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✚태풍이 언제, 어떤 방향으로 오는지 확실하게 예측할 수는 없을까? 우리나라에 영향을 주는 태풍을 정확히 예측할 수 있다면 태풍 피해를 줄일 수 있다. 그러나 아쉽게도 100% 정확하게 예측하는 일은 불가능하다. 첨단 과학기술이 발전하는데도 불구하고 기상 예측일이 어려운 이유는 뭘까?

태풍의 시기와 경로, 세기 등을 예측하려면 태풍에 영향을 주는 많은 요소를 고려한 예측 방정식을 만들어야 한다. 정확한 식만 만들 수 있다면 식에 값을 대입해서 예측할 수 있기 때문이다.

그런데 정확한 식을 만들기가 매우 어렵다. 기상문제에는 식을 만들기 위해 고려해야 할 기압, 온도, 수증기의 양과 같은 조건이 너무 많기 때문이다. 또 어떠한 경우에도 모든 조건이 100% 똑같은 날씨가 발생하지 않기 때문에 규칙을 찾는 일도 쉽지 않다. 그래서 가장 근사한 식을 찾아 기상 예측에 활용하고 있다.

이런 기상문제처럼 고려할 조건이 많고, 좀처럼 규칙을 찾기 힘든 문제를 비선형문제라고 한다. 비선형문제를 알면 기상예측의 어려움을 알 수 있다. 이제 비선형을 이해하기 위해 아래 그래프를 함께 보자.
 

라플라스(1749~1827)
“모든 현상은 방정식 계산으로 미래를 예측할 수 있다.”

푸앵카레(1854~1912)
“모든 현상에 분명한 인과관계가 있는 것은 아니다.”

한편 오래전 수학자들 중에는 모든 현상을 선형으로 보는 수학자와 비선형으로 보는 수학자가 있었다. 프랑스의 수학자 라플라스는 모든 현상에는 분명한 원인과 이유가 있어서 방정식으로 만든 뒤 계산하면 미래를 예측할 수 있다는 결정론적 세계관을 주장했다. 라플라스는 모든 현상을 선형으로 보는 수학자였다.

반대로 프랑스의 수학자 푸앵카레는 모든 현상은 뚜렷한 원인과 결과로 나타낼 수 없는 복잡한 체계를 가지고 있다고 주장했다. 두 사람 모두 그 시대를 대표한 최고의 수학자였지만 서로 다른 생각을 했다.

이와같이 뉴턴에 영향을 받은 라플라스의 결정론적 세계관은 19세기까지 과학과 사회현상을 분석하는 생각 열쇠였다. 그러나 푸앵카레가 주장한 비선형 세계관이 열리면서 복잡한 문제도 예측하고 분석할 수 있게 됐다.

태풍은 오른쪽으로만 휜다?!
일기예보를 통해 태풍의 경로를 보면 대부분 태풍이 오른쪽으로 휘어지는 것을 볼 수 있다. 이유는 태풍이 편서풍의 영향을 받기 때문이다. 편서풍은 북위 30°에서 60°까지 서쪽 아래에서 동쪽 위로 부는 바람이다. 따라서 우리나라에 영향을 미치는 태풍은 대부분 편서풍을 타고 이동한다.

로렌츠의 3차원 끌개
 

미국의 기상학자 로렌츠가 대기의 변화 모양을 3차원 공간에 그린 그래프다. 질서가 있는 것처럼 보이지만 일정한 법칙으로 변하지는 않는다. 로렌츠의 나비효과는 ‘브라질에서 한 나비의 날갯짓이 텍사스에 돌풍을 일으킬 수도 있다’는 내용으로 사소한 일이 엄청난 결과를 초래할 수 있다는 비선형 개념이 숨어 있다.



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