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- 기존 기후 모델은 60nm 안팎의 작은 해양 유기 에어로졸(mPOA)을 제대로 반영 못해
- 실제 관측치보다 입자 수를 약 3배 낮게 추정하고 있었ek.
- 바다 위 구름이 태양빛을 반사해 지구를 식혀주는 효과가 기존 계산보다 더 강할 것
- 세계 다른 해역으로 결과를 확장 적용하기 위한 지속적인 추가 검증 필요

기후 모델, 바다 위 미세 구름 씨앗을 과소평가
"유기성 해양 에어로졸, 지금까지 계산된 것보다 기후를 더 강하게 식힐 수 있어"

구름을 돕는 미세한 존재들:
바다 위에서 바다 거품으로부터 발생하는 유기 입자들은 구름 물방울이 형성되는 씨앗(응결핵)의 일부를 이룬다. 아일랜드 대서양 연안에서 진행된 새로운 측정 결과에 따르면, 널리 쓰이는 기후 모델들이 이 입자의 수를 약 3배 정도 과소평가하고 있는 것으로 나타났다. 이는 밝은 해양 구름의 자연적인 냉각 효과가 지금까지 충분히 반영되지 않았을 수 있다는 의미다. 

▲ 바닷물에 섞인 미세한 유기 입자는 해양 구름 형성에 기여한다. 그러나 새로운 측정 결과에 따르면 현재 기후 모델은 이러한 입자의 수를 약 3배 정도 과소평가하고 있는 것으로 나타났다. 이는 해양 구름의 자연적인 냉각 효과 또한 과소평가되었을 가능성을 시사한다. pixabay

바다 위의 낮은 구름은 햇빛을 차단하는 양산과 같은 역할을 한다. 태양광 일부를 우주로 다시 반사하는 것이다. 이 구름이 얼마나 밝게 보이는지는 구름을 구성하는 수적(물방울)의 수에 따라 달라진다. 이러한 물방울이 형성되려면 수증기가 미세하게 떠도는 입자에 응결되어야 한다.

이러한 응결핵의 상당수는 해양 비말(Sea spray)에서 발생한다. 바다 수면에 있던 기포가 터질 때 염분뿐만 아니라 조류(Algae) 및 미생물에서 유래한 유기 물질이 대기 중으로 방출된다. 하지만 이러한 유기 에어로졸 입자가 얼마나 많이 존재하는지, 그리고 어떠한 크기를 가지고 있는지는 지금까지 제대로 측정하기 어려웠다. 따라서 기후 모델들은 이들의 개수를 전체 입자 질량으로부터 간접적으로 추정하는 경우가 많았다.

중국 과학원 도시환경연구소(IUE)의 쉬웨이(Wei Xu) 교수 연구팀은 해양 일차 유기 에어로졸(mPOA)을 더욱 정밀하게 조사했다. 연구진은 북대서양의 비교적 깨끗한 공기가 불어오는 아일랜드 서부 연안의 메이스 헤드(Mace Head) 관측소에서 수집된 장기 측정 데이터를 기반으로 삼았다.

사라진 미세 입자 집단

연구팀은 유기 입자를 해염(바다 소금) 및 기타 에어로졸과 구분하기 위해 흡수하는 수분량의 차이를 이용했다. 상대습도 90% 조건에서 소금과 황산염 입자는 유기 에어로졸에 비해 훨씬 크게 부풀어 오른다. 연구진은 이 특성을 입자의 개수, 크기, 화학적 조성 측정 및 컴퓨터 기반의 입자 출처 배분법과 결합하여, 35나노미터 크기까지의 입자 크기 분포를 포착해냈다.

분석 결과, 두 개의 개수 피크가 드러났다. 하나는 약 60나노미터, 다른 하나는 약 150나노미터 부근이었다. 반면 여러 기후 모델에서 자주 사용되는 기존 설명 방식은 약 120나노미터 근처의 단 하나의 피크만을 상정하고 있다. 특히 더 작은 크기의 입자 집단이 기존 모델에서는 거의 누락되어 있었던 것이다.

지름 35나노미터가 넘는 해양 유기 에어로졸의 경우, 이번 측정 결과는 기존 모델 설명보다 약 3.1배 더 많은 입자 수를 나타냈다. 30-70 나노미터 구간에서는 오차가 5에서 7배까지 더 컸다. 구름 물방울 형성에는 적합한 씨앗의 수가 핵심적인 역할을 하기 때문에, 기존 예상보다 훨씬 더 많은 유기 입자가 구름 형성에 기여하고 있을 수 있다.

어느 정도의 추가 냉각 효과가 가능한가?

이것이 지구의 방사 수지(Radiative balance)에 어떤 의미를 가질까? 가능한 영향을 추정하기 위해 연구팀은 해양 구름에 관한 위성 데이터와 모델 계산을 결합했다. 그 결과, 지금까지 고려되지 않았던 이 입자들이 오션 상공에서 약 −0.03 ~ −0.04 W/㎡의 추가적인 냉각 방사 효과를 일으킬 수 있는 것으로 계산되었다. (과학적 표기에서 음수(−) 부호는 흡수되는 방사 에너지가 감소함을 나타낸다.)

생물학적 생산성이 높은 해역에서는 추가 냉각 효과가 0.1 ~ 0.2 W/㎡ 로 더 크게 나타날 수 있다. 다만 이 높은 추정치는 유기 물질이 생성되는 물방울의 표면장력을 낮추어 물방울 형성을 쉽게 만들어 준다는 전제 조건을 바탕으로 한다. 이 수치들은 전 세계 구름 냉각 효과를 직접 측정한 것이 아니라 감도 계산(Sensitivity calculation)에서 도출된 것이다.

단 하나의 측정 장소가 전 세계 바다를 대변할 수는 없다

가장 중요한 한계점은 측정 데이터가 북대서양의 단 한 곳의 연구 장소에서 나왔다는 점이다. 여기서 발견된 크기 분포가 다른 해역에도 동일하게 적용될지는 아직 불확실하다. 플랑크톤 군집의 차이, 바람 조건, 입자의 화학적 노화 등이 양상을 바꿀 수 있기 때문이다.

그럼에도 불구하고 이번 관측은 기후 모델에서 자연 해양 에어로졸의 구현 방식을 점검할 수 있는 구체적인 출발점을 제공한다. 이는 자연 입자 바탕 위에서 인위적 에어로졸의 기후 영향을 평가할 때도 중요하다. 이제 다른 해역에서의 추가 측정을 통해 실제 추가 냉각 효과가 얼마나 큰지 밝혀내야 한다.

 

출처: National Science Review, doi: 10.1093/nsr/nwag604

[더사이언스플러스 / 문광주 기자 helloscienceplus@gmail.com]

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