미세먼지란? - 신도 모른다는 기상학

미세먼지란? - 신도 모른다는 기상학

 

작년 태풍 “솔릭”이 한반도에 상륙하느냐 마느냐, 또 하면 어떤 피해가 발생할 것인가를 놓고 한국, 일본, 미국기상청의 각기 다른 예보들을 내 놓았던 것이 기억 날 것이다. 

 

결과적으로는 한국 기상청의 예보가 가장 실 경로에 가까웠지만 태풍의 세기는 거의 열대성 저기압 수준으로 떨어져 예보 보다 훨씬 가벼운 피해만 남기고 소멸되었다. 한국민이라면 누구나 가슴을 쓸어 내렸을 것이다.

 

그 반대였다면 기상청이 얼마나 욕을 먹었을까?

 

2000년동안 인류가 연구하고 연구해서 찾아 낸 바둑 정석을 단 70여 시간에 모두 찾아내고 신 정석까지 발견한 “알파고 제로”(21세기 인공지능시대에 대비해서 우리 아이들을 어떻게 가르치나) 시대에 단 몇 시간 후의 기상예보가 이렇게 틀리다니 말이 되는가?

 

물리학에서 기상학은 아직도 난제중의 난제로 알려져 있다. 그래서 신도 모를 것이란 전설이 있다.

 

양자역학의 창시자중의 한 사람인 독일의 전설적 물리학자 하이젠베르크가 한 말로 전해지는 이 전설은

 

"내가 신을 만나면 두 난제에 대해 물어 볼 것이다.  상대론이 뭡니까?  난류(亂流 , turbulence)가 뭡니까? 

아마도 신도 첫 질문에만 답을 해 줄 것이다.·"

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It has long been recognized as one of the greatest unsolved mysteries in physics. The legendary quantum physicist Werner Heisenberg said it best:

“When I meet God, I am going to ask him two questions: Why relativity? And why turbulence? I really believe he will have an answer for the first.”

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태풍은 초 극대 난류다.    그러니 신도 모르는 난류(亂流)를 기상청이 예보를 잘 못한다고 욕할 수 있나?

 

이번 최악의 미세먼지 사태를 겪으면서 공부를 많이 했다.   

 

태풍이나 미세먼지 모두 터뷸런스가 깊숙히 관여하고 있다. 

 

30 편이 넘는 논문을 검색했고  내가 전에 모르던 사실들을 많이 알아 냈다.     아직도 미진하여 시간 나는 대로 연구를 계속할 것이다.    

 

이 글은 그 동안 내가 공부한 내용의 첫 포스팅이라고 할 수 있다.

 

미세먼지는 과학이다.   물리학과 기상학이 바탕이 된다.  그런데 기상학도 유체역학과 열통계물리학이 바탕이니 물리학이라고 할 수 있다.  거기다 미세먼지는 대기에 섞여 있는 오염 물질이고 이 물질이 이동하는 경로와 이 미세먼지가 어떻게 소멸하는가를 연구하려면 열 통계물리의 수송이론(transport theory)으로 접근해야 한다.  그런데 이 미세먼지의 수송이론에 터뷸런스가 깊숙이 관여한다.

 

우리는 평탄한 기상 상태엔 관심이 없다.  그저 일상이니까.

 

난류가 깊이 관여하는 이상 기상상태가 궁금한 것이다.  태풍의 발생과 경로, 미세먼지가 어떻게 이동하는가 하는 것이 큰 관심사인 것이다. 

 

그런데 그 이상 상태를 다루는 기상학은 가장 어려운 물리학이란 것을 독자는 잘 인식해야 한다.

 

그러니 일반 대중이 잘 못 이해하고 잘 못 알고 있다해도 나무랄 수 없다.  그런 이론들은 과학자가 일반 사람에게 쉽게 설명해서 이해시켜 주어야 하는데 우리나라엔 그런 전문가가 많지 않다.  

 

사실 미세먼지는 기상학과 물리학의 경계분야라 물리학자도 기상학자도 전문적으로 연구하려는 사람들이 많지 않다.

 

그런데 중국은 이 경계분야에 엄청히 많은 연구비를 투자하고 있는 것 같다.

 

내가 이 번 연구를 위해 검색한 30여편의 논문은 대부분 영문의 국제 학술지에 실린 논문들이다.    영문의 국제 학술지만이 국제적 전문가의 심사(peer review) 를 거쳐 논문이 게재되기 때문에 상당히 신뢰할 수 있다

 

그런데 그 논문의 약 70%는 중국과학자들이고 30%만이 비(非) 중국인었고 단 한편만 한국(연세대 기상학과)연구 팀의 논문이었다. 한국학자의 그것도 2010 년도 논문었으니 벌써 8년전 논문이다.  그리고 구미,일 계통의 연구는 2,30년 전 것들이 대부분이다.

 

이 결과를 보면 구,미,일은 미세먼지문제를 거의 해결해서 연구를 많이 하지 않고 있고 경제수준이 올라간 중국이 자국의 미세먼지 문제가 심각하기 때문에 엄청 투자를 해서 연구를 하고 있다고 볼 수 있다.

 

이 뿐만 아니다.  작년에는 대기 오염대의 두께까지 측정할 수 있는 정지 기상위성을 성공적으로 발사했다고 보도하고 있다.  중국의 오염지역 가까이에 위치가 고정된 기상인공 위성을 성공적으로 발사해서 외국(NASA)의 인공위성에 의존하지 않고 미세먼지를 추적할 수 있게 됐다는 것이다.

 

China launches new satellite to monitor air pollution

 

 그래서 며칠전 에

The Climate and Clean Air Coalition (기후와 청정 공기 연합)이 중국을 본 받으라고 극찬했던 기사

"Beijing’s air quality improvements are a model for other cities

 

Decades of hard work and trial and error have seen significant improvements in the city’s air quality. A new report outlines these efforts and the ambitious steps Beijing is taking to continue to reduce air pollution.

by CCAC secretariat

9 March, 2019  "

 

가 헛말이 아니었음을 입증하고 있는 것이다. (출처: https://boris-satsol.tistory.com/1714 [지구별에서 - Things Old and New] )

 

그런데 미세먼지가 매일 뉴스거리가 되고 대통령이 직접 언급하고 국회가 그 잘 하는 쌈박질까지 멈추고 입법까지 했는데 CCAC의 그 기사는 언급이 없다.

 

미세먼지를 퇴출하려면 미세먼지 근본 문제부터 연구를 해야 한다.  

 

그런데 80% 가 중국발이라고 하니까 아무 연구도 안하는 것이다.  

 

정부나 정치권도 그 심각성을 인식못하고 연구도 시키지 않는 것이다. 

 

손석희 같은 영향력이 지대한 언론인이 "내일은 서풍이 불어 중국발 미세먼지가 유입되어 한 반도의 미세먼지 농도는 오늘 보다 더 나빠질 전망입니다."  같은 멘트를 아주 대수롭지않게 한다.

 

지난 포스팅에서도 말했지만 인조(anthropogenic)  미세먼지(황사가 아닌)가 가 중국에서 황해를 건너 넘어 오는 경로를 연구한 논문을 찾을 수 없었다. (서울의 미세먼지 중국발이 맞나? - 팩트체크 )

 

뿐만 아니라 내가 최근 조사 연구한 결과는 그런 가능성은 거의 없다는 것이다.

 

그런데 무슨 근거로 이런 주장들을 하는지 알아 보니 며칠전 오마이뉴스에 나온 아래 기사를 통해서 추측할 수 있었다.   어느 독자가 내 블로그 댓글에 인용해 주기를 청했던 그 기사다. (서울의 미세먼지 중국발이 맞나? - 팩트체크)

 

즉  "미세먼지 그래픽에 농락당한 대한민국, 모두 속았다"

 

특히 이 그래픽의 바람 분포와 미세먼지 분포를 보고 미세먼지가 중국에서 유입한다고 기상 캐스터가 발표하고 있는 것 같다.   이것은 아주 큰 오해다.

기후 데이터중에서 바람은 방향과 크기를 가지고 있는 벡타양이다 .이런 벡타양을 그래픽으로 나타내는 방법은 대게 화살표로 방향을, 크기를 화살의 길이로 나타내는 것이 보통이다.    아래의 그림과 같은 방법이다.

 

 

 

이런 기법을 썼다면 이 바람지도를 보고 미세먼지가 중국에서 날아 온다는 주장을 하는 사람이 없었을 것이다.

 

그런데  nullSchool의 지구 지도는 이 표준기법대신 멋을 부려서 풍속 벡타를 방향은 화살표 대신 선으로 나타내고 벡타의 향(sense)과 세기는 선의 움직임으로 나타냈다.

 

이 기법을 쓰면 한 시점에서 정지된 벡타 분포를 마치 움직이고 있는 유체처럼 오인하게 만든다.  멋을 부리다 보니 오해의 소지가 생긴 것이다.

 

그러니까 원래는 3시간 마다 업데이트하는 위와 같은 정지된 그림인데 대신 선이 움직이는 바향과 움직이는 속도로 풍속을 나타낸 것이다.  마치 실시간으로 대기가 움직이는 듯한 착각을 불러 일으킨다.

 

다시 한 번 강조하지만  애니메이션은 유체의 흐름을 나타내는 것이 아니라는 것을 알아 주기 바란다.

 

유체의 흐름이라고 오해하기 때문에 중국의 오염지역의 바람 벡타가 한 반도에까지 이어지면 그것을 마치 유체가 오염지역을 지나면서 미세먼지를 싣고(pick up) 한반도에 흘러 들어 온다고 착각을 하는 것이다.

심지어 기상전문가라는 기상캐스터까지 이 바람지도를 이런 식으로 해석해서 이 바람지도가 인공위성에서 내려다 본 유체의 흐름이라 착각하고 “미세먼지 중국발설”을 주장하는 것이다.

아래에서 이 바람지도가 무엇을 뜻하는지를 상세히 설명하겠다.

 

 

 

nullschool 바람지도

https://earth.nullschool.net/ 

애니메이션을 스크린 캡쳐를 해서

선의 움직임을 볼 수 없다.

 

 

아래에 컴퓨터 화면의 동영상을 캡쳐해서 보아야 위의 선들이 움직인다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

 

nullschool 의 바람지도를 에이메이션해서 바람의 방향을 선으로

그 세기를 선의 움직임속도로 그리면

마치도 유체가 흐르는 것 같이 보인다.

아름다운 그림이지만 해석을 잘 해야 한다.  다음 업데이트까지 변하지 않는 동영상은 바람의 방향과 세기를 나타내고 있는 것이지 움직이고 있는 대기를 나타내는 것이 아니라는 것이다.

 

 

 

위의 그림은 2019년 3월 18일 오후 6시20분에 바람분포도이고

 

 

 

가상데이터가 업데이트된 직후인 6시21분에 스크린 캡쳐한 사진이다.

같은 지점의 바람이 방향도 세기도 갑자기 바뀌었다.

  시간 정밀도때문에 생긴 불연속성을 나타낸다.

같은 지점의 바람의 방향과 세기가 갑자기 바뀐 것에 주목하기 바란다.

기상 상태가 급격한 경우는 그 3시간 간격에 엄청난 변화기 일어 날 수 있다.

 

 

따라서 이 "Eearh" 로는 아무 것도 알 수 없는 것이다.

 

그런것을 시간정밀도(temoral resoloution)라고 한다.

 

한 편 공간 정밀도는 어떤가?   Nullschool Earth 는 GFS(Global Forcast System)에서 데이터를 받아 온다고 쓰여 있다.   GFS의 공간 정밀도는

 

GFS 홈피에 들어 가면 28 km 라고 나온다.

The entire globe is covered by the GFS at a base horizontal resolution of 18 miles (28 kilometers)

 

 

서울의 폭이 거의 28 km에 해당한다.

 

 

서울 하나가 한 지점의 데이터로 쓰인다는 이야기다.   남한만 본다면 약 150 개의 데이터 포인트로 근사된다는 이야기다.   

 

28 km x 28 km 네모꼴 안의 상태는 표시할 수 없다.  서울만 해도 강남구와 도봉구의 기상상태는 다른 경우가 많다.    그런데 그 것을 한 데이이터 포인트로 어림한다면 그 정밀도가 어느 정도인지 가늠할 수 있을 것이다.

 

이런 정도의 정밀도(해상도)를 가지고 미세먼지의 경로를 왈가왈부한다는 것은 말도 안되는 것이다.

 

 

 

두번 째는 nullschool 의 지구 바람분포도는 오직 수평성분만 따지고 있다.

 

미세먼지의 분산은 대류에 의한 확산이 가장 큰 요인이다.

 

 

 

대류의 바람 분포

 

다음 포스팅에서 자세한 설명을 하겠지만 미세먼지의 분산 소실은 수평방향의 바람이 난류를 일으켜 미세먼지를 고루 섞고 대류에 의해 상층부에 확산시키는 것이 주요 기제다.  

 

이 지도를 가지고는 아무것도 알 수 없는 것이다.

 

nullschool "Earth"는 8 개의 등압면의 수평성분만 보여 준다.    기류의 큰 변화만 본다면 이 것으로 충분하지만 미세먼지의 분산에 가장 중요한 역할을 하는 바람의 수직성분이나 대류를 막는 행성경계면(planetary boudary layer)의 높이 따위는 전혀 알 수 없는 것이다.

 

 

nullschool 이 제공하는 바람분포도는 8개의 등압선 층에 한정되어 있다.

 

각 층의 바람분포는 지표에서의 바람분포와 확연히 다르다.

 

즉 기상 캐스터까지 이 nullschool "Earth" 를 가지고 미세먼지를 중국발 운운한다니 문제가 된다.  거기다 손석희같은 영향력있는 언론인이 가세하니 가짜 뉴스가 퍼지는 것이다.

 

그리고 일단 가짜 뉴스가 퍼지면 진실을 말해도 오히려 그 진실이 공격을 받는다.

 

요즘 내가 재미 있게 보고 있는 황당 액션드라마 "열혈사제"에 아래와 같은 대화가 나온다. 

 

부패한 부장검사:   

인터넷이다 뭐다 이 매체가  발달하면 말이야 사람들이 더 똑똑해 져야 되거든
근데 더 잘 속아.   그리고 나중에 진실이 떡 하니 밝혀져도  자신이 속았다는 것을 인정을 안해요. 왜? 챙피하니까.

 

부하 여검사(이하늬분): 

인정안하는 것을 넘어서 진실을 더 공격하지요 그 창피함 때문에.