[미국] 기후 모델을 개선하는 에어로졸 연구
지구의 변화하는 기후에 영향을 끼치는 모든 요인 중 구름에 대한 에어로졸(aerosol)이라고 불리는 지구 대기 내 작은 입자의 효과는 최소한 잘 이해되고 있다. 에어로졸은 유입되는 일광을 산란 또는 흡수하고, 구름의 형성과 특징에 영향을 끼친다. 모든 유형의 구름 중, 해양 표면의 약 1/3을 차지하고 있는 해양 상공의 낮은 수준의 구름은 알베도(albedo) 또는 일광 에너지를 반사하여 우주로 되돌려 보내 지구를 냉각시키는 지구 표면의 반사율(reflectivity)에 가장 큰 영향을 끼친다.
최근 캘리포니아 기술 연구소(California Institute of Technology) 소속이며 나사 제트 추진 연구소(JPL; Jet Propulsion Laboratory) 소속의 박사 후 과정 연구원인 Yi-Chun Chen이 주도하는 새로운 인공위성 자료의 포괄적인 전 세계 분석은 에어로졸 수준에서 변화가 해양 상공의 온난한 구름에 어떻게 영향을 끼치는지에 대하여 정량화했다. 관련 연구는 2014년 8월 3일 Nature Geoscience 저널 온라인 판에 발표됐다.
에어로졸 수준(aerosol level)에서 변화는 두 가지 중요한 효과를 가진다. 에어로졸 수준은 대기 중에서 구름의 양을 변화시키고, 구름의 특성을 변화시킨다. 수증기는 에어로졸 입자를 구름 입자 또는 구름 얼음 입자(cloud ice particle)로 응결시키고, 따라서 보다 더 높은 수준의 에어로졸은 더 많은 구름을 의미한다. 구름 특성에 관하여 증가된 에어로졸 수준은 구름에 있는 구름이 비를 내리느냐 또는 내리지 않느냐, 대기의 안정성 및 상층 대류권에서 습도 수준(humidity level) 등에 따라 액체 물의 양을 증가시키거나 감소시킨다.
연구팀은 두 가지 효과를 최초로 실질적인 추정을 제공하기 위하여, 2006년 8월부터 2011년 4월까지 A-Train(Afternoon Constellation)이라고 알려진 지구 관측 인공위성의 국제 기지에서 다수의 인공위성으로부터 730만 개의 개발 자료를 분석했다. 즉, 연구진은 해양 구름과 상호작용하는 에어로졸에 의해 행상되는 복사 강제력을 정량화하기 위하여, 지구 관측 인공위성인 A-Train 무리로부터 얻은 다수의 측정을 포괄적으로 분석하여 제시했다. 특히 연구진은 같은 기간 동안 전 세계 해양 상공의 같은 위치에 있는 구름과 에어로졸의 관측을 분석했다.
에어로졸 농도에서 변화는 구름 알베도(cloud albedo)와 지구의 복사 균형(radiative balance)에 영향을 끼친다. 미시 및 거시적 구름에 대한 대기 에어로졸의 효과 때문에, 산업 혁명 이전부터 현재까지 에어로졸 복사 강제력(aerosol radiative forcing)은 기후 변화에 대한 외부 영향 중 가장 큰 불확실성을 내재하고 있다. 모든 구름의 형태 중 낮은 수준 해양 구름(low-level marine clouds)은 지구의 알베도에 가장 큰 영향을 행사한다. 예를 들면, 전 세계 해양 층운형 구름(stratiform clouds)의 알베도가 6% 증가한다면, 알베도 증가는 대기 중 이산화탄소가 2배로 증가하는 결과로 얻어지는 온난화를 상쇄할 수 있다. 해양의 온난한 구름 특성은 에어로졸 수준, 대규모 역학 또는 열역학 상태 등에 의존하는 것으로 여겨지고 있다.
연구진은 각각의 효과가 유사한 크기를 가진다는 것을 확인했다. 구름의 양의 변화와 구름의 내부 특성 변화가 모두 지구를 냉각시키는 데 동일하게 중요한 기여를 하는 것으로 연구진은 확인했다. 게다가 연구진은 이러한 유형의 구름에 대한 에어로졸의 영향으로부터 발생하는 전체적 영향이 유엔(UN; United Nations)의 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC; Intergovernmental Panel on Climate Change)가 발표한 최신 보고에서 추정한 것보다 거의 2배 이상 크다는 것을 확인했다.
이러한 결과는 온난한 구름 공정이 변화하는 에어로졸 수준과 함께 기후 모델에 어떻게 통합될 수 있는가에 대한 독특한 지침을 제공한다고 Caltech 화학공학과 교수인 John Seinfeld는 밝혔다.
연구진은 대류권 안정성(tropospheric stability)과 자유로운 대류권에서 습도 등의 열역학적 조건과 강우 상태가 에어로졸-구름 복사 강제력의 강도와 에어로졸 존재에 반응하는 구름 액체 물을 제어하기 위하여 함께 작용한다는 것을 확인했다.
나사는 인공위성, 대기 및 지상 기반의 관측 캠페인 등을 이용하여 토양, 공기 및 우주 등으로부터 지구의 중요한 징후를 모니터링한다. NASA는 우리 지구가 어떻게 변화할 것인가에 대하여 보다 더 잘 조명하기 위하여 전산 분석과 장기적인 자료 기록을 이용하여 지구의 상호 연결된 자연적 시스템을 관측하고 연구하는 새로운 방법을 개발했다. 정부 단체는 이러한 독특한 지식을 전 세계 단체와 공유하고, 지구를 보호하고 이해하는데 기여하는 미국과 전 세계에 위치한 기관들과 함께 연구한다.
추가적인 정보는 다음의 웹사이트에서 확인할 수 있다.http://www.caltech.edu/content/study-aerosols-stands-improve-climate-models
2014년 나사의 지구 과학 활동에 관한 정보는 다음의 웹사이트에서 확인할 수 있다.http://www.nasa.gov/earthrightnow
그림1> NOAA/NASA GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)-15 인공위성으로부터 얻은 캘리포니아 해변을 따라 확인된 낮은 수준 구름(2014년 7월 26일). 새로운 NASA/Caltech 연구는 에어로졸 수준에서 변화가 지구를 냉각시키는데 도움을 주는 이러한 핵심적인 유형의 구름에 어떻게 영향을 끼치는지를 조사했다.
Study of aerosols stands to improve climate modele
Of all the factors that influence Earth's changing climate, the effect that tiny particles in Earth's atmosphere called aerosols have on clouds is the least well understood. Aerosols scatter and absorb incoming sunlight and affect the formation and properties of clouds. Among all cloud types, low-level clouds over the ocean, which cover about one-third of the ocean's surface, have the biggest impact on the albedo, or reflectivity, of Earth's surface, reflecting solar energy back to space and cooling our planet.
Now a new, comprehensive global analysis of satellite data led by Yi-Chun Chen, a postdoctoral fellow at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, and a joint team of researchers from JPL and the California Institute of Technology in Pasadena, has quantified how changes in aerosol levels affect these warm clouds over the ocean. The findings appeared Aug. 3 in the advance online version of the journal Nature Geoscience.
Changes in aerosol levels have two main effects -- they alter the amount of clouds in the atmosphere and change their properties. Water vapor condenses on aerosol particles into cloud droplets or cloud ice particles, so higher levels of aerosols mean more clouds. With regard to cloud properties, increased aerosol levels can either increase or decrease the amount of liquid water in clouds, depending on whether the clouds are raining or not, the stability of the atmosphere and humidity levels in the upper troposphere. The team analyzed 7.3 million individual data points from multiple satellites in the international constellation of Earth observing satellites known as the Afternoon Constellation, or A-Train, from August 2006 to April 2011 to provide the first real estimate of both effects.
The researchers found each effect to be of similar magnitude -- that is, changing the amount of the clouds and changing their internal properties are both equally important in their contribution to cooling our planet. Moreover, they found that the total impact from the influence of aerosols on this type of cloud is almost double that estimated in the latest report of the United Nations' Intergovernmental Panel on Climate Change.
"These results offer unique guidance on how warm cloud processes should be incorporated in climate models with changing aerosol levels," said John Seinfeld, the Louis E. Nohl professor and professor of chemical engineering at Caltech.
The study is funded by NASA and the Office of Naval Research.
NASA monitors Earth's vital signs from land, air and space with a fleet of satellites and ambitious airborne and ground-based observation campaigns. NASA develops new ways to observe and study Earth's interconnected natural systems with long-term data records and computer analysis tools to better see how our planet is changing. The agency shares this unique knowledge with the global community and works with institutions in the United States and around the world that contribute to understanding and protecting our home planet.
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