3'20"읽기
- 오늘날의 폭우는 오래 전 지구 온난화 단계 때에 비하면 이슬비에 불과
- 지구 따뜻해지면 수백 킬로미터에 걸친 거대 소나기에서 수백 밀리미터의 물 쏟아져
- 메가 소나기 체제, 수백만 년 동안 지구의 기후 형성하고 극심한 침식과 풍화의 단계 설명

"대홍수 모드"의 지구
며칠마다 반복되는 극심한 폭우가 지구의 따뜻한 국면을 형성했다.

오늘날 상상할 수 있는 것 이상으로:
우리 지구는 온난화 단계에서 집중호우를 경험했으며, 오늘날의 폭우는 그것에 비하면 이슬비에 불과하다. 이 거대한 소나기의 원인은 대기 대류의 완전한 ‘전환’으로, 대기가 며칠 동안 모아 졌다가 갑자기 폭우로 방출됐다. 연구원들이 전문 저널 "네이처"에 보고한 바와 같이 이전에 알려지지 않은 이 강우 모드는 먼 미래의 날씨를 형성할 수 있지만, 일부 외계행성에서도 나타날 수 있다. 

▲ 이 폭풍우 구름보다 수백 배 더 크고 비가 훨씬 더 많이 내린다. 이것이 지구의 따뜻한 단계에서 거대한 소나기를 상상하는 방법이다. © petesphotography / 게티 이미지

폭우는 따뜻한 대기의 전형적인 현상이다.
따뜻한 공기는 더 많은 수증기를 흡수할 수 있기 때문에 집중호우가 열대 지방과 특히 열대성 폭풍우 동안 자주 발생한다. 대기의 강과 같은 특정 기류를 통해 ‘수분으로 채워진’ 기단도 북반구에 도달할 수 있다. 게다가 지구온난화로 인해 우리나라에도 폭우가 더 자주, 더 거세지고 있다.

시뮬레이션된 뜨거운 지구

상황은 훨씬 더 나빠질 수 있다.
Harvard 대학의 제이콥 실리(Jacob Seeley)와 로빈 워즈워드(Robin Wordsworth)는 더 따뜻한 기후에서 폭우가 어떻게 보일 수 있는지 더 자세히 조사했다. 이를 위해 그들은 기후-대기 모델에서 초기, 특히 따뜻한 지질 시대에 우세했던 조건을 시뮬레이션했다.
"당시에는 높은 수준의 이산화탄소로 인해 지구의 표면 온도가 오늘날보다 수십도 더 높았을 수 있다"고 그들은 설명한다.

이러한 극단적인 온실 기후는 아마도 약 25억 년 전까지 존재했을 뿐만 아니라 약 7억 년 전에 ‘눈덩이 지구’ 단계가 끝난 후에도 존재했을 것이다. 이 시대를 시뮬레이션하기 위해 연구원들은 몇 번의 시뮬레이션 실행에서 CO2 값을 급격히 증가시키거나 태양 복사를 약 10% 증가시켰다. 이는 우리 행성이 약 10억 년 후에 경험하게 될 것과 유사하다.

새로운 대기 상태

놀라운 사실이 나타났다.
단순한 강수량의 증가 대신 따뜻한 지구에서 대기 대류에 근본적인 변화가 있다.
며칠 동안 비가 내리지 않은 다음에, 몇 시간 동안 지속되는 엄청난 폭우가 뒤따르는 진동 체제가 시작된다. 수백 킬로미터에 걸친 이 거대한 소나기에서 수백 밀리미터의 물이 몇 시간 안에 떨어진다. 이는 허리케인이 며칠 만에 방출하는 것보다 더 많은 양이다.

몇 번의 건조한 날과 갑작스러운 강수의 방출이 반복되는 주기다.
워즈워드(Wordsworth)는 "이러한 주기적인 홍수 주기는 대기의 새롭고 완전히 예상치 못한 상태를 나타낸다"며 "이것은 강수의 특성을 근본적으로 변화시킨다"고 말했다. 모델은 그러한 진동 상태가 매우 따뜻하고 습한 대기의 전형적인 특징일 수 있음을 시사한다.

장벽 층은 충전으로 이어져

더 면밀한 분석을 통해 이러한 극심한 강우 주기가 어떻게 발생하는지 밝혀졌다.
이에 따르면 지표면과 무엇보다 해양의 강한 가열로 인해 일종의 장벽 층이 형성된다. 이 따뜻한 공기층은 대기의 상층부에서 지상에 가까운 수증기가 포함된 공기를 분리한다. 결과적으로 따뜻하고 습한 기단은 대류권 상부로 상승하여 그곳에서 정상적인 구름을 형성할 수 없다.

대신 따뜻하고 습한 공기가 장벽 아래에 모이지만 수증기를 응축하고 빗방울을 형성할 만큼 충분히 냉각되지 않는다. 구름과 빗방울은 상층 대기에서 형성되지만 이들은 장벽 층이나 지표면에 도달하기 전에 증발한다. 대기는 점점 더 많은 수증기를 흡수하지만 건조하고 강수량이 없다. "거대한 배터리를 충전하는 것과 비슷하다"고 Seeley는 설명했다.

메가 소나기의 갑작스러운 방전

며칠 동안 충전한 후 돌파구가 생겼다.
위에서부터 냉각하면 차단막이 침식되고 이제 엄청난 양의 따뜻하고 습한 공기가 추가로 상승할 수 있다. 일종의 연쇄 반응에서 이 돌파구는 거대한 대류 흐름을 일으키는 흡입을 생성한다. 그들은 갇힌 따뜻하고 습한 기단을 갑자기 식히고 수증기를 응축시킨다.

Seeley는 "표면의 모든 습기와 열이 시원한 상층 대기로 침투할 때 거대한 폭풍우를 생성한다"고 설명했다. 커패시터와 유사하게 이 시스템의 모든 억눌린 에너지는 짧은 시간 내에 방전된다. 열대성 폭풍으로 약 6시간 동안 며칠 동안 평소보다 더 많은 비가 내린다.

지구와 외계행성의 미래와 관련

"이러한 결과는 지구의 기후 시스템이 아직 많은 놀라움을 가지고 있음을 보여준다"고 Seeley는 말했다. 모델에서 시뮬레이션된 기후는 행성의 관점에서 오늘날과 근본적으로 다르지 않지만 연구자들이 "폭발" 체제라고 부르는 대기 대류의 바로 그 형태를 촉발하기 때문이다.

그러한 메가 소나기의 체제는 수백만 년 동안 지구의 기후를 형성하고 극심한 침식과 풍화의 단계를 설명할 수 있었다. “그것은 우리에게 지구가 무엇을 할 수 있는지에 대한 첫인상을 준다”고 Seeley는 말했다. 동시에, 그러한 진동하는 기상 패턴은 다른 지구와 같은 행성에도 존재할 수 있다. 이것은 아마도 연구자들이 설명하는 바대로 적색 왜성을 공전하는 외계행성의 경우일 것이다.
(Nature, 2021; doi: 10.1038 / s41586-021-03919-z)
출처: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

[더사이언스플러스]

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