산꼭대기는 왜 태양에 더 가까운데 더 추울까?

태양에 가까울수록 더 따뜻해야 한다. 그런데 왜 산 정상에는 눈이 쌓여 있을까?

직관적으로는 이상하다. 에베레스트 정상은 해수면보다 8,849m 더 태양에 가깝다. 하지만 정상 기온은 영하 40도 아래로 떨어지기도 한다. 반면 해변은 한여름에 30도를 훌쩍 넘는다. 이 역설의 답은 태양이 아니라, 우리가 숨 쉬는 공기 속에 있다.

지구의 담요, 대기

지구를 감싸고 있는 대기는 단순한 공기층이 아니다. 산소, 질소, 수증기, 이산화탄소 등 다양한 기체로 이루어진 이 층은 지구의 온도를 조절하는 핵심 장치다.

태양에서 오는 복사열은 대기를 통과하면서 일부가 흡수된다. 지표면에 닿아 따뜻해진 땅은 다시 열을 방출하는데, 대기 중 온실가스들이 이 열을 붙잡아 지구가 너무 차가워지지 않도록 막아준다. 이것이 바로 온실효과다. 자동차나 공장에서 나오는 이산화탄소가 문제가 되는 이유도 여기 있다. 온실가스가 늘어날수록 더 많은 열이 갇혀 지구 전체 기온이 올라가기 때문이다.

그런데 이 대기는 고도에 따라 균일하지 않다. 그리고 바로 그 차이가 산꼭대기가 추운 이유를 설명한다.

중력이 공기를 붙잡는다

중력은 사람과 물건만 붙잡는 게 아니다. 대기를 구성하는 기체 분자들도 중력의 영향을 받는다. 중력은 이 분자들을 지표면 가까이 끌어당기기 때문에, 고도가 높아질수록 공기는 점점 희박해진다.

해수면 근처에는 기체 분자가 빽빽하게 모여 있다. 에베레스트 정상에 오르면 산소가 부족해 산악인들이 산소통을 메고 가야 하는 이유가 바로 이것이다. 공기가 얇아진다는 건 단순히 숨쉬기 어렵다는 의미가 아니다. 온도에도 직접적인 영향을 미친다.

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분자가 적으면 왜 더 추울까

고도가 높아질수록 기온이 낮아지는 데는 두 가지 핵심 이유가 있다.

첫째, 열은 분자들이 서로 충돌할 때 만들어진다. 분자가 많을수록 충돌이 잦고, 그만큼 열이 많이 생긴다. 공기가 희박한 고지대에서는 분자 수 자체가 적으니 이 충돌이 줄어들고, 결과적으로 열 생성도 줄어든다.

둘째, 희박한 대기는 열을 붙잡아두는 능력도 약하다. 온실효과를 일으키는 것도 결국 기체 분자들이다. 분자가 적으면 지표에서 올라오는 열을 가두는 능력이 떨어지고, 열은 우주 공간으로 쉽게 빠져나간다.

결국 산 정상은 태양 복사를 더 많이 받을 수 있지만, 그 열을 붙잡아둘 대기가 부족하다. 더 받아도 더 빨리 잃는 구조인 셈이다.

눈이 눈을 부른다

기온이 낮으니 비 대신 눈이 내린다. 그런데 한번 쌓인 눈은 더 낮은 온도를 유지하는 데 기여한다. 흰 눈은 태양빛을 거울처럼 반사해 지면이 열을 흡수하는 것을 막기 때문이다. 이를 알베도(albedo) 효과라고 한다.

눈 덮인 산은 태양빛을 우주로 되돌려 보내고, 그 덕분에 더 차갑게 유지되며, 차갑기 때문에 눈이 녹지 않고, 눈이 있기 때문에 또 차갑다. 눈과 추위가 서로를 강화하는 순환이다.

그렇다면 기후변화는?

이 자연스러운 순환이 최근 흔들리고 있다. 전 세계 산악 빙하의 90% 이상이 후퇴하고 있다는 연구 결과가 잇따르고 있다. 대기 중 온실가스 농도가 높아지면서 고지대도 예전보다 따뜻해지고 있기 때문이다. 알프스, 히말라야, 안데스 어느 곳이든 마찬가지다.

한국도 예외가 아니다. 한라산과 설악산의 적설량과 적설 기간이 수십 년 전과 비교해 눈에 띄게 줄었다는 기상청 자료가 있다. 산에 눈이 쌓이는 것은 단순한 경치의 문제가 아니다. 봄철 식수원이 되는 눈 녹은 물, 고산 생태계의 균형, 스키 산업까지 연결된 문제다.