탄소의 순환(Carbon cycle)은 지구의 화학적 진화와 열적 진화에 매우 중요한 역할을 합니다. 탄소는 지권에 압도적으로 많이 존재하지만, 지권에 존재하는 탄소보다는 기권에 존재하는 탄소가 훨씬 더 중요한 의미를 가집니다. 특히 지구 기후 변동과 관련하여 기권을 중심으로 한 탄소의 공급과 제거는 매우 중요한 현대 과학의 화두입니다.


1. 탄소의 공급원

탄소는 기권에서 주로 이산화탄소의 형태로 존재합니다. 이산화탄소는 탈탄소화 과정(decarbonation)에 이은 화산 분출, 유기 탄소의 융기, 화석 연료의 연소, 침식, 그리고 생명체의 호흡 등에 의해 기권으로 공급됩니다. 이 중에서 지질 시대 동안 가장 중요한 역할을 한 것은 화산 분출에 의한 이산화탄소의 배출입니다.

1) 화산 분출

화산 분출은 탄소를 포함하는 암석으로부터 탄소를 제거하여 이산화탄소의 형태로 기권에 공급됩니다. 특히, 섭입대에서 이런 일이 매우 중요합니다. 해양판의 상부를 덮고 있는 석회암은 섭입대에서 지구 내부로 침강한 뒤 깊은 곳에서 높은 압력과 열에 의해 다른 규산염 광물과 반응을 일으킴으로써 이산화탄소를 배출합니다. 이것은 화산 분출에 의해 기권으로 유입됩니다.

SiO₂ + CaCO₃ → CaSiO₃ + CO₂

2) 유기 탄소의 융기

과거 지질 시대 동안 퇴적되어 지하 깊은 곳에 매장되어 있던 유기 탄소(생물체의 화석)는 조산 운동의 결과 지표로 융기하게 됩니다. 이러한 유기 탄소가 기권의 산소와 반응하여 산화되면 기권으로 이산화탄소가 유입됩니다. 이러한 사례를 통해 생물체가 지구 환경 변화에 깊숙이 개입되어 있음을 알 수 있습니다. 유기 탄소는 생물체의 유해이거나 부산물이기 때문입니다.


2. 탄소의 제거원

탄소는 규산염 광물이 화학적으로 풍화될 때, 그리고 수권에 용해될 때, 그리고 생물의 광합성에 의해 기권에서 제거됩니다. 이산화탄소는 기권과 수권의 접촉부에서 수권으로 직접 용해되기도 하지만, 빗방울에 용해된 다음 강수의 형태로 공급되기도 합니다. 그보다 더 중요한 것은 규산염 광물의 풍화와 침전에 의한 이산화탄소의 제거입니다. 이산화탄소가 용해된 빗방울은 약한 산성을 띱니다. 이것이 바다가 아닌 대륙에 낙하할 때 대륙의 암석과 반응하여 금속 이온을 제거함으로써 암석의 화학적 풍화를 유발합니다. 이산화탄소가 녹은 빗방울은 칼슘 및 나트륨(소듐)과 같은 이온을 암석에서 제거하면서 중탄산 이온(HCO3-)이 됩니다. 중탄산 이온은 바다에서 칼슘 이온과 반응하여 앙금을 만들고 침전하여 해저에서 석회암을 만듭니다. 화학적 풍화 및 앙금 생성의 화학 반응은 다음과 같습니다.

1) 풍화
CaSiO₃ + 2CO₂ + 3H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃^- + H₄SiO₄

이 과정에 의해 대기에서 이산화탄소 분자 두 개가 제거된다고 할 때, 하나는 탄산염으로 침전되고, 나머지는 하나는 기체 상태의 이산화탄소가 되어 기권으로 돌아갑니다.

2) 탄산염 앙금의 형성
Ca²⁺ + 2HCO₃^- → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

생물의 광합성은 또다른 주요한 이산화탄소 제거원이지만 탄산염의 형성을 통한 제거만큼 중요하지는 않습니다. 생물의 광합성은 탄소를 생물체 내에 축적시키는데, 이것은 생물이 죽을 때 암권으로 돌아갑니다. 탄산염 또한 암권의 구성 요소이므로, 탄소를 저장하는 가장 주요한 저장소는 (바다가 아니라) 암권이라는 사실을 알 수 있습니다.

그림은 지구계 환경에서 탄소의 순환을 나타냅니다. 기권, 암권, 수권, 생물권에서 탄소가 어떤 물질로 존재하는지, 그리고 각 구성 요소 사이의 상호 작용에는 어떠한 것이 있는지를 보여줍니다. 각 환경 구성 요소는 색깔 표지를 갖고 있습니다. 상호 작용의 과정 중 각 환경 요소와 같은 색깔 표지를 갖는 것은 해당 환경 요소로 탄소를 이동시키는 과정입니다.

참고 문헌
Earth as an evolving planetary system, K.C. Condie, 2005, Elsevier Academic Press
An Introduction to Astrobiology, I. Gilmour and M.A. Sephton, 2003, Cambridge Univ. Press
Earth System History, S.M. Stanley, 1999, W.H. Freeman and Company



푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/