Tiffany Shaw 교수, 시카고 대학교 지구과학과 교수
남반구는 매우 격동적인 곳입니다.다양한 위도의 바람은 "포효하는 40도", "사나운 50도", "비명을 지르는 60도"로 묘사되었습니다.파도는 무려 24미터(78피트)에 이릅니다.
우리 모두가 알다시피, 북반구의 어떤 것도 남반구의 심한 폭풍, 바람, 파도와 견줄 수 없습니다.왜?
Proceedings of the National Academy of Sciences에 발표된 새로운 연구에서 동료들과 나는 폭풍이 북반구보다 남반구에서 더 흔한 이유를 밝힙니다.
관측, 이론 및 기후 모델의 몇 가지 증거를 결합하여 우리의 결과는 북반구의 전 세계 해양 "컨베이어 벨트"와 큰 산의 근본적인 역할을 지적합니다.
우리는 또한 시간이 지남에 따라 남반구의 폭풍이 더 강해졌지만 북반구의 폭풍은 그렇지 않았다는 것을 보여줍니다.이것은 지구 온난화의 기후 모델 모델링과 일치합니다.
이러한 변화는 더 강한 폭풍이 극심한 바람, 온도 및 강우와 같은 더 심각한 영향을 초래할 수 있다는 것을 알고 있기 때문에 중요합니다.
오랫동안 지구의 날씨에 대한 대부분의 관측은 육지에서 이루어졌습니다.이것은 과학자들에게 북반구의 폭풍에 대한 명확한 그림을 제공했습니다.그러나 육지의 약 20퍼센트를 덮고 있는 남반구에서는 1970년대 후반에 위성 관측이 가능해지기 전까지 폭풍에 대한 명확한 그림을 얻지 못했습니다.
위성 시대가 시작된 이래 수십 년간의 관찰을 통해 우리는 남반구의 폭풍이 북반구의 폭풍보다 약 24% 더 강하다는 것을 알고 있습니다.
아래 지도에는 1980년부터 2018년까지 남반구(위), 북반구(가운데)에서 관측된 평균 연간 폭풍 강도와 이들 사이의 차이(아래)가 나와 있습니다. (남극은 첫 번째 맵과 마지막 맵 간의 비교 맨 위입니다.)
이 지도는 남반구 남극해의 지속적으로 높은 강도의 폭풍과 북반구의 태평양 및 대서양(오렌지색 음영)에 집중되어 있음을 보여줍니다.차이 지도는 폭풍이 대부분의 위도에서 북반구(주황색 음영)보다 남반구에서 더 강함을 보여줍니다.
많은 다른 이론이 있지만 아무도 두 반구 사이의 폭풍의 차이에 대한 결정적인 설명을 제공하지 않습니다.
이유를 찾는 것은 어려운 일인 것 같습니다.대기와 같이 수천 킬로미터에 걸친 복잡한 시스템을 이해하는 방법은 무엇입니까?우리는 지구를 항아리에 넣고 연구할 수 없습니다.그러나 이것이 바로 기후 물리학을 연구하는 과학자들이 하고 있는 일입니다.우리는 물리 법칙을 적용하고 그것들을 사용하여 지구의 대기와 기후를 이해합니다.
이 접근 방식의 가장 유명한 예는 "지구 온난화에 대한 신뢰할 수 있는 예측"으로 2021년 노벨 물리학상을 받은 슈로 마나베 박사의 선구적인 작업입니다.그것의 예측은 가장 단순한 1차원 온도 모델에서 본격적인 3차원 모델에 이르는 지구 기후의 물리적 모델을 기반으로 합니다.다양한 물리적 복잡성의 모델을 통해 대기 중 이산화탄소 농도 상승에 대한 기후 반응을 연구하고 근본적인 물리적 현상에서 발생하는 신호를 모니터링합니다.
남반구의 더 많은 폭풍을 이해하기 위해 우리는 물리학 기반 기후 모델의 데이터를 포함하여 여러 줄의 증거를 수집했습니다.첫 번째 단계에서 우리는 에너지가 지구 전체에 어떻게 분포되어 있는지에 대한 관찰을 연구합니다.
지구는 구형이기 때문에 그 표면은 태양으로부터 고르지 않게 태양 복사를 받습니다.대부분의 에너지는 태양 광선이 표면에 더 직접적으로 닿는 적도에서 받아 흡수됩니다.반대로 가파른 각도로 빛이 닿는 기둥은 에너지를 적게 받습니다.
수십 년간의 연구에 따르면 폭풍의 강도는 이러한 에너지 차이에서 비롯됩니다.본질적으로 그들은 이 차이에 저장된 "정적" 에너지를 운동의 "운동" 에너지로 변환합니다.이 전환은 "경압 불안정성"으로 알려진 과정을 통해 발생합니다.
이 견해는 두 반구가 같은 양의 햇빛을 받기 때문에 입사 햇빛이 남반구에서 더 많은 수의 폭풍을 설명할 수 없음을 시사합니다.대신 우리의 관측 분석에 따르면 남쪽과 북쪽 사이의 폭풍 강도 차이는 두 가지 다른 요인 때문일 수 있습니다.
첫째, 종종 "컨베이어 벨트"라고 불리는 해양 에너지의 운송입니다.물은 북극 근처에서 가라앉고, 해저를 따라 흐르고, 남극 주변에서 상승하고, 에너지를 운반하면서 적도를 따라 북쪽으로 다시 흐릅니다.최종 결과는 남극 대륙에서 북극으로 에너지가 이동하는 것입니다.이것은 북반구보다 남반구의 적도와 극 사이에 더 큰 에너지 대비를 만들어 남반구에서 더 심한 폭풍을 초래합니다.
두 번째 요인은 Manabe의 이전 작업에서 제안한 것처럼 폭풍을 약화시키는 북반구의 큰 산입니다.넓은 산맥 위의 기류는 고정된 최고점과 최저점을 생성하여 폭풍에 사용할 수 있는 에너지의 양을 줄입니다.
그러나 너무 많은 요인이 동시에 작용하고 상호 작용하기 때문에 관찰된 데이터만으로는 이러한 원인을 확인할 수 없습니다.또한 그 중요성을 테스트하기 위해 개별 원인을 배제할 수 없습니다.
이를 위해서는 기후 모델을 사용하여 다양한 요인이 제거될 때 폭풍이 어떻게 변하는지 연구해야 합니다.
시뮬레이션에서 지구의 산을 평활화하면 반구 사이의 폭풍 강도 차이가 절반으로 줄었습니다.우리가 바다의 컨베이어 벨트를 제거했을 때 폭풍 차이의 나머지 절반이 사라졌습니다.따라서 처음으로 우리는 남반구의 폭풍에 대한 구체적인 설명을 밝힙니다.
폭풍은 극심한 바람, 기온 및 강수량과 같은 심각한 사회적 영향과 관련이 있기 때문에 우리가 대답해야 하는 중요한 질문은 미래의 폭풍이 더 강할지 약할지 여부입니다.
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기후 변화의 영향에 대처하기 위해 사회를 준비하는 핵심 도구는 기후 모델을 기반으로 예측을 제공하는 것입니다.새로운 연구에 따르면 평균적인 남반구 폭풍은 금세기 말에 더 강해질 것이라고 합니다.
반대로 북반구에서 폭풍의 연평균 강도 변화는 완만할 것으로 예측됩니다.이것은 부분적으로 폭풍을 더 강하게 만드는 열대 지방의 온난화와 폭풍을 약하게 만드는 북극의 급속한 온난화 사이의 상충하는 계절적 효과 때문입니다.
그러나 지금 여기의 기후는 변하고 있습니다.지난 수십 년 동안의 변화를 살펴보면 남반구에서는 연중 평균 폭풍이 더 강해진 반면 북반구에서는 변화가 미미하여 같은 기간 동안의 기후 모델 예측과 일치합니다. .
모델은 신호를 과소 평가하지만 동일한 물리적 이유로 발생하는 변화를 나타냅니다.즉, 해양의 변화는 더 따뜻한 물이 적도 쪽으로 이동하고 더 차가운 물이 이를 대체하기 위해 남극 대륙 주변의 표면으로 가져와 적도와 극 사이의 대비가 더 강해지기 때문에 폭풍을 증가시킵니다.
북반구에서 해양 변화는 해빙과 눈의 손실로 상쇄되어 북극이 더 많은 햇빛을 흡수하고 적도와 극 사이의 대비가 약해집니다.
올바른 답을 얻는 위험이 높습니다.모델이 관찰된 신호를 과소 평가하는 이유를 결정하는 것이 향후 작업에서 중요할 것이지만 올바른 물리적 이유에 대한 올바른 답을 얻는 것도 똑같이 중요할 것입니다.
Xiao, T. et al.(2022) 지형 및 해양 순환으로 인한 남반구의 폭풍, 미국 국립 과학 아카데미 회보, doi: 10.1073/pnas.2123512119
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