되기까지 몇 시간밖에 버티지 못하므로, 분화 당일에 발생한 기체 폭증이라면 하루 이틀 안에 거의 완전히 사라졌어야 합니다. 그러나 상승한 포름알데히드 신호는 계속 유지되었고, 연구자들은 이 구름이 남아메리카까지 이동하는 약 열흘 동안 이를 추적했습니다. 이는 분화 자체가 끝난 뒤에도 플룸 내부의 무언가가 계속 새로운 포름알데히드를 만들어내고 있었다는 의미입니다.

포름알데히드의 지속성이 핵심 증거입니다. 대기 중에서 분해되는 메탄 분자 하나마다 수명이 짧은 부산물로 포름알데히드 분자가 대략 하나씩 생성되기 때문입니다. 포름알데히드는 오래 지속되지 않으므로, 열흘 동안 계속 존재했다는 것은 분화와 연관된 단발성 폭증이 아니라 지속적인 메탄 산화가 일어나고 있었음을 시사합니다. 이 연구는 메탄 산화가 하루 약 900메가그램(1메가그램은 1,000킬로그램)의 속도로 진행되었다고 추정하며, 이를 유지하려면 최소 330기가그램(1기가그램은 100만 킬로그램)의 화산 기원 메탄이 성층권에 주입되었어야 한다고 추산합니다.

제안된 메커니즘은 같은 연구진 일부가 이전에 대서양 상공을 지나는 사하라 먼지에 대해 수행한 연구로 거슬러 올라갑니다. 그곳에서는 먼지 입자가 바다 물보라로 튀어 오른 해염과 결합해 연구자들이 '철염 에어로졸(iron salt aerosol)'이라고 부르는 것을 형성합니다. 햇빛이 이 입자에 닿으면 염소 원자가 방출되고, 이 염소 원자가 메탄과 반응해 분해를 돕습니다. 이번 새 연구는 화산 플룸에서도 비슷한 과정이 일어났을 것으로 제안합니다. 즉 해수와 화산재가 함께 성층권 높이까지 솟아올랐고, 이후 햇빛이 염소를 생성해 분화로 방출된 메탄을 공격했다는 것입니다. 연구자들은 황산염으로 덮인 화산재에서 일어나는 염화철 광화학 반응에 의한 염소 생성이 이를 설명할 수 있는 그럴듯한 메커니즘이라고 설명하며, 하루 약 2~5기가그램의 염소 생성이 필요하다고 말합니다. 이는 기존에 알려진 메커니즘으로는 설명되지 않는다고 밝히고 있습니다.

이는 플룸 내에서 염소 화학 반응이 활발했다는 독립적인 증거들 위에 세워진 것입니다. NASA의 한 위성 장비는 이미 플룸 내부에서 약 열흘간 지속된 일산화염소 증가와 오존 손실을 감지한 바 있으며, 별도의 모델링 연구는 1.3기가그램의 활성 염소가 화산에 의해 주입되었다면 이러한 관측 결과를 설명할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이번 포름알데히드 기반 분석은 같은 플룸에서 관측된 또 다른 화학물질인 일산화브로민의 낮은 농도 역시 설명한다고 제시됩니다.

이 연구에서 메탄은 이산화탄소 다음으로 가장 중요한 온실가스로 설명되며, 현재 0.5°C의 온난화를 일으키고 있고 20년 기준으로 이산화탄소보다 약 80배 강력한 것으로 나타납니다. 이산화탄소와 달리 메탄은 자연적으로 약 10년 안에 분해되므로, 지금 배출을 줄이면 약 10년 안에 온난화 속도를 눈에 띄게 늦출 수 있습니다. 이러한 빠른 순환 때문에 일부 연구자들은 메탄 감축을 기후변화의 '비상 브레이크'라고 표현해 왔지만, 자료들은 장기적으로 기온을 안정시키려면 이산화탄소 배출 감축이 여전히 필요하다는 점도 지적합니다. 기존 기술로는 모든 메탄 배출을 없앨 수 없고, 지구가 더워지면서 자연적인 메탄 배출도 증가하고 있기 때문에, 연구자들은 대기 중에서 메탄 분해를 능동적으로 가속하는 방법도 탐구하기 시작했습니다. 이를 '대기 메탄 제거(atmospheric methane removal)'라고 부릅니다.

이 분야의 주요 걸림돌은 어떤 제거 방법이 실제로 효과가 있는지 입증하는 것이었습니다. National Academy of Sciences, Engineering, and Medicine의 한 보고서는 모니터링, 보고, 검증을 핵심 과제로 지목하며, 메탄 제거를 측정할 적절한 도구가 아직 존재하지 않는다고 결론지었습니다. 통가 분화는 자연적인 시험 사례를 제공했습니다. 메탄이 분해된 것으로 보이는 크고 추적 가능한 플룸을 만들어냈기 때문에, 연구자들은 포름알데히드에 대한 위성 측정이 이러한 과정을 정량화할 수 있음을 입증할 수 있었습니다. 이는 물의 낮은 반사율 때문에 위성이 메탄 자체를 직접 측정할 수 없는 해양 상공에서도 마찬가지입니다. 이 연구의 저자들은 자신들의 포름알데히드 기반 방법이 향후 어떤 공학적 메탄 산화 프로젝트의 영향도 정량화할 만큼 민감하다고 설명합니다.

이번 분화의 이산화황 배출량은 화산 기준으로 보면 적은 편이었습니다. 배출량 추정치는 독립된 연구들 사이에서 차이를 보입니다. 이번 새 연구에 인용된 한 위성 분석은 수백 기가그램이라고 밝히는 반면, 이 분화의 SO2 배출량을 다룬 별도의 전문 연구는 분화 연속 과정 전체 배출량을 약 0.6~0.7테라그램(600~700기가그램에 해당)으로 제시하며, 이는 1991년 Mount Pinatubo 분화의 약 20테라그램보다 훨씬 적은 양입니다. 연구자들은 분출하는 마그마와 상호작용한 해수가 원래 성층권까지 도달했을 황의 대부분을 제거했을 것이라고 제안했지만, 이 연구는 이 부분이 여전히 계속 조사 중인 영역이라고 밝히고 있습니다.

연구자들이 계산한 하루 2~5기가그램의 염소 생성 속도는 이 연구에서 알려진 화학적 메커니즘으로는 설명되지 않는다고 명시적으로 표시되어 있으며, 철염화물 경로는 그럴듯하지만 확인되지 않은 설명으로 제시됩니다. 연구자들은 또한 이번 발견이 화산 먼지를 포함한 먼지가 전 지구 메탄 수지, 즉 대기로 들어오고 나가는 메탄의 양을 계산하는 방식에 영향을 미친다는 것을 뜻하며, 이 요인은 이전까지 그런 계산에 포함된 적이 없었다고 지적합니다. 이러한 화학 반응의 공학적 버전을 의도적인 기후 활용을 위해 안전하고 효과적으로 구축할 수 있을지는 자료들에서 열린 질문으로 남아 있으며, 저자들은 만약 그런 접근법이 시험된다면 자신들의 위성 기반 검증 방법이 이를 답하는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다.