지구를 분석한다 대기 수문 순환 모델 aogcm

텔레비전 뉴스에서 기상 캐스터가 내일의 날씨를 예보하거나, 기후학자들이 "2050년에 지구 온도가 2도 더 오르면 해수면이 1미터 상승할 것입니다"라고 끔찍한 경고를 내놓을 때, 우리는 궁금해진다. 도대체 저들은 무슨 마법의 구슬을 들여다보고 30년 뒤의 폭우와 태풍을 그토록 단호하게 예언하는 걸까? 그들의 예언 뒤에는 마법이 아니라 우주에서 가장 덩치가 크고 가혹한 수학 방정식들의 뭉치가 존재한다. 지구 전체의 공기, 바닷물, 구름, 햇빛을 수억 개의 픽셀(격자)로 쪼개어 가장 강력한 슈퍼컴퓨터에 쑤셔 넣고 실시간으로 지구의 미래를 돌려보는 가상 현실 뮬레이터. 현대 기상학과 기후 과학의 결정체인 '대기-해양 대순환 모델(AOGCM, Atmosphere-Ocean General Circulation Model)'의 미친 계산 속으로 들어가 보자.

지구를 깍두기처럼 썰어라, 3차원 그리드(Grid)

지구의 날씨는 바람, 온도, 습도, 기압이 미친 듯이 엉켜서 만들어내는 거대한 카오스(혼돈)다. 이것을 한 번에 계산하는 것은 신이라도 불가능하다. 그래서 과학자들은 지구를 수학적으로 '깍두기 썰기'를 해버렸다. 지구 표면 전체를 마치 바둑판처럼 수백 킬로미터 단위의 네모난 칸(격자, Grid)으로 잘게 쪼갠 뒤, 대기권 끝까지 아파트 층수를 올리듯 수십 개의 층(Layer)으로 쌓아 올렸다. 바닷속 깊은 심해 역시 똑같이 수십 개의 층으로 잘게 쪼갰다. 이렇게 하면 지구는 수천만 개의 3차원 큐브(상자) 덩어리로 변신한다. AOGCM의 핵심은 이 수천만 개의 상자 하나하나마다 현재의 온도, 기압, 바람의 속도 데이터를 쑤셔 넣고, 서로 옆에 있는 상자들끼리 10분 뒤에 어떤 공기와 열을 주고받을지를 물리학 공식(유체역학 방정식)으로 계산해 내는 것이다.

대기와 해양의 거대한 결합(Coupling)

과거의 날씨 모델은 단순히 하늘에 떠 있는 공기(대기 모델)만 계산했다. 하지만 공기만 계산해서는 100년 뒤의 기후를 절대 맞출 수 없었다. 지구 온난화의 찌는 듯한 열기를 대부분 빨아들이고, 거대한 해류(컨베이어 벨트)를 돌리며 전 지구의 에너지를 섞어주는 진짜 범인은 '바다(Ocean)'였기 때문이다. 바닷물이 증발해서 하늘의 구름이 되고, 구름이 비를 뿌려 바다의 염도를 바꾸면 다시 해류가 느려지는 끔찍한 연쇄 반응. 과학자들은 하늘을 돌리는 수학 공식(대기 모델)과 바다를 돌리는 수학 공식(해양 모델)을 톱니바퀴처럼 완벽하게 맞물려 돌리는 '결합(Coupling)'에 성공했다. 이것이 바로 AOGCM(대기-해양 결합 모델)이 현대 기후 예측의 끝판왕이 된 이유다.

나비 효과와의 싸움, 슈퍼컴퓨터의 한계

이론은 완벽하지만, 계산의 양이 끔찍하게 많다. 수천만 개의 상자가 10분마다 주고받는 상호작용을 100년 치를 미리 돌려보려면, 1초에 수조 번을 계산하는 국가 기상청의 초대형 슈퍼컴퓨터도 며칠 밤을 벌겋게 열을 뿜으며 끙끙대야 한다. 더 무서운 적은 '나비 효과(카오스 이론)'다. 태평양 한가운데 상자에 온도를 0.1도만 잘못 입력해도, 10년 뒤 시뮬레이션 결과에서는 뉴욕에 허리케인이 치느냐 맑은 날씨냐가 완전히 뒤바뀌어 버린다. 초기 데이터의 미세한 오차가 미래의 끔찍한 괴물로 증폭되는 것이다.

앙상블(Ensemble) 예측, 여러 개의 미래를 돌리다

나비 효과의 오류를 잡기 위해 과학자들은 꼼수(앙상블 기법)를 쓴다. 한 가지 모델만 돌리고 끝내는 것이 아니라, 초기 조건을 아주 미세하게 다르게(온도를 0.01도씩 다르게) 설정하여 슈퍼컴퓨터를 50번, 100번 반복해서 돌려본다. 그 결과 100번의 미래 중 80번의 시뮬레이션에서 '비가 온다'고 결과가 나오면, 뉴스에서 "내일 비 올 확률은 80%입니다"라고 발표하는 것이다. 미래를 하나의 정답으로 맞추려는 오만을 버리고, 확률로 접근하는 현대 과학의 지혜다. ![왼쪽에는 맑고 푸른 오늘 하늘을 보여주고, 오른쪽에는 AOGCM이 2050년을 위해 구성한 끔찍한 극심한 지구 온난화 붉은 시뮬레이션을 보여주는 분할 화면](https://image.pollinations.