환경 기후 과학과 수분 부족 사례:
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기후 과학과 수분 부족 사례:
전 세계적으로 건조한 지역에서 예상되는 대기 수분이 부족한데, 이는 기후 모델이 식물과 다른 생명체의 영향을 과소평가하기 때문일 수 있습니다. 이러한 결과는 인간에 의한 토지 황폐화의 증거일 수 있으며, 기후, 생물 다양성, 그리고 물 가용성 문제를 함께 해결해야 한다는 요구를 강조할 것입니다.
에리카 기스:
올해 로스앤젤레스에서 발생한 파괴적이고 치명적인 화재가 이례적으로 한겨울에 발생하여 많은 사람들이 예상치 못한 상황에 놓였습니다. 하지만 기상학자들은 대기 조건에서 '화재 발생 날씨'가 다가오고 있다는 징후를 포착했습니다. 화재 발생 며칠, 몇 주, 그리고 몇 달 전부터 대기는 평소보다 훨씬 건조했습니다. 기후 변화로 인해 이러한 현상은 전 세계적으로 더욱 흔해지고 있으며, 캐나다에서 남유럽, 미국 남동부에 이르기까지 지역 사회에 파괴적인 화재를 초래하고 있습니다. 기후 변화
로 인해 일부 지역이 메마르게 될 것이라는 사실은 새로운 사실이 아닙니다. 하지만 이 이야기에는 아직 설명되지 않은 반전이 있으며, 그 원인을 규명하는 것은 지역 사회가 미래의 극심한 화재와 기타 기후 영향으로부터 스스로를 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.
에리카 기스(Erica Gies)
대만 런아이 타운십의 산 속 숲에서 증발산량이 증가합니다.
기후가 따뜻해짐에 따라 대기는 더 많은 물을 보유할 수 있습니다. 널리 받아들여지는 클라우지우스-클라페이론 관계에 따르면 이 비율은 섭씨 1도의 온난화에 따라 약 7% 더 많은 수분입니다. 파키스탄, 독일, 뉴욕시를 침수시킨 홍수에서 그 효과를 볼 수 있습니다. 기후 모델은 이러한 추세를 전 세계적으로 대기 수분이 증가한 것으로 나타냅니다.
하지만 여기에 문제가 있습니다. 건조 지역에서는 모델이 예상하는 대로 대기가 더 많은 수분을 축적하지 않습니다.
콜로라도 볼더에 있는 국립 대기 연구 센터의 기후 및 지구 역학 연구실에 소속된 대기 물리학자인 이슬라 심슨(Isla Simpson)은 2023년에 이 모델링의 잘못된 표현을 발견했습니다 . 1 최근 40년 동안의 실제 측정치를 살펴본 결과, 건조 및 반건조 지역에서 습도가 증가하지 않았음을 관찰했습니다. 실제로 수십 년간 대규모 가뭄을 겪어 온 미국 남서부 지역에서는 오히려 감소했습니다.
전 세계 건조 지역에서 나타나는 이러한 차이는 지구 기후 모델에 문제가 있음을 의미한다고 NASA 고다드 우주연구소 소장이자 기후 모델러인 개빈 슈미트는 인정했습니다. "이에는 체계적인 이유가 있습니다. 지역적인 이유가 아닙니다."
심슨은 건조지대의 수분 부족이 현실 세계에 미치는 영향에는 로스앤젤레스에서 발생한 것과 같은 극심한 화재뿐만 아니라 생태계 스트레스와 치명적인 폭염 위험 증가도 포함된다고 말했습니다. 기후 모델이 실제로 존재하지 않는 수분을 보여줄 경우, 지역 사회는 이러한 위험을 과소평가하고 기후 영향을 완화하고 기후 변화를 늦출 수 있는 토지 관리 변화의 기회를 놓칠 수 있습니다.
심슨과 공동 연구진은 수분 부족이 식물과 토양이 대기 중으로 방출하는 수분량이 감소했기 때문일 수 있다는 가설을 세웠으며, 슈미트는 이를 "매우 가능성이 높다"고 말했습니다. 그러나 수분 부족의 원인은 여전히 파악하기 어렵고 복잡합니다.
더 큰 그림에서 심슨이 발견한 건조지대의 수분 부족은 기후 모델링의 더 큰 맹점을 드러낼 수 있습니다. 1980년대 대학원 시절, 기후 및 지구 역학 연구실의 선임 과학자였던 고든 보난은 기후가 생태계에 영향을 미치는 외적인 힘이라고 배웠습니다. 보난은 "이제 우리는 기후가 양방향 시스템이라는 것을 알고 있다고 생각합니다."라고 말했습니다. "생태계의 변화는 그 자체로 기후 변화를 주도합니다."
지구 기후 모델은 지구물리학에 크게 의존합니다. 지구물리학은 순환과 기후에 영향을 미치는 대규모, 해양, 육지, 빙하, 대기 피드백에 중점을 둡니다. 생물학에 포함되는 내용은 주로 식물과 토양에 저장된 이산화탄소에 초점을 맞추고, 물 순환에서의 역할과 같은 역동적인 영향에는 덜 중점을 둡니다. 심슨의 발견은 생물학과 생태학에 관심을 두는 보난과 같은 기후학자들의 주장을 뒷받침합니다. 즉, 지구 모델이 식물과 다른 생명체의 기후에서의 역할을 과소평가한다는 것 입니다
. 육지 생태계의 상호작용을 연구하는 보난에 따르면, 식물이 날씨와 기후에 미치는 영향에 대한 이러한 과학적 논쟁은 수천 년은 아니더라도 수백 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 그는 이에 대해 "나무 대신 숲을 보다 2" 라는 책을 썼습니다 . 보난은 이러한 갈등이 "식생이 기후에 중요하다는 개념을 완전히 망가뜨렸기 때문에 우리 과학을 약 100년 정도 후퇴시켰다"고 말했습니다.
그의 관점에서 과학의 학제 간 연계성 부족은 걸림돌이 되어 왔습니다. 생태학자와 생물학자들은 탄소를 저장하기 위해 빠르게 자라는 단일 수종을 심는 것이 생물 다양성을 감소시키고 생태계를 파괴하며 물 순환을 교란시킬 것이라는 점을 알고 있습니다. 보난은 대기 관점에서 기후학을 접근하는 많은 사람들은 이러한 역학 관계를 제대로 이해하지 못한다고 말했습니다. "솔직히 말해서, 당신은 아마도 소나무 조림지와 자연림의 차이조차 이해하지 못할 것입니다. 아마 생태학 수업을 들어본 적이 없을 테니까요."
지구 기후 모델이 숲, 초원, 토양을 표현하는 방식을 지나치게 단순화함으로써 기후가 생명에 영향을 미치지만 식물, 균류, 미생물과 같은 생명체는 기후에 영향을 미치지 않는다는 일반적인 인상을 남깁니다. 이러한 무시는 인간이 기후를 변화시키기에는 너무 미약하다고 생각했던 시대를 떠올리게 합니다. 보난의 2024년 논문 '지구 시스템 속의 지구 재구상'은 지구 기후 모델에서 생물학을 더 큰 형평성으로 이끌어야 한다는 분명한 신호입니다 . 3
많은 기후학자들은 이제 생명체가 대기와의 에너지와 물 교환을 조절함으로써 지역적으로 기후에 영향을 미친다는 데 동의합니다. 더 도발적인 질문은 이러한 지역적 영향이 지구 기후에 영향을 미치는지, 그리고 어느 정도 영향을 미치는가입니다. 그리고 심슨의 건조지대 통찰력은 중요한 단서를 제공할 수 있습니다.
토양과 식물을 통해 이동하는 물
식물과 토양이 기후 모델링의 주변부에 머물러 있는 이유 중 하나는 수문 순환에서 그들의 역할이 복잡하고 완전히 이해되지 않았기 때문입니다. 식물은 잎에 기공이라는 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하고 그 과정에서 수증기를 방출합니다. 기온이 높아지면 잎이 더 커지고 수증기가 더 많이 방출될 수 있습니다. 또는 이산화탄소가 더 많아지면 기공을 많이 열 필요가 없어 수분이 줄어들 수도 있습니다.
수증기는 땀이 우리 몸을 식히는 것처럼 주변 공기를 식히고, 기후와 복잡한 상호 작용을 하는 구름을 형성합니다. 하층 구름은 지구 표면에서 햇빛을 반사하여 지구를 식힙니다. 하지만 상층 구름은 지구 표면의 열에너지를 반사하여 지구를 따뜻하게 할 수 있습니다. 한편, 식물과 토양은 구름 속 수증기가 액체 비로 핵융합되는 발판 역할을 하는 균류와 박테리아를 방출하기도 합니다. 상층 대기에서 이러한 상전이가 발생하면 방출되는 열에너지가 지구를 빠져나가 냉각시킬 수 있습니다.
심슨의 가설에 따르면, 수분 부족은 기후 모델이 추정하는 것보다 식물과 토양이 대기로 수증기를 덜 방출하기 때문이며, 그 방식과 이유에 대해서는 여전히 다양한 가능성이 남아 있습니다. 더위와 물 부족으로 식물은 더 많은 물을 보유하게 될 수 있습니다. 토양과 식물이 줄 수 있는 수분이 줄어들 수 있습니다. 심슨은 기온 상승이 시간이 지남에 따라 토양 수분을 고갈시킬 수 있다고 말했습니다.
습지, 강, 대수층 배수, 삼림 벌채, 비버 사냥, 초원 과다 방목과 같은 인간 활동으로 인해 토양과 식물이 물에 덜 접근할 수 있습니다. 건강한 토양은 곰팡이, 박테리아, 곤충, 그리고 기타 생명체로 가득 차 있으며, 이러한 생명체들은 무생물 성분을 결합시켜 생명체가 적은 토양보다 훨씬 더 많은 물을 흡수하는 기질을 형성합니다. 이러한 저장량은 식물과 토양 증발에 더 많은 물을 더 오랜 기간 동안 제공합니다. 또한 식물 뿌리는 빗물이 지하로 이동하도록 도와 수분 저장량을 증가시킵니다. 토양 생명체를 죽이는 인간 활동은 이러한 수분 보유 과정을 저해하고 더 많은 강수가 토양에서 빠르게 흘러내리도록 합니다. 워싱턴 대학교의 대기 과학자이자 생태학
자인 애비게일 스완은 모델이 토양 분해와 지상 수분 공급 감소를 인식하지 못하는 경우, "실제 존재하는 것보다 더 많거나 더 큰 식물 잎을 추정하는 것일 수 있다"고 말했습니다. 스완은 식물이 지구 시스템에 미치는 영향을 이해하고 생물학이 기후에 중요하다는 생각을 주장하는 데 자신의 경력을 바쳤습니다. "그것이 제 삶의 목표였습니다."라고 그녀는 말했습니다.
스완이 연구를 시작했을 때, 기후 과학자들은 기공의 기능을 지나치게 단순화된 방식으로 표현했습니다. 그녀는 "아무도 '식물의 기능에 대해 다른 가정을 한다면 육지 수분 추정치가 달라질까?'라고 되돌아보고 확인하지 않았습니다."라고 말했습니다. 스완은 바로 그러한 가정을 통해 "이러한 영향이 클 수 있다"는 것을 보여주었습니다.
그럼에도 불구하고 이러한 플럭스를 정확하게 파악하는 것은 "어려운 문제"라고 스완은 말했습니다. 전 세계적으로 실제 증발산량을 측정하는 것은 불가능하기 때문입니다. 과학자들은 시간이 지남에 따라 식물이 있는 흙덩어리의 무게를 물리적으로 측정할 수 있습니다. 또는 대기의 변동을 측정할 수도 있지만, "그렇다고 해서 약 1킬로미터 정도의 측정값만 얻을 수 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. 지표 온도, 유입되는 태양 에너지, 그리고 유출되는 열과 증발을 사용하여 추정할 수도 있습니다. 하지만 이러한 방법들은 더 큰 규모의 직접 관측만큼 정확하지 않습니다.
자연 공동체의 복잡성은 쉽게 손상됩니다.
심슨과 동료들은 미국 남서부, 남아프리카공화국, 소말리아, 호주 중부, 그리고 아시아 일부 지역을 포함하여 지구 육지 면적의 약 20%를 차지하는 전 세계 건조 및 반건조 지역 전체에서 예상되는 수분 부족 현상을 발견했습니다. 연구진은 인간 문화와 관습의 다양성을 고려할 때, 토지 이용 저하가 전 세계 건조 지역 거의 전체에 영향을 미칠 수 있다는 데 회의적이었습니다. 그러나 토지 이용 저하가 공통 분모일 수 있습니다. 생물다양성 및 생태계 서비스에 관한 정부간 과학 정책 플랫폼(IPBES)에 따르면, 인간은 지구 육지의 약 75%를 "심각하게 변화"시켰습니다 .초원, 사바나, 특정 삼림과 같이 자연적으로 건조한 지역은 인간에 의한 사막화, 즉 극단적인 환경 파괴의 위험이 특히 높습니다. 예를 들어 2천 년 전 메소포타미아는 비옥한 초승달 지대였습니다. 오늘날 이라크와 시리아의 많은 지역이 사막화되어 있습니다. 점점
더 많은 연구에 따르면 건강한 식물과 토양 군집은 강우를 생성하고 내륙으로 재순환시키며 지역 및 지역적으로 기온을 낮추는 데 도움이 됩니다. 토지 황폐화는 가뭄과 기온 상승으로 이어질 수 있습니다. 보난은 환경 황폐화가 인근 환경에 미치는 변화는 "토양 수분, 증발, 강수 간의 잘 알려진 지역적 피드백"이라고 말했습니다. "이것이 가뭄이 가뭄을 강화하는 이유입니다. 토양이 건조하면 기온이 올라가고, 강우량이 감소하여 건조한 토양이 더욱 강화됩니다."
기후학과 생태학 모두에 정통한 보난, 스완, 그리고 다른 연구자들은 토양과 식물 군집이 지구 기후에도 영향을 미칠 수 있다고 말합니다.
Swann은 2018년 논문에서 미국의 대형 수목 고사를 모델링하여 이 연구에 기여했습니다.5 그녀의 시뮬레이션 결과, 이러한 고사는 전국을 포함한 멀리 떨어진 지역의 식물 생산성을 변화시켰습니다.식물 피복 손실은 온도와 증산된 물의 양을 변화시켜 대기의 고기압과 저기압 지점을 이동시킵니다.Swann은 "대기의 압력장이 바뀌면 공기가 흐르는 방식이 바뀝니다. 공기는 항상 고기압에서 저기압으로 흐르려고 하기 때문입니다."라고 말했습니다.그녀는 이러한 공기 이동의 변화가 비를 한 곳에서 다른 곳으로 돌릴 수 있으며 멀리 떨어진 지역의 온도도 변화시킬 수 있다고 말했습니다.Swann은 이러한 압력장을 변화시키는 것으로 유명한 엘니뇨와 같은 현상에 비하면 식물에 의한 이러한 변화는 "작다"고 인정합니다.하지만 측정 가능하며 기후 모델에 반영되지 않습니다.
그녀는 생물학에 대한 기후 모델 가정이 미래 기후 예측에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하는 다가오는 논문을 작업하고 있습니다. 스완은 "더운 날씨와 이산화탄소 농도가 높은 환경에서 광합성이나 잎 성장과 같은 식물의 어떤 과정이 육지에서 대기로 이동하는 물의 양을 조절하는지 이해하고 싶습니다."라고 말했습니다.
슈미트는 토지 황폐화가 지구 모델링 결과를 실제로 바꿀 만큼 충분한 규모인지 여전히 의문이라고 말했습니다. 그는 토지 피복 변화의 영향이 온실가스보다 "훨씬 작다"고 말하며, 주요 기후 변화는 "생물학적 요인이 아니라 더 큰 지구물리학적 요인"에 기인한다는 자신의 견해를 뒷받침했습니다. 하지만 그는 "두 요인이 분명히 교차한다"는 점과 대규모 토지 이용 변화가 "증가적 효과를 가져올 수 있다"는 점을 인정합니다.
심슨의 공동 저자이자 기후 및 지구 역학 연구소 지상 과학 부문 책임자인 데이비드 로렌스 역시 토지 황폐화가 기후에 미치는 영향의 잠재적 규모에 의문을 제기합니다. 하지만 그는 지구 기후 모델에 개선의 여지가 많다고 말했습니다. 현재 모델은 토양 황폐화를 전혀 고려하지 않고 있기 때문에 "토양 건강에 대한 심층 분석이 잠재적으로 의미 있는 결과를 가져올 수 있다"고 그는 말했습니다.
기후 모델의 다른 광범위한 가정들 또한 온전한 생물 시스템의 중요성을 흐릴 수 있습니다. 예를 들어, 심슨의 연구에서 육지 면적의 약 20%를 차지하는 삼림은 일반적으로 표현된다고 로렌스는 말했습니다. 하지만 일차림을 팜유 농장이나 침엽수 농장으로 대체하면 토양이 파괴되어 건조해지고 생명력이 감소합니다.
캐나다 브리티시컬럼비아주에서는 벌목 회사들이 주 일차림의 80%를 벌채하고 상업적 단일 작물을 재식했습니다. 이들은 일반적으로 수분을 유지하는 낙엽수를 태우고 공중에서 제초제를 살포하여 재성장을 제한함으로써 토양 속 생명체를 죽입니다. 일차림은 어린 조림지보다 토양을 결합 하고 물을 분배하는 균근균류 종을 10배 더 많이 보유할 수 있습니다.6 산업용 벌목에 사용되는 중장비도 토양을 압축합니다.최종 결과는 땅에 많은 나무가 생길 수 있지만, 고대의 다양한 조상들만큼 효과적으로 물을 흡수, 저장 및 증산하지 못합니다.사실, 너무 많은 공동체 구성원이 없어서 일부 생태학자들은 이러한 조림지를 숲이라고 부르기를 거부합니다.하지만 지구 기후 모델에서 두 가지는 상호 교환 가능합니다. 오늘날의 모델은 나무 제거를 반영하고 있으며, 아마존 삼림 벌채와 같은 광역적 인간의 영향은 "기후에서 감지 가능한 특징을 가지고 있다"고 슈미트는 말하며, 이것이 열대우림의 추가 건조로 이어진다고 덧붙였습니다 .
그는 20세기에 숲이 다시 자라면서 미국 동부에서 감지된 토지와 공기의 냉각을 인용하며 재조림 또한 모델에서 눈에 띄는 영향을 미칠 수 있다고 말했습니다 .7
Lawrence는 기후 모델이 육지 면적의 24%를 차지하는 초원의 건강에 대한 미묘한 차이도 부족하다고 말했습니다. IPBES 8에 따르면 초원이 우세한 건조 지역의 약 70%는 사막화와 관련된 활동인 방목에 사용됩니다. Lawrence 는 "일부 모델에는 방목이 전혀 포함되지 않습니다."라고 말했습니다. 그는 이것이 자신과 Simpson의 연구 결과에 영향을 미칠 수 있다고 인정했습니다.
또한 Lawrence는 연구에서 육지 면적의 10%가 산업 농업(방목 제외)으로 덮여 있어 영양소, 토양 및 물 사용량에 변화를 주지만 "그 중 아무것도 포착되지 않는다"고 말했습니다.
그럼에도 불구하고 모델은 개선되고 있습니다. 로렌스는 20년 전에는 땅을 "녹색 점액질로, 물통이 있는" 것으로 표현했다고 말했습니다. 오늘날 모델은 토지 이용 변화, 눈 내리는 과정, 그리고 "식물이 사물을 어떻게 매개하는지"를 일부 포착합니다.
이러한 발전을 이어가려면 더 많은 기초 연구가 필요합니다. 각 장소마다 고유한 식물, 동물, 균류 군집이 있기 때문에 일반화만으로는 정확한 결과를 얻을 수 없습니다. 필요한 것은 더 많은 데이터와 각 생태계를 구성하는 개체 간의 상호작용에 대한 연구입니다. 이로 인한 복잡성을 처리할 수 있는 컴퓨팅 성능 또한 또 다른 장벽입니다.
로렌스와 동료들은 이러한 격차를 해소할 수 있는 차세대 모델을 개발하고 있습니다. 그는 이 모델들이 "산림과 생태계의 규모와 연령 구조를 훨씬 더 풍부하게 설명할 수 있게 되어, 산불이나 벌목과 같은 교란 사건의 영향을 훨씬 더 현실적인 방식으로 포착할 수 있게 될 것"이라고 예측했습니다.
변화하는 분야
기후 과학에서 생물학과 생태학의 역할을 더 잘 이해하는 것은 기후 정책과 행동에 심오한 영향을 미칩니다. 기후 위기는 종종 이산화탄소 배출 문제로만 단순화됩니다. 화석 연료 사용을 중단하는 것은 매우 중요하지만, 탄소 근시안은 역효과를 낳는 '해결책'을 낳을 수 있습니다. 태양광 발전소가 자연 서식지를 파괴하거나, 사람들이 더 많은 탄소를 저장하려는 잘못된 시도로 빠르게 자라는 소나무나 유칼립투스를 심기 위해 온전한 숲을 벌목하는 경우가 그 예입니다. 다시 말해, '자연적 기후 해결책'은 탄소 플럭스 계산 그 이상을 의미합니다.
보난은 자신을 포함한 기후 모델러들이 위성에서 내려다보거나 수학적 모델을 실행함으로써 얻을 수 있는 이해의 깊이를 과대평가할 위험이 있다고 경고합니다. "땅에 실제로 살고 매일 땅을 경험하는 사람들은 우리보다 훨씬 더 깊이 있는 지식을 가지고 있습니다. 이는 사람들이 이해해야 할 중요한 개념입니다."
현장에서 일하는 생태학자들과 원주민, 그리고 땅을 돌보고 땅에 직접적으로 의존하는 사람들은 종종 인간 이외의 존재가 행위 능력을 가지고 있으며, 그들의 공동체가 집단 지성을 가지고 있다고 말합니다. 이러한 관점에서 볼 때, 모든 생명체는 생존에 필요한 것, 특히 물을 추구하며, 이들의 상호 작용은 스스로 강화되는 생태적 안정을 만들어냅니다. 이러한 생각과 더불어 인간이 토지와 수자원에 가하는 막대한 파괴에 대한 인식은 생물다양성, 물, 그리고 기후 문제를 동시에 해결하는 해결책을 옹호하는 연구자들과 국제 정책 기구들의 목소리가 높아지는 계기가 되었습니다.
복잡한 생태계를 보호하거나 복원하고, 토지의 물 흐름을 늦추며, 물을 빠르게 증발시키는 인간 활동을 교정하는 토지 관리는 극심한 홍수, 가뭄, 폭염, 해수면 상승, 로스앤젤레스에서 발생한 화재와 같은 기후 변화의 영향으로부터 지역 사회를 보호할 것입니다. 또한, 지구 공동체가 에너지 전환과 함께 토지 관리를 중요한 기후 해결책으로 받아들인다면, 누적된 영향은 현재 우리가 이해하는 것보다 더 클 수 있습니다. 시간과 더 나은 모델이 그 답을 알려줄 것입니다.
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