기상청 운동회 날 왜 비가 왔을까?(질문하는 과학 14)

▶ 날씨는 기분, 기후는 성격?
사람에 비유한다면 날씨는 기분이고 기후는 성격과 같다. 감정에 따라 수시로 기분이 달라지는 것은 날씨와 닮았지만, 선생님이 생활기록부에 밝고 긍정적인 학생이라고 기록한다면 오랜 기간 지켜본 뒤 성격을 표현한 것이므로 기후와 닮았다. 오늘은 바람이 불고 기온이 내려간다고 하면 날씨를 얘기하지만, 이 계절에는 일교차가 크고 맑은 날이 많다고 하면 기후를 말한다. 기후란 땅과 대기와 바다가 균형을 이루며 긴 호흡으로 움직이는 모습이다. 지구 기후는 지난 백만 년 동안 6차례 이상 빙하기와 간빙기를 반복하며 5천 년에 1도 정도의 느린 속도로 기온이 변해 왔다. 지구는 태양에너지를 받은 만큼 같은 양의 적외선을 우주로 되돌려주어 균형을 맞추고, 지구 자전축이나 태양의 공전궤도가 달라지는 것에 따라 빛의 세기가 달라지면 거기에 맞추어 지구로 들고나는 에너지가 같아지도록 지구 온도가 적응해 왔던 것이다.
그런데 지난 100년 사이 급격한 산업화의 결과로 전 지구 평균기온이 1도나 상승하여 세계 곳곳에서 온난화의 후폭풍이 몰아치고 있다. 21세기가 끝나기 전까지 학자에 따라서는 5도 이상까지 오를 수 있다고 하니, 인간에 의한 지구 기온 상승을 어떻게 막을 수 있을지 대책이 시급하다.

▶ 날씨를 이해하려면 대기의 운동을 알아야 해
땅 위에는 강이 흐르고 땅 속으로는 지하수가 흐르며 지구 표면의 70%는 바다이다. 극지는 얼음이나 눈으로 덮여 있고, 하늘에는 물이 수증기의 형태로 떠다닌다. 매일 날씨가 달라지는 것도 물이 있어서인데 구름, 비와 눈, 태풍, 파도, 안개 등 모든 게 기체, 액체, 고체로 변신하는 물의 마술이다. 일교차가 무려 250도까지 생기는 달에 비해 지구의 일교차가 크지 않은 건 물과 공기가 있기 때문이다. 지구는 낮에 지면이 달궈져도 땅에 있는 수분이 증발하며 온도가 서서히 올라가고, 밤에는 지면에서 내보낸 적외선을 대기가 흡수하여 되돌려주므로 온도가 떨어지는 걸 막아준다. 또 물과 공기가 더운 곳에서 추운 곳으로 열을 고루 섞어 줘서 지역에 따라 기온이 극단적으로 벌어지지 않게 해준다. 극지 가까운 나라에서도 사람이 살 수 있는 이유이다.
강에 물길이 있듯 대기에도 물길이 있어 바람이 그 통로를 따라 수증기를 운반하는데, 바다에서 나오는 수증기가 육지에 고루 퍼지는 대신 물길을 따라 몰려다니다 보니 어떤 곳은 홍수가 나고, 다른 곳은 가뭄이 심해지게 된다. 우리나라의 여름에 북태평양고기압을 따라 물길이 지나게 되면 장맛비와 폭우가 쏟아지고, 겨울에 시베리아고기압이 내려오면 물길은 메마르게 된다. 바람은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 작용하는 힘을 받아 기체가 이동하는 흐름을 말하는데, 열대에서 팽창한 공기는 위로 솟구치다 점차 힘이 빠지며 아열대에서 하강하고 다시 열대로 되돌아가는 순환을 하게 된다. 여기에 지구 자전효과가 보태지면 바람의 방향이 바뀌면서 편서풍, 편동풍(무역풍)이 나타나게 된다. 또 열대의 더운 공기와 극지의 찬 공기가 만나는 중위도 대기권에서는 극지를 향한 기압의 힘이 유독 강해 편서풍이 더 거세지며 제트기류가 나타나게 된다.
이 책은 기본적인 대기 과학의 원리를 통해, 구름과 눈비는 어떻게 만들어지며, 태풍이나 돌풍, 가뭄과 홍수 등의 기상재해는 왜 생기는지, 우리나라 사계절의 날씨는 어떤 원리로 변화하는지 친절하게 알려준다.

▶ 첨단과학으로 강화되는 기상관측과 미래의 지구기후 예측
지난 60여년 간 일기예보는 컴퓨터 계산과학과 인공위성의 도움으로 비약적으로 발전해 왔다. 기상 예측에는 엄청난 계산량이 필요한데 기상청 슈퍼컴퓨터는 전 세계인이 5년간 계산할 분량을 단 1초만에 해낸다. 이렇게 빠른 컴퓨터로도 몇십 분을 계산해야 이후 10일 간의 일기를 예측할 수 있으니, 일기예보에 얼마나 방대한 계산량이 필요한지 짐작할 수 있다. 거꾸로 자유롭게 국경을 넘나들고 바다나 사막도 거침없이 지나며 조그마한 변수에도 움직임이 급격하게 바뀌어버리는 대기의 전모를 파악하여 정확한 예측을 한다는 게 얼마나 어려운 일인지 추측하게 해 준다.
기상 예측 프로그램은 현재의 날씨에서 미래의 날씨까지 보여줄 뿐만 아니라, 과거의 날씨도 재생해 낸다. 이렇게 축적된 자료들을 AI가 학습한다면 머잖아 AI가 일기예보를 하는 날이 올 것으로 예상된다. 또 컴퓨터에서 대기 운동, 생태계 변화, 온실 기체 배출량까지 반영한 '기후 모델'을 구동하여 먼 미래의 지구 기후를 전망해 볼 수 있다.

▶ 대기과학 권위자이자 기상관측 전문가의 청소년 눈높이에 맞는 서술
미국 일리노이 대학에서 대기과학으로 박사학위를 받은 저자는 매스컴을 통해 기상 현상을 쉽게 해설하는 일을 꾸준히 해왔다. 보다 적극적으로 대중과 소통하려는 의지로 청소년 과학서에 처음 도전하여 날씨에 숨겨진 과학의 원리를 쉽게 풀어냈다.

▶ 원리 이해를 돕는 일러스트와 4명의 선구적 기상학자에 대한 칸 만화
코믹한 만화 풍의 본문 일러스트는 직관적으로 내용을 이해하는 데 도움을 준다. 우리에게 아직 생소하지만 기상학 분야에서 노벨상을 수상하거나 인공강우의 원리를 밝히는 등의 흥미있는 연구를 한 4명의 기상학자를 소개하는 만화를 넣어, 내용을 심화하고 쉬어가는 역할을 하게 했다.

프롤로그 4 날씨와 기후에 숨겨진 재미있는 과학

1장 온난화와 기후 변화
1 지구 기온이 1도 오르면?
2 온실 기체가 온난화의 주범일까?
3 온난화로 가뭄과 홍수가 심해진다고?
4 극지는 왜 온난화에 더 취약할까?
5 빙하코어는 어떻게 타임캡슐이 되었나?
6 하늘이 더 어두워졌다고?
?스반테 아레니우스 ㆍ이산화탄소 배출과 지구온난화의 관계

2장 기상 관측과 지구 기후의 미래
7 캄캄한 밤에 폭풍우를 탐지한다고?
8 천리안 위성이 2분마다 구름 사진을 찍는다고?
9 AI가 일기예보를 한다고?
10 날씨를 맘대로 조절할 수 있을까?
11 날씨를 오감으로 느낄 수 있을까?
12 기후전망 시나리오에서 어떤 선택을 할까?
?빈센트 섀퍼 ㆍ인공강우의 원리

3장 대기의 겉과 속
13 지구는 왜 살기 좋은 행성일까?
14 대기가 파도처럼 출렁인다고?
15 왜 산에 있는 나무에 단풍이 먼저 들까?
16 잔잔한 날에도 언덕에 오르면 연이 뜨는 이유는?
17 땅의 열기는 어떻게 대기에 전해질까?
18 구름은 왜 하늘 끝까지 솟구치지 못할까?
?슈크로 마나베 ㆍ대기 변화를 예측하는 기후 모델


4장 구름과 비
19 수증기의 물길 따라 문명이 번성했다고?
20 암호로 기상현상을 소통한다고?
21 구름은 어떻게 덩치를 키우는 걸까?
22 안개 속에서는 왜 세상이 뿌옇게 보일까?
23 무지갯빛 구름이 보인다고?
24 성질이 다른 공기가 충돌하면 왜 날씨가 흐려질까?
25 물방울의 힘이 원자폭탄보다 강하다고?

5장 기상재해
26 소나기가 내리면 왜 돌풍이 불까?
27 번개가 구름 위로도 친다고?
28 하늘에서 개구리가 떨어진다고?
29 태풍의 눈이 크면 힘도 셀까?
30 바람이 불면 수면 위 불빛이 길어져 보인다고?
31 왜 비행기를 타면 늘 난기류를 조심하라 할까?
?밀루틴 밀란코비치 ㆍ빙하기 주기 이론


6장 우리나라 사계절의 날씨
32 그 많은 장맛비는 어디서 왔나?
33 집중호우는 어떻게 좁은 공간에 쏟아질까?
34 장마가 끝나면 왜 찜통더위가 찾아올까?
35 가을 하늘이 유난히 높고 푸른 이유는?
36 가을철에 유독 땅안개가 자주 끼는 이유는?
37 북서 계절풍이 불어오면 왜 유난히 추운 걸까?
38 눈 오리 만들기 좋은 날이 따로 있다고?
39 겨울 아침에는 먼지 농도가 높다고?
40 봄철 황사가 자주 발생하는 이유는?

이우진 기상학자. 자연 가까이 산책하기를 좋아한다. 방송을 통해 기상 현상을 해설하고, 신문이나 잡지에 생활 속 날씨 이야기를 즐겨 쓴다. 연세대학교에서 천문기상학을 공부하고, KAIST에서 물리학 석사, 미국 일리노이대학교에서 대기과학 박사학위를 받았다. 기상청 예보국장, 수치모델 관리관, APEC 기후센터 사무총장 등을 역임하고 지금은 차세대수치예보모델 개발사업단 단장을 맡고 있다.
기상 정보를 사회적 의사결정 과정에 반영하는 문제에도 관심이 높아 『미래는 절반만 열려 있다』, 『정보화 사회의 기상서비스』를 썼다. 오랜 기간 컴퓨터와 수리과학을 접목한 기상예측 분야에 종사하면서 『기상역학』, 『강수량예보』 등의 전문서를 집필했으며, 한반도의 날씨 이야기를 다룬 『날씨의 음악』을 출간했다.