*본 포스팅은 출판사로부터 도서를 제공받아 주관적으로 작성한 리뷰입니다.

지구 온난화로 이상 기후 변화가 일상시되고 있는 현대에서 어떻게 보면, 기후물리학은 학문적 호기심을 넘어서 인류 생존의 핵심 열쇠가 되었다. 이 분야는 고대 그리스 철학자들의 자연 관찰에서 출발하여, 현대의 정교한 컴퓨터 모델링과 노벨상 수상 연구에 이르기까지 장대한 발전을 거듭해왔다. 기후를 물리학적으로 이해한다는 것은 지구라는 거대한 시스템 안에서 벌어지는 에너지의 흐름, 물질의 순환, 그리고 이들 간의 복잡한 상호작용을 수학적 언어로 해독하는 작업이다. 이번에 읽은 기후 물리학은 역사적으로 기후 관련 현상을 우리 인류가 어떻게 이해하였는지에 대해 쉽게 이해할 수 있게 설명하고 있다. 여러 사진과 도표가 있어 이해하기 쉽다. ^.^

기후물리학의 발전사를 살펴보면, 인류가 어떻게 자연 현상에 대한 관찰에서 시작하여 예측 가능한 과학적 체계를 구축해왔는지 알 수 있다. 인류가 자신이 살고 있는 행성을 이해하고 그 미래를 예측하려는 치열한 노력의 역사이기도 하다. 기상학의 역사는 아리스토텔레스의 ＜기상학＞에서 찾을 수 있다. 이 책이 세계 최초의 기상학 저술이라는 점은 놀랍다. 아리스토텔레스는 이미 우주의 구형을 주장했고, 물·불·흙·공기라는 사원소 이론을 통해 자연 현상을 설명하려 했다. 비록 현대적 관점에서는 많은 한계가 있지만, 자연 현상을 체계적으로 관찰하고 설명하려는 그의 시도는 기후물리학의 출발점이 되었다. 고대 그리스인들의 지질학적 상상력은 현재 우리가 알고 있는 지구과학의 기본 틀을 놀랍도록 예견했다. 그들은 지구가 변화하는 존재라는 것을 직감했고, 이러한 변화의 원리를 찾으려 노력했다. 이는 후에 지질학과 기후학이 하나의 통합된 지구시스템 과학으로 발전하는 토대가 되었다.

베게너의 대륙이동설은 기후학사에서 중요한 전환점이다. 대륙의 이동이 기후 변화에 미치는 영향을 인식하기 시작한 것이다. 판게아라는 초대륙의 존재와 그 분열 과정은 지구 기후사를 이해하는 핵심 단서가 되었다. 대륙의 배치가 해류와 대기 순환에 미치는 영향, 그리고 이것이 장기간에 걸친 기후 변화의 원동력이 된다는 인식은 현대 기후물리학의 중요한 토대가 되었다. 빙하기 이론의 발전 역시 마찬가지다. 루이 아가시가 제시한 빙하기 개념은 지구의 기후가 극적으로 변화할 수 있다는 것을 보여주었다. 이는 기후를 고정불변의 것으로 보던 기존 관점을 뒤바꾸는 혁명적 발견이었다. 빙하기 연구는 장기간에 걸친 기후 변화의 메커니즘을 이해하는 데 필수적인 통찰을 제공했다.

기후물리학의 발전에서 대기권의 발견과 그 구조 이해는 결정적이었다. 열기구를 타고 대기 상층을 탐험했던 초기 연구자들의 용기 있는 시도는 성층권, 오존층, 열권 등 대기의 층상 구조를 밝혀냈다. 이러한 발견은 지구 대기가 공기 덩어리가 아니라 각각 다른 물리적 특성을 가진 복잡한 시스템이라는 것을 보여주었다. 토리첼리와 파스칼의 대기압 연구는 대기를 물리학적으로 이해하는 출발점이 되었다. 공기에 무게가 있다는 발견은 당시로서는 혁명적이었다. 이는 대기를 하나의 물리적 시스템으로 인식하게 해주었고, 기압과 기온, 습도 등이 서로 어떻게 연관되어 있는지 탐구할 수 있는 기초를 마련했다. 하워드가 구름에 이름을 붙인 것은 기상학사에서 간과할 수 없는 업적이다. 적란운, 층적운, 권운 등으로 구름을 분류한 것은 단순히 명명의 문제가 아니었다. 이는 대기 중의 물리 과정을 체계적으로 이해하려는 시도였다. 구름의 형성과 발달, 소멸 과정을 이해하는 것은 강수 예측과 더 나아가 기후 시스템 전체를 이해하는 데 필수적이었다. 보퍼트의 바람 분류 역시 마찬가지다. 바람의 강도를 체계적으로 분류한 것은 대기 운동을 정량화하려는 노력의 일환이었다. 이러한 관측과 분류 작업들이 축적되면서, 기상 현상을 경험적 지식이 아닌 과학적 법칙으로 이해할 수 있는 토대가 마련되었다.

온실효과의 과학적 이해는 유니스 푸트의 숨겨진 발견에서 시작되었다. 그녀의 연구는 당시 제대로 인정받지 못했지만, 이산화탄소가 열을 흡수한다는 사실을 실험적으로 증명한 최초의 시도였다. 이후 틴들이 정밀한 장비로 각종 기체의 적외선 흡수율을 측정한 것은 온실효과를 정량적으로 이해하는 출발점이 되었다. 틴들의 실험 결과는 매우 명확했다. 대기의 주성분인 질소와 산소는 적외선을 거의 흡수하지 못하는 반면, 이산화탄소와 수증기, 메탄은 상당한 양의 적외선을 흡수했다. 이 발견은 대기 중 미량 성분이 지구의 열 평형에 결정적 영향을 미칠 수 있다는 것을 보여주었다. 이는 훗날 인간 활동으로 인한 온실가스 증가가 기후 변화를 일으킬 수 있다는 이론적 기초가 되었다. 아레니우스의 온실효과 계산은 기후물리학사에서 기념비적 업적이다. 그는 수학적 모델을 사용해 이산화탄소 농도 변화가 지구 기온에 미치는 영향을 정량적으로 계산했다. 비록 당시의 계산은 현재 표준에서 보면 단순했지만, 기후 변화를 예측 가능한 물리 현상으로 접근한 최초의 시도였다는 점에서 그 의의가 크다. 아레니우스의 연구는 또 다른 중요한 의미를 갖는다. 그는 산업 활동으로 인한 이산화탄소 증가가 지구 온난화를 일으킬 수 있다고 예측했다. 19세기 말에 이미 인간 활동이 지구 기후에 영향을 미칠 수 있다는 가능성을 과학적으로 제시한 것이다. 이는 현재 우리가 직면한 기후 위기를 100년 이상 앞서 예견한 놀라운 통찰이었다.

마나베 슈쿠로의 기후모델은 현대 기후물리학의 출발점이다. 그의 모델이 혁신적이었던 이유는 복잡한 기후 시스템을 단순화하면서도 핵심적인 물리법칙은 놓치지 않았기 때문이다. 상대습도를 일정하게 가정하는 등의 단순화를 통해 계산의 복잡성을 줄이면서도, 수증기의 증발과 응축, 대류와 복사, 기압과 온도의 상호작용을 정밀하게 계산할 수 있는 모델을 구축했다. 이는 기후과학에서 패러다임의 전환이었다. 지구 전체를 하나의 물리적 시스템으로 보고, 이를 수학적으로 모델링할 수 있다는 것을 보여준 것이다. 마나베의 모델은 지구를 수식으로 설명한 최초의 시도였으며, 이후 모든 기후모델의 원형이 되었다. 마나베의 업적에서 가장 중요한 것은 기후를 예측 가능한 과학으로 만들었다는 점이다. 그 이전까지 기후는 관측하고 기록하는 대상이었지만, 마나베 이후 기후는 예측하고 전망하는 대상이 되었다. 이는 과학적 방법론의 관점에서 볼 때 엄청난 진전이었다. 관측과 기록에서 예측과 검증으로 나아간 것이다. 마나베의 모델이 수십 년이 지나 현대 기후 정책의 근거가 되었다는 사실은 과학의 사회적 영향력을 보여주는 좋은 사례다. 과학적 예측이 정책 결정과 시민 행동의 기초가 된 것이다. 이는 기후물리학이 단순한 학문적 탐구를 넘어 인류의 미래를 좌우하는 실용적 도구가 되었음을 의미한다.

클라우스 하셀만의 연구는 기후물리학에 완전히 새로운 관점을 도입했다. 그는 날씨와 기후의 관계를 확률론적으로 접근했다. 빠르게 변하는 무작위적인 날씨가 누적되어 느리게 변하는 기후를 만들어낸다는 그의 통찰은 혁명적이었다. 이는 기후 시스템을 이해하는 데 있어 새로운 수학적 도구를 제공했다. 하셀만의 접근법은 기후 시스템의 본질적 특성을 이해하는 데 중요한 기여를 했다. 기후 시스템은 본질적으로 복잡하고 비선형적이며, 작은 변화가 큰 결과를 가져올 수 있는 시스템이다. 하셀만은 이러한 복잡성을 확률과 통계의 언어로 다룰 수 있는 방법을 제시했다. 하셀만의 가장 큰 업적은 불확실성을 과학적으로 다룰 수 있는 방법을 제시한 것이다. 기후 예측에는 본질적으로 불확실성이 따른다. 하지만 하셀만은 이 불확실성 안에서도 질서를 찾아낼 수 있다는 것을 보여주었다. 확률론적 접근을 통해 불확실성을 정량화하고, 이를 바탕으로 의미 있는 예측을 할 수 있다는 것을 증명했다. 이는 과학방법론의 관점에서도 중요한 진전이었다. 완전한 확실성을 추구하던 고전적 과학에서, 불확실성을 인정하고 관리하는 현대적 과학으로의 전환을 보여준 사례이기도 하다. 하셀만의 연구는 "완벽히 알 수는 없지만, 충분히 잘 알 수는 있다"는 현실적이고도 실용적인 과학 철학을 제시했다.

클라우스 하셀만 박사는 기후 속에 숨어 있는 이산화탄소 발자국, 화산분출 흔적, 태양 복사량의 미세한 변동을 지문처럼 분리해내는 이론적 도구를 만들었다. 1976년 이전에는 기후는 너무 복잡해서 알 수 없다는 말이 흔했지만 그 이후에는 기온은 무작위적이지만 예측 가능한 방식으로 흔들린다 라는 생각이 나왔다. 지층이란 암석이나 토양의 층으로 이웃한 다른 곳들과 구분되는 특성을 갖는다. 각 층은 일반적으로 서로 평행하게 놓여 있다. 자연적인 힘으로 쌓인다. 지층은 보통 서로 색이나 구조가 다른 암석들이 쌓여 있는 줄무늬로 보이며 절벽, 도로의 절개면 등지에서 볼 수 있다. 각 줄무늬의 두께는 얇게는 몇 밀리미터에서 두껍게는 수 킬로미터 이상에 이른다. 지층의 법칙을 발견한 사람은 덴마크의 지질학자 니콜라스 스테노다. 

뉴턴은 '프린키피아'에서 지구와 똑같은 크기의 쇳덩이를 뜨겁게 달구면 5만 년 이상이 흐른 뒤에도 식지 않을 거라 주장했다. 여기서 힌트를 얻은 르크레르 뷔풍은 크기가 다른 철 구슬을 빨갛게 달아오를 때까지 가열한 후 손이 데지 않을 정도까지 식는 데 걸리는 시간을 측정하는 실험을 고안했다. 그런 후 그는 지구와 크기와 비슷한 공이 식는 데 걸리는 시간을 계산해 지구의 나이가 적어도 75, 000년 이상은 되어야 한다는 것을 알아냈다. 지구의 정확한 나이는 뢴트겐이 X선을 발견한 1895년 이후에 이루어졌다. 뢴트겐 이후 베크렐이 우라늄의 방사선을, 퀴리 부인이 라듐과 폴로늄의 방사선을 발견한다. 

1907년 캐나다 맥길 대학의 러더퍼드와 소디는 방사성 붕괴와 반감기에 대한 법칙을 발표했다. 이 이론을 통해 여러 가지 방사능 원소의 반감기가 계산되었고 이를 이용해 여러 가지 암석의 나이를 알 수 있게 되었다. 그렇게 해서 지구의 나이는 약 45억 년 정도가 되었다. 수성론은 지구가 물로부터 기원했다고 주장하는 이론이다. 그들에 의하면 모든 암석은 바다에서의 결정 작용이나 침전에 의해 만들어졌다. 아브라함 베르너는 바닷속에서 먼저 화강암이 결정 작용에 의해 만들어진다는 말을 했다. 그리고 화강암 속에는 화석이 없다. 그 이후 침전으로 점판암이 생겨난다. 점판암 속에는 약간의 화석이 발견된다. 그 후 석탄 암처럼 화석이 많이 들어 있는 퇴적암이 생기고 마지막으로 풍화에 의해 모래와 점토가 생겨난다. 물론 점판암은 변성암이다. 

수성론과 반대되는 이론으로 모든 암석의 생성 원인이 물이 아니라 열이라는 이론을 화성론이라 부른다. 제임스 허턴은 대표적인 화성론자다. 지구에서 일어나는 현상은 엄청나게 긴 시간에 걸쳐 기본적으로 동일하게 진행되어 왔다는 주장이 허턴의 동일과정설이다. 허턴은 지구 내부는 녹은 용암으로 이루어져 있고 단단한 지표가 그것을 에워싸고 있다고 보았다. 이어 용암의 운동이 지표를 굴곡시켜 산맥을 만들고 산맥 아래쪽에는 화강암과 같은 결정성의 암석이 생기고 위쪽에는 퇴적암이 생긴다고 말했다. 알프레드 베게너는 블라디미르 쾨펜의 딸 엘제 쾨펜과 결혼했다. 베게너의 스승은 천문학자 빌헬름 푀르스터, 열역학자 막스 플랑크였다. 

기상학자인 베게너가 대륙 이동설을 발표하자 많은 지질학자들이 과학적 근거가 희박하다며 베게너를 비웃었다. 대륙이 이동했다고 생각한 최초의 과학자는 네덜란드의 지도 제작자 오르텔리우스다. 그는 아메리카 해안선과 유럽 아프리카 해안 사이의 유사성을 확인하고 아메리카 대륙이 유럽과 아프리카 대륙에서 분리되었다고 주장했다. 1858년 프랑스의 지질학자 스나이 더 펠레그리니는 '창조와 그 신비의 베일'이라는 책에서 유럽과 미국에서 동일한 식물 화석을 발견하고 대륙이동설을 주장했다. 베게너는 고생대 후기에 오늘날의 모든 대륙이 하나의 큰 덩어리 또는 초대륙을 형성했고 이후 그 덩어리가 분열되었다고 생각했다. 베게너는 이 고대 대륙을 판게아 라고 불렀다. 베게너는 판게아의 구성 부분들이 오랜 지질학적 시간에 걸쳐 수천 마일 떨어진 것으로 천천히 이동했다고 주장했다. 그는 이 이동을 대륙 이동이라고 불렀다. 

3억년 전에 대륙이 뭉쳐 판게아 대륙이 만들어지면서 애팔래치아 산맥, 아틀라스 산맥, 우랄산맥 등이 생겨났다. 판게아 대륙을 둘러싼  넓은 바다를 판탈라사해라 부른다. 1억 8000만년 전인 쥐라기 때 판게아는 남쪽의 곤드와나, 북쪽의 로라시아로 나뉘었다. 두 대륙 사이의 바다를 테티스해라 부른다. 그 후 판게아는 오랜 시간이 흐르면서 점차 분리되어 현재와 같은 일곱 개의 대륙으로 나뉘게 되었다. 지진이 파동 현상이라는 사실을 처음 알아낸 사람은 영국의 존 미셸이다. 지진이 발생하면 두 종류의 지진파가 발생한다는 사실을 알아낸 사람은 영국의 딕슨 올덤이다. 지진학에 대한 올덤의 가장 중요한 공헌은 지진 발생시 두 개의 지진파가 동시에 발생한다는 것이다. 

올덤은 속도가 빨라 지표에 먼저 도착하는 지진파를 P파라 불렀다. 속도가 느려 나중에 도착하는 지진파를 S파라 불렀다. 그는 두 파동이 지진계에 도착한 시간의 차이를 통해 지진이 발생한 지점인 진원까지의 거리를 결정할 수 있다는 사실을 알아냈다. 또한 P 파는 액체를 통과할 수 있지만 S 파는 액체를 통과할 수 없다는 사실을 알아냈다. 그는 지구 내부에서에 S파가 진행할 수 없는 곳이 있음을 알아냈고 이를 통해 지구 내부에 액체 상태인 부분이 존재한다는 것을 알아냈다. 안드리아 모호로비치치는 지각과 맨틀 사이의 경계면을 발견했다. 이 불연속면을 모호로비치치 불연속 면 이라 한다. 모호면은 대륙에서 평균 지하35km에, 해양에서 평균 지하 5km 위치에 있음이 밝혀졌다. 

지표로부터 깊이 2,890km 지점에서 물리적 변화가 일어난다. 이 지점에서에 S파(전단파)는 완전히 사라지고 P파(종파)는 갑자기 속도가 떨어지며 굴절된다. 맨틀 아래를 핵이라 부르는데 이 부분이 액체 상태라는 것이 밝혀졌다. 과학자들은 맨틀과 핵의 경계면을 구텐베르크 불연속면이라 한다. 잉게 레만은 핵이 두 부분으로 나뉜다는 사실을 알아냈다. 두 부분이란 내핵과 외핵을 말한다. 그 경계면은 지표로부터 깊이 5,150km 지점이다. 공기들은 끊임없이 움직인다. 그런데 공기 알갱이들이 조금 모여 있는 곳은 공기가 누르는 압력이 작아서 다른 지역보다 기압이 낮다. 그러면 주위에 수증기를 포함한 공기들이 그 지역으로 몰려들게 되고 결국 위로 솟아오를 수밖에 없다. 높이 올라갈수록 온도가 낮아지니까 공기 속에 수증기가 물방울로 응결되면서 구름이 만들어진다. 

그러므로 기압이 낮은 곳에는 구름이 많이 생겨 날씨가 흐리고 비가 올 확률이 높아진다. 고기압의 중심은 주위로 공기가 빠져나가니까 위로 올라갈 공기가 없어 구름이 안 생기고 날씨가 맑다. 물방울이 비가 되어 내리려면 적어도 1mm 이상은 되어야 한다. 그 말은 곧 수많은 물 분자가 서로 달라붙어야 한다는 뜻이다. 문제는 그것이 쉽게 일어나지 않는다는 데에 있다. 구름은 그냥 떠 있는 물방울이고, 비는 커진 물방울이 땅으로 떨어지는 것이고, 눈은 얼음이 녹지 않고 그대로 떨어지는 것이다. 지구의 대기권은 4개의 권역으로 나뉜다. 지표에서 가까운 곳부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권이다. 대두 권은 대기권의 가장 아래층으로 모든 날씨가 일어나는 공간이다.

기온은 2층에서 고도로 높아질수록 점점 떨어진다. 이런 온도 감소는 공기를 불안정하게 만들고 결국 뜨거운 공기는 위로 차가운 공기는 아래로 움직이게 된다. 이것이 바로 대류이다. 대류 권이란 이름도 여기서 비롯된다. 이 층에서는 공기의 대류가 활발히 일어나며 수증기, 먼지, 기체들이 뒤섞이고 순환한다. 공기의 움직임은 저기압과 고기압을 만들고 바람을 불게 하며 구름을 만들고 비와 눈을 내리게 한다.  우리에게 익숙한 모든 기상 현상은 이 대류 권에서 벌어진다. 성층권은 우리가 아는 날씨와는 전혀 다른 세계이다. 대류권과 뚜렷하게 구분되는 성질을 가지고 있다. 성층권에선 대류가 일어나지 않는다. 대류권에선 따뜻한 공기가 위로 오르고 차가운 공기는 아래로 내려가는 대류 현상이 활발하게 일어난다. 그러나 성층권은 다르다. 

이곳에서는 고도가 높아질수록 오히려 기온이 상승한다. 이는 일반적인 공기 덩어리의 대류를 막는 조건이다. 성층이 더 따뜻하므로 공기가 순환하지 않는다. 그래서 성층권은 조용하고 안정된 층이다. 성 층권에서는 고도 약 20km 이상부터 기온이 다시 상승한다. 이 현상을 온도 역전이라 한다. 그 원인은 바로 이 층에 존재하는 오존층 때문이다. 오존은 태양의 자외선을 흡수하며 열을 발생시키고 이로 인해 성층권 상층은 대기 중에서 드물게 온도가 증가하는 영역이 된다. 성층권에서는 기상 현상이 거의 일어나지 않는다. 계류가 없고 수증기 농도가 매우 낮아서 이곳에서는 비 눈구름이 거의 생기지 않는다. 성층권 아래쪽에서 발생하는 강한 적운형 구름이 일시적으로 진입하는 경우를 제외하면 이 층은 정적이며 건조한 공기로 채워져 있다. 

그렇기에 상공을 비행하는 여객기나 정찰기 기상 관측 기구들은 성층권 하단을 선호한다. 기상이 안정되고 공기저항이 적기 때문이다. 성층권은 제트기류의 경계 지대이다. 성층권 하단 즉 대류경계면 부근에는 제트기류가 빠르게 흐른다. 이 강한 고속 바람은 전 지구적인 기후 순환에 영향을 주며 항공기의 비행시간과 연료효율에도 깊은 연관이 있다. 성층권 자체는 바람이 거의 없지만 그 경계선에서는 바람이 급변하는 기후 전환 지대가 형성된다. 중간권은 대기권 중에서도 기온이 가장 낮은 영역이다. 고도 약 80-85km 부근에서는 영하 90° 이하로 떨어지기도 한다. 중간권에서는 유성이 자주 발생한다. 이 권역에서 지구로 들어오는 유성체가 마찰에 의해 불에 타기 때문이다. 

중간권은 성층권과 달리 대류 현상이 다시 일어난다. 공기밀도가 낮아 기상관측이 어렵다. 열권은 지구 대기의 최상층이자 우주로 향하는 마지막 하늘이다. 여기서는 기온 이 수백 도까지 오르지만 분자 밀도가 너무 낮아 피부로 느껴지는 열기는 거의 없다. 과학으로서의 예측의 탄생에 기여한 두 사람은 영국 해군 장교 프랜시스 보퍼트와 그의 제자 로버트 피츠로이다. 두 사람의 연구는 오늘날 모든 일기예보 지식의 기초를 형성했다. 18세기 후반 인간의 시선은 성경을 넘어 지질학적 지층으로 향했다. 지질학자들은 지층 속에 새겨진 연속적인 기후변화와 지질 시대의 흔적들을 읽기 시작했다. 이들은 선사시대라는 개념을 받아들이고 지구의 나이는 훨씬 오래되었으며 기후는 지속적인 변화의 역사를 가졌다고 추정했다. 

1815년 스위스의 장 피에로 페로뎅은 알프스 고산계곡에서 거대한 바위들이 흩어져 있는 모습을 보고 이들을 이동시킨 힘은 빙하일 것이란 가설을 세웠다. 이 가설은 처음에는 비웃음과 무시를 당했지만 루이 아가시는 이를 과학적으로 정제하고 체계화했다. 그는 알프스를 답사하고 바위의 이동 흔적과 지형의 증거를 수집하여 지구가 과거 광범위한 빙하로 덮여 있었음을 주장했다. 1837년 아가시는 공식적으로 빙하기 이론을 발표한다. 이는 단순한 기후변화 이론이 아니라 지구의 역사를 바라보는 관점을 송두리째 바꾸는 선언이었다. 당시까지 많은 지질학자는 지형의 형성을 성경적 홍수나 격변의 결과로 보았으나 아가시는 점진적이고 물리적인 원인을 제시함으로써 지질학을 더 과학적인 학문으로 전환시켰다.

1774년 스위스의 자연 철학자 소쉬르는 온실 효과를 직접 검증해 보기로 했다. 그는 투명한 유리판으로 덮인 상자를 여러 겹으로 만들어 태양 아래에 놓고 내부 온도를 측정했다. 결과는 놀라웠다. 내부 온도는 외부 온도보다 훨씬 높았고 상자 내부는 마치 작은 태양로처럼 작동했다. 이 실험은 다음과 같은 사실을 명백히 보여줬다. "빛은 들어오되 열은 갇힌다." 1824년 조제프 푸리에는 물리학자의 눈으로 지구라는 행성의 온기를 바라보았다. 그에게 지구는 단지 태양빛을 받는 돌덩이가 아니었다. 오히려 스스로 따뜻함을 품고 있는 하나의 정교한 에너지 시스템이었다. 푸리에는 단순한 질문에서 출발했다. 왜 지구는 진공상태보다 더 따뜻할까? 태양빛이 닿는 우주의 물체가 단순히 복사 평형에 따라 차가워져야 한다면 지구의 평균기온은 지금보다 훨씬 낮아야 했다. 

푸리에는 이 문제를 물리학의 언어로 풀었다. 그는 태양에서 오는 가시광선은 대기를 통과해 지표에 도달하지만 지구가 그 에너지를 흡수하고 다시 적외선 형태로 재 방출할 때는 그 빛이 대기 중에 머무르게 되는 현상을 예측했다. 오늘날 우리가 온실 효과라고 부르는 개념의 기원이다. 그는 이렇게 썼다. "지표의 상태, 물의 분포, 공기의 큰 움직임은 수세기에 걸쳐 평균 질량을 변화시킬 수 있다." 클로드 푸이예는 태양 복사 에너지가 지구에 도달한 뒤 그 에너지 가지 표면에서 적외선 형태의 열 복사로 뒤 돌아간다고 보았다. 그런데 그는 수증기와 이산화탄소 같은 특정 기체들이 이 열 복사를 흡수하고 다시 지구를 향해 방출함으로써 지구의 온도를 높일 수 있다는 가설을 세웠다. 푸이예의 이론에는 한계가 있었다. 

그의 아이디어는 이론적 추정에 불과했고 수증기나 이산화탄소가 실제로 열 복사를 흡수한다는 실험적 증거는 아직 존재하지 않았다. 당시의 과학기술로는 자외선의 스펙트럼을 정밀하게 측정하거나 기체에 따른 흡수율을 수측할 수 없었기 때문이다. 그의 가설은 흥미로웠지만 검증되지 않은 주장으로 분류되었다. 이산화탄소가 온실 효과를 일으킨다는 사실을 처음 알아낸 사람은 미국의 여성과학자 유니스 푸트다. 마나베 슈쿠로는 일본계 미국인이다. 1958년 박사학위를 마친 마나베는 미국으로 건너갔다. 미국 기상청 산하의 일반 순환 연구소(GFDL)에서 일하며 그는 하나의 질문에 매달렸다. "이산화탄소가 지구의 온도를 어떻게 변화시킬까?" 

그는 1967년 리처드 웨더 럴드와 함께 이산화탄소 농도를 두 배로 증가시키면 지표면 온도는 약 2.3° 상승한다는 결과를 얻었다. 이 수치는 단순한 시뮬레이션 결과가 아니었다. 그것은 기후 민감도라는 개념의 출발점이 되었다. 클라우스 하셀만은 기후를 수십년간 바라본 과학자였다. 그는 날씨가 기후를 흔들 수 있다는 사실에 주목했다. 매일 매일 변덕스러운 날씨가 쌓이고 쌓여 결국 느리고 무거운 기후를 움직이게 만든다는 것이다. 그는 이 과정을 확률과 수학의 언어로 표현하였다. 하셀만은 날씨는 빠르게 변하고 무작위적이라고 생각했고 기온은 느리게 변하며 날씨의 평균적 결과라고 생각했다. 하셀만은 방정식을 통해 완벽한 예측이 아닌 확률적 예측을 추구했다. 정확히 내일 무슨 일이 일어날지는 몰라도 앞으로 어떤 일이 일어날 가능성은 알 수 있다 것이다.

그는 기후 민감도 자연 변동성 지문 분석과 같은 현대 기후 과학의 개념들을 한 줄기 수식에서 끌어냈다. 하셀만은 여기에 하나를 더했다. 세상이 점점 더 이산화탄소를 뿜어내고 있다는 사실. 그는 방정식에 새로운 항을 추가했다. 하셀만은 자신의 방정식을 통해 다음과 같이 말한다. 기온은 예측 불가능한 것이 아니라 확률적으로 예측 가능한 것이다. 이 단순한 문장은 과학의 본질을 꿰뚫는다. 우리는 세상을 완벽히 알 수 없지만 충분히 잘 알 수는 있다. 하셀만은 기후의 불확실성 안에서 질서를 찾아낸 사람이다. 그는 2021년 노벨물리학상을 수상하며 이렇게 말했다. "기후 문제는 기술의 문제가 아니라 의지의 문제다. 우리는 이미 알고 있다 이제 행동한 차례다."

과학교사와 교수님들도 자신있게 추천하는 과학도서

많은 과학선생님, 과학자들이 '과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까'라며 감탄하는 책이 있다. 지난 백여 년간 과학사에서 엄청난 발전을 이끌어온 과학자들의 자취를 느낄 수 있는 책, 노벨상을 수상한 세계적인 과학자들의 오리지널 논문을 직접 읽을 수 있는 책, 한 주제를 중심으로 과학사를 꿰뚫어보며 과학자들의 사고방식에 대해 이해할 수 있는 책이 여기 있다. 

대화체로 과학의 역사와 배경을 재미있게 설명하는 책

중고등학교 교과과정과 밀접하게 연결되어 있으며 심화 과정과 관련 수식까지 깊게 파고드는 책

정완상 교수가 집필하고 있는 ＜세상에서 가장 쉬운 과학 수업＞시리즈로 부제는 『노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학』이다. 책의 앞부분에는 노벨상을 다룬 과학자들의 깜짝 인터뷰가 나와 있고 가장 마지막 부분에는 책에서 다루는 주제와 관련한 오리지널 영어 논문이 실려 있다. 우리가 직접 노벨상 논문을 소화하지 못하지만 그 흐름을 접하고 과학자들의 자취를 제대로 느껴보고자 하는 '과학적 탐구심이 투철한 독자'들을 위한 책이다. 

추천 독자 

고교수학을 알고 있는 초·중등 과학 영재 또는 영재고 과학고 지망생

고등학생이면서 이론물리학자를 꿈꾸는 학생

이공게열 대학생으로 관련 이론에 관심이 많은 사람

아이들에게 위대한 과학자들의 이론을 소개해주고 싶은 교육자들

수학과 과학을 사랑하는 모든 이들

＜세상에서 가장 쉬운 과학 수업＞은 고등학교 수준의 수식을 이해할 수 있다면 상당부분의 내용을 파악할 수 있도록 집필된 책이다. 전공 지식 수준까지 종종 나오긴 하지만 저자가 이끄는 대로 따라간다면 많은 부분을 이해할 수 있다. 이번에 나온 책 ＜세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 기후물리학＞ 편에서는 1967년 마나베, 1976년 하셀만의 논문을 다루었다. 이 두 가지 논문 모두 대학원에서 기후통계 물리학을 전공한 사람들만이 볼 수 있을 정도로 난해하지만 저자는 일반인 독자들도 이해할 수 있도록 풀어냈다고 한다.

＜세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 기후물리학＞에서 다루는 하셀만 박사와 마나베 박사는 지구과학 연구자로서 최초로 노벨상을 받았다고 한다. 두 사람은 물리학을 이용해 기후와 지구온난화 문제를 연구하여 노벨 물리학상을 수상했다. 마나베 박사는 이산화탄소가 지구의 온도를 어떻게 변화시킬까 하는 문제에 대해 대기의 층을 수직으로 나누고 각 층마다 방사선 에너지와 수증기, 온도의 흐름을 컴퓨터로 시뮬레이션했다. 지구의 기후를 최초로 수식으로 설명한 시도였다. 하셀만 박사는 기후를 큰 시스템, 날씨는 하나의 브라운 운동이라고 생각하여 무작위적인 대기의 변동이 장기적인 기후의 '모양'을 결정할 수 있고 그 안에서 인간 활동이라는 '신호'를 통계적으로 식별할 수 있다는 것을 처음 보여주었다고 한다.

그리고 이를 제대로 이해하기 위해서 ＜세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 기후물리학＞에서는 지질학의 탄생과 진화부터 시작하여 지구 대륙 이동에 대한 이론과 지구 내부 구조, 기상학과 날씨를 과학적으로 설명하는 방법, 대기권의 과학적 구조, 기상학 등의 지식에 대해 차근차근 살펴본다. 

기후변화를 물리학으로 예측하는 방법, 기후를 확률로 예측하는 방법과 노벨상 수상자들의 오리지널 논문의 내용이 궁금하다면 ＜세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 기후물리학＞을 강력히 추천한다.

 제목과 키워드에서 어려울 거라는 생각이 들기도 했다. 물리학이 누구나 쉽게 접근할 수 있는 분야는 아니니까. 게다가 노벨상 수상자들의 논문으로 배운다고 하고 뭔가 책 표지에서 학자적 느낌이 드는 분의 얼굴도 보인다. 음.. 잠시 머뭇거렸지만 그래도 책을 펼쳤다. 어쩌면 이런 도서는 읽어가는 과정보다 읽으려고 마음을 먹거나 책 표지를 넘겨서 그 안의 내용으로 들어가는 것이 더 어려운 것도 같다. 그렇게 펼치고 책 속의 내용을 마주하기를 시작하면, 생각보다는 괜찮다. 어쩌면 그 이유는, 일단 이 분들도 논문 내려는 것이 아니라 이 도서를 펼쳐서 읽는 독자를 고려하면서 읽어갈 수 있도록 난이도와 내용에서 고려하며 눈문이나 개론서 같은 책이 아닌 읽어가는 도서로서 준비하기 때문인 것 같다.

 세상에서 정말 가장 쉬운가를 묻는 다면, 아직 내가 과학 분야 도서를 그렇게 몇 만권씩 읽은 것 도 아니고 기후 물리학에 대해 엄청 자신있게 말할 수 있는 것도 아니지만, 읽어가기에 괜찮았다고는 대답할 수 있을 것 같다. 긴장했던 것 보다 괜찮았다. 노벨상 수상자 논문 영문본을 마주하고는 조금 놀라기도 했지만, 그거는 뒷 부분에 첨부되어 있는 것이고 오히려 그러한 논문을 볼 수 있다는 것도 그저 보는 것이지만 좋은 경험이라고 생각되었다. 조금 더 읽어가고 알아가고 노력하면 나도 그런 논문을 읽으며 감상이 아닌 과학적 근거와 시선으로서 논할 수 있을까 하는 생각도 들고, 생각보다 괜찮았다는 생각이 들고 내용도 깊이있게 따지면서 읽는 도서라기보다는 읽어가는 시선의 흐름으로 읽어가도 괜찮은 도서라는 점이 좋았다. 그래서 조금 더 부담이 없었다. 정교수와 물리군의 대화인 것처럼 시작되며 내용이 안내되어지는데, 어렵다기보다는 읽어가기 괜찮았다. 많이 부담도 되지 않고 읽으며 새롭게 알아가는 데, 왠지 이야기 혹은 안내를 받듯이 읽어가니 어렵거나 배운다기보다도 읽어간다 알아간다 새로운 지식이다 라는 생각이나 느낌이 들었다. '기후는 단순히 날씨의 변화가 아니라, 과학이 풀어야 할 인류의 가장 큰 과제다'라고 말한다. 그러한 취지에서도 알아가며 읽어가기도 좋을 것이다. 과학이라고 긴장하기보다는 유익한 내용을 읽어가며 알아간다는 생각으로 도서를 마주하며 읽어가도 좋을 것이다. 

※ 출판사로부터 책을 제공받아 주관적으로 작성한 글입니다.

◆ 《기후 물리학》을 읽고서···.

《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 기후 물리학》은 과학을 잘 모르는 독자도 기후 물리학의 핵심 개념과 구조를 이해할 수 있도록 돕는 친절한 교양서이다. 복잡하고 난해한 과학 이론을 일상의 언어로 풀어내는 저자의 설명 방식은, 이 책을 단순한 지식 전달서가 아니라 ‘생각의 전환점’이 되는 과학 책으로 만든다.

책은 기후의 물리적 원리를 다루기에 앞서, 먼저 지질학과 기상학의 역사를 서술한다. 화성론과 수성론, 베게너의 대륙이동설, 지진파의 발견과 이를 통한 지구 내부 구조 분석, 성층권 발견 이야기까지, 흥미로운 역사적 배경이 풍성하게 제시된다. 하워드의 구름 분류와 열기구를 이용한 대기 탐사 등도 소개되며, 독자는 대기권이 대류권, 성층권, 중간권, 열권의 네 층으로 구성되어 있음을 자연스럽게 이해하게 된다.

기후 과학의 발전과 함께한 일기예보의 역사, 보퍼트의 풍속 체계, 태풍 연구 등의 내용도 흥미롭게 다가온다. 이러한 역사적 흐름을 따라가다 보면, 기후를 단지 ‘날씨의 연속’으로만 보던 독자도 점차 복잡하고 유기적인 자연 시스템으로 인식하게 된다. 특히 온실가스의 발견과 그것이 지구 복사 균형에 끼치는 영향, 기후 감응도 등의 개념을 저자는 물리학적으로 명확히 설명한다. 이를 통해 독자는 지구 기온 상승의 원인과, 그것이 단순히 이산화탄소 농도만의 문제가 아님을 깨닫게 된다.

＜"기후는 예측 불가능한 것이 아니다. 확률적으로 예측 가능한 것이다." 본문 중에서 183쪽＞

교훈적인 측면에서 이 책은 단순한 기후 경고서가 아니다. 기후 변화에 대한 과학적 근거와 그 이면의 역사를 아는 것이야말로, 감정적 대응이나 음모론적 시각에서 벗어나 올바른 판단과 행동을 가능하게 한다고 말한다. 우리가 일상에서 쉽게 지나치는 바람, 구름, 기온, 비, 눈 등의 자연 현상이 얼마나 정교한 물리 법칙과 연결되어 있는지를 알게 되면, 자연을 대하는 자세가 달라진다.

특히 인상 깊은 부분은 마나베의 대기층 기후 모델과 하셀만의 확률 모델을 바탕으로 기후 시스템의 변동성과 인간의 기여를 과학적으로 증명해 내는 구조이다. 이는 단지 과학적 사실을 전달하는 것을 넘어서, ‘과학이 어떻게 기후 문제를 증명하고 대응하는가’를 보여주는 살아있는 사례라 할 수 있다.

종합적으로 이 책은 기후 과학에 대한 기초적인 지식뿐 아니라, 그 배경이 된 과학사의 흐름과 이론적 근거까지 함께 다루며 독자의 지식의 폭과 깊이를 동시에 확장시킨다. 특히 기후 변화에 대해 의심하거나 막연한 불안만 가지고 있던 사람에게는 과학이 주는 명확한 시선과 사고의 틀을 제공한다. 미래 세대에게 더 나은 지구를 물려주기 위해 우리가 무엇을 알아야 하고, 어떤 행동을 해야 하는지를 깨닫게 만들어 주는 과학서이다.

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세상에서 가장 쉬운 과학 수업

기후 물리학

얼마 전, 어린이 도서 ＜쿵쾅툭탁 힘과 운동 이야기＞에서 물리학을 읽으면서 생각보다 재미있게 읽으면서 기후에 따른 물리학에도 관심이 생겨 해당 도서를 읽게 되었습니다. 요즘 많은 사회적 이슈가 지구 온난화인 만큼 기후에 대한 관심이 정말 많아지는 요즘입니다. 물리학에 따른 기후의 역사와 이야기가 오늘날에 어떤 도움을 줄 수 있을지 궁금합니다.

저자는 교과서 같은 이론을 정리해놓은 내용보다 과학자들이 논리에 접근하게 된 배경지식과 오리지널 논문들을 풀어 설명하면서 일반인의 궁금증을 교수님이 해결하는 대화 방식으로 이야기를 끌어나가고 있습니다.

고대-중세 과학자를 통해 지질학에 대한 지구의 이야기가 시작됩니다.

지질학은 지구의 기원,  역사, 구조를 연구하는 학문으로 과학자의 사진과 그들이 연구하게 된 배경, 이전 과학자의 오류를 발견해 새로운 근거를 제시하면서 새로운 이론이 탄생하게 된 배경 등 지지학의 탄생과 진화에 대한 이야기를 다룹니다.

대륙은 움직인다, 대륙 이동설의 창시자 베게너 이전에도 대륙이 움직였을 거로 상상한 지질학자들이 있었습니다. 네덜란드인 오르텔리우스가 대륙이 이동했다고 생각한 최초의 과학자로 아메리카 해안선과 유럽 - 아프리카 해안 사이의 유사성을 확인을 통해 대륙이 분리되고, 프랑스 지질학자 스나이더-펠레그리니는 유럽과 미국에서 동일한 식물 화석을 발견했다는 사실에 근거하여 대륙 이동을 주장했습니다. 판게아를 상상한 사람들에게 그들의 주장에 확신을 준 이가 대륙 이동설의 창시자인 베게너입니다. 모든 대륙이 하나의 큰 덩어리를 형성했고, 이후 그 덩어리가 분열해 '판게아'라 불렀으며 오랜 지질학적 시간에 걸쳐 대륙 이동을 했다고 주장했고, 현재 판게아는 시간이 흐르면서 점차 분리되어 7개의 대륙으로 나뉘게 되었습니다.

판의 움직임을 통해 산맥, 지진, 화산, 해양 지형 등 수많은 지질 현상을 설명하며 지구는 살아 있는 유기체처럼 움직이고 변화하는 존재임을 밝혀냅니다.

고대 지구의 지질학의 근간에 아리스토텔레스의 이론들이 영향을 미친 것뿐만 아니라, 기상학의 기초를 형성했다는 사실에 그의 위대함에 또 한 번 놀라지 않을 수 없었습니다. 그는 우주가 구형이라 주장하고 기본 원소로 물, 불, 흙, 고기라는 사원소를 채택하며 수 세기에 걸쳐 연구되었지만 르네상스 시대가 되어서야 중요한 발전이 이루어졌습니다.

독일 시장인 괴리케는 공기의 기압의 높이차에 따라 물기둥의 높이가 달라지는 것을 통해 날씨의 변화를 예견합니다. 더 나아가 공기의 법칙을 발견한 과학자 소쉬르가 있습니다. 대기 과학의 기초를 세운 선구자이자, '측정하는 인간'으로서 과학의 길을 걸어간 대표적 인물로 몸소 체험하며 알프스에 오릅니다. 대기 중 높이에 따라 기온이 감소한다는 사실을 발표하게 됩니다.

구름이 하늘에 떠다니는 수증기만으로 보지 않았던 하워드는 구름의 존재, 관찰과 기록을 통해 구름의 형태를 제시했습니다.

요즘 들어 지구 온난화로 인한 기후 변화라는 말을 자주 사용하고 있습니다. 과학자들은 이런 기후변화를 어떻게 인식했을까요?

고대 테오프라스토스는 인간의 토지 이용 변화가 지역의 기후에 영향을 줄 수 있다는 인식을 하였고, 비트루비우스 역시 주택이나 도시의 위치를 정할 때 반드시 기후를 고려해야 한다고 언급할 만큼 '기후'는 건축과 인간 삶을 좌우하는 주요 요인이었습니다.

19세기 초부터 토지의 변화가 기후 자체를 바꾸고 있다고 믿으면서 자연을 '기록'하는 법을 배우기 시작합니다. 이전만 해도 기후에 대해 감각과 기억, 격언에 의존해 왔지만, 과학의 발전으로 데이터와 수치를 통해 기후 변화를 인식할 수 있었습니다. 

푸이예는 수증기와 이산화탄소 같은 특정 기체들이 이 열복사를 흡수하고, 다시 지구를 향해 방출함으로써 지구의 온도를 높일 수 있다는 '온실효과'의 가설을 세우게 됩니다. '온실효과'에 관한 놀라운 실험으로 검증되지 못했던 그의 가설에 힘을 준 건 푸트였지만, 그녀가 여성이라는 이유로 그녀의 논문은 대리 발표되었습니다. 기후변화의 원인을 연구한 마나베, 확률로 예측한 하셀만을 통해 물리학적으로 다루어 기후 물리학이 된 두 과학자의 이론이 담겨 있습니다.  "기후는 예측 불가능한 것이 아닌 확률적으로 예측 가능한 것" 

마나베와 하셀만의 연구를 이해하기 위해 지구과학의 오랜 역사를 살펴봤습니다.

고대부터 이론과 근거를 제시하며 과학에 심취한 과학자들 혹은 지질학자들 대부분 어렸을 때부터 수학과 과학을 즐기며 과학자로서 성장하는 모습을 보여줌으로써 쉽게 이야기의 흐름에 따라갈 수 있었습니다. (물론, 그 시대 과학이라는 테두리 안에서도 남녀 불평등이 존재했다는 사실도 알게 됐습니다.)

특히나, 수학과 과학을 사랑하는 이들, 즉 고등학교 정도의 수식을 이해하는 일반인들이 30%라도 이해할 수 있을 내용의 설명과 쉽게 접하지 못할 오리지널 논문을 삽입해 읽어볼 수 있는 기회를 줌으로써, 기후 물리학을 좀 더 깊고 재미있게 이해할 수 있는 시간이 되기를 바라는 마음으로 집필했다고 말합니다. 

이제 기후변화 문제는 전 세계적인 문제가 되었고, 미래에 기후가 어떻게 변화할지, 그것이 인간에게 미치는 영향이 얼마나 될지, 우리가 자초한 이 위기에서 어떻게 벗어날지 좀 더 관심을 가져야 할 것 같습니다.

두 노벨 물리학 상을 받은 연구를 토대로 다양한 이론과 가설을 통해 위기를 벗어나기를 희망합니다.