지질시대에는 어떤 기후였을까?

10.2 지질시대의 고기후

약 46억 년의 지구 역사는 지질시대와 역사시대로 대분되고, 이를 구분하는 단위는 누대/이언(累代, Eon), 대(代, Era), 기(紀, Period) 및 세(世, Epoch)이다. 지질시대(geologic time)는 지구 생성 이후부터 신생대 제4기의 플라이스토세(Pleistocene)까지로, 약 46억 년 전부터 5억 4천1백만 년 전까지 생물이 화석으로 거의 발견되지 않은 선캄브리아 시대(Precambrian)와 그 이후 생물 화석이 지층에서 산출되기 시작한 때로부터 현재까지의 현생이언(Phanerozoic Eon)으로 나뉜다. 역사 시대는 인류의 역사가 기록으로 남기 시작한 약 1만 년 전의 신생대 제4기 홀로세(Holocene)로부터 현재까지를 말한다.
빙하기(ice age)는 전 세계의 여러 대륙에서 빙상이 광범위하게 형성되는 시기이고, 간빙기(interglacial or interglacial stage)란 빙하기 사이에 비교적 따뜻한 시기를 이른다. 빙하기와 간빙기 모두 장·단주기의 기후변화를 반복하는데, 빙하기 동안에 빙하가 적도 쪽으로 현저하게 확장되는 시기를 빙기(glacial or glacial stage)라 하고, 간빙기 동안에 현저하게 따뜻한 시기를 온난기(warm period)라 지칭한다. 선캄브리아 시대에 두 번의 빙하기가 있었으며, 선캄브리아 이후 신생대 제4기까지에는 세 번의 빙하기와 두 번의 온난기가 있었던 것으로 보고 있다. 
빙하기와 간빙기는 이산화탄소의 대기와 해양 간 평형 개념으로 설명할 수 있다. 지구의 내, 외적 원인에 의해, 대기와 해양 사이에 형성된 이산화탄소의 평형상태가 깨지고 대기 중의 이산화탄소 농도가 감소하면 기온은 하강하게 된다. 지속적인 기온 하강으로 빙하기가 도래하면 빙하의 형성으로 바닷물이 축소되면서 해양의 이산화탄소 농도는 증가하게 된다. 이에 따라 해양의 이산화탄소가 대기로 배출되어 대기와 해양 사이에 새로운 평형상태가 만들어진다. 이 과정이 지속되어 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가하는 경우, 기온 상승으로 간빙기가 오고 빙하가 녹아 해수의 부피는 확장된다. 해양이 원래의 상태로 환원되면 대기와 해양 간 이산화탄소의 평형상태는 재조정 과정에 들어가고, 빙하기와 간빙기의 순환은 지속된다. 

10.2.1 선캄브리아 시대

선캄브리아 시대(Precambrian)는 지구가 탄생한 46억 년 전부터 캄브리아기가 시작하는 5억 4천1백만 년 전까지로 지구 역사의 약 88%를 차지한다. 기후와 관련된 증거자료가 극히 부족하고, ‘초기의 희미한 태양 역설(early faint Sun paradox)’에 따르면 10억 년 전 태양의 광도는 현재보다 10% 정도 약했을 것으로 생각되는 시대이다. 수백만 년에서 수억 년의 주기를 갖는 빙하기들이 있었을 것으로 보고 있으며, 그 가운데 휴로 니안 빙하기(Huronian Ice Age)와 원생대 후기 빙하기(Late Proterozoic Ice Age)가 대표적이었을 것으로 추정하고 있다. 휴로 니안 빙하기는 시생대 말기로부터 원생대 초기인 약 27억 년 전부터 23억 년 전까지 지속된 지구 역사상 가장 오래된 빙하기로, 이 기간에 지구는 얼음덩어리 그 자체였을 것으로 추정하고 있다. 원생대 후기 빙하기는 약 8억 5천 년 전부터 6억 3천5백만 년 전까지의 대형 빙하기로 스타티 안-바랑 빙하기(Stuartian-Varangian Ice Age)라고도 한다. 빙하기 후기에는 지표면이 모든 육지와 바다가 얼음으로 뒤덮인 ‘눈덩이 지구(Snowball Earth)’이었을 것으로 보고 있다.

10.2.2 현생이언 시대

현생이언 시대(Phanerozoic)의 고생대(Paleozoic)에는 두 번의 주요 빙하기가 있었다. 고생대 초기에는 남반구에 위치해 있던 로디니아 초대륙이 분리되는 과정에서 발생한 화산활동으로 인해 대기 중 이산화탄소의 농도가 높아져 온화한 기후를 유지했으나, 오르도비스기 후기인 약 4억 6천만 년 전부터 기온이 현저하게 낮아져 실 루리아 말기인 4억 2천만 년 전까지 안데스-사하라 빙하기(Andean-Saharan Ice Age)를 맞이하였다. 이 시기 남극 가까이 위치한 곤드와나 대륙에는 빙하가 발달하였다. 두 번째 빙하기는 고생대 석탄기 말인 약 3억 년 전부터 페름기 말인 2억 6천만 년 전까지의 페름-석탄기 빙하기 (Permo-Carboniferous Ice Age)또는 카루 빙하기(Karoo Ice Age)로 그 이전의 어떤 것보다 강했다. 이 시기에는 주로 남반구에 흩어져 있던 대륙들이 판게아를 형성하는 과정에서 고산지대와 대륙빙하가 광범위하게 형성되었던 것을 하나의 원인으로 보고 있다.
중생대(Mesozoic)는 고생대 말에 있었던 페름기의 빙하가 물러가고 온화한 기후로 출발했으며 말기에는 따뜻한 기후로 끝난 시대였다. 중생대의 쥐라기와 백악기에는 판게아 대륙이 분리되어 생성된 테티스 해(Tethys Sea)가 적도대를 가로지름으로써 해·육상 모두 오늘날보다 따뜻해질 수 있었다. 이처럼 중생대의 쥐라기와 백악기에 있었던 따뜻했던 시기를 중세 온난기(Mesozoic Warm)라 한다. 중생대 말 백악기에는 활발한 화산활동으로 대기 중의 이산화탄소의 농도가 아주 높았기 때문에 최대 온도를 보였고 극 지역까지 온난했었던 것으로 보고 있다. 이 시기를 가리켜 ‘Cretaceous Warm Peak’ 라 한다. 그러나 이처럼 따뜻했던 백악기 동안에도 비교적 짧은 기간의 한랭기가 몇 차례 있었을 것으로 본다.
신생대 제3기(Tertiary)의 기후는 에오세까지 비교적 따뜻한 날씨를 보인 후 완만하게 낮아지던 기온은 마이오세를 지나면서 급격하게 떨어졌다. 팔레오세로부터 에오세에 이르는 약 10만 년 동안은 온난하였고 에오세 초기의 기온이 가장 높았다. 이 기간을 팔레오세-에오세 최대 온도 시기라 한다. 기온이 따뜻하게 유지되었던 원인 가운데 유력하게 제시되고 있는 가설은 해저에서 방출된 메탄가스와 화산활동에 의한 이산화탄소의 온실효과이다. 이 시기에 열대지역의 위도 대는 현재보다 10° 내기 15° 정도 극 쪽으로 확장되었고, 육상 식생의 이주도 1500 km 정도 북상했을 것으로 보고 있다.
신생대 제4기 (Quaternary) 플라이스토세(Pleistocene)의 기후는 마이 오세 이후에 기온이 급강하한 후, 20~30여 회의 빙기와 간빙기가 반복된 제4기 /프라이스 터세 빙하기(Quaternary-Pleistocene Ice Age)가 약 1백만 년 동안 지속되었다.
빙기와 간빙기가 약 4만 년에서 10만 년 주기로 여러 번 반복된 밀란 코비치 이론인 지구 자전축의 경사도와 세차 운동 및 공전궤도의 이심률 변화로 해석하기도 하는데, 이들 변화의 주기는 각각 4만 1천 년과 2만 6천 년 및 10만 년이다. 밀란코비치는 이들 천문학적 요소의 변화가 가장 클 때 기후가 급변하는 것으로 보았다. 제4기 /프라이스 토세 빙하기의 마지막 간빙기는 약 11만 년 전에 있었고, 이후 기온이 급격하게 하강하면서 약 2만 년 전을 전후해서 최대에 달한 마지막 빙하기(Last Ice Age)가 있었다. 마지막 빙하기 이후의 기온은 약간 상승했다가 12000년 전을 전후한 플라이스토세 말에 한랭 기인 영거 드라이아스기(Younger Dryas)를 맞이하였다. 마지막 빙하기로부터 영거 드라이아스기까지의 기온 하강 현상을 북대서양에서 발생하는 열염 순환의 붕괴로 보는 견해도 있다.