티파니 쇼 교수, 시카고 대학교 지구과학과 교수
남반구는 매우 격동적인 곳입니다. 여러 위도에서 바람이 "으르렁거리는 40도", "맹렬한 50도", "비명을 지르는 60도"로 묘사됩니다. 파도는 무려 78피트(24미터)에 달합니다.
우리 모두 알다시피, 북반구에는 남반구의 극심한 폭풍, 바람, 파도에 비할 만한 것이 없습니다. 왜 그럴까요?
미국 국립과학원 회보에 발표된 새로운 연구에서 저와 동료들은 왜 남반구에서 폭풍이 북반구보다 더 흔한지 밝혀냈습니다.
관찰, 이론, 기후 모델에서 얻은 여러 증거를 결합한 결과, 우리의 결과는 북반구의 글로벌 해양 "컨베이어 벨트"와 대규모 산맥의 근본적인 역할을 지적합니다.
또한 시간이 지남에 따라 남반구의 폭풍은 더 강해졌지만 북반구의 폭풍은 그렇지 않았다는 것을 보여줍니다. 이는 지구 온난화에 대한 기후 모델 모델링과 일치합니다.
이러한 변화가 중요한 이유는 더 강한 폭풍이 극심한 바람, 극한의 기온, 강우량 등 더 심각한 피해로 이어질 수 있다는 것을 알고 있기 때문입니다.
오랫동안 지구 기상 관측은 대부분 육지에서 이루어졌습니다. 덕분에 과학자들은 북반구의 폭풍에 대한 명확한 그림을 얻을 수 있었습니다. 그러나 육지 면적의 약 20%를 차지하는 남반구에서는 1970년대 후반 위성 관측이 가능해지기 전까지는 폭풍에 대한 명확한 그림을 얻을 수 없었습니다.
위성 시대가 시작된 이래 수십 년간의 관찰을 통해 우리는 남반구의 폭풍이 북반구의 폭풍보다 약 24% 더 강하다는 것을 알고 있습니다.
이는 아래 지도에 나타나 있으며, 1980년부터 2018년까지 남반구(위), 북반구(가운데)에서 관측된 연평균 폭풍 강도와 그 두 지역의 차이(아래)를 보여줍니다. (첫 번째 지도와 마지막 지도를 비교했을 때 남극이 맨 위에 있습니다.)
이 지도는 남반구 남극해에서 지속적으로 높은 강도의 폭풍이 발생하고, 북반구에서는 태평양과 대서양(주황색 음영)에 집중되는 폭풍의 강도를 보여줍니다. 이 지도의 차이에 따르면 대부분의 위도에서 남반구의 폭풍이 북반구(주황색 음영)보다 더 강합니다.
다양한 이론이 있지만, 두 반구 사이의 폭풍 차이에 대한 확실한 설명을 제공하는 사람은 없습니다.
그 이유를 찾는 것은 어려운 일처럼 보입니다. 대기처럼 수천 킬로미터에 걸쳐 뻗어 있는 복잡한 시스템을 어떻게 이해할 수 있을까요? 지구를 병에 담아 연구할 수는 없습니다. 하지만 기후 물리학을 연구하는 과학자들이 바로 그렇게 하고 있습니다. 우리는 물리 법칙을 적용하고 이를 이용하여 지구의 대기와 기후를 이해합니다.
이러한 접근법의 가장 유명한 사례는 2021년 "지구 온난화에 대한 신뢰할 수 있는 예측"으로 노벨 물리학상을 수상한 마나베 슈로 박사의 선구적인 연구입니다. 그의 예측은 가장 단순한 1차원 온도 모델부터 본격적인 3차원 모델에 이르기까지 지구 기후의 물리적 모델을 기반으로 합니다. 다양한 물리적 복잡성을 가진 모델을 통해 대기 중 이산화탄소 농도 상승에 대한 기후 반응을 연구하고, 근본적인 물리적 현상에서 나타나는 신호를 모니터링합니다.
남반구의 폭풍을 더 자세히 이해하기 위해, 물리 기반 기후 모델의 데이터를 포함한 여러 증거를 수집했습니다. 첫 번째 단계에서는 지구 전체에 에너지가 어떻게 분포되는지에 대한 관측 결과를 연구합니다.
지구는 구형이기 때문에 표면이 태양으로부터 받는 태양 복사 에너지가 고르지 않습니다. 대부분의 에너지는 적도에서 흡수되는데, 적도에서는 태양 광선이 표면에 더 직접적으로 닿습니다. 반대로, 빛이 가파른 각도로 닿는 극지방은 에너지를 덜 받습니다.
수십 년간의 연구를 통해 폭풍의 강도는 이러한 에너지 차이에서 비롯된다는 것이 밝혀졌습니다. 본질적으로, 이 차이에 저장된 "정적" 에너지를 운동의 "운동" 에너지로 변환합니다. 이러한 전환은 "경압 불안정성"으로 알려진 과정을 통해 발생합니다.
이 견해는 남반구에서 발생하는 폭풍의 수가 더 많은 것은 입사광만으로는 설명할 수 없음을 시사합니다. 남반구와 북반구 모두 동일한 양의 햇빛을 받기 때문입니다. 하지만 우리의 관측 분석에 따르면 남반구와 북반구의 폭풍 강도 차이는 두 가지 다른 요인 때문일 수 있습니다.
첫째, 흔히 "컨베이어 벨트"라고 불리는 해양 에너지의 이동입니다. 물은 북극 근처에서 가라앉아 해저를 따라 흐르다가 남극 대륙 주변으로 상승한 후 적도를 따라 북쪽으로 다시 흐르면서 에너지를 운반합니다. 최종적으로 남극 대륙에서 북극으로 에너지가 전달됩니다. 이로 인해 남반구에서는 북반구보다 적도와 극지방 사이의 에너지 차이가 ​​더 커지고, 이로 인해 남반구에서 더 심한 폭풍이 발생합니다.
두 번째 요인은 북반구의 높은 산맥인데, 마나베의 이전 연구에서 제시되었듯이 이는 폭풍을 약화시킵니다. 넓은 산맥을 넘는 기류는 일정한 고기압과 저기압을 형성하여 폭풍에 필요한 에너지를 감소시킵니다.
그러나 관찰된 데이터 분석만으로는 이러한 원인을 확정할 수 없습니다. 너무 많은 요인이 동시에 작용하고 상호작용하기 때문입니다. 또한, 개별 원인을 배제하여 그 유의성을 검증할 수도 없습니다.
이를 위해서는 기후 모델을 사용하여 다양한 요소가 제거되었을 때 폭풍이 어떻게 변하는지 연구해야 합니다.
시뮬레이션에서 지구의 산맥을 평탄화했을 때, 남반구와 북반구 사이의 폭풍 강도 차이는 절반으로 줄었습니다. 바다의 컨베이어 벨트를 제거했을 때, 폭풍 강도 차이의 나머지 절반은 사라졌습니다. 이로써 남반구 폭풍에 대한 구체적인 설명을 처음으로 밝혀냈습니다.
폭풍은 극심한 바람, 기온, 강수량 등 심각한 사회적 영향을 수반하므로, 우리가 답해야 할 중요한 질문은 미래의 폭풍이 더 강할지 약할지 여부입니다.
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기후 변화의 영향에 대처하기 위해 사회를 준비하는 데 중요한 도구는 기후 모델에 기반한 예보를 제공하는 것입니다. 새로운 연구에 따르면 남반구의 평균적인 폭풍은 세기말에 더욱 강해질 것으로 예상됩니다.
반대로 북반구 폭풍의 연평균 강도 변화는 완만할 것으로 예측됩니다. 이는 열대 지방의 온난화로 인해 폭풍이 더 강해지고, 북극 지방의 급격한 온난화로 인해 폭풍이 약해지는 계절적 영향이 서로 상충되기 때문입니다.
하지만 지금 이곳의 기후는 변화하고 있습니다. 지난 수십 년간의 변화를 살펴보면, 남반구에서는 평균적인 폭풍이 연중 더 강해진 반면, 북반구에서는 변화가 미미한 것으로 나타났습니다. 이는 같은 기간 기후 모델 예측과 일치합니다.
모델이 신호를 과소평가하더라도, 동일한 물리적 이유로 발생하는 변화를 나타냅니다. 즉, 해양의 변화는 따뜻한 물이 적도로 이동하고 차가운 물이 남극 주변 표면으로 이동하여 이를 대체하기 때문에 폭풍을 증가시킵니다. 이로 인해 적도와 극지방 사이의 대비가 더욱 강해집니다.
북반구에서는 해빙과 눈이 손실되어 해양 변화가 상쇄되고, 이로 인해 북극이 햇빛을 더 많이 흡수하고 적도와 극지방의 대비가 약해집니다.
정답을 얻는 데에는 상당한 위험이 따릅니다. 향후 연구에서는 모델이 관측된 신호를 과소평가하는 이유를 규명하는 것이 중요하지만, 올바른 물리적 이유로 정답을 얻는 것 또한 마찬가지로 중요합니다.
Xiao, T. et al. (2022) 지형 및 해양 순환으로 인한 남반구의 폭풍, 미국 국립과학원 회보, doi: 10.1073/pnas.2123512119
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