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동물들을 만나기 위해 세계를 돌아다니느라 잘 몰랐지만, 이미 많은 사람 사이에서 기후변화는 매우 큰 문제가 됐어. 나도 가만히 있을 순 없지! 기후변화를 수학으로 다룬다는 ‘매스 아일랜드’에 가서 문제의 답을 찾아볼 거야! 먼저 이대로라면 어떤 미래가 펼쳐지는지 물어볼래.

“지구 보존을 위한 즉각적 행동을 취하지 않으면

기후 위기는 인류에 엄청난 고통을 가져올 것입니다.”

2019년 11월 5일, 국제 과학학술지 ‘바이오사이언스’에 전세계 153개국의 과학자와 수학자 1만 1000명이 낸 공동성명이 올라왔어. 기후 위기가 예상보다 훨씬 빠르고 심각하게 진행돼 생태계와 인류의 운명이 위협받고 있으므로 빨리 대처해야 한다는 내용을 담고 있었지. 앞으로 어떤 미래가 기다리고 있길래 그러는 걸까?

기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)가 작성한 제5차 평가 보고서(2014)에 따르면 21세기 말 지구 평균기온은 3.7℃, 한반도의 평균기온은 최대 6℃까지 상승한대. 만약 그렇다면 2080년~2100년 즈음에는 해수면이 63cm나 올라가지. 우리 집에 사는 오리인 댑댑의 키만큼 올라가는 거야. 그러면 전세계의 주거 가능한 면적의 5%가 침수될 수 있어. 동시에 폭염과 폭우 같은 이상 기후가 더 잦아질 수 있지. 강수량과 기온의 차이가 벌어져서 동물들은 버티기가 힘들어질 거야. 온도가 올라가는 정도에 따라 얼마나 영향을 받을지 아래에서 한번 확인해봐.

기후 모형으로 그리는 가까운 미래

이 같은 예측은 어떻게 했냐고? 세계기상기구와 유엔환경계획이 설립한 IPCC에서 하지. 이 단체는 5~6년마다 평가 종합보고서를 발표해, 21세기에는 기후변화가 얼마나 빨라질지 전망해. 이때 꼭 필요한 게 바로 ‘수학’이야. 앞으로의 변화를 예측하기 위해서는 수학을 기반으로 한 기후 모형이 필요하다나. 

보통 산업화 이전부터 지금까지 이산화탄소의 증가 추이를 그대로 따라간다고 예상해. 조금 다른 기후변화 시나리오를 따를 경우에는 전 지구 표면의 평균 온도가 얼마나 올라갈 것인가를 예측하지.

여기서 1달 또는 1년과 같이 장기 기간 이후의 날씨를 기후라고 하는데, 이를 수학적으로 계산하는 게 기후 모형이야. 우리가 인터넷에서 확인할 수 있는 오늘의 날씨, 일주일 동안의 날씨는 ‘기상’이라고 하지. 이런 기후 모형이 고려하는 요인은 아래와 같아.

이 요인들은 모두 해당 분야의 전문가들이 만든 이론을 반영한 수식으로 나타내. 그 수식들을 모두 컴퓨터의 언어로 옮겨 만들지. 예를 들어, 대기와 해양의 운동을 기술하는 방정식의 기본형은 ‘나비에-스토크스 방정식’이야. 비선형 방정식으로 뉴턴 제2법칙(F=ma)의 유체역학 버전이라고 볼 수 있지. 

하지만 나비에-스토크스 방정식의 정확한 해를 찾는 방법은 아직 아무도 몰라. 이 방정식의 근사해를 찾는 방법이 많이 나와 있긴 하지만, 시공간적 정확도는 그다지 높지 않다는 단점이 있어. 물론 시공간 정확도를 높이는 방법이 연구되고 있지만, 정확도가 높아질수록 계산 시간이 함께 증가하기 때문에 쉽진 않아. 무한정 시간을 늘릴 수는 없어 정확도를 계속해서 높이기에는 한계가 있거든.

KIM이라는 새 친구가 나타났대!

그런데 기후 모형은 짧게는 한 달, 길게는 몇십 년을 예상해야 하는 만큼 정확한 모형을 개발하기가 쉽지 않아. 그래서 대기 운동만 고려하는 기상 모형을 먼저 개발하고 이를 발전시키지. 최근 한국에서 새로운 기상 모형을 만들었대. 매스 아일랜드에서도 화제라고 하더라고. 바로 장장 8년간의 연구 끝에 완성된 한국형 수치 모형(The Korean Integrated Model, KIM)이야.

원래 한국의 기상청에서는 영국에서 만든 UM(Unified Model)을 사용해 기상을 예측했어. UM은 지구를 수직, 수평으로 나누는 위도와 경도 격자를 사용해. 지구를 수박 자르듯이 조각조각 잘라 그 표면에서의 날씨를 예측한다고 생각하면 쉽지. 

하지만 남극이나 북극 지방으로 갈수록 그 조각이 너무 작아지고, 반대로 적도 지방으로 갈수록 조각이 너무 커져. 실제로 극으로 갈수록 격자의 간격이 0km에 가까워지지. 보통 한 조각에서 일정 개수의 점 위치를 정해 날씨를 예측하는데, 적도지방으로 갈수록 고정된 점의 개수로 넓은 범위의 날씨를 계산해야 하지. 이렇게 되면 균일하게 지구 곳곳의 날씨를 예측하기가 어려워져. 

이번에 개발한 한국의 KIM은 이를 보완한 모형이야. 3차원 구를 감싸고 있는 2차원의 구면을 최대한 같은 간격의 격자로 나눌 수 없을까 생각하다가 나온 ‘육면체구’ 모양을 사용했지. 육면체구는 정육면체에 바람을 불어넣어 구 형태로 부풀린 도형이야. 이 구조는 실제로 미국의 기상 모형인 GFS(Global Forecast System)에도 사용되고 있지. 

구를 감싸기 위해 휘어진 사각형 6개로 구면을 나누기 때문에, 각각의 사각형 안에서 거의 같은 간격으로 조각을 나눌 수 있어. 이렇게 되면 UM의 한계를 보완해 계산의 정확도를 높일 수 있지. KIM은 이 육면체구 구조를 바탕으로 3가지 단계를 거쳐 기상을 예측한대. 내가 알려줄게!

▲ UM으로는 태풍을 예측하기가 어렵다. 앞으로 KIM이 이 역할을 톡톡히 하길 기대하고 있다.

이렇게 만든 모형으로 기상을 예측하려면 아주 많은 계산을 한꺼번에 처리할 수 있어야 해. 10일 동안의 기상을 예측하려면 얼마나 계산해야 하는지, 같이 볼까?

정말 많은 횟수의 계산이 필요하지? 실제로 KIM은 이런 수많은 계산을 거쳐 올해 한국에 왔던 7개 태풍의 이동 경로와 시간을 예측한 적이 있어. 기존에 사용하던 영국 UM보다 일부 이동 경로를 더 잘 예측하기도 했지.

KIM은 한국에 맞게 얼마든지 개선이 가능하다는 큰 장점이 있어. 영국에는 없고 한국에는 나타나는 기상 현상을 예측하는 데 유용하지. 하지만 세계적인 수준의 모형을 만들기 위해서는 꾸준한 개선이 필요하대. 앞으로 기상 예측 분야에 얼만큼 더 활약을 할지, 기대해보자!