사고 실험으로 기후 변화의 지문이 일찍 나타났다 > 그린키퍼 뉴스

 물리학자들은 현실 세계에서 수행하기 어렵거나 불가능한  사고 실험 ( Gedankenexperimente ) 을 좋아합니다  . 슈뢰딩거의 고양이는  양자 역학의 복잡성을 보여주는 데 사용된 잘 알려진 사고 실험의 예입니다. 이 퍼즐은 20세기 초 가장 뛰어나고 뛰어난 물리학자들을 사로잡았습니다.

우리는 최근 기후 변화에 대해서만 같은 실험을 했습니다  . 오늘날의 위성과 온도 센서 네트워크를 고려할 때, 과학자들이 화석 연료 연소와 토지 이용 변화  로 인한  대기 중 이산화탄소 증가 가  지구 기후를 변화시키고 있다는 사실을 언제쯤 합리적 의심의 여지 없이 처음으로 알 수 있었을까요?  그 결과는 여러분을 놀라게 할 수 있으며 , 지구 기후에 대한 장기적인 모니터링을 지속하는 것이 왜 매우 중요한지 보여주는 데 도움이 됩니다.

저희의 사고 실험은 9가지 최첨단 컴퓨터 모델을 통해 과거 기후 변화 시뮬레이션을 수행했습니다. 세 가지 핵심 가정을 세웠습니다. 첫째, 1860년 당시 "게단켄 세계"의 과학자들은 대류권(지표면에서 약 15km까지의 대기층)과 성층권(약 15km에서 50km까지)의 지구 온도 변화를 모니터링할 수 있는 기술을 보유하고 있었다는 것입니다. 역사적으로 지구 온도 모니터링은 초기 기상 관측 기구 네트워크를 이용한 1940년대가 되어서야 시작되었습니다. 더 최근에는 1970년대 후반부터 위성을 이용하여 지구 대기 온도 변화를 모니터링해 왔습니다.

둘째, 1860년부터 2024년까지의 기간 동안 모델 시뮬레이션은 온실가스, 미세먼지 오염, 토지 이용 등 인위적인 변화에 대한 신뢰할 수 있는 추정치와 화산 활동, 태양 에너지 출력과 같은 외부 요인의 자연적 변화에 대한 정확한 추정치를 사용했다고 가정했습니다. 모델 시뮬레이션에 대한 이러한 모든 입력값은 주로 관측 데이터에서 도출되었습니다.

셋째, 우리는 모델에서 시뮬레이션된 인위적 및 자연적 요인에 대한 반응이 현실적이며, 엘니뇨와 라니냐와 같은 자연 현상과 관련된 모델화된 "기후 잡음"의 크기가 관측치와 상당히 일치한다고 가정했습니다. 세 번째 가정을 모델화된 기후 변화 및 변동성과 관측된 기후 변화 및 변동성을 비교하여 검증한 결과, 우리의 최종 결과를 무효화할 만한 모델 오류의 증거는 발견되지 않았습니다.

슈쿠로("스키") 마나베의 연구는 이 연구에 영감을 주었습니다. 훗날  2021년 노벨 물리학상을 수상하게 될 마나베는 1967년 기후 과학 분야에서  가장  유명한 논문 중 하나를 발표했습니다  . 뉴저지주 프린스턴에 있는 NOAA 지구물리유체역학연구소(GFDL)의 동료 리처드 웨더럴드와 함께 마나베는  간단한 기후 모델을 사용하여 대기 중  이산화탄소 농도가 증가하면 대류권의 열 포집 효율이 높아진다는 것을 보여주었습니다 . 그  결과   는 무엇일까요? 대류권은 따뜻해  지고  성층권은 차가워졌습니다. 전자는 우리 인간이 살고 있는 곳이기 때문에 전 세계의 관심을 사로잡았지만, 후자는 우리의 사고 실험에 특히 유용한 것으로 밝혀졌습니다.

1967년 마나베와 웨더럴드의 논문은 검증 가능한 예측을 제시했습니다. 만약 인간이 화석 연료를 계속 연소하고 대기 중 이산화탄소 농도를 증가시킨다면 ,  대기 온도의 수직 구조는 대류권뿐만 아니라 성층권에서도 변화할 것이라는 예측입니다. 그러나 1967년 당시 과학자들은 이 예측을 검증하는 데 필요한 장기 기록이 부족했습니다. 특히 지표면으로부터 약 25km에서 50km 상공의 중층 및 상층 성층권에 대한 자료가 부족했습니다.

1967년 이후 수십 년 동안  기상 관측 기구  와  위성 기온 기록은  마나베와 웨더럴드의 예측이 옳았음을 보여주었습니다. 그들이 예측한 대기 열 구조 변화 패턴은  관측 가능 했습니다 . 중요한 것은, 대류권의 장기적인 지구 온난화와 성층권의 냉각을 보여주는 이러한 인간 영향 패턴이 자연적인 기온 변화 패턴과 혼동될 수 없다는 점입니다. 대기 온도에 대한 인간의 "지문"은  태양, 화산, 그리고 내부 기후 소음에 의해 유발되는 자연적인 기온 지문과는 확연히 달랐습니다  . 기후 과학자들이 인간이 기후 변화를 일으킨다는 것을 알고 있다고 말할 때, 이 지문은 그 이유를 명확히 보여주는 한 가지 이유입니다.

이제 다시 "언제 알았을까?"라는 사고 실험으로 돌아가 보겠습니다.

질문은 간단하지만 답은 명확하지 않습니다. 사고 실험의 처음 40년(1860년에서 1899년까지)은  산업 혁명 동안 대규모 화석 연료 연소와 삼림 벌채가  막 시작되던 시기였습니다.  남극 빙핵에서 추산할 수 있는 이 기간 동안  대기 중 CO 2 의 증가는 백만분의 10에 불과했습니다. 이는  2000년에서 2024년까지 25년 동안 약 백만분의 54인 최근 CO 2  증가  에 비하면 적습니다. 그럼에도 불구하고 이 백만분의 10이라는 초기 CO 2  증가는 여전히 1860년에서 1899년에 걸쳐 성층권이 상당히 냉각되기에 충분히 큽니다. 이 성층권 냉각의 크기와 패턴은 온도에 영향을 미치는 자연적 힘, 즉 당시의 태양 변동성, 1883년 크라카타우 화산 폭발, 내부 기후 소음에서 예상하는 것과 매우 다릅니다.

신호와 잡음의 이러한 차이 때문에, 우리의 사고 실험은 성층권 냉각이라는 비교적 작은 인위적인 신호조차도 1885년에 식별될 수 있었음을 보여줍니다. 다시 말해, 오늘날의 측정 능력을 고려하면, 칼 벤츠가 최초의  가솔린 ​​자동차 특허를 받기 전부터 인간은 우리의 행동이 지구 기후를 크게 변화시키고 있다는 것을 알고 있었을 것입니다 . 인위적인 대류권 온난화라는 신호는 그보다 늦은 20세기 후반에 나타났는데, 부분적으로는 인위적인 기후 변화 패턴과 자연적 기후 변화 패턴이 성층권보다 대류권에서 더 유사하기 때문입니다.

이러한 진보된 지식이 변화를 가져왔을까요? 화석 연료 연소가 결국 지구 규모의 대규모 기후 변화로 이어진다는 사실을 알았다면 인류는 다른 에너지 사용 경로를 택했을까요? 이는 기후 과학자로서 우리의 판단 범위를 벗어나는 문제입니다. 철학자, 사회과학자, 그리고 과학사학자들이 고민해야 할 문제입니다. 하지만  다른 지구 환경 문제의 역사를 바탕으로 볼 때 , 기후 변화의 현실과 심각성에 대한 초기 지식이 온실가스 배출 감축을 위한 전 세계적인 행동을 더 일찍 촉진했을 가능성은 충분히 있다고 생각합니다.

마나베와 웨더럴드가 예측한 대기 "지문"을 우리가 파악할 수 있었던 것은 NOAA 와 NASA의 위성 원격 탐사  덕분이라는  점에 주목할 필요가 있습니다   . 이 기관들의 활동은 우리 연구뿐 아니라 국내 및 국제 기후 과학 사업에도 필수적인 부분입니다.

하지만 2025년 미국에서는 관측 및 모델링 작업을 포함한 연방 정부 지원 기후 과학이 체계적으로  해체되고 있습니다 . 이는 단순한 사고 실험이 아닙니다. 너무나 현실적인 문제입니다. 우리는 지금 기후 변화의 본질과 원인을 이해하기 위한 수십 년간의 연구가 거부되고 이념, 음모론, 그리고 허위 정보로 대체될 때 어떤 일이 벌어지는지 지켜보고 있습니다. 기후 연구 중단은 수년, 심지어 수십 년 동안 지속될 수 있는 데이터 공백으로 이어질 것입니다. 고의적인 무지 속에서 이루어지는 이러한 실험은 결국 좋지 않은 결과를 초래할 수밖에 없습니다.

본 기사는 의견 및 분석 기사이며, 저자의 견해는 전적으로 저자 개인의 것이며, 그들이 소속된 조직의 견해가 아니며 반드시  Scientific American 의 견해를 대변하는 것은 아닙니다 .