지구 대기권과 성층권 사이 상공에는 좁고 빠르며 구불구불한 공기의 흐름인 제트기류(jet stream)가 형성돼 서쪽에서 동쪽으로 흐른다.
9~12km 상공을 사행(蛇行)하는 북극 제트기류(polar jets)가 가장 강력하고, 이보다 좀더 높은 10~16km 상공을 흐르는 아열대 제트(subtropical jets )가 좀더 약하다. 북반구와 남반구에는 각각의 극지 제트와 아열대 제트가 있다.
이 제트 기류는 흐름을 시작했다 멈추거나 둘 이상의 기류로 갈라지기도 하고, 때로는 하나로 합치기도 하면서 반대 방향을 비롯한 다양한 방향으로 흐른다.
만약 겨울철에 북극 제트기류가 한반도로 처져서 흐르면 북극의 찬 공기가 내려와 한파가 몰아치게 된다.
과학자들은 최근 지구를 돌고 있는 북쪽의 제트기류가 체계적으로 사행을 하면서 열파를 일으켜 세계 곡창지대의 농작물 생산에 큰 피해를 준다는 사실을 발견했다.
이는 이전에는 제대로 측정되지 않았던 ‘위협’으로, 지구 온난화에 따라 이런 현상이 더욱 심화될 것으로 보고 있다.
연구에 따르면 대기를 순환하는 공기 파동이 증폭돼 장기간 한 곳에 머물면서 열파(heat waves)를 발생시키며, 세계 식량 생산의 4분의1을 담당하는 북미와 유럽 및 아시아 지역이 이런 영향을 받는 것으로 추정된다.
이 연구는 ‘네이처 기후 변화’(Nature Climate Change) 9일 자에 발표됐다.
“바람 패턴 형성되면 열파 발생 20배 증가”
논문 제1저자인 미국 컬럼비아대 지구연구소 카이 콘허버(Kai Kornhuber) 박사후 연구원은 “이런 지구 규모의 바람 패턴이 자리를 잡으면 세계 주요 작물 생산지역에서 동시에 열파가 발생할 위험이 20배나 증가한다는 사실을 발견했다”고 밝혔다.
그는 “이런 사실은 지금까지 식량 시스템에서 탐구되지 않았던 취약점”이라고 지적하고, “이런 일이 일어나는 동안에는 세계적으로 매우 혼란스런 대기 순환 구조가 존재하고, 경고음이 동시에 여러 지역에서 울릴 수 있다”고 설명했다.
콘허버 박사는 지구가 계속 온난화되면서 앞으로 수십 년 동안 이런 열파가 악화될 것이라고 경고했다. 또한 이런 사건을 일으키는 사행 현상도 확실치는 않으나 더욱 두드러질 가능성이 높다는 것.
식량은 세계적으로 점점 거래량이 증가하기 때문에 열파의 직접 영향을 받는 곡창지대로부터 멀리 떨어진 지역에서도 식량 부족 현상이 나타날 수 있다.
제트기류 요동 커지면 여름에 열파, 겨울에 한파
제트기류는 통상 폭이 좁지만 로스비(Rossby) 파로 불리는 특성으로 인해 남북으로 구불구불하게 흐른다. 이런 대기의 사행은 북극지방의 찬 공기 덩어리나 아열대지방의 뜨거운 공기 덩어리를 인구가 집중된 중위도 지역으로 끌어온다.
대기 흐름의 이런 위 아래 요동(wobbles)은 매일 매일의 날씨에 큰 영향을 미친다. 요동이 특히 커지면 여름에는 열파와 가뭄 또는 홍수가 지속될 수 있고, 겨울에는 비정상적인 한파가 내습하게 된다.
지구의 대기 순환은 매우 광대하고 복잡하기 때문에 과학자들은 최근에 와서야 로스비 파동에서 세계적인 패턴을 집어낼 수 있었다.
연구팀은 그런 패턴 발견을 기반으로 이번 연구를 통해 제트기류의 요동에 따른 작물 생산 손실량을 측정해 낼 수 있었다.
40년 간의 기후자료 분석해 제트기류 파장 분류
콘허버 박사팀은 1979년부터 2018년까지 40년 간의 기후 데이터를 자세하게 조사해 로스비 파를 웨이브-5(wave-5)와 웨이브-7(wave-7)이라고 이름 붙인 특정 파장으로 분류했다.
즉, 제트기류의 위 아래 남북 요동이 다섯 개나 일곱 개의 피크를 형성하고, 그에 따라 지구 둘레에 구유 모양의 굴곡이 생성된다는 것.
더 높거나 낮은 길이의 파도가 무작위로 요동치는 것처럼 보이지만 이들은 웨이브-5와 웨이브-7 패턴이 대칭의 격자를 형성하고 있으며, 종종 좀더 큰 사행 현상이 예측 가능지역에 집중되기도 한다는 사실을 발견했다.
웨이브-5 패턴은 북미 중부와 동유럽 및 동아시아에 걸쳐 있고, 웨이브-7 패턴은 북미 중서부와 서유럽 및 서아시아에 걸쳐 있는 경향을 보인다는 것.
두 경우 모두 결과는 동일하다. 즉, 뜨거운 공기가 남쪽에서 북쪽 봉우리쪽으로 솟구쳐 올라가면 기온이 비정상적으로 급등해 몇 주 동안 계속되게 된다. 이에 따라 강우량이 줄어들고 토양과 식생이 말라붙게 되며, 각 지역에서 자라는 작물이 죽게 된다.
증폭 파동으로 농작물 생산 4~11% 줄어
논문 공저자로 수년 동안 로스비 파를 연구해 온 암스테르담 자유대학(VU University Amsterdam) 환경연구소 딤 쿠무(Dim Coumou) 부교수는, “통상적으로 한 지역에서 생산량이 낮으면 다른 지역의 좋은 생산량과 균형을 이룰 것으로 예상되지만, 이런 파동들은 여러 중요한 곡창지대의 수확을 감소시켜 세계적인 식량 생산 위험을 초래할 수 있다”고 지적했다.
과학자들에 따르면 이런 증폭된 파동이 여름에 2주 이상 발생하면 그 영향을 받는 모든 지역에서 곡물 생산량이 평균 4% 떨어지고, 단일 지역에서는 11%까지 줄어든 것으로 나타났다.
이렇게 되면 식품 가격도 급등한다. 1983년과 2003년, 2006년, 2012년 및 2018년에는 찬공기를 담은 파동이 남쪽으로 내려와 미국과 캐나다, 스칸디나비아반도와 시베리아의 많은 곳에서 기온이 급강하했다.
이런 한파는 작물을 죽게 하는 한편 특히 유럽과 러시아에서 수천 명의 목숨을 앗아갔다. 이 지역들에서는 냉난방 장치가 북미지역에 비해 잘 설치돼 있지 않다.
“지구온난화 따라 극단적 열파 더욱 심해질 것”
이번 연구는 주로 로스비 파 북쪽 정상부에서의 더운 기간에 중점을 두고 있으나, 남쪽 골짜기 부위에서 극단적인 반대 현상이 발생할 수 있음을 시사한다.
콘허버 박사팀의 선도 연구에 따르면 2018년 북부에서 열파가 발생하는 동안 발칸반도와 일본을 포함한 더 남쪽 지역들에서는 예상 외의 많은 비가 내려 홍수와 산사태가 났다.
또 2010년 러시아 북부에서 열파가 발생할 때 파키스탄 인더스강에서는 동시에 홍수가 일어나 수백만 명이 대피하고 농작물이 훼손됐다.
많은 과학자들은 지구 온난화에 따라 로스비 파동이 더 극성을 부릴 것이라고 믿고 있다. 콘허버 박사는 이번에 발견한 시나리오가 2000년 이후 발생한 전 세계 거의 모든 기상 이변을 설명해 줄 수 있다고 보고 있으나, 그에 대한 합의를 형성하기에는 데이터가 충분하지 못 하다고 말했다.
그럼에도 불구하고 그는 “로스비 파의 주기나 크기가 변화하지 않는다 하더라도 전반적으로 대기가 가열되기 때문에 로스비 파 패턴과 관련된 극단적인 열파는 더욱 심해질 것”이라고 전망했다.
“지구온난화의 속도와 깊이 그동안 과소 평가돼”
컬럼비아대 지구연구소 부설 지구관측소 기후학자인 래들리 호튼(Radley Horton) 박사는 “기후 모델이 이런 파동의 패턴을 재현해 낼 수 없다면 재보험사나 식량 안보 전문가 같은 위험관리자들은, 동시에 발생하는 열파와 그 영향이 온난화 기후에서 어떻게 변화할 지를 평가하는데 큰 곤란을 겪게 될 것”이라고 말했다.
이번 연구에 참여하지 않은 영국 리딩대 기후학자인 시어도어 셰퍼드(Theodore Shepherd) 교수는 “파동 패턴에 관한 강력한 관측 증거가 있으며, 앞으로의 논의는 기후 변화에 어떻게 대응하느냐는 것”이라고 강조했다.
그는 지구 온난화가 얼마나 빠르고 깊이 진행돼 왔는지에 대해 정부간 기후변화 협약과 그동안 도출된 많은 과학적 합의가 이를 과소 평가해 왔다는 사실이 입증됐다고 지적했다.