이탄지 내부에 저장된 탄소의 양을 계산하기 위해 연구자들은 전 세계에 적용할 수 있는 "늪지 물리학"의 통합 이론을 개발했습니다.
에스토니아에 있는 3,000년 된 비루 습지의 항공 사진은 이탄 습지의 전형적인 특징, 즉 이전 호수를 덮고 나무와 관목을 지탱할 만큼 튼튼한 이탄 토양의 흠뻑 젖은 돔을 보여줍니다.
야누스 야고마기
소개
이탄 습지를 방문하면 지구 표면에 대해 알고 있던 모든 것을 다시 생각하게 될 것입니다. 늪지는 일종의 땅이지만 익숙한 땅이라는 의미는 아닙니다. 사람의 표면 위를 걸어가려고 하면 이탄이라고 알려진 부드러운 유기 진흙이 아래에서 물결치는 것을 느낄 수도 있고 스스로 그 속으로 가라앉을 수도 있습니다. 표면에서는 물에 젖은 이탄의 깊이가 3피트인지 30피트인지 알기 어렵습니다.
이 이상하고 축축한 장소는 역사적으로 비난을 받아 왔으며, 사람들이 그 땅에 건물을 짓거나 농사를 지을 수 있도록 많은 곳이 배수되었습니다. 그러나 기후 변화 시대에 이탄지는 새로운 명성을 얻고 있습니다. 이탄지는 자연이 탄소를 저장하고 대기에서 차단하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. 이를 확실히 유지하기 위해 과학자들은 얼마나 많은 이탄과 탄소를 저장하는지 계산하는 방법을 오랫동안 모색해 왔습니다.
최근 연구에서 답이 나올 수 있습니다. 작년 말 자연에서 , 과학자들은 간단한 측정 세트를 사용하여 지구상의 모든 이탄 습지의 모양을 계산할 수 있다고 말하는 수학적 모델을 보고했습니다. 이 모델이 광고된 대로 작동한다면 늪지의 탄소량을 쉽게 계산할 수 있습니다. 이는 특정 늪지가 기후 변화를 줄이는 데 기여하는지 결정하는 중요한 단계입니다.
이번 연구에 참여하지 않은 싱가포르 난양기술대학교의 생태학자인 숀 럼(Shawn Lum)은 이 논문을 “특수상대성이론에 해당하는 이탄지대”라고 부르며 획기적인 논문이라고 칭찬했습니다.
Lum의 칭찬이 드러납니다. 수십 년 동안 생물학자들은 E 형태의 방정식을 갈망해 왔습니다. =엠씨 2 또는 뉴턴의 중력 법칙 - 지식 영역을 통합하고 우리 세계를 지배하는 숨겨진 질서에 대한 심오한 통찰력을 제공하는 간단하고 포괄적인 수학적 규칙입니다. 이러한 모든 것을 포괄하는 법칙은 오랫동안 물리학의 발전을 이끌어 왔지만, 생명과학에 상응하는 법칙은 찾기 힘든 것으로 판명되었습니다. 이제 전 세계의 늪지들 사이에서 어느 정도 통일성이 발견된 것 같습니다.
이탄 습지는 일반 법칙을 산출하는 질서정연한 장소처럼 보이지 않습니다. 빗물만으로 영양이 부족한 이러한 생태계는 죽은 식물이 산소가 부족한 축축한 환경에 갇히게 되어 죽은 조직을 소화할 수 있는 미생물이 살기 어려운 환경에 갇힐 때 형성됩니다. 죽은 초목은 수백 또는 수천 년에 걸쳐 쌓여 주변 땅에서 수십 피트 높이까지 솟아오를 수 있는 넓고 완만하게 경사진 돔을 형성합니다.
Merrill Sherman/Quanta Magazine;
출처:아일랜드 이탄지 보존위원회
이탄 습지는 전 세계에서 발견됩니다. 캐나다와 러시아와 같은 춥고 위도가 높은 지역에서는 종종 물이끼로 덮여 있습니다. 따뜻한 열대 지방에서는 최대 200피트 높이의 나무가 있는 늪지대 숲이 되는 경향이 있습니다. 모두 합쳐서 습지와 기타 이탄지는 지구 토지의 약 3%를 차지합니다. 하지만 그들은 지구상의 모든 나무보다 두 배나 많은 탄소를 담아냅니다. 만약 탄소가 방출된다면 대기 중 이산화탄소는 두 배로 늘어날 것이며 인간과 다른 많은 종들에게 잠재적으로 재앙적인 결과를 초래할 것입니다.
많은 과학자들은 이탄 습지를 보호하고 이전에 배수된 이탄지를 복원하는 것이 기후 변화를 늦추는 쉽고 강력한 방법이 될 수 있다고 주장합니다. 그러나 여기에는 문제가 있습니다. 이탄을 배수하는 것은 수익성이 높은 경우가 많습니다. 이미 알려진 이탄지의 약 15%가 주로 농지를 조성하기 위해 파괴되었습니다. 출혈을 멈추기 위해 옹호자들은 방해받지 않는 이탄지를 보존하기 위해 국가에 비용을 지불할 것을 제안했습니다. 그러나 기후에 도움이 되는 지불을 보장하기 위해 과학자들은 저장된 탄소를 정확하게 수량화할 수 있는 방법이 필요합니다.
이에 따라 매사추세츠 공과대학의 토목 및 환경 공학 교수인 찰스 하비(Charles Harvey)는 이탄 습지의 모양과 그에 따른 탄소의 양을 예측할 수 있는 방정식을 찾게 되었습니다. 이전 연구 그룹은 늪지를 수학적으로 모델링하려고 시도했지만 그들의 모델은 비현실적으로 단순한 경향이 있었다고 Harvey는 말했습니다.
MIT의 Charles Harvey와 그의 팀은 늪지 수학을 개발하기 위해 브루나이의 Mendaram 토탄 돔을 집중적으로 연구했습니다. "완전히 뚫을 수 없고, 끔찍하고, 통과하기 어렵고, 복잡한 숲이 있는데, 이를 간단한 방정식으로 설명한다는 것은 정말 말도 안되는 일입니다."라고 그는 말했습니다.
찰스 하비 제공
그의 팀은 브루나이의 열대 멘다람 토탄 돔을 조사하는 데 15년 이상을 보냈습니다. 연구원들은 이 지역의 대부분의 습지와는 달리 “정말 깨끗”하기 때문에 이 습지를 선택했다고 Harvey는 말했습니다. “우리가 아는 한, 다른 어떤 인간도 그곳에 들어간 적이 없습니다.”
그것을 측정하는 것은 힘든 것으로 판명되었습니다. 이탄은 수 미터 깊이에 달해 탐색하기 어려울 수 있습니다. Harvey는 “이탄 숲에서는 이동하기가 정말 어렵습니다.”라고 말했습니다. "단단한 땅이 없습니다. 이탄에는 큰 틈이 있습니다. 따라서 통나무나 뿌리 등으로 균형을 잡지 못하면 땅을 뚫고 나가게 되어 허리까지 차거나 더 심한 진흙탕에 빠지게 될 수도 있습니다.
혼란스러운 풍경 속에서 질서를 찾기 위해 연구자들은 지하수면에 초점을 맞추었습니다. 지하수면은 땅이 물로 포화되는 고도입니다. 그들은 어떤 식물이 자라고 있는지, 이탄에 얼마나 많은 잔해물이 쌓여 있는지에 관계없이 지하수면은 거의 항상 늪지 표면 근처에 있다는 것을 알아냈습니다. 비가 보충할 수 있는 것보다 더 빨리 물이 흘러나오기 때문에 지하수면이 떨어지면, 일부 이탄은 공기에 노출되어 늪지의 표면이 새로운 수준으로 가라앉을 때까지 분해되었습니다. 폭우가 내리는 기간처럼 지하수면이 높아지면 이탄이 쌓여서 덮이게 됩니다.
늪지의 모양은 본질적으로 지하수면의 물리학에 의해 지배되는 것처럼 보였습니다. 연구자들은 19세기 수학자 시메옹-드니 푸아송(Siméon-Denis Poisson)의 이름을 딴 널리 사용되는 방정식을 풀면 늪지의 모양을 수학적으로 모델링할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 방정식은 경계의 모양만 고려하여 늪지의 깊이를 대략적으로 계산할 수 있었습니다.
그런 다음 그들은 늪지의 특정 속성에 대한 모델을 조정하기 위해 단일 선을 따라 측정한 이탄 돔 높이를 사용하거나 횡단하여 늪지 함수라고 부르는 수정을 사용했습니다. 멘다람 늪지의 경우 레이저 광선이 비행기나 위성에서 지구 표면까지 이동한 후 탐지기로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 레이더와 유사한 기술인 LiDAR를 사용하여 이러한 측정을 수행했습니다.
이전 연구에서는 늪지 형태에 대한 더 간단한 모델을 제안했지만 강수량 및 이탄에서 흐르는 물 흐름의 역학과 같은 환경 변수를 설명할 수 없었다고 Harvey는 말했습니다.
Charles Harvey의 PeatFlux 팀(여기 사진의 일부 구성원)이 Mendaram 늪지의 지도를 완전히 작성하는 데 15년이 걸렸습니다. 이탄지가 지하수면으로 가득 차 있었기 때문에 작업은 힘들고 더러웠습니다.
찰스 하비 제공
연구자들은 모델이 브루나이의 열대 토탄 돔 모양을 예측할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 하지만 다른 습지에도 적용될까요? 이를 테스트하기 위해 그들은 LiDAR 횡단면이 이미 촬영된 아한대 및 온대 지역의 다른 7개 늪지의 모양을 예측하려고 했습니다. 이 모델은 Mendaram 습지에 대한 것보다 훨씬 더 나은 성능을 발휘했으며, 실제 측정과 비교했을 때 오류는 6% 미만이었습니다. 그것은 과학자들을 놀라게 했습니다.
Harvey는 "완전히 뚫을 수 없고, 끔찍하고, 통과하기 어렵고, 복잡한 숲이 있다는 것은 정말 말도 안 되는 일입니다. 그리고 이를 간단한 방정식으로 설명합니다."라고 Harvey는 말했습니다. “이렇게 효과가 있을 거라고는 상상도 못했어요.”
난양기술대학교의 생태학자인 Lum도 이에 동의했습니다. "제가 아름답고 놀라웠던 점은 이탄 습지에서 자라는 식물에 관계없이 이탄 돔의 퇴적과 형성이 예측 가능하다는 것입니다."라고 그는 말했습니다.
출처:ESRI; 그리드 아렌달(레비 웨스터벨트)
이탄 습지 모델링이 잠시 시간을 보내고 있습니다. 수십 또는 수세기에 걸쳐 이탄 축적을 시뮬레이션하고 며칠 또는 몇 주에 걸쳐 지하수면 역학을 시뮬레이션하는 DigiBog라는 리즈 대학의 노력을 포함하여 여러 그룹이 이러한 생태계를 수학적으로 설명하기 위해 노력하고 있습니다.
"Peat는 현재 응용 수학과 연성 물질 물리학의 최전선에 있는 개념에 대한 테스트 가능한 맥락을 제공합니다."라고 노팅엄 대학의 지질학자인 David Large가 말했습니다.
Earth System Dynamics에서 동료 검토 중인 사전 인쇄에서 , Large와 동료들은 수문학뿐만 아니라 재료로서 이탄의 기계적 특성(예:얼마나 쉽게 변형되는지)을 포착하려고 시도하는 세 번째 늪지 모델을 보고했습니다. 이러한 특성은 가뭄이나 기타 피해를 주는 사건으로 인해 늪지가 얼마나 쉽게 회복될 수 있는지를 결정할 수 있다고 Large는 말했습니다.
Large는 특히 큰 습지의 양을 추정하는 데 있어서 Harvey의 연구를 "훌륭한 논문"이라고 불렀습니다. 그러나 그는 영국의 대부분과 같이 지형이 복잡한 지역에서 문제가 될 수 있는 늪지 아래 토지의 지형을 무시한다고 지적했습니다. “그들이 할 수 있는 일에는 분명히 한계가 있습니다.” 라지가 말했습니다.
Harvey는 기본 지형이 늪지의 최종 모양에 거의 영향을 미치지 않는다고 말합니다. 그의 팀은 현재 탄소를 너무 많이 함유하고 있기 때문에 잠재적인 "기후 폭탄"으로 묘사되는 중앙 아프리카와 아마존의 광활하고 사실상 연구되지 않은 이탄 지대에 모델을 적용하고 있습니다. 환경론자들은 지불금이 이 지역의 국가들이 이탄을 보호하도록 설득할 수 있기를 바랍니다. Harvey는 자신의 팀 모델이 특정 늪지의 배수 또는 수로화 시 손실되는 탄소의 양을 정확히 정량화함으로써 도움이 될 수 있다고 말합니다.
어떤 이탄 모델이 상대성 이론과 같은 물리적 이론에 허용되는 일종의 광범위한 수용을 얻을지는 아직 알 수 없습니다. 그러나 그렇지 않더라도 실제 적용은 심오할 수 있다고 Lum은 말했습니다. “탄소 저장량, 녹색 금융, 탄소 상쇄, 전략 계획 등 이 모든 것이 이 작업을 통해 가능하고 훨씬 쉬워졌습니다.”
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