기후의 과학

기후 변화 연구 최초 노벨 물리학상 수상자의

단 하나뿐인 기후 모형 해설서!

산업 혁명 이후에 대기의 구성과 지구의 기후가 변했으며, 그 주된 원인이 인간의 활동임에는 의심의 여지가 없다. 대기 중의 이산화탄소 농도는 산업화 이전에 비해 40% 이상 증가했는데, 주로 에너지를 얻기 위해 화석 연료를 태웠기 때문이다. 지구 표면의 평균 온도는 1,000년 동안 비교적 안정되게 유지되어 왔지만, 산업화 이전에 비해 이미 약 1℃가 증가했다. 에너지 생산 활동에 커다란 전환이 이루어지지 않는다면, 이러한 변화는 계속될 수밖에 없다. 지구 평균 기온은 21세기 내에 2~3℃ 더 상승할 것으로 예상되며, 육지의 온난화가 해양보다 상당히 더 커지고, 북극의 온난화가 열대보다 상당히 더 커질 것이다. -본문에서

지구 평균 온도 상승, 극한 기후 현상의 증가, 불분명한 계절의 변화 등 지구 온난화의 심각성이 한 해 한 해 커지고 있다. 「기후 변화에 관한 정부 간 협의체 제5차 평가 보고서」는 “20세기 중반 이후에 관측된 온난화의 지배적인 원인은 인간의 영향이었을 가능성이 극단적으로 크다.”라고 언급하며 지구 기후의 변화가 산업 혁명 이후 인류의 활동에서 비롯된 것임을 공언했다. 수십 년간 이어진 지구 온난화에 대해 편향되고 잘못된 오해들이 과학적 근거를 통해 분명한 인간의 책임으로 밝혀진 것이다. 이러한 인간 활동과 지구 기후 변화의 관계성을 물리학적 모형 연구를 통해 입증한 사람이 있다.

바로 “지구 기후의 물리적 모델링, 변동성 정량화와 지구 온난화를 신뢰성 있게 예측한 공헌”으로 2021년 노벨 물리학상을 수상한 마나베 슈쿠로(真鍋淑郎, Syukuro Manabe)가 그 주인공이다. ㈜사이언스북스의 신간 『기후의 과학: 지구 온난화를 넘어설 기후 물리학의 정석(Beyond Global Warming)』은 기후 변화 분야 최초의 노벨상 수상자인 마나베 슈쿠로의 60여 년에 걸친 기후 과학 연구의 유일무이한 결정체이자, 지구 온난화 시대에 인류가 참고해야 할 가장 과학적인 연구를 정리한 기후 모형 해설서이다.

어린 시절 “태풍이 오지 않는다면 일본의 강수량이 줄어들 것이다.”라는 관찰을 남기기도 했던 마나베 슈쿠로는 날씨와 기상 현상에 대한 관심을 토대로 도쿄 대학교에서 기상학을 전공해 석·박사 학위를 받았다. 박사 학위 취득 후 1950년대 말 전후 일본의 상황 속에서 일자리를 찾는 데 어려움을 겪던 마나베 슈쿠로는 훗날 미국 국립 해양 대기청(NOAA) 산하 지구 물리학 유체 역학 연구소(GFDL)의 창립 소장이 되는 조지프 스마고린스키(Joseph Smagorinsky)의 요청을 받아 미국 기상청 대순환 연구부에 합류한다. 이 결정은 나중에 기후 변화 예측의 필수품이 될 기후 모형 개발의 청사진이 된다.

마나베 슈쿠로는 기후 모형 연구를 통해 수증기, 이산화탄소, 오존 등의 온실 기체가 지구 대기의 열 구조 유지에 미치는 영향을 탐구하며 대기 대순환 모형의 초석을 닦았다. 1960년대 후반에는 리처드 웨더럴드(Richard T. Wetherald)와 수증기의 양의 되먹임 효과에 집중해 1차원 복사-대류 모형을 개발했다. 이 모형을 통해 대기 중 이산화탄소의 농도가 변화함에 따라 지표면과 대류권에서는 온도가 증가하지만, 성층권에서는 온도가 감소한다는 사실을 발견했다. 이 발견은 포괄적인 대기 대순환 모형 개발로 이어졌는데, 커크 브라이언(Kirk Bryan)과는 해양-대기 결합 모형을 개발해 기후 변화에서 해양의 역할을 분석하기도 했다. 이 분석은 대기의 대순환과 해양의 난류, 대류, 대규모 순환을 명시적으로 통합한 최초의 모형이 되어 기후 시뮬레이션의 뼈대가 되었다. 이들의 연구는 NOAA 설립 이후 첫 200년 동안 발생한 10대 혁신 중 하나로 선정되었다.

이후 마나베 슈쿠로는 오랫동안 미국에서 연구 생활을 이어 가며 미국 시민권을 취득, 1990년대와 2000년대에는 자신의 연구 그룹을 이끌며 대기 중 변화하는 온실 기체의 농도에 대한 기후의 반응을 해양-대기 모형을 이용해 시뮬레이션한 중요한 논문들을 발표했다. 현재 마나베 슈쿠로는 미국 국립 과학원(NAS)와 미국 기상학회(AMS), 미국 지구 물리학 연합(AGU)의 회원이자 프린스턴 대학교에서 대기 및 해양 과학 프로그램의 수석 기상학자로 활동하며 컴퓨터를 활용한 지구 온난화 시뮬레이션에 선구적인 역할을 해 오고 있다. 2021년 노벨 물리학상 수상 이외에도 장기적인 기후 변화와 모형화 분야 연구를 진행한 노고를 인정받아 1998년 밀루틴 밀란코비치 메달, 2015년 벤저민 프랭클린 메달, 2018년 크래퍼드 상을 수상했다.

이번에 출간된 『기후의 과학: 지구 온난화를 넘어설 기후 물리학의 정석』에는 60여 년이 넘는 기간 동안 마나베 슈쿠로가 직접 참여한 연구와 그의 사고에 영향을 준 기후 과학의 역사가 모두 담겨 있다. 노벨 물리학상을 수상한 저자의 유일한 대중서로도 알려진 이 책의 저술에는 럿거스 대학교의 대기 과학 석좌 교수로 재직하고 있는 앤서니 브로콜리(Anthony J. Broccoli)가 공저자로 참여해 내용을 보완했다. 이 책은 지구 온난화가 가속화되고 있는 지금 기후가 과거에 왜, 어떻게 변화했는지, 앞으로 어떻게 변화할 것인지를 알려줄 이정표가 되어 줄 것이다.

지은이 : 마나베 슈쿠로 真鍋淑郎, Syukuro Manabe

도쿄 대학교에서 기상학을 전공하고 1958년 같은 대학교에서 기상학으로 박사 학위를 받았다. 현재 프린스턴 대학교에서 대기 및 해양 과학 프로그램의 수석 기상학자로 활동 중이다. 컴퓨터를 활용한 지구 온난화 시뮬레이션에 선구적인 역할을 해 왔다. 기후 모형을 개발해 이산화탄소 증가가 지구 온난화에 미치는 영향을 규명했다. 또한 최초의 해양-대기 기후 시뮬레이션을 발표했다. 미국 국립 과학원(NAS)과 미국 기상학회(AMS), 미국 지리 연합(AGU)의 회원이며, 장기적인 기후 변화와 모형화 분야 연구를 진행하여 1998년 밀루틴 밀란코비치 메달, 2015년 벤저민 프랭클린 메달, 2018년 크래퍼드 상을 수상했고, 지구 온난화를 예측하는 데 선구적이고 중요한 역할을 한 공로를 인정받아 2021년 노벨 물리학상을 수상했다.

지은이 : 앤서니 브로콜리 Anthony J. Broccoli

럿거스 대학교에서 기상학을 전공하고 같은 대학교 대학원에서 환경 과학 박사 학위를 받았다. 현재 럿거스 대학교의 대기 과학 석좌 교수로 재직하고 있다. 미국 기상학회(AMS)와 미국 과학 진흥 협회(AAAS)의 회원이며, 럿거스 기후 연구소에 합류하기 전에는 세계 최고의 기후 연구 기관 중 하나인 미국 해양 대기청(NOAA) 지구 물리학 유체 역학 연구소에서 20년 이상 근무했다. 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)에서 활동하기도 했고, 《저널 오브 클라이메이트(Journal of Climate)》의 공동 편집장으로 일하기도 했다.

옮긴이 : 김희봉

연세 대학교 물리학과를 졸업하고 동 대학원에서 물리학을 전공했다. 과학서 전문 번역가로 활동하며 『파인만 씨, 농담도 잘하시네!』, 『사회적 원자』, 『클래식 파인만』, 『천구의 회전에 관하여』 등 다수의 책을 번역했다.

책을 시작하며 5 / 감사의 말 8

1장 서론 13

2장 초기의 연구 37

3장 1차원 모형 53

4장 대기 대순환 모형 71

5장 초기의 수치 실험 93

6장 기후 민감도 125

7장 빙기-간빙기 대비 165

8장 기후 변화에서 해양의 역할 185

9장 추운 기후와 심층수의 형성 231

10장 지구 전체의 물 가용성 변화 245

책을 마치며 277 / 후주 279 / 참고 문헌 288 / 옮기고 나서 316 / 찾아보기 319