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갈수록 중요해지는 대기과학의 역할과 대기과학자들 이야기

기상학을 뜻하는 ‘meteorology’란 단어는 기원전 350년경 고대 그리스의 철학자인 아리스토텔레스가 출판한 《Meteorologica》에서 유래되었다. 아리스토텔레스는 태양의 열은 공기 속에서 수분을 상승시켜 냉각한 다음 강우로서 지표면으로 되돌아온다고 했다. 그 당시 사람들은 이미 강우량과 같은 기본 날씨 자료들을 기록하고 있었지만, 날씨를 이해하게 된 것은 19세기에 와서야 비로소 조금씩 이루어졌다. 이것은 매우 서서히 진행되었으며 20세기까지도 과학자들은 과학적인 주제로서 기상학을 인식하지 못했다. 물리학과 화학을 전공한 대부분의 젊은 과학자들은 기상학 분야를 노력할 만한 가치 있는 학문으로 생각하지 않았기 때문에, 존경받는 학문 분야로 발전하는 데 큰 방해를 받을 수밖에 없었다.
대기 현상에 관심을 가진 사람들은 그것을 조사하기 위한 적절한 측기들을 가지지 못했다. 기압은 날씨와 기후를 연구하는 데 가장 기본적인 현상 중의 하나이다.
1643년 이탈리아의 수학자인 에반젤리스타 토리첼리가 기압을 측정하는 수은기압계를 발명했다. 온도를 잴 수 있는 믿을 만한 도구는 1724년 다니엘 가브리엘 파렌하이트가 최초의 수은온도계를 발명함으로써 생겨났다. 눈여겨봐야 할 것은 1752년 벤자민 프랭클린이 번개가 전기의 방전현상이라는 것을 증명함에 따라, 날씨와 관련된 신비로운 현상들의 일부가 초자연의 기적이 아니라 과학적으로 설명될 수 있는 현상으로 대체되었다는 것이다.
잉글랜드의 약제사인 루크 하워드는 1802년 구름을 분류하는 시스템을 설명함으로써 대기 상태를 객관적인 수단으로 전환시킬 수 있다는 사실을 알려주었다. 또한 그는 1837년 최초의 기상학 교과서로 알려진 《기상학에 관한 7번의 강의록》을 출판했다. 그 당시 아마추어 기상학자들은 상당한 객관성을 가지고 날씨 현상을 설명하고자 했지만, 바람의 특성을 전달하는 수단이 여전히 매우 주관적이었기 때문에 생명을 담보로 일하고 있는 선원과 해상 여행자에게 효과적으로 전달되지 못했다. 이에 날씨 통보를 표준화할 필요성을 느낀 아일랜드 수로학자인 프랜시스 보퍼트 경은 국제적으로 채택되는 풍력계급을 고안했다.
19세기 동안 유럽의 기후는 현재와 같이 그리고 역사에 기록된 바와 같이 온화했다. 그러나 수만 년 전 대부분의 북반구는 거대한 얼음으로 덮여 있었다. 스위스 출신의 박물학자 루이 아가시는 지질학 자료를 이용하여 지구의 기후가 상당한 시간 동안 변화를 경험했다는 것을 보여주는 빙하시대의 증거를 밝혀냈다. 지구의 운동도 하나의 인자로서 국지기후와 계절기후 변동에 영향을 미치는데, 윌리엄 페렐은 수학적으로 대기와 해양에 관련되어 나타나는 유체 순환 모형을 설명했다. 아일랜드의 자연철학자인 존 틴들은 복사열의 투과에 영향을 미치는 대기 기체, 특히 수증기와 이산화탄소의 양의 변동과 기후 변화를 연관시켜 설명했다.
1869년 클리블랜드 애비는 ‘매일 날씨 알림판’을 만들어 대중들에게 그날그날의 날씨를 통보해주고 미합중국 국립기상국을 창설했지만, 여전히 경험적인 날씨 예보가 그대로 남아 있는 실정이었다. 그러나 노르웨이의 물리학자 빌헬름 비에르크네스가 이런 단점을 보완했다. 그는 자연 활동의 증거에 물리법칙을 적용시켜 대기 중의 기단의 움직임을 과학적으로 설명함으로써 기상학을 과학으로 전환시켰던 것이다. 비에르크네스의 기단 활동의 연구와 전선 특성 연구는 현대 기상학의 토대를 형성한 이론들이다. 그러던 중 대기에 대한 인간 활동의 영향과 같은 날씨와 기후와 관련된 현재 이슈들이 파울 크루첸과 같은 유명한 과학자들의 관심을 끌게 되었다. 파울 크루첸은 지구의 방패인 오존층을 파괴하는 과정들을 연구하여 1995년 노벨 화학상을 수상하기도 했다.
<천재들의 과학노트 6 대기과학자들>은 이런 위대한 과학자들의 업적과 그로 인한 변화를 시대별로 정리해 소개했다.

황사, 미세 먼지, 태풍, 장마와 가뭄까지 우리 생활과 밀접하게 관련있는 대기과학이 과학으로 인정받기 시작한지는 얼마 되지 않았다. 위대한 대기과학자 10인의 연구와 삶을 통해 바라보는 대기과학의 역사와 영향, 미래 학문으로써의 대기과학을 살펴보자!

지구의 날씨를 연구하는 기상학의 목적은 날씨를 일으키는 모든 인자들과 날씨 상태를 예측할 수 있는 모든 인자들과의 상호작용을 이해하는 것이다. 현재 기상학자들은 천재지변을 일으키는 날씨 사건들을 예보하고자 노력하고 있을 뿐만 아니라, 맹렬한 허리케인을 약화시키기 위해 인공 강우를 위한 구름 씨 뿌리기와 같은 일시적인 날씨 조절 방법을 연구하고 있다.
“인간이 세계 기후에 미친 효과가 무엇인가?”이다. 이 질문과 관련된 것은 대기 중의 온실기체 양의 증가 추세와 미래에 어떻게 이들의 효과가 전 세계 평균 기온에 영향을 미칠 것인가에 있다. 10인의 대기과학자들이 들려주는 대기과학은 여러분에게 과거에서 시작해 미래를 보는 과학의 힘을 선물할 것이다.

곤충이 낮게 날면 비가 온다, 거미집에 이슬이 맺히면 그날은 맑다와 같은 속담을 들어본 적이 있을 것이다. 지구에서 날씨는 매우 중요했다. 그리고 인간의 삶에서 대기의 중요도는 더더욱 높다. 가뭄, 홍수, 바람, 태풍, 미세먼지 등은 이제 우리 삶의 방향을 정하는데 크든 작든 관여하고 있다. 날씨가 더우면 에어컨을, 추위의 유무에 따라 옷부터 난방용품의 활용도가 달라지고 미세먼지는 건강에 대한 관심으로 이어진다.
전 세계 규모 또는 국지 규모의 대기 현상을 다루게 된다면, 지구의 날씨에 영향을 미치는 인자들을 이해하는 데 물리학과 화학의 원리가 필요하다. 태양으로부터 받는 열에너지는 지구 대기의 온난화에 필수적이지만, 지구가 구형으로 되어 있기 때문에 지역에 따라 가열되는 정도가 다르고 시간에 따라서도 다르게 나타난다. 적도 지역은 태양에 가장 가까운 곳이기 때문에 극 지역보다는 직접 복사를 더 많이 받게 된다. 이러한 결과로 인해 전 세계에 걸쳐 여러 지역에서 발생하는 기단은 서로 다른 온도를 가지게 된다. 지구는 태양 주위를 공전하면서 경사진 지축을 따라 자전한다. 이러한 지축의 경사는 하루 동안, 1년 동안, 심지어 수천 년 동안 온도 변화의 원인이 되고 있다. 태양에 의한 지표면 가열은 액체 상태의 물을 기체 상태의 수증기로 바꾸어 상승시킴으로써 대기 중에 습기를 공급한다. 습기를 포함한 습윤공기는 건조공기보다 더 빨리 상승하고, 냉각하고, 물방울로 응결하고, 구름을 형성하고, 강수가 되어 다시 지표면으로 되돌아온다. 대기를 구성하는 기체 분자들도 복사를 흡수하고, 열을 가두고, 복사를 반사시켜 우주 공간과 지구 표면으로 되돌아가게 만든다. 온난공기는 한랭공기보다 밀도가 더 적기 때문에 상승하고, 반대로 더 한랭하고 더 밀도가 큰 공기는 하강한다. 이런 현상은 기압에 의해서 이루어진다. 이러한 모든 인자들은 물리적 성질이 다른 공기 덩어리인 기단을 형성하여 성질이 다른 기단들이 만나는 경계에서 전선을 형성하게 된다. 전선은 뇌우와 저기압과 같은 날씨 현상을 설명하며, 바람은 기압 차가 많은 기단들이 만날 때 강화된다. 그리고 기압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 분자들이 밀려 들어가 평형 상태를 만든다.
기상학을 뜻하는 ‘meteorology’란 단어는 기원전 350년경 고대 그리스의 철학자인 아리스토텔레스가 출판한 《Meteorologica》에서 유래되었다. 아리스토텔레스는 태양의 열은 공기 속에서 수분을 상승시켜 냉각한 다음 강우로서 지표면으로 되돌아온다고 했다. 그 당시 사람들은 이미 강우량과 같은 기본 날씨 자료들을 기록하고 있었지만, 날씨를 이해하게 된 것은 19세기에 와서야 비로소 조금씩 이루어졌다. 이것은 매우 서서히 진행되었으며 20세기까지도 과학자들은 과학적인 주제로서 기상학을 인식하지 못했다. 물리학과 화학을 전공한 대부분의 젊은 과학자들은 기상학 분야를 노력할 만한 가치 있는 학문으로 생각하지 않았기 때문에, 존경받는 학문 분야로 발전하는 데 큰 방해를 받을 수밖에 없었다.
과학의 특징은 의문의 대한 해답을 끊임없이 찾는 것이다. 이 책에서 언급된 선구자들은 지구 대기에서 일어나는 놀라운 일들을 집요하게 파고들어 업적을 쌓은 사람들이다. 또 현재의 과학자들은 전임자에 의해 제기된 새로운 의문점의 답을 얻기 위해 과감하게 도전하고 있으며, 미래 기상학자들과 기후학자들은 현재 연구에서 제시된 의문점을 해결하기 위해 부단히 노력하게 될 것이다. 다시 말해 빙하가 풍부했던 시대와 비교적 온난했던 시대를 통해서 일어난 전 세계 기후 주기처럼 일부 밝혀진 현상들도 있지만, 아직도 풀리지 않은 많은 의문점을 해결하기 위한 연구와 도전도 계속될 것이다.

추천의 글ㆍ4
이 시리즈를 펴내며ㆍ6
머리말ㆍ8

수역학의 창설자, 에반젤리스타 토리첼리ㆍ16
수은기압계의 발명｜갈릴레오 갈릴레이와 인연을 맺다｜기압계의 발명
수학의 공헌｜너무 이른 죽음｜온도계는 어떻게 작동하는가?

기상학ㆍ해양학ㆍ물리학 분야의 거목, 벤자민 프랭클린ㆍ34
번개는 전기 현상일 뿐｜아버지를 존경했던 소년｜인쇄견습공으로 일하던 시절
파란만장한 인생 이야기｜가난한 리처드의 책력｜펜실베이니아 벽난로
목숨을 건 전기 실험｜회오리바람과 만류에 관한 연구｜세상에 남긴 위대한 업적
그래서 무슨 일이 벌어지는 걸까?

구름학의 시조이자 구름 작명가, 루크 하워드ㆍ62
새로운 과학의 언어｜하늘 지켜보기｜과학에 대한 남다른 열정
구름 분류법과 구름 명명법｜기상학에 관한 권위｜현대의 구름 분류
구름은 어떻게 형성되는가?

바람 연구에 대한 식을 줄 모르는 열정, 프랜시스 보퍼트 경ㆍ84
풍력계급을 확립하다｜바다에 꿈을 싣고…｜전함을 지휘하고픈 열망
표준 날씨 통보의 필요성｜좀 더, 조금 더 정확하게…｜보퍼트 풍력계급
해양기상학 분야에서 거둔 업적｜무엇이 공기와 물을 이동시키는가?
모리와 보퍼트 풍력계급

빙하시대는 있었다!, 루이 아가시ㆍ108
빙하시대의 존재를 처음으로 증명하다｜동물학자로 출발｜거대한 빙하가 스위스를
덮고 있었다!｜빙하 연구에 미친 사나이｜과학의 개척자｜고기후학의 선구자
빙하란 무엇인가?｜지구의 운행은 기후에 어떤 영향을 미치는가?

기상역학의 원조, 윌리엄 페렐ㆍ136
페렐의 법칙｜시골 마을의 수학자｜기상학계의 뉴턴
움직이는 물체에 대한 자전 효과｜조석을 예측할 수 있는 기계의 등장
조석│ 코리올리 효과

보이지 않는 기체의 효과를 찾아서, 존 틴들ㆍ154
미립자에 의한 빛의 연구로 ‘틴들현상’ 발견｜측량사로 시작하여 자연철학 교수가 되기까지
빙하는 어떻게 움직이는 걸까?｜기상학의 주춧돌, 수증기｜하늘은 왜 푸른가?
유용한 안개 기적을 만들기 위해｜자연발생설의 패배｜자연철학의 대중화
온실 이론의 아버지

미국 최초의 날씨 예보관, 클리블랜드 애비ㆍ174
날씨 통보의 네트워크 설립｜천문학자의 꿈
천문대의 수장이 되어 이룬 쾌거, ‘매일 날씨 알림판’｜국립기상대의 창설
시간에 대하여…｜미국이 낳은 훌륭한 공무원｜시간 측정

현대 기상학의 아버지, 빌헬름 비에르크네스ㆍ196
대기 중 기단의 움직임을 연구하다｜3대에 걸친 과학 사랑｜물리 유체역학에 집중하다
야심 찬 프로그램｜대기 내의 전투｜현대 기상학의 아버지｜그 아버지에 그 아들

오존층의 고갈을 예측한 대기화학의 선구자, 파울 크루첸ㆍ218
존경받는 대기화학자, 노벨 화학상을 받다｜고난의 시간들｜두 번째 경력
초음속 여객기와 인공적인 염소｜오존 구멍｜바이오매스 연소와 핵겨울
그의 업적은 영원하다｜노벨상 공동 수상자, 마리오 몰리나

역자의 말ㆍ242