해수면 상승과 생태계 변화를 일으키는 지구온난화가 전 지구적인 환경문제로 떠올랐다. 국제 사회는 지구 온난화로 인한 기후 변화에 대응하기 위해 유엔환경개발회의(UNCED)에서 기후변화협약(UNFCCC)과 교토의정서를 채택하며 온난화의 원인인 온실가스 배출량을 줄이고 기후변화에 대처하기 위해 노력하고 있다.

기후 변화를 예측하기 위해 평균기온 상승폭을 예측하는 것은 국제 사회의 주요과제다. 최용상 교수(기후‧에너지시스템공학 전공), 유창현 교수(기후‧에너지시스템공학 전공), 황지원(기후‧에너지시스템공학 전공 박사과정)씨로 구성된 본교 연구팀과 미국 항공우주국(NASA·National Aeronautics and Space Administration) 제트추진연구소(Jet Propulsion Laboratory) 공동연구팀은 기후변화에 가장 민감하게 반응하는 북극의 온난화 변화 측정의 정확도를 높였다.

연구팀은 인공위성으로 관측한 데이터를 이용한 논문 ‘대기 상부 에너지량 해석을 통한 미래 북극 온난화 전망’(황지원, 최용상, 유창현, 2019)을 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)>에 발표했다. 지구의 기온이 얼마나 상승했는지는 기후 민감도를 통해 예측할 수 있다. 기후 민감도는 대기상한(大氣上限)의 복사에너지를 측정해 온실기체에 지구가 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타내는 지표다. 지구로 들어오는 태양 복사에너지가 클수록 민감도는 높아진다. 같은 양의 온실기체가 배출돼도 민감도가 높으면 온도가 많이 상승하지만, 민감도가 낮으면 온도는 소폭 오른다.

기존 연구들은 기후모델을 만들어 기후 민감도를 예측했다. 기후모델은 가상의 지구를 만들어 시뮬레이션을 하는 것이다. 시뮬레이션은 기본적인 물리 법칙과 대기, 해양의 순환 등을 기반으로 가상의 지구에서 기후가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 관찰한다.

모델링 방식은 모델마다 초기 조건이나 적용하는 법칙, 변수들이 조금씩 다른데, 이런 작은 차이가 결과에 큰 영향을 미친다. 예컨대 가상 지구를 만들 때, 연구마다 어떤 위성을 이용하느냐에 따라 관측 결과가 다르다. 대기, 해양, 지면 등이 상호작용하는 과정에서도 차이가 생긴다. 따라서 북극 온난화 예상치에 차이가 나는 정확한 이유를 찾기 어렵다는 맹점을 가진다.

황지원(기후‧에너지시스템공학 전공 박사과정)씨는 “처음에는 미미한 차이로 보여도 시간이 100~200년 지나면 나비효과처럼 차이가 굉장히 커진다”며 “모델마다 조금씩 다른 조건과 법칙을 포함하기에 북극 온난화 예상치 사이에 차이가 나는 이유를 현재는 알 수 없다”고 말했다.

이와 같은 연구 방식 때문에 전 세계 기후모델들은 온실가스 농도 증가에 대한 북극지역(북위 60도 이상) 온난화 예상치를 서로 다르게 전망하고 있다. 미래에 지구 온도가 1도 증가한다고 예측한 모델이 있는 반면, 4~5도 증가할 것이라고 예측하는 모델도 있는 이유다.

기존 모델링 방식의 불확실성을 보완하기 위해 연구팀은 인공위성 데이터를 이용했다. 연구팀은 17년간 축적된 NASA의 위성 관측 데이터를 분석해 기후 민감도를 추정했다. 2000년대 이후엔 그간 측정해오던 인공위성 데이터양이 어느 정도 축적됐고, 기술 발전으로 전 지구적 복사량의 관측이 가능해지면서 기후 민감도 연구에도 인공위성 데이터를 활용한 것이다.

인공위성으로 관측한 데이터는 태양 복사에너지 데이터를 기반으로 지구의 온도변화를 알아본다. 가상으로 설정한 기후모델과 달리 실제 지구에 가까운 값이라고 볼 수 있는 것도 이 때문이다. 연구팀은 실험을 통해 이산화탄소가 2배 증가할 때 지구 온도가 4.6도 상승할 것이라는 결론을 내렸다.

연구는 인공위성을 통해 실제 복사에너지 반응을 관측해 기존 모델링 방식의 불확실성을 줄였다는 점에서 의미가 있다. 이는 서로 다른 기후모델들을 평가하는 하나의 지표로써 사용될 수 있다. 황씨는 “연구를 발전시켜 북극뿐만 아니라 다른 지역에 적용해 자신이 살고 있는 지역이 얼마나 온난화될지 알 수 있도록 할 것”이라고 말했다.