기후물리학(세상에서 가장 쉬운 과학 수업)

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 박문호의 자연과학 세상 특강 선정도서
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상자 논문 영문본 수록

날씨에서 기후로, 그리고 물리학으로

날씨를 관찰하고 기록하는 일은 고대 문명에서 농경과 생존을 위해 필수적이었다. 그러나 단편적인 날씨의 나열만으로는 지구의 거대한 변화를 설명할 수 없었다. 아리스토텔레스가 『기상학』에서 번개와 우박, 바람을 체계적으로 설명하려 한 이후, 인류는 점차 '기후'라는 장기적이고 구조적인 현상에 눈을 돌리게 된다. 19세기에 들어 빙하기 이론, 대륙이동설, 대기권 발견은 기후가 단순히 자연의 변덕이 아니라 과학적으로 설명 가능한 대상임을 드러냈다. 『기후물리학』은 이렇듯 기후 연구의 기원을 하나하나 짚으며, '날씨의 합'으로만 여겨지던 기후가 어떻게 독립된 물리학의 영역으로 확립되었는지를 서사적으로 보여준다. 이는 곧 기후위기를 과학적 언어로 설명할 수 있는 토대가 어떻게 마련되었는지를 드러내는 과정이기도 하다.

기후를 수학으로 읽어낸 사람들

아레니우스가 1896년 논문에서 이산화탄소와 지구 온도 사이의 정량적 관계를 계산한 것은 기후과학사의 획기적인 사건이었다. 그는 대기 중 이산화탄소 농도가 두 배가 될 경우 지구 평균 기온이 얼마나 상승할 수 있는지 추정했고, 이는 오늘날 '기후 민감도'라는 핵심 개념의 출발점이 되었다. 뒤이어 존 틴들은 대기 구성 성분의 적외선 흡수율을 실험적으로 밝혀내며, 이산화탄소와 수증기가 열을 가두는 '온실가스'임을 규명했다. 20세기 중반, 마나베 슈쿠로는 방사-대류 평형 모델을 통해 기후 예측을 정밀한 물리학으로 끌어올렸다. 『기후물리학』은 이들 논문 원전을 그대로 실어 독자가 단순한 이론 해설이 아니라 실제 과학자의 계산과 실험의 흔적을 접하도록 구성했다. 수식과 데이터가 어떻게 인류의 기후 인식을 바꿨는지, 그리고 왜 기후모델링이 오늘날 정책 결정의 근거가 되었는지를 생생하게 전한다.

불확실성을 예측 가능한 것으로 바꾼 하셀만

"기후는 예측 불가능하지 않다. 확률적으로 예측할 수 있다." 하셀만이 제시한 이 선언은 기후물리학의 패러다임을 바꿔놓았다. 그는 날씨가 일시적이고 혼돈스러운 변동을 보이더라도, 그 평균적이고 장기적인 패턴은 확률적 모델을 통해 읽어낼 수 있음을 증명했다. 그의 '확률적 기후모델'은 대기와 해양, 태양 복사와 지표 시스템이 얽힌 복잡계를 수학적으로 다루는 길을 열었고, 결국 인류가 당면한 기후위기를 과학적으로 설명하고 예측할 수 있는 토대를 마련했다. 2021년 노벨 물리학상을 수상하며 그는 다시 한 번 "기후 문제는 기술의 문제가 아니라 의지의 문제"라고 강조했다. 이 메시지는 과학적 통찰이 단지 실험실 안의 지식으로 머무르지 않고, 사회와 인류의 미래를 향한 경고와 제안이 될 수 있음을 잘 보여준다. 『기후물리학』은 하셀만의 논문을 그대로 담아내며, 독자가 그의 수학적 아이디어와 과학적 용기를 직접 체험하게 한다.

과학과 사회를 잇는 교양서

『기후물리학』은 기후를 둘러싼 과학적 발견의 역사를 사회적 맥락과 연결해 성찰하게 한다. 정완상 교수 특유의 문답식 대화는 독자들이 기후 시스템과 수식을 부담 없이 이해하도록 돕고, '물리군'이 던지는 질문을 통해 복잡한 기후모델과 열역학 법칙이 일상의 언어로 다가온다.
이 책은 단순한 지식 전달을 넘어, 기후위기 시대 우리가 어떤 선택을 해야 하는지 묻는다. 아레니우스의 온실효과 계산, 마나베의 대기 모델, 하셀만의 확률적 기후모형에 담긴 과학적 통찰은 모두 인류의 미래를 향한 경고이자 제안이다. 특히 하셀만의 "기후 문제는 기술이 아니라 의지의 문제"라는 말은 과학이 사회적 책임과 결합할 때의 힘을 잘 보여준다.
시리즈의 깊이와 정교함은 외부 전문가의 평가로도 뒷받침된다. 「세상에서 가장 쉬운 과학 수업」 시리즈는 박문호 박사의 '자연과학세상 목요특강'에서 연속으로 선정되는 영예를 안았다. 제2권 『방사선과 원소』와 제8권 『반입자』가 연달아 채택된 것은 학술성과 교육적 적합성을 동시에 인정받았음을 뜻한다.
『기후물리학』은 청소년·이공계 지망생뿐 아니라 기후위기에 관심 있는 모든 독자를 위한 안내서다. "지식을 아는 것에서 나아가 행동할 것"을 촉구하며, 과학과 사회를 연결하는 진정한 교양서로 자리매김한다.

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
기후를 통계물리학으로 다룬 하셀만 _복잡계 연구로 노벨 물리학상 받은 파리시 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 _ 지질학의 탄생과 진화

지질학의 뿌리를 찾아서 _고대 그리스에서 시작된 지구 이야기
지구의 비밀을 풀다 _중세와 르네상스 지질학자들의 여정
지층에 새겨진 지구의 연대기 _스테노와 지층누중의 법칙
지구는 몇 살일까? _지구의 나이를 계산한 뷔퐁
지구의 기원을 물에서 찾다 _베르너의 수성론
지구는 끓고 있다 _화성론과 허턴의 동일과정설

두 번째 만남 _ 지구의 퍼즐을 맞춘 사람들

대륙은 움직인다 _베게너와 대륙이동설의 탄생
판게아를 상상한 사람들 _대륙이동설의 기원을 찾아서
드러나는 지구 속 _지진파를 발견한 과학자들
지구 내부를 가르다 _불연속면을 발견한 과학자들
지구의 심장을 발견하다 _내핵을 밝혀낸 잉게 레만
지구는 퍼즐이다 _판구조론으로 보는 지구의 비밀

세 번째 만남 _ 기상학, 날씨를 과학으로 담다

하늘을 읽은 철학자들 _고대 그리스의 기상학
안티크톤에서 구름까지 _중세 기상학의 여정
공기의 무게를 측정하다 _토리첼리와 대기압의 발견
공기의 무게를 증명하다 _파스칼과 괴리케의 대기압 실험
구름 너머의 진실 _알프스를 오른 대기과학의 선구자 소쉬르
구름에 이름을 붙이다 _하워드가 본 하늘의 질서
뜨거워지는 도시, 흐려지는 하늘 _열섬과 스모그 현상

네 번째 만남 _ 대기권 발견과 구름 위의 과학자들

구름 위로 간 사람들 _열기구와 대기과학의 탄생
하늘을 나눈 선 _성층권 발견 이야기
보이지 않는 하늘의 경계선들 _오존층에서 열권까지
하늘은 왜 층층이 나뉠까? _대기권의 과학적 구조

다섯 번째 만남 _ 기상학의 역사와 그 선구자들

눈에 보이는 바람의 언어 _보퍼트, 바람을 분류하다
신의 분노에서 과학적 예측으로 _태풍 연구의 역사
날씨를 읽는 과학의 탄생 _일기예보의 역사
현대 기상학의 뿌리를 찾아서 _일기예보의 아버지 피츠로이

여섯 번째 만남 _ 불확실성 속의 과학, 하셀만의 논문 속으로

비는 쟁기를 따를까? _기후변화에 대한 인식의 변천사
빙하가 남긴 흔적 _루이 아가시와 빙하기 이론의 탄생
열을 가두는 공기의 정체 _온실효과의 과학적 기원
온실효과의 숨겨진 선구자 _유니스 푸트의 빛나는 발견
기후변화를 물리학으로 예측하다 _마나베와 기후모델 실험
기후를 확률로 예측하다 _하셀만이 밝힌 불확실성 속의 질서

만남에 덧붙여

Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity _마나베 논문 영문본
Stochastic Climate Models Part I. Theory _하셀만 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 책과 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

정완상 과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. 「과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈」 중 『아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기』를 비롯한 31권과 「과학공화국 법정 시리즈」 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 「개념 잡는 수학툰 시리즈」를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 「노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈」를 집필 중이다. 우리나라에서 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 「정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기」를 운영하기 시작했다.