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초미세입자, 강력 폭풍 일으켜

에어로졸-구름-강수 상호작용 재고 필요

공기 중의 미세 입자가 강력한 폭풍을 만들어 낼 수 있는 영향력이 과학자들의 예상보다 훨씬 더 크다는 사실이 밝혀졌다. 이에 따라 도시와 산업, 산불 및 다른 원인들로부터 발생하는 미세 에어로졸이 폭풍우와 강우에 미치는 영향을 새롭게 평가해야 할 것으로 보인다.

과학자들은 이전부터 에어로졸이 기상 변화와 기후 형성에 어느 정도 중요한 역할을 한다는 사실을 알고 있었다. 그러나 미국 태평양 북서 국립연구소와 메릴랜드대 연구팀은 과학저널 ‘사이언스’(Science) 26일자에 발표한 새 연구에서 가장 작은 입자가 초대형의 효과를 만들어낸다고 보고했다. 사람 머리카락 굵기보다 1000배 이상 작은 입자가 폭풍을 강화하고 구름 크기를 증가시키며 비를 더 많이 내리게 한다는 것.

브라질 마나우스의 하강기류가 형성되는 곳에 세워진 중장비를 갖춘 지상관측소에서 그리 오션 아마존 연구 캠페인 기간 동안 에어로졸과 구름, 태양 및 열 에너지를 측정하고 있다.  CREDIT: US Department of Energy ARM Climate Research Facility

브라질 마나우스의 하강기류가 형성되는 곳에 세워진 중장비를 갖춘 지상관측소에서 그린 오션 아마존 연구 캠페인 기간 동안 에어로졸과 구름, 태양 및 열 에너지를 측정하고 있다. CREDIT: US Department of Energy ARM Climate Research Facility

에어로졸-구름-강수 사이의 상호작용

논문 공저자인 메릴랜드대 대기 해양과학과 장칭 리(Zhanqing Li) 교수는 “이번 연구 결과는 에어로졸과 구름 및 강수량 사이의 상호작용에 대한 지식을 한층 넓혔다”며 “아마존 열대우림과 같이 에어로졸이 제한된 지역에서 초미세 에러로졸 입자는 놀라울 정도의 강한 효과를 낼 수 있다”고 설명했다. 그는 “이번 발견은 구름 발달과 강력한 폭풍 형성의 물리적 메커니즘을 더욱 잘 이해하는데 기여함으로써 개선된 폭풍 예측방법을 개발하는데 도움이 될 수 있다”고 밝혔다.

이번 발견은 주로 2014~15년의 연구기간 동안 수집된 열대우림 기상과 물 순환에 대한 지상 및 항공 관측치를 포함한 ‘국제 그린 오션 아마존 연구 캠페인’의 자료를 기반으로 수행됐다.

연구팀은 인구 200만의 아마존 최대도시인 브라질 마나우스 주변 지역을 제외한 자연상태의 아마존 지역에 초점을 맞춰 연구를 진행했다. 이 같은 연구 환경은 입자가 미치는 영향을 온도와 습도 같은 다른 요소로부터 격리해, 거의 산업화 이전 같은 대기 환경에서 오염이 미치는 영향을 조사할 수 있는 드문 기회를 제공했다.

에어로졸 탐색자와 다른 센서들을 갖춘 연구용 비행기가 그린 오션 아마존 연구 캠페인 기간 동안 브라질 마나우스시 상공에서 자료를 수집하고 있다.  CREDIT: US Department of Energy ARM Climate Research Facility

에어로졸 탐색자와 다른 센서들을 갖춘 연구용 비행기가 그린 오션 아마존 연구 캠페인 기간 동안 브라질 마나우스시 상공에서 자료를 수집하고 있다. CREDIT: US Department of Energy ARM Climate Research Facility

50나노미터 초미세입자가 폭풍우 생성

논문 제1저자이자 태평양 북서 국립연구소 대기과학자인 지웬 판(Jiwen Fan) 박사는 “우리는 이번 연구를 통해 이 입자들이 일부 폭풍들을 엄청나게 강하게 만들고 비를 많이 내리게 하는 한 원인임을 보여주었다”며, “대기 조건이 다른 곳과 달리 매우 깨끗한 따뜻하고 습한 지역에서는 매우 작은 입자들이 유입돼 상당한 영향을 미칠 수 있다”고 말했다.

연구팀은 폭이 50나노미터 이하인 초미세입자의 폭풍우 생성 능력을 연구했다. 참고로 통상적인 사람의 적혈구는 대략 폭이 8000나노미터 정도다.

큰 입자들은 강하고 빠르게 움직이는 상승기류를 공급해 비를 내리는 비구름을 형성하는 것으로 알려져 있다. 그러나 지금까지 과학자들은 같은 효과를 내는 배기 가스와 산업 스모그에 포함된 것과 같은 좀더 작은 입자들은 관찰하지 않았다.

새로운 연구에 따르면 대기에 높은 습도와 열이 있고 더 큰 입자가 없을 경우 초미세 입자들이 이와 같은 구름들을 생성해 내는 역할을 할 수 있다.   CREDIT: Montanus Photography

새로운 연구에 따르면 대기에 높은 습도와 열이 있고 더 큰 입자가 없을 경우 초미세 입자들이 이와 같은 구름들을 생성해 내는 역할을 할 수 있다. CREDIT: Montanus Photography

작은 입자가 큰 입자보다 비구름 강력하게 활성화시켜

연구팀은 세밀한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 특정 조건 아래에서 작은 입자가 어떻게 큰 입자보다 훨씬 강력하게 구름을 활성화시키는가를 보여주었다. 대기 중 수분을 끌어들이는 큰 입자가 없는 따뜻하고 습한 환경에서는 수증기가 극단적인 수준까지 높아져 상대습도가 100%를 훨씬 상회하게 된다.

초미세입자는 크기는 작지만 많은 양이 될 수 있다. 이 입자들은 수많은 작은 물방울을 형성해 대기에 있는 과도한 수증기를 신속하고 효율적으로 끌어들인다. 이때 수증기의 응결 정도가 높아지며 더 많은 열을 방출하게 되고 이것은 더 강력한 상승기류를 만든다. 따뜻한 공기가 구름 속으로 더 많이 끌어당겨질수록 더 강력한 폭풍을 만들어내는 가속 효과가 나타나게 되는 것.

메릴랜드대의 지구시스템과학 학제간 센터(ESSIC)와 공동 협력하고 있는 리 박사는 “이번 발견은 일기예보와 기후 모델링에 모두 중요한 구름 물리학을 이해하는 새로운 문을 열었다”며, “특히 구름 물리학자들은 도시화와 삼림 벌채로 인해 환경이 급격하게 바뀌는 아마존과 같은 지역에 대한 에어로졸-구름-강우 간 상호작용 메커니즘을 재고할 필요가 있다”고 말했다.

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