기상학 : 50년의 연구가 이룬 성과

 

기상학 : 50년의 연구가 이룬 성과

 

대학생신재생에너지기자단 22기 박재욱, 22기 오상은

 

[기상학과 노벨 물리학상]

[자료 1. 2021 노벨 물리학상 수상자들]

출처 : Nobel Prize in Physics

 2021년 10월 5일, 전 세계 과학계의 시선은 스웨덴에 집중되었다. 그날은 스웨덴 왕립 과학원이 2021년 노벨 물리학상 수상자를 발표하는 날이었기 때문이다. 최근 몇 년 간 노벨 물리학상은 주로 ‘레이저 물리학’ 등의 공학과 ‘블랙홀’, ‘외계행성’ 등의 천체 물리학 분야에게 돌아갔다. 하지만 2021년에는 새로운 분야에서 노벨상의 주인공이 등장했다. ‘슈쿠로 마나베’와 ‘클라우스 하셀만’이 그 주인공이었으며 수상 내역은 ‘지구 기후의 물리학적 모델링, 그리고 신뢰성 있는 지구 온난화 예측’이었다. 기상학 분야의 사상 첫 노벨상 수상이다. 1970년대 기상학 연구가 본격적으로 진척됨을 시작으로 50년이 지난 지금, 기후에 대한 우리의 관심이 크게 상승했음을 알 수 있는 대목이다. 하지만 반대로 해석하면, 애석하게도 그만큼이나 지구의 기후가 위험하게 변하고 있다고 볼 수 있다. 노벨상 수상의 영광 뒤편에서는 코 앞에 성큼 다가온 이상기후와 지구 온난화가 우리를 노려보고 있는 것이다. 따라서 이 기사에서는 기상학의 대가로 평가받으며 2021년 노벨 물리학상을 수상한 ‘슈쿠로 마나베’ 박사의 연구를 중심으로, 기상학이 얼마나 발전했는지, 기상학이 예측하는 지구의 미래는 어떠한지 알아보고자 한다.

 

[슈쿠로 마나베 박사의 논문]

 1974년 6월, 슈쿠로 마나베 박사는 논문 한 편을 발표하였는데 그 제목은 다음과 같다. “이산화탄소 농도가 2배 되었을 때의 일반적인 기후 순환 모델”. 즉, CO2 농도가 2배가 되었을 때 지구의 기후는 어떻게 변할 것인지 예측한 것이다. 여기서 기후 모델이란 대기, 해양, 지면 등 기후 시스템을 구성하는 각 요소들을 설명하기 위하여 기후 요소들 간의 복잡한 상호작용을 물리적, 역학적 방정식으로 단순화시켜 시뮬레이션 할 수 있는 모델을 의미한다. 기후 모델이 표현하는 가상의 지구에서는 바람이 불고, 구름이 형성되어 비가 내리며, 북극지역에 빙하가 만들어지고, 화산 폭발이 일어나며, 심지어 최근 이슈가 되고 있는 미세먼지 이동까지도 구현한다. 대기 중 이산화탄소의 농도가 기후에 영향을 미칠 수 있다는 것에 대해서는 과거에 19세기 과학자 아레니우스가 이미 예측한 바 있지만, 슈쿠로 마나베 박사가 발표한 것과 같이 정교하고 신뢰할 만한 기후 모델을 제시한 것은 아니었다. 이 연구는 인공위성 같은 첨단의 관측기기가 없던 시절, 지구 물리학의 선구자 역할을 하였으며 추후 기상학 발전에 밑거름의 역할을 하게 된다. 이러한 중요성을 안고서 슈쿠로 마나베 박사가 지금으로부터 약 50년 전, 지구의 미래를 어떻게 그렸는지 알아보자.

 

[자료 2. CO2 농도 변화에 따른 강수량과 증발 속도의 변화]

출처 : AMS

 위 그래프는 CO2 농도가 2배가 되었을 때 강수량과 증발 속도에 어떤 영향을 미치는지를 나타낸 것이다. a그래프가 강수량에 관한 것이고, b그래프는 증발 속도에 관한 것이다. 실선이 1970년대 표준 이산화탄소 농도이고 점선이 2배로 증가한 CO2 농도임을 고려했을 때 강수량과 증발속도 모두 표준보다 증가함을 알 수 있다. 이산화탄소 농도가 증가하면 지구에 도달하는 복사선의 양이 증가하기 때문에 증발에 사용할 수 있는 열 에너지도 증가하게 된다. 증발량에 비례하여 비의 양도 늘어나기 때문에 강수량도 영향을 받는 것이다. 1970년대 기준으로 CO2 농도가 두 배로 증가한다면 평균 강수량은 7%나 증가하게 된다는 결론이 나왔다.

 

 [자료 3. CO2 농도 변화에 따른 알베도와 눈의 깊이 변화]

출처 : AMS

 위의 a그래프는 CO2 농도에 따른 ‘알베도(Albedo)’ 변화를 나타낸 것이고 b그래프는 눈의 깊이 변화를 나타낸 것이다. ‘알베도(Albedo)’란 태양 복사선의 반사율을 말한다. 태양 복사선, 즉 태양빛은 물체에 닿으면 반사되며 물체에 따라 반사되는 빛의 양이 다르다. 하얗게 쌓인 눈이 반짝이는 이유는 그만큼 눈이 빛을 잘 반사하기 때문이며, 흙이 반짝거리지 않는 이유는 흙이 태양빛을 잘 반사하지 못하기 때문이다. 이렇게 물질이 태양빛을 반사하는 척도로 알베도를 사용하는데, 엄밀하게 말하면 “물질에 반사된 빛의 양 / 물질에 입사한 빛의 양”으로 정의된다.

 알베도는 얼핏 보기에는 환경과 직접적인 관련이 없어 보이지만, 실제로는 지구온난화의 진행을 좌지우지하는 아주 중요한 요인이다. 지구 같은 행성은 스스로 에너지를 만들어내지 못하기 때문에 태양과 같은 항성으로부터 에너지를 받게 된다. 알베도는 우리 지구가 태양으로부터 얼마나 에너지를 받을지 결정하는 중요한 요인이다. 어려운 말로 ‘복사 수지’에 관여한다. 복사 수지란, 태양의 복사선에 의한 대기 복사, 지면 복사 등이 평형을 이루는 것을 말한다. 지구의 알베도가 높다면 많은 태양 복사선이 반사되기 때문에 지표에 흡수되는 열 에너지의 크기가 작을 것이다. 이럴 경우에는 지구 온난화가 늦춰질 수 있다. 하지만 지구의 알베도가 낮아진다면, 반사되는 태양 에너지는 작아지고 지표에 흡수되는 에너지는 커질 것이다. 따라서 지구 온난화가 가속된다. 실제로 이 원리를 이용해 지구 온난화를 늦추는 것이 하나의 해결책으로 제시되기도 했으며, 미국에서는 반사율이 높은 물질로 지붕을 건설하여 여름에 시원한 집을 짓기도 한다.

 그래프에서 알 수 있듯 알베도와 눈의 깊이 역시 CO2 농도의 증가에 따라 감소하는 추이를 보인다. 알베도와 눈의 깊이의 연관성은 조금만 생각해보면 쉽게 이해할 수 있다. 위에서 말했듯이, 눈은 반사율이 높은 물질이다. 내린지 얼마 지나지 않은 눈의 알베도는 0.7 정도로 태양빛의 70%를 반사하는 정도이다. CO2 농도가 증가하면 지구에 도달하는 태양 복사선의 양이 증가해 극지방의 눈과 얼음이 녹게 된다. 따라서 눈의 깊이가 줄어들며, 알베도가 높은 물질인 눈의 양이 적어지기 때문에 지구 전체의 알베도 또한 낮아지게 되는 것이다. 위에서 소개했듯 알베도의 감소는 지구로 흡수되는 태양 에너지가 커짐을 의미하고, 따라서 지구 온난화의 가속이라는 악순환을 초래한다.

 강수량, 증발 속도, 알베도 등의 요인들의 변화로 미루어 보았을 때, 이 논문에서 슈쿠로 마나베 교수는 CO2 농도가 2배가 되면 지구의 온도가 2~4℃ 증가할 것이라고 예측했다. 평생을 기후변화 연구에 바친 이 물리학자는 약 50년 전부터 CO2 농도가 한번 증가하기 시작하면 걷잡을 수 없을 것이라며 경고의 메시지를 보내고 있었던 것이다.

 

[IPCC 보고서]

[자료 4. IPCC 홈페이지 사진 ]

출처: IPCC 홈페이지

 과학 기술이 엄청나게 발전한 지금, 기상학은 최신 기술이 들어간 정밀 관측 기기 덕분에 더욱 정밀한 데이터를 획득할 수 있게 되었다. 수많은 데이터들을 토대로 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, 기후 변화에 관한 정부간 연합체) 에서는 수차례에 걸쳐 기후 변화의 실태와 예측 가능한 미래를 제시하고 있다. IPCC 보고서는 유엔기후변화협약, 파리협정과 같은 국제사회의 중요한 협의의 장에서 근거로 활용된다는 점에서 의미가 매우 크다고 할 수 있다. 기상학의 대가 슈쿠로 마나베 박사도 IPCC 1차, 3차 보고서의 연구에 참여하였으며, 이 기사에서는 2021년에 발표한 IPCC 6차 보고서의 주요 내용에 대해 살펴보고자 한다.

 IPCC 보고서는 기후 모델을 이용하여 만든 기후 변화 시나리오를 통해 미래 기후를 예측한다. 기후모델이란 대기, 해양, 지면 등 기후 시스템을 구성하는 각 요소들을 설명하기 위하여 기후 요소 간의 복잡한 상호작용을 물리, 역학적인 수치 방정식으로 단순화 시켜 시뮬레이션 할 수 있는 수치 모델을 의미한다. 기후변화 시나리오는 이러한 기후모델을 이용하여 계산한 미래 기후에 대한 예측 정보를 의미한다. 엄밀히 말하면, 온실가스나 토지 이용 변화 등의 인위적인 원인으로 발생한 기후변화를 지구 시스템 모델에 적용하여 산출한 미래 기후 전망 정보(기온, 강수량, 바람, 습도 등)로, 기후변화로 인한 미래 영향을 평가하고 피해를 최소화하는 데 활용할 수 있는 정보로 활용한다. IPCC 보고서에 따르면 총 3가지의 시나리오 종류가 있다.

 

[자료 5. SRES 시나리오]

출처 : 나무위키

 첫 번째로, SRES(Special Report On Emission Scenarios)는 온실가스 배출 예측에 대한 시나리오로 IPCC 4차 보고서에 사용되었다. A1, A2, B1, B2로 구분되는데, A1은 세계 경제의  급속 성장과 금세기 중반에 최고에 도달할 지구촌 인구수, 새롭고 효율적인 기술의 도입을 가정한 것이다. B1의 경우, 인구수는 A1과 같이 최대이지만 경제구조는 서비스 및 정보 경제 쪽으로 좀 더 급속히 변하는 수렴적 세계를 가정한 것이다. A2는 인구증가율은 높은 반면 경제 발달과 기술 변화가 느린 세계를 가정한 것이며, B2는 인구와 경제 성장이 A1과 B1의 중간인 세계를 가정하는 것이다. 위 그래프를 보면 B1, B2 시나리오에 비해 A2 시나리오에서 탄소 배출량이 클 것으로 짐작할 수 있다.

 

[자료 6. RCP  시나리오 별 전 세계 온도 및 해수면 상승률 예측]

출처 : 나무위키

 두 번째로, RCP(Representative Concentration Pathways)는 대표 농도 경로 시나리오이다. SRES에서 미래 세계가 온실가스를 얼마나 배출할 것인가를 시나리오화 한 반면, RCP에서는 인간 활동이 대기에 미치는 복사량으로 온실가스 농도를 정한 후, 그 대책으로 사회 경제 분야별 온실가스 저감 정책을 결정하는 시나리오이다.  RCP 2.6, RCP 4.5, RCP6.0, RCP8.5와 같이 네 가지 종류가 있으며, RCP 뒤에 있는 숫자가 클수록 온실가스 배출량이 크고 기후변화가 급격한 것이다. 즉, RCP8.5가 온실가스 배출량이 가장 많을 때의 시나리오이다. RCP8.5는 CO2 농도가 940ppm 이 되면 태양에너지 8.5가 더 흡수됨을 의미하며, 이는 현재 흡수되는 태양에너지 양의 3.6%에 해당된다. 위의 자료를 참고해보면, 빨간색 선으로 표시된 RCP 8.5 그래프에서 기온 및 해수면 상승률이 급격히 증가하고 숫자가 작아질수록 상승률이 완만해지는 것을 확인할 수 있다.

 세 번째로 SSP(Shared Socioeconomic Pathways)는 공통사회 경제 경로로, 앞서 설명한 SRES와 RCP의 혼합이다. 복사 강제력 강도(RCP)와 함께 미래 사회 경제변화(SRES)를 기후 변화에 대한 미래의 노력에 따라 5개의 시나리오로 구별한다. 앞서 설명한 세 가지의 시나리오는 기상청 기후정보포털에서 직접 지역을 설정하여 미래 기후 전망을 확인할 수 있다. 

 이러한 정보를 바탕으로 IPCC 6차 보고서 결과를 살펴보자.  먼저 2021년 기준 지구의 기후 상태에 대한 보고이다. 산업화 이전에 대비하여 2011~2020년의 지구의 지표면 온도는 1.09℃ 상승했으며 2006~2018년 사이 해수면은 3.7mm/year의 속도로 증가했다. 1901년부터 1970년까지 해수면 증가 속도가 1.3mm/year 였던 것을 감안했을 때, 3배 가까이 속도가 증가한 것이다. 또한, 육지와 해양은 최근 60년간 인간 활동에 의해 발생한 이산화탄소의 56%를 매년 흡수하고 있으며 2019년의 대기 중 이산화탄소 농도는 지난 2백만 년의 지구 역사 중 최대치를 기록했다고 한다.

 

 [자료 7. 170년 간 지구 지표면의 온도 변화]

출처 : AMS

 위의 자료는 과거 170년 동안 지구의 지표면 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 초록색은 태양 에너지나 화산 같은 자연적 요인에 의한 온도 상승이고, 갈색은 자연적 요인과 인위적 요인을 모두 고려한 온도 상승이다. 즉, IPCC의 보고에 의하면 지구 온난화의 원인이 인간에게 있다는 것은 명백한 사실인 셈이다.

 

[자료 8. 1850년 이후 이산화탄소의 누적 배출량]

출처 : AMS

 위 그림은 1850년 이래로 이산화탄소의 누적 배출량을 나타낸 것이다. 얇은 검정선은 현재까지의 실제 배출량이고, 채색된 부분은 앞으로의 전망이다. 정확한 추정은 불가능하기에 범위로 나타내었다. 색이 구분되어 있는 것은 하단에 SSP1라고 기재된 부분에 대한 것이다. SSP 시나리오의 1번째 숫자는 기후변화 적응을 위한 사회·경제적 노력, 2번째 숫자는 RCP시나리오와 같이 2100년 기준의 복사 강제력을 나타낸 것이다. (복사 강제력이란 기후변화를 일으키는 힘의 크기를 의미한다.) SSP1-1.9 (청록색)은 가능한 시나리오 중 이산화탄소의 배출이 가장 적은 시나리오이고, SSP1-8.5는 이산화탄소의 배출이 가장 많은 시나리오이다. 시나리오를 기반으로 2080~2100년의 지표면 온도를 예측했을 때 SSP1-1.9 시나리오의 경우 산업화 이전 대비 1.0~1.8℃ 상승, SSP1-8.5 시나리오의 경우 3.3~5.7℃ 상승할 것으로 보인다. IPCC는 이러한 기온 상승 때문에 미래의 지구에는 폭염 등의 자연재해가 더욱 심각할 것이라고 전망했다.

 

[결론]

 과학 기술과 함께 꾸준히 발전해온 기상학. 이제 지구 기후의 실태를 낱낱이 파악하는 것은 물론이고 실현 가능성이 있는 시나리오까지 내놓을 수 있을 정도로 발전했다. 최초로 기상학자가 노벨 물리학상의 주역이 될 정도로 기상학이 인류에 미치는 영향력이 커진 것은 긍정적이지만, 기상학에 세간의 이목이 집중되었다는 것으로 미루어보아 그만큼 이상기후가 심각해졌다는 것도 명백한 사실이다. 슈쿠로 마나베 교수는 ‘앞으로 지구온난화를 해결하기 위해 무엇을 해야 할까?’라는 질문에 ‘내가 이제껏 해온 모든 연구보다 더 어려운 것’이라는 답변과 함께 세계 각국의 연대가 필요할 것이라고 호소했다. 인류가 물리학을 연구하여 세상의 기본 원리를 파악해왔고, 화학과 생리의학을 이용해 생존에 필요한 물질을 합성해왔듯, 기상학을 통해 앞으로의 기후 위기에 대처해야 한다. 다만 다른 점이 있다면, 이것은 몇몇의 천재 과학자나 창의적인 공학자가 풀어낼 문제가 아니라 우리 모두가 함께 협력해야 할 문제라는 것이다.

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기후모델에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. “기후변화 해결의 첫걸음, KIOST-ESM”, 19기 유홍주, 19기 정승준, 19기 정지영, https://renewableenergyfollowers.org/3391

2. “기후변화 대응의 변곡점이 될 2021년”, 19기 김승호, https://renewableenergyfollowers.org/3372

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참고문헌

1) 국립기상과학원, “내 손안의 기후변화”, 국립기상과학원>기상기후이야기>알기쉬운 기후변화>내 손안의 기후변화 (nims.go.kr)

2) 기상청, “기후위기 대응을 위한 시간, 얼마 남지 않았다”, 2021.08.08, https://www.kma.go.kr/kma/news/press.jsp?mode=view&num=1194043 

3) 김수연, “노벨 물리학상 수상 일본 출신 마나베 “호기심 채우는 연구 했을 뿐””, 한겨래,  2021.10.06, https://www.hani.co.kr/arti/international/japan/1014053.html

4) 오말리, 연구 50여년 만에 노벨상을 받은 첫 기후학자,  greenium, 2021.10.18, https://greenium.kr/%EA%B8%B0%ED%9B%84%EB%B3%80%ED%99%94-%EB%85%B8%EB%B2%A8%EC%83%81-%EC%98%A8%EC%8B%A4%EA%B0%80%EC%8A%A4-%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%95%99%EC%83%81-%EC%98%A8%EC%8B%A4%EA%B0%80%EC%8A%A4-%EC%97%B0%EA%B5%AC/ 

5) 홍제우, “지구온난화의 열쇠... 알베도!”, 기상청 대표 블로그, 2020.05.25, https://blog.naver.com/kma_131/221960641336

6) Syukuro Manabe and Richard T. Wetherand, “The Effects of Doubling the CO2 Concentration on the Climate of a General Circulation Model”, Journal of  the Atmospheric Science, VOL 32, NO. 1, 3~15 page, January 1975

7) YTN 사이언스 투데이 , [과학의 달인] 불확실한 기후 전망…기후모델 평가로 정확하게 예측 / YTN 사이언스, 2022. 3. 17, https://youtu.be/VArWJ-8o1fE