지구의 기후 미래:과학자들이 기후 변화를 예측한 방법

마크 벨란/Quanta 매거진

마크 벨란/Quanta 매거진

지난 60년 동안 과학자들은 미래가 어떻게 될지 알아보기 위해 지구의 컴퓨터 모델을 구축하는 데 크게 성공했습니다. 인류가 착수한 가장 야심찬 프로젝트 중 하나가 이제 중요한 순간에 도달했습니다.

소개

사하라 사막에 돌풍이 불어와 먼지 한 톨이 공중으로 날아갑니다. 일주일 동안 곡물은 지구 반대편의 대기 흐름을 타고 이동하면서 햇빛의 반짝임을 반사하여 우주로 다시 보냅니다. 같은 미풍에 떠다니는 다른 먼지 입자들은 그린란드까지 불어오는 바람을 받아 빙하를 뒤덮고 녹는 속도를 가속화하며, 아마존까지 내려가 열대우림 토양을 비옥하게 합니다. 그러나 이 특별한 점은 플로리다 동부 해안의 하늘에 맴돌며 수증기가 응축되어 구름을 형성하는 씨앗 역할을 합니다. 그런 다음 먼지는 빗방울 속에서 지구로 떨어지며 대서양에 떨어져 철분을 식물성 플랑크톤에 공급합니다. 떠다니는 생물들은 전 세계의 공장과 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 흡수하는 형광 녹색 소용돌이 모양으로 피어납니다.

이러한 방식으로 먼지 알갱이의 경로는 거리와 규모에 걸쳐 지구의 모든 부분을 연결하는 짜여진 과정을 추적합니다. 독일 카를스루에 공과대학의 에어로졸 과학자인 마르티나 클로제(Martina Klose)는 “이것은 세계가 실제로 어떻게 연결되어 있는지 보여줍니다.”라고 말했습니다. "그것은 우리가 위치한 아름다운 복잡성을 보여줄 뿐입니다."

수세기 동안 인간은 지구의 복잡한 작용을 이해하려고 노력해 왔습니다. 취약한 동물로서 우리는 자연을 어느 정도 통제하거나 적어도 다가오는 날씨와 기후 변화에 대처하기를 원합니다. 그러나 지구는 무수히 많은 작은 세부 사항에 민감한 혼란스러운 짐승입니다. 우리는 먼지의 모든 얼룩을 추적할 수 없습니다. 여기에는 기후 모델링의 과제가 있습니다. 지구 표면과 대기의 행동의 핵심을 간단하면서도 효과적으로 포착하는 컴퓨터 모델을 구축하는 것입니다. "기후 모델링의 목표는 실제로 지구의 가짜 버전을 만드는 것입니다."라고 국립 대기 연구 센터의 대기 과학자인 Isla Simpson은 말했습니다. 이는 "우리가 관련 있다고 생각하는 프로세스"만 제거한 행성의 대략적인 복사본입니다.

지난 60년 동안 이러한 노력은 결실을 맺었습니다. 여러 세대의 과학자들은 점점 더 정교해지는 행성 모형을 조각하는 데 자신의 경력을 바쳐왔습니다. 지구의 컴퓨터 모델은 과거 시대를 재구성하고 장기적인 날씨 추세를 예측하며 무엇보다도 인간 활동이 기후를 어떻게 변화시키고 있는지 이해하는 데 도움이 되었습니다.

최초의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기후 모델은 화석 연료 연소로 인해 방출되는 이산화탄소가 지구를 상당히 따뜻하게 한다는 것을 보여주었습니다. 그 후 수십 년 동안 더욱 발전된 시뮬레이션은 지구 온난화가 어떻게 폭염과 슈퍼폭풍부터 사막화와 생태계 붕괴에 이르기까지 모든 종류의 재난을 촉발할 수 있는지를 보여줍니다. UN이 집계한 모델링 결과에 따르면, 지구는 금세기 동안 섭씨 2.6~3.1도 사이로 따뜻해질 것으로 예상됩니다. 지구가 그 정도로 따뜻했던 마지막 때는 약 300만 년 전인 선신세(Pliocene era)로, 화재가 북극을 휩쓸고 해수면이 현재보다 약 50피트 더 높았습니다.

모로코 사하라 사막의 한 지역인 에르그 셰비에 먼지 폭풍이 몰아치고 있습니다. 매년 수십억 톤의 먼지가 대기 중으로 배출되어 기후에 복잡한 방식으로 영향을 미칩니다.

파블리하/iStock

예언된 무서운 미래가 점점 가까워짐에 따라 세부 사항도 더욱 정확해지고 있습니다. 기후 과학자들은 자신의 예측이 실현되어 모델을 재보정하고 연마할 수 있는 중추적인 순간에 도달했습니다. 시카고 대학의 기후 역학자이자 지구물리학자인 티파니 쇼(Tiffany Shaw)는 “우리는 본질적으로 오랫동안 볼 수 없었던 세계를 예측하고 있었습니다.”라고 말했습니다. 실제 세계에서 기후 변화가 미치는 영향을 관찰하는 것은 모델을 검증하고 단점을 강조했습니다. 이제 모델러들은 더 나은 지역 예측을 제공하는 차세대 세분화된 모델을 도입할 수 있는 새로운 접근 방식을 모색하고 있습니다.

기후 모델링이 중요한 개선 단계에 들어서면서 이 노력은 지금까지 가장 큰 도전에 직면해 있습니다. 트럼프 행정부는 취임 이후 미국 연구 생태계를 포위했으며, 특히 지구 기후를 추적하려는 노력을 약화시키는 데 중점을 두었습니다. 행정부가 자금을 박탈하고, 기관을 제거하고, 자원을 제거하고 데이터 세트를 매장함에 따라 수십 년간의 작업이 진행 중입니다. 기후과학자이자 독일 막스플랑크 기상연구소 소장인 비요른 스티븐스(Bjorn Stevens)는 “이것은 전면적인 파괴이지 되돌릴 수 있는 일이 아니다”라고 말했습니다. “완전히 실존적인 위협입니다.”

인간은 미래가 어떻게 될지 묻기 위해 지구를 디지털 방식으로 재구성하는 데 크게 성공했습니다. 이제 대답이 마음에 들지 않아 일부는 기계의 플러그를 뽑으려고 손을 뻗고 있고 다른 일부는 완벽하게 만들기 위해 노력하고 있습니다. 

하늘에 대한 예언

수천 년 동안 일기예보를 꿈꾸는 사람들은 관련 요인을 찾아내려고 애썼습니다. 예를 들어, 고대 이집트인들은 별 시리우스를 꼼꼼하게 추적하여 그것이 나일강의 범람을 초래한 눈물의 여신이라고 믿었습니다.

결국 우리는 자연 현상의 진정한 동인을 이해하게 되었습니다. 영국의 박식가 루이스 프라이 리차드슨(Lewis Fry Richardson)은 물리학 법칙을 사용하여 기상 시스템을 모델링하는 데 처음으로 노력했습니다. 제1차 세계 대전 중 프랑스에서 긴급 구급차 운전사로 교대 근무하는 동안 Richardson은 1910년 특정 아침의 기상 기구 관찰에 의해 제공되는 대기 조건을 시작으로 현지 날씨가 6시간에 걸쳐 어떻게 변할 것인지 계산했습니다. 그는 연필과 종이로 계산을 완료하는 데 몇 주를 보냈고 대기가 런던과 비슷하다고 불평했습니다. 둘 다 제대로 참석할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 일이 일어나고 있기 때문입니다. 그의 결과는 관찰의 품질이 좋지 않아 부정확했지만 공이 굴러갔습니다. Richardson은 “어두운 미래에는 날씨가 변하는 것보다 더 빠르게 계산을 진행할 수 있는 날이 올 것”이라는 희망을 피력했습니다.

그 날은 다음 세계 대전의 결과로 찾아왔습니다. 수학자 존 폰 노이만(John von Neumann)은 미군의 자금 지원을 받아 ENIAC이라는 최초의 범용 디지털 컴퓨터 개발을 도왔습니다. 첫 번째 응용 프로그램 중 하나는 일기 예보였습니다. 1950년에 폰 노이만과 동료들은 리처드슨의 꿈을 실현하기 직전인 북미 대기에 대한 간단한 모델, 즉 계산하는 데 24시간이 걸리는 24시간 예측 모델을 구축했습니다.

폰 노이만의 동료인 뉴저지 프린스턴 고등연구소의 노먼 필립스(Norman Phillips)는 수치적 날씨 예측을 한 단계 더 발전시켰습니다. Phillips는 최근의 "접시팬" 실험에서 영감을 얻었습니다. 과학자들은 액체로 채워진 접시 팬의 바깥쪽 가장자리를 가열하는 동시에 팬의 중앙을 냉각시켜 지구의 적도와 극 사이의 온도 차이를 시뮬레이션했습니다. 놀랍게도 이 간단한 실험은 전 세계의 바람 패턴을 효과적으로 포착할 수 있었습니다. 필립스는 “가열과 냉각을 아주 자세하게 지정하지 않고도 최소한 대기의 전반적인 순환의 전반적인 특징을 예측할 수 있다는 결론에 거의 도달하게 됩니다.”라고 썼습니다. 그는 실제적인 바람 순환 패턴을 유사하게 재현하는 원통형 대기의 기본 컴퓨터 모델을 구축했습니다.

ENIAC으로 더 잘 알려진 전자 수치 적분기 및 컴퓨터의 사진은 1946년에 펜실베이니아 대학교에서 공개되었습니다. 이 기계는 세계 최초의 범용 전자 컴퓨터였으며 초당 5,000개의 추가 작업을 완료할 수 있었습니다. 이는 곧 수치 기상 시뮬레이션 작업에 투입되었습니다.

미 육군 사진/공개 도메인

동료인 Joseph Smagorinsky는 나중에 지구물리학 유체 역학 연구소(GFDL)로 알려진 연방 연구소를 설립하여 지구 대기에 대한 본격적인 글로벌 컴퓨터 모델에 대한 Phillips의 접근 방식을 개발하는 데 전념했습니다. 스마고린스키는 도쿄대학교 대학원생 슈쿠로 마나베의 연구를 주목하고 그를 자신의 연구실에 영입했습니다.

마나베는 필수 성분을 포착하는 방식으로 지구의 과정을 단순화하는 재주를 갖고 있었습니다. 시작하기 위해 그는 태양과 지구 표면 사이의 기둥을 따라 방사선이 위아래로 이동하는 방식을 시뮬레이션했습니다. 태양 광선은 지구에 에너지를 전달하고, 지구는 일부 열을 다시 우주로 방출하며, 남은 에너지는 지구의 대기를 움직입니다. 그는 이 에너지 스프레드시트의 균형을 맞추는 데 중점을 두었습니다. “마나베는 이것이 기후를 이해하는 열쇠라는 것을 깨달았습니다.” GFDL에서 마나베와 대학원생이었던 캘리포니아 공과대학의 기후 과학자 타피오 슈나이더가 말했습니다. 1965년에 마나베는 이 전제를 대기의 3D 컴퓨터 모델로 구축했습니다. 아래에 있는 행성은 극적으로 지나치게 단순화되었습니다. 지리나 바다가 없는 부드러운 구체일 뿐입니다. 그러나 눈을 가늘게 뜨고 보면 모델은 우리 행성처럼 모호하게 행동하여 예를 들어 적도에서 따뜻한 공기가 어떻게 상승하고 선원들이 종종 발이 묶이는 바람 없는 "부진" 지역을 만드는지 포착합니다.

1972년 지구물리학 유체 역학 연구소의 마나베 슈쿠로.

GFDL NOAA

Manabe는 수십 년 후 "많은 사람들이 자연을 최대한 현실적으로 모방하는 모델을 구축해야 한다고 생각합니다."라고 말했습니다. 하지만 “모델을 복잡하게 만들수록 왜 오작동하는지 알아내기가 더 어려워집니다.”

그의 선구적인 접근 방식은 모든 소규모 기상 현상에 대한 정확한 지식 없이도 대규모 기후 과정을 추론할 수 있다는 주요 가정에 기초했습니다. Phillips의 계획에 따라 Manabe는 컴퓨터화된 3D 분위기를 거친 상자 격자로 분할했습니다. 그는 각 상자 안에 온도나 압력과 같은 특성에 대한 통계적 추정치를 할당했습니다. 그런 다음 그는 유체 흐름을 관리하는 방정식을 사용하여 유체와 에너지가 상자 사이에서 이동하는 방식을 계산했습니다. 이 모델은 전역 속성을 놀라울 정도로 잘 포착할 수 있습니다.

Manabe의 모델은 특정 가스가 지구에서 우주로 다시 방출될 열을 가두어 놓는다는 100년 전의 아이디어인 온실 효과를 테스트하는 방법을 제공했습니다.

Manabe는 모델 대기의 구성을 다양하게 변경하면서 지구 온도가 이산화탄소에 극적으로 반응한다는 사실을 알아냈습니다. 그는 훗날 “결과적으로 변수를 딱 맞게 바꿔서 대박을 터트렸다”고 회상했다. 획기적인 1967년 논문에서 그와 Richard Wetherald는 대기 중 이산화탄소의 양이 두 배로 증가하면 지구가 얼마나 더 따뜻해질 것인지를 계산했습니다. 이 아이디어는 스웨덴 물리학자 Svante Arrhenius가 거의 100년 전으로 거슬러 올라갑니다. 이산화탄소는 대기 중 아주 작은 부분만을 차지하지만 Manabe와 Wetherald는 그 농도가 두 배로 증가하면 지구가 대략 섭씨 2.3도 정도 따뜻해질 것이라고 추정했습니다. 이는 과학자들이 2100년까지 도달할 수 있을 것으로 예상하는 약 3도의 온난화에 대한 오늘날의 추정치에 놀라울 정도로 가깝습니다. Manabe와 Wetherald는 또한 CO2로 인한 지구 온난화의 확실한 징후를 예측했습니다. 대기의 가장 낮은 층(온실 가스가 쌓이는 곳)은 더 뜨거워지고 그 위의 층은 냉각되어야 한다는 것입니다.

Tapio Schneider는 그리드 규모 이하의 구름 및 기타 프로세스 모델링을 개선하려고 노력하는 많은 기후 과학자 중 한 명입니다. 캘리포니아 공과대학에서 그는 실제 데이터를 사용하여 훨씬 더 효율적으로 자동 보정하는 새로운 기후 모델을 개발했습니다.

스티브 바불작

Manabe의 초기 모델은 지구 표면의 약 70%를 차지하는 바다를 무시했기 때문에 소용돌이치는 하늘을 동료 Kirk Bryan의 요동치는 바다 모델과 결합하기 위해 노력했습니다. 1969년 여름(최초의 인류가 달 표면을 걷기 몇 주 전)에 마나베와 브라이언은 지구를 재창조했습니다. 시뮬레이션된 행성에서 구름은 비를 방출하여 얼어붙은 빙산이 녹아 강을 따라 흐르면서 토양을 적시고 증발하여 대기에 다시 합류했습니다.

이 모델은 우리 행성에 대해 많은 오류를 범했고, 해양-대기 결합 시스템은 결코 안정된 평형 상태에 안주하지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 지난 세기 동안 지구 시스템을 모델링하려는 노력을 검토한 콜로라도 주립대학교의 대기과학자 데이비드 랜달(David Randall)은 “실제 기후 모델과 같은 것이 있다고 말할 수 있는 것은 이번이 처음”이라고 말했습니다. 이 시뮬레이션은 인류가 착수한 가장 야심찬 프로젝트 중 하나에서 중요한 이정표였으며 나중에 Manabe는 2021년 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다. Randall은 "그리고 나서 경주에 나섰습니다."라고 말했습니다.

지구의 눈

Manabe와 Bryan이 프린스턴의 GFDL(1968년에 실험실이 워싱턴 D.C.에서 이전한 곳)에서 결합 모델을 실행했을 때 비슷한 노력이 전국적으로 나타났습니다. 반대편에서는 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교의 예일 민츠(Yale Mintz)가 도쿄 출신의 또 다른 대학원생 아라카와 아키오(Akio Arakawa)를 영입했습니다. 마나베의 마음은 구름 속에 떠 있는 반면, 아라카와의 마음은 흙 속에 있었다. 그는 그리드 상자 내부의 소규모 효과를 처리하는 정교한 방법을 개발하는 데 집중했습니다. 너무 부지런히 작업한 나머지 쓰레기통에 불이 붙은 것을 눈치채지 못한 적도 있었습니다. 당시 그리드 지점의 반올림 오류가 대기파를 인위적으로 증폭했기 때문에 많은 시뮬레이션이 몇 주 동안 실행된 후 탈선했습니다. 아라카와는 수학적으로 이러한 불안정성을 극복했으며 그의 계획은 현대 모델의 기반으로 남아 있습니다.

이러한 병렬적인 노력을 통해 시뮬레이션이 점점 더 상세해졌고 이를 통해 패치가 필요한 구멍에 대한 주의가 환기되었습니다. GFDL 대학원에서 Manabe의 감독하에 일했던 프린스턴 대학의 대기 및 해양 과학자 Isaac Held는 "모델의 해상도가 향상되기 시작했을 때 현실성이 떨어지는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다. 한 예로, 더 미세한 해상도에서 제트기류(지구를 도는 빠른 기류)가 시뮬레이션의 잘못된 위치로 이동했습니다. 연구원들은 지구 표면의 거칠기를 고려하여 "원본 모델의 실수로 인한 오류 취소"를 수정함으로써 이 효과의 균형을 맞추는 데 도움을 줬다고 Held는 말했습니다.

트럼프 행정부가 제안한 NOAA 예산은 뉴저지 주 프린스턴에 있는 지구물리학 유체 역학 연구소를 폐쇄할 것입니다.

GFDL NOAA

1979년경부터 NASA는 위성을 이용해 체계적으로 지구를 관찰하기 시작했으며, 이는 “행성을 보는 우리의 능력에 큰 변화를 가져왔다”고 NCAR 과학자인 심슨(Simpson)은 말했습니다. 궤도 관측소는 지구 표면, 해양, 만년설 및 대기에 대한 실시간 관측을 제공하여 모델을 개선했습니다. 과학자들은 대기 중의 열과 습기의 움직임을 모니터링하고 지구가 우주로 되돌아오는 방사선량을 직접 측정할 수 있습니다.

얼마 지나지 않아 기후 모델링은 연구실을 벗어나 대중의 영역으로 들어섰습니다. Manabe의 CO2 배가 논문 이후, 과학자들은 온실 효과가 지구를 따뜻하게 하고 날씨 변동을 악화시키는 정도를 점차 인식하게 되었습니다. (따뜻한 공기는 더 많은 물을 보유하고 있기 때문에 행성이 더 뜨거울수록 더 많은 가뭄과 더 강한 폭풍이 발생한다는 것을 의미합니다.) 한편 유럽의 연구자들은 무작위적인 날씨 변동에서 온난화 신호를 알아내는 방법을 배우고 있었습니다. 막스 플랑크 기상학 연구소의 해양학자인 클라우스 하셀만(Klaus Hasselmann)은 화산 폭발, 화석 연료 연소 등 다양한 기후 요인의 “지문”을 분리하는 통계적 방법을 개발했습니다. 이 연구로 그는 결국 마나베와 노벨상을 공유하게 되었습니다. 인간이 주도한 온난화로 상층 대기가 냉각될 것이라는 마나베의 예측이 관찰에 반영되면서 메시지는 더욱 강화되었습니다.

1988년에는 미국을 휩쓴 엄청난 폭염과 가뭄으로 수천 명이 사망하고 800억 달러 이상의 피해가 발생했습니다. 의회는 과학자들에게 답을 구했습니다. Manabe는 당시 NASA Goddard 우주 연구 연구소 소장이었던 James Hansen과 함께 상원 위원회에서 증언했습니다. Hansen은 1988년이 기록상 가장 따뜻한 해가 될 것이라고 설명했으며 극단적인 기상 현상을 촉발한 지구 온난화가 현실이었다고 99% 확신할 수 있다고 설명했습니다. “온실 효과가 감지되었으며 현재 기후가 바뀌고 있습니다.”라고 Hansen은 말했습니다.

1988년 6월 23일, 당시 NASA의 고다드 우주 연구 연구소 소장이었던 제임스 핸슨(James Hansen)은 당시 기록상 가장 따뜻한 해를 초래한 온실 효과의 역할에 대해 의회에서 증언했습니다. New York Times에서는 "지구 온난화가 시작되었습니다. 전문가가 상원에 전합니다"라고 밝혔습니다. 헤드라인. 이 사진은 한센이 이듬해 국회의사당으로 돌아왔을 때 찍은 것입니다.

데니스 쿡/Associated Press

그해 말, 유엔은 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)을 설립했습니다. 그 이후로 전 세계의 기후 과학자들은 모델을 비교하고 글로벌 정책에 대해 조언하기 위해 정기적으로 모였습니다. IPCC는 모델러가 협업하고 반복하도록 장려했습니다. 여러 기관의 연구자들은 수백 명의 다른 기후 과학자들이 실험을 수행하는 데 사용할 수 있는 커뮤니티 모델에 기여하기 시작했습니다. 과학자들은 기후 결과의 범위를 평가하기 위해 입력 조건이나 설정을 약간 변경하면서 여러 모델의 앙상블을 함께 실행하면서 예측을 체계적으로 조사하고 비교하기 위해 노력했습니다.

이 모든 시뮬레이션의 핵심에는 Manabe의 패러다임이 있었습니다. Randall은 “우리는 거의 똑같은 일을 하는 데 더 능숙해졌습니다.”라고 말했습니다. 기후 모델러들은 꾸준히 그리드 상자를 축소하고 대기 먼지와 같은 더 복잡한 효과를 통합했습니다.

그러나 기후 과학자들이 함께 노력을 모으고 그들의 모델이 점점 더 상세해지면서 재미있는 일이 일어났습니다. 이러한 디지털 세계는 실제 행성의 행동과 미묘하지만 중요한 방식으로 갈라지기 시작했습니다.

오라클에 대한 질문

기후 모델은 북극 온난화 속도 및 지구 평균 기온 상승과 같은 지구 기후의 광범위한 특성에 대한 확실한 예측을 내놓았습니다. 그러나 NASA 고다드 우주연구소 소장이자 기후학자인 개빈 슈미트(Gavin Schmidt)는 “북극에는 극소수의 사람이 살고 있으며 전 세계적으로 평균적으로 사는 사람은 아무도 없다”고 말했습니다. “기후변화의 영향이 지역 차원에서 느껴지고 있습니다.” 현재 세대의 기후 모델은 국지적 또는 지역적 현상에 대한 특정 질문에 대답할 수 있지만 문제는 이러한 보다 상세한 예측 중 상당수가 잘못된 것으로 입증되고 있다는 것입니다. 헬드는 "모델이 예측한 것과는 다른 추세에서 다양한 것들이 명백해지기 시작하는 것을 보고 있습니다"라고 말했습니다.

가장 눈에 띄는 불일치 중 하나는 인도네시아에서 에콰도르에 이르는 열대 태평양에서 발생합니다. 모델 예측과는 달리, 이 밴드의 서쪽 바다 온도는 동쪽에 비해 따뜻해졌습니다. 이 바다가 길게 뻗은 대기파는 캘리포니아에서 아프리카까지의 가뭄과 연결되어 있기 때문에 미끄러짐이 중요합니다. 따라서 이 지역의 모델 예측은 전 세계 기후 정책에 영향을 미칩니다.

또한 모든 기후 시뮬레이션과는 대조적으로 과학자들은 최근 아프리카 남부와 미국 남서부에서 습도 수준이 예기치 않게 떨어지는 것을 목격했습니다. 제트기류는 예상보다 강해지고 있으며, 서유럽의 극한 더위도 예상보다 빠르게 증가하고 있습니다. 또한 모델은 2023년에 전 세계 평균 기온이 그 어느 때보다 얼마나 더 높아질지 예측하지 못했습니다.

올해 발표된 논문에서 시카고 대학의 Shaw와 Max Planck의 Stevens는 이러한 불일치가 "다른 기후 위기", 즉 표준 모델링 스키마의 붕괴로 정점에 달했다고 주장했습니다. 스티븐스는 “일반적인 방식은 설명력을 상실했습니다.”라고 말했습니다.

현재까지의 모든 기후 모델은 Shaw와 Stevens가 "대규모 결정론"이라고 부르는 Manabe의 가정, 즉 미세 규모 과정이 대규모 기후 특징과 일치하도록 근사화될 수 있다는 아이디어에 의존해 왔습니다. 그러나 그들과 다른 연구자들은 기후 모델링의 기본 원칙을 다시 검토할 때가 왔다고 생각합니다. 현재 우리가 모델에 대해 묻는 더 자세한 로컬 질문에 답하려면 "그리드 규모 아래의 프로세스를 처리하는 방법을 다시 생각해 봐야 합니다"라고 Schneider는 말했습니다.

Stevens는 그리드 상자의 크기를 약 1km 너비로 크게 줄이기 위한 노력을 주도해 왔습니다. (현재 글로벌 모델의 표준은 약 100km입니다.) 그는 이 규모가 뇌운에서 해양 소용돌이에 이르기까지 이전에 평균 효과로 표현되었던 중요한 "중규모" 프로세스를 해결할 수 있는 임계값을 나타낸다고 생각합니다. 그리고 지구 시스템의 미묘한 차이를 포착하기 위해 Stevens는 가능한 한 많은 추정치를 잘라내고 물리학을 최대한 활용하려고 시도하는 것을 옹호합니다. 최근 막스 플랑크(Max Planck)에 있는 그의 그룹은 탄소 순환 및 에어로졸 효과와 같은 복잡한 과정을 포함하고 24시간 안에 90일을 시뮬레이션할 수 있는 1km 모델을 실행하는 데 성공했습니다.

Randall은 "중규모 문제를 해결할 수 있다는 것은 획기적인 일입니다."라고 말했습니다. "60년 동안 우리는 그것이 세상에서 가장 중요한 기상 시스템 중 하나임에도 불구하고 그러한 것들을 대표할 수 없었습니다."

그러나 연구자들은 초고해상도 모델링이 만병통치약은 아니라고 경고합니다. 우선, 우리는 긴 시간 규모와 필요한 많은 수의 반복에 대해 그러한 상세한 모델을 실행할 수 있는 계산 능력을 갖추기까지는 아직 "먼 길"이 있다고 Simpson은 말했습니다. "이것은 새로운 개척지입니다. 이것이 우리가 따라야 할 유일한 길은 아니라고 생각합니다."

기후 모델링 모드를 실제로 변화시킬 것으로 보이는 도구 중 하나는 인공 지능입니다. AI는 아직 일기 예보와 같은 방식으로 기후 시뮬레이션을 변환하지는 않았지만 통계적 표현을 개선하고 모델 조정을 자동화하여 기존 기후 모델을 보다 효율적으로 만드는 데 도움을 주기 시작했습니다. 시애틀의 Allen Institute for Artificial Intelligence를 포함한 일부 업계에서는 이제 AI로 기후를 완전히 모방하려고 시도하고 있습니다. Shaw는 “우리가 갖고 있던 패러다임과 확실히 연결된 것은 아무것도 없습니다.”라고 말했습니다. 그러나 이러한 모델이 대기를 상당히 잘 포착하는 것처럼 보이지만 연구자들은 아직 이를 해양과 결합하거나 인간이 만든 모델보다 성능을 발휘하지 못했다고 그녀는 말했습니다.

그동안 Shaw는 현재 모델이 서로 동의하는 경우에도 왜 잘못되고 있는지 이해하는 데 집중하고 있습니다. “모델 동의는 모델들이 동의하는 이유를 실제로 이해하는 것보다 더 중요한 표준이 되었습니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그녀는 모델의 특정 기능을 흐리게 하거나 꺼서 그 밑에 있는 필수 프로세스를 드러내는 계층적 모델링에 중점을 두고 있습니다. "우리는 왜 우리가 옳은지 뿐만 아니라 왜 틀렸는지도 설명할 수 있어야 합니다."

모델이 공식화되는 방식을 다루는 데 중점을 두는 것은 해당 분야 내 관점의 근본적인 변화를 나타냅니다. "기후과학자들은 일반적으로 그들이 모르는 것에 대해 이야기하는 것을 좋아하지 않습니다. 왜냐하면 그것은 그들이 알고 있는 것에 대한 의심을 불러일으키기 위해 조작되는 경우가 너무 많기 때문입니다"라고 스티븐스는 말했습니다.

그리고 기후 모델의 완벽함은 그 중심 메시지에 대한 사회적 반응보다 덜 중요하다고 그는 주장합니다. 이를 위해 그는 상아탑에서 기후 모델을 정책 입안자와 대중의 손에 가져오기 위해 Destination Earth라는 유럽 연합 이니셔티브를 설립하는 데 도움을 주었습니다. Destination Earth 설립에 도움을 준 위트레흐트 대학의 기후 과학자 Wilco Hazeleger는 "훨씬 더 높은 해상도의 모델은 훨씬 더 나은 기후 정책 결정을 제공하지 못할 것입니다."라고 말했습니다.

Hazeleger는 기후 모델 예측을 정부 정책 입안자에게 전달하는 느린 파이프라인에 좌절감을 느꼈습니다. 이 과정은 종종 10년 이상이 소요된다고 그는 말했습니다. Destination Earth는 일련의 지구의 운영 "디지털 트윈", 즉 풍력 발전소 운영자 및 도시 계획가와 같은 다운스트림 사용자가 직접 상호 작용할 수 있고 전략을 세우는 데 사용할 수 있는 킬로미터 규모의 해상도를 갖춘 글로벌 기후 시뮬레이션을 개발하고 있습니다.

기후 과학자들은 그들의 모델이 내세우는 무서운 경고와 세계 지도자들이 제정한 제한적인 정책 사이의 단절로 인해 오랫동안 괴로워해 왔습니다. 1988년 증언 이후 한센은 기후 시위에 참여하던 중 여러 차례 체포되었습니다. 그는 2012년 사설 칼럼에서 오바마 행정부가 탄소 배출 억제를 주저하고 있다고 비난하면서 "상황에 대한 과학적인 사실은 분명합니다. 이제는 정치가 뒤따를 때입니다"라고 썼습니다. “우리는 더 이상 기다릴 수 없습니다.” 대통령 임기를 세 번이나 마친 오늘, 긴장감은 극적으로 고조되었습니다.

기기 플러그 뽑기

클레어 싱어(Clare Singer)는 전설적인 학자 가문의 후손입니다. 그녀는 최근 박사 학위를 마쳤습니다. Caltech에서 Schneider 밑에서, Held 밑에서 공부했고, Manabe 밑에서 공부했습니다. “나의 과학적인 성장은 GFDL의 전설적인 이야기로 가득 차 있었습니다.”라고 그녀는 말했습니다. 박사 학위를 마친 지 1년 후, 그녀는 꿈에 그리던 직업을 연구실에 구하게 되었습니다.

Clare Singer는 작년에 지구물리학 유체 역학 연구소에서 꿈의 직업을 얻었고 구름 시뮬레이션을 개선하기 위해 노력했습니다. 그러다가 2월에 정부 효율성부의 비용 절감 노력의 일환으로 그녀의 고용이 종료되었습니다.

클레어 싱어 제공

그녀는 미래 모델이 여전히 불확실성의 가장 큰 원인 중 하나인 구름을 더 잘 시뮬레이션하도록 돕는 임무를 맡았습니다. 구름은 기후에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 그들이 반사하는 햇빛의 양과 떨어지는 강수량은 모든 물방울의 중심에 있는 꽃가루, 소금, 그을음, 미생물 또는 사하라 사막 먼지의 작은 입자에 따라 달라집니다. 이는 글로벌 모델이 결코 포착할 수 없는 것입니다. Singer는 개별 입자를 추적하여 구름의 온난화 및 냉각 효과를 더 잘 확인할 수 있는 소규모 시뮬레이션을 통합하는 새로운 기술을 개척하고 있습니다.

GFDL에 입사한 지 불과 4개월 만인 2월 27일, Singer는 해고 이메일을 받았습니다. 사무실 주변의 동료 여러 명이 같은 메시지를 읽고 있었습니다. 그날 미국 국립해양대기청(GFDL의 모 기관) 전체에서 약 800명의 직원이 해고되었습니다. 연구소의 사망자 중 한 명인 기후 과학자 재커리 라베(Zachary Labe)는 "완전히 혼란스러웠습니다."라고 말했습니다.

Labe가 작년에 극단적인 기상 현상을 예측하기 위해 GFDL에 정규직으로 합류했을 때 "이것은 전체 생태계에서 가능한 가장 안전한 연구 위치 중 하나였습니다." 그러나 당시 Elon Musk가 이끄는 정부 효율성부가 연방 관료주의의 낭비를 줄인다는 명목으로 철거를 시작하면서 상황은 빠르게 바뀌었습니다. 해고된 NOAA 연구원은 연방 법원이 해고를 중단하라는 금지 명령을 내린 후 3월 중순에 일시적으로 복직되었으며, 해당 명령이 취소된 지 몇 주 후에 다시 해고되었습니다.

연구자들에게 기후 모델링의 발상지를 해체하는 것은 고통스러운 일입니다. 스티븐스는 “나는 그 연구실을 세계 문화유산의 일부로 본다”고 말했습니다. “당신이 보고 있는 것은 어떤 면에서는 현대 사회의 기초가 되는 제도를 파괴하려는 의식적인 노력입니다.” 그러나 GFDL은 기후 모델링에 대한 트럼프 행정부의 대규모 공격과 과학계의 축소판일 뿐입니다. 1월부터 행정부는 수십억 달러의 연구 보조금을 취소하고 수천 명의 연방 과학자를 해고했습니다. 두 가지 주요 기후 보고서를 삭제하고, 온실가스가 공중 보건을 위협한다는 환경 보호국의 판결을 폐지했으며, NASA 고다드 우주 연구 연구소의 슈미트 팀 전체를 사무실에서 쫓아냈습니다(임대료는 2031년까지 계속 지불될 가능성이 있음에도 불구하고). Held는 “지금 일어나고 있는 일에는 합리적인 것이 전혀 없습니다.”라고 말했습니다. “비극이라고 생각해요.”

지난 5월 트럼프 행정부는 국립과학재단(National Science Foundation)과 NASA 과학 예산을 절반 이상 삭감할 것을 요구하는 2026 회계연도 예산 요청서를 발표했습니다. 몇 주 후에 발표된 행정부의 NOAA 예산 제안에는 해당 기관의 과학 연구 부서를 완전히 제거하고 1,000명 이상의 추가 직원을 해고하고 GFDL을 포함한 약 12개 연구소를 폐쇄할 것을 제안합니다. 여기에는 "이번 종료로 NOAA는 더 이상 기후 연구 보조금을 지원하지 않을 것입니다."라는 문구가 포함되어 있습니다.

보복이 두려워 익명을 요구한 한 연방 고위 과학자는 “제안된 예산은 과학계에 재앙이다”고 말했다. "모든 에이전시에서 수행하는 거의 모든 작업에 있어 실존적입니다." 과학자들의 주장이 허술해 예산이 의회를 통과하면 “하늘이 어두워질 것”이라고 관계자는 경고했다.

일부 기후 연구자들은 다른 분야로 방향을 돌리고 있는 반면, 다른 연구자들은 해외에서 일자리를 찾고 있습니다. 해외에서의 노력이 어느 정도 부족함을 메울 것이지만, 세계 최고의 기후 연구 생태계에 대한 지속적인 관찰과 연방 자금 지원을 잃으면 지구를 모니터링하려는 글로벌 공동 노력에 장애가 될 것입니다. 스티븐스는 “과거에 미국은 매우 중요한 역할을 했는데 지도에서 사라지고 있다”고 말했다. “모두에게 좌절이 될 거예요.” 2028년 선거에서 진로를 수정하더라도 모멘텀 붕괴를 만회하지 못할 수도 있습니다. Randall은 “건물을 짓는 것보다 건물을 허무는 것이 더 빠릅니다.”라고 말했습니다.

가장 큰 영향은 경력 초기의 연구자들이 느낄 것입니다. 2월에 해고된 GFDL 과학자들은 채용 시장에 다시 진입하여 많은 대학과 연방 연구소가 채용을 중단했다는 사실을 발견했습니다. Labe는 “이것은 차세대 과학자에 대한 지원이 붕괴된 것입니다.”라고 말했습니다. 익명을 요구한 한 해고된 연방 과학자는 고용 기회 부족 외에도 기후 과학에 대한 노골적인 공격으로 인해 일부 신진 연구자들이 "심각한 실존적 위기"에 빠졌다고 말했습니다. 기후를 모델링하는 것은 “우리가 사회로서 하는 중요한 일”이라고 연구원은 덧붙였습니다. “내가 살고 있는 나라가 더 이상 그것을 중요하게 여기지 않는다면 그것은 무엇을 의미합니까?”

5월에는 소수의 신예 기상학자와 기후학자들이 실시간 스트리밍 가상 집회를 조직했습니다. For 100 consecutive hours, more than 200 scientists presented research and fielded questions from the public. Over those four days, viewers placed over 7,000 calls to their congressional representatives, urging them to prioritize funding for weather and climate science. The livestream closed with a message from one of the organizers, Jonah Bloch-Johnson, a climate scientist at Tufts University, who called the funding cuts “our own unnatural disaster in the making.” He encouraged listeners to continue marveling at the complexity of the Earth system — to appreciate how the clouds dance in the sky and how the waters ebb and flow. “This science belongs to you,” he said. “It’s the science of the world we all live in.”

The Dust Lingers

In 2014, a gust of wind struck the Sahara, launching a dust cloud into the atmosphere. After a few days’ travel, some of the specks landed on a buoy floating in the North Atlantic off the coast of French Guyana. When scientists collected this sample and analyzed it in the lab, they noticed that some of the grains were huge — 15 times bigger than the largest particles they thought could be swept overseas.

“We were all wondering, how can it be possible that they actually stay suspended in the air for so long?” said Klose, the Karlsruhe Institute aerosol scientist. Over the last few years, she and her colleagues have realized that these extra-coarse grains account for around 85% of the total dust mass in the atmosphere.

While they’re still not sure how these giant grains travel so far, they’re confident that they represent an overlooked climate variable. Dust was thought to mainly reflect sunlight, but larger grains primarily absorb it. In a new paper now under review, Klose and colleagues report how current models are underestimating the impact of these particles on Earth’s energy balance by a factor of two, calling into question whether dust has an overall cooling effect on the climate, as previously suspected, or whether it’s actually amplifying warming. This uncertainty is critical, as over 5 billion tons of dust — around 1,000 times the weight of the Great Pyramid of Giza — are lofted into the atmosphere annually. And thanks to agriculture and other land-use changes, dust emission is only rising, having roughly doubled since the Industrial Revolution.

Scientists have been working to better track the journey of dust and more realistically simulate its climatic effects. NASA’s Earth Observing System operates three satellites that track properties of dust in the atmosphere. But in Trump’s proposed budget, all three are slated for cancellation.

Still, Klose is determined to keep an eye on the dust. Every few years, she brings tiny shovels and giant air-sucking machines to deserts across the world to collect samples. Then she transports those samples back to her lab in southern Germany and other labs, where her colleagues blow them inside a metal chamber to study how they stimulate cloud formation. Those results get fed directly into climate models to better represent how variations in tiny grains influence the nature of the entire planet.

“Obviously we can never, ever represent this in all its wonderful beauty in detail,” Klose said. Nevertheless, she said, she aims to learn as much as possible about the invisible intricacy of Earth before the dust settles. “We don’t have any plans to give up any time soon.”