올해 노벨 物理學賞은 地球의 複雜한 氣候와 無秩序한 物質에 對한 人類의 理解를 넓힌 物理學者 3名에게 돌아갔다. 마나베 슈쿠로 美國 프린스턴대 敎授와 클라우스 하셀만 獨逸 막스플랑크硏究所 硏究員, 조르조 파리시 이탈리아 사피엔자대 敎授다. 이들 中 마나베 敎授와 하셀만 硏究員은 人爲的인 氣候變化의 豫測과 原因糾明 分野를 開拓한 氣候科學者다.
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現 氣候危機... 人間活動이 劇的인 溫暖化일으켜
最近 全 世界는 山불, 가뭄, 暴炎, 洪水 等 漸漸 더 極端으로 치닫고 있는 氣候災害를 겪으며 이미 ‘氣候危機’ 時代를 經驗하고 있다. 지난 8月 氣候變化에 關한 政府間 協議體(IPCC) 第1實務그룹에서 發表한 6次 科學評價報告書에 따르면 19世紀 後半부터 現在까지 全 地球 平均이 約 1.1度 올랐다.
이제는 地球溫暖化는 産業革命 以後 人類가 輩出한 溫室가스 增加 때문임이 論爭의 餘地가 없이 明白하다. 또한 앞으로 人類의 溫室가스 排出 程度에 따라 21世紀 末까지의 地球溫暖化 規模와 그에 따른 氣候災害가 決定되며, 溫室가스 排出을 卽刻的으로 줄이지 않는다면 파리협정에서 ‘危險한 氣候變化’의 基準으로 採擇한 産業革命 以前 對備 2度의 溫暖化 目標는 達成하기 어려울 展望이다.
韓國도 2050年까지 炭素中立을 目標로 세웠다. 올 11月 英國 글래스고에서 열릴 '第26次 유엔氣候變化協約 當事國會議(COP26)'를 앞두고 溫室가스 排出을 얼마나, 어떤 方法으로 減縮할지 決定해야 하는 重大한 時點이다.
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全 地球 氣候모델을 開發토록 길을 연 氣候變化 모델 創始者
2021 노벨物理學賞을 受賞한 마나베 슈쿠로 美國 프린스턴대 敎授. 스웨덴科學翰林院 提供
마나베 敎授는 現在 氣候變化의 豫測의 必須的인 道具인 '前 地球 氣候모델'을 開發하도록 길을 연 氣候變化 모델의 創始者다. 그는 1967年 發表한 論文에서 溫室가스 增加 詩의 地表와 大氣의 溫暖化 程度를 推定했다. 氣候變化에 重要한 物理 過程들을 最初로 考慮한 硏究 成果였다.
特히 實際地球에서 나타나는 對流現象의 影響과 溫暖化에 따라 增加하는 水蒸氣의 溫暖化 되먹임 效果(水蒸氣도 溫室가스다)를 反映함으로써 實際 地球에서 觀測되는 氣候變化 物理過程에 對한 說明을 可能하게 했다. 이를 통해 훨씬 現實的인 氣候모델이 開發될 수 있게 이끌었다. 그는 또 溫室가스가 增加하면 對流圈의 溫度는 올라가지만 成層圈에서는 오히려 冷却이 일어남을 提示했고, 이런 氣溫 反應 패턴은 向後 實際 觀測을 통해 證明됐다.
結局 마나베 敎授는 物理學의 基本法則인 質量, 運動量, 에너지 保存을 바탕으로 假想의 地球를 謀議하는 컴퓨터 코드인 全 地球 氣候모델 開發에 重大한 기틀을 마련했다. 이는 人間活動의 程度에 따라 未來 氣候變化의 豫測을 可能하게 하는 核心軸이 됐다.
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地球溫暖化 原因이 人間活動에 있음을 처음 밝혀내
2021 노벨物理學賞을 受賞한 클라우스 하셀만 獨逸 막스플랑크硏究所 硏究員. 노벨委員會 提供
하셀만 硏究員은 地球溫暖化의 原因이 人間活動에 있음을 밝혀내는 氣候變化 探知와 原因 糾明 分野를 開拓했다. '探知'는 觀測값이 地球의 自然變動性을 벗어났는지 確認하는 過程이며, '原因 糾明'은 探知된 氣候變化의 實際 要因을 찾아내는 過程이다. 그는 實際 發生한 氣候變化를 地區氣候시스템 內部에서 自然的으로 생기는 變動性(自然變動性)과 外部의 힘에 依해서 發生한 反應의 線形 合으로 假定하는 槪念 모델을 처음으로 提示했다.
하셀만 硏究員은 1979年에 發表한 論文을 통해 地球 自然變動性의 槪念 모델을 提示했다. 나비效果 또는 混沌理論으로 잘 알려진 變化無雙한 날씨로부터 천천히 變하는 海洋의 自然變動性 패턴이 發生할 수 있음을 提示했다. 이는 向後 氣候모델에서 謀議된 自然變動誠意 信賴性을 確保하는 데 重大하게 寄與했다.
以後 1993年에 發表한 論文에서는 氣候變化의 原因을 패턴으로 찾아내는 方法인 ‘指紋(fingerprints)’ 方法을 提案했다. 溫室가스와 에어로졸, 太陽活動과 火山活動 等의 人爲的 또는 自然的인 要因들은 各各 特徵的인 氣候變化를 일으키며 時空間 패턴을 남기는데, 이 要因別 '指紋' 패턴이 實際 觀測에 存在하는지를 統計的 檢定으로 確認하는 技法이다. 이 方法論의 開發로 實際 觀測과 氣候모델 謀議結果의 比較가 可能해졌고 人間이 輩出한 溫室가스와 에에로졸이 氣候에 얼마나 影響을 미치는지 알 수 있게 됐다.
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後代 氣候學者들이 발전시키며 氣候變化 確證 發見... 豫測 正確度 더 높여야
그의 硏究들은 全 地球 地表氣溫에 局限됐다. 以後 後代 氣候學者들이 方法論을 더욱 精巧하게 발전시키고 다른 變數들로 擴張시켜, 降水量을 包含한 물循環 强化, 北極 解氷과 눈덮임 等의 빙卷 損失, 暴炎과 豪雨의 强化, 熱帶地域 膨脹 等에서 人間의 ‘地文’을 찾아냈다. 이런 人爲的인 氣候變化에 對한 科學的인 證據들이 次次 모아진 德分에 IPCC 最近 報告書는 "人間 活動이 地球溫暖化의 主原因"이라고 明白하게 結論내렸다.
마나베 敎授와 하셀만 硏究院이 氣候物理 分野 開拓 硏究 成果를 내지 않았다면 氣候變化 모델이 開發되거나 人間 活動에 따른 未來 氣候變化의 豫測은 매우 어려웠을 것이다. 以後 氣候科學者들의 많은 努力으로 開發해 現在 使用되는 氣候모델은 炭素循環과 生紙化學過程을 包含할 程度로 實際 地球와 매우 恰似해졌다. 이 ‘地球시스템모델’을 活用한 새로운 科學的 發見들이 續續 發表되고 있다.
그럼에도 不拘하고 如前히 많은 難題들이 남아 있다. 特히 未來 氣候變化 豫測을 不確實하게 만드는 要因들을 찾아내고 이를 줄이기 위한 硏究가 매우 時急하다.
地區氣候시스템은 複雜界로 待機, 指標, 海洋, 빙卷, 生物圈 等 構成要素들이 有機的으로 얽혀 서로 影響을 주고받고 있다. 이런 相互作用이 未來 氣候變化의 正確한 豫測을 어렵게 만들고 있어 이에 對한 觀測, 理論, 모델링을 綜合한 體系的인 硏究가 必要하다. 또한 氣候 危機는 暴炎, 山불, 豪雨 等 極端的인 氣象現象으로 큰 災難을 일으킨다. 結局 地球의 自然變動性으로 대표되는 날씨의 特性이 달라진다는 뜻이다.
이 變化가 溫暖化에 따라 어떻게 달라지고 있는지 훨씬 正確히 把握해야 하며 이를 바탕으로 未來 氣候 豫測의 信賴度를 높여야 할 것이다. 結局 이러한 挑戰課題들의 背景에는 氣候와 날씨를 支配하고 있는 物理法則과 過程이 있으며, 이에 對한 劃期的인 理解를 提示하는 應用物理學者가 韓國에서도 나올 수 있기를 期待한다.
