지구온난화의 원인은 태양일까?
나는 지난 8월말, 유튜브에 <지구인을 위한 오답노트>라는 영상을 만들어 올렸다. 사실, DMT PARK의 첫번째 기후관련 영상은 보다 긍정적인 방향을 바라보고 있었다. 기후과학에 대한 쉽고 정확한 설명에 기반하여 지금 인류가 겪고있는 기후변화의 원인이 그들 자신에게 있다는 사실을 알리는것이 애초에 생각했던 방향이었다. 하지만 나는 문득, 정답이 왜 정답인지 설명하는것 보다 오답이 왜 오답인지를 설명하는것이 더 강력한 학습효과를 줄 수 있단걸 느꼈다. 그런데 사실 돌아보면, 나 또한 기후과학을 배우는 과정에서 알게 모르게 그런 경로를 밟아왔다.
내가 그 무엇보다 궁금 했던것은 ‘실제로 지구의 기후가 인류활동으로 인해 변하고 있는지’ 여부를 확실히 판별하는 것이었다. 기후전문가[1]가 아닌 내가 이를 위해 할 수 있는 최선의 방법은 무엇인가? — 분명, 기후변화 부정론자들의 주장을 들어보는건 한가지 훌륭한 선택지였다. 그들이 제시하는 ‘명백한 증거’ 속에서 확실한 모순을 찾을 수 있다면 — 다시말해 내가 기후변화 부정론의 핵심을 확실하게 부정 할 수 있다면, 그것은 답을 찾아나가는 중요한 나침반 역할을 해줄것이 분명해 보였다.
그래서 나는 기후과학을 공부하는 동시에, 주류 기후과학을 공격하는 반대주장들 또한 열심히 찾아보고 주의 깊게 들어 보았다. 헌데 부정론자들의 모순을 찾는건 생각보다 너무 싱거운 일이었다. 그들은 상상했던것보다 훨씬 더 노골적인 음모론자들이었다.
이번 포스팅에서는 기후변화 부정론자들 논리구조의 가장 밑바닥에 자리잡고 있는 ‘태양 입사량’에 대해 상세히 살펴보려 한다. 먼저, ‘태양이 기후를 결정한다 ’고 주장하는 윌리순 Willie Soon의 발표를 들어보자. 그는 아래 네장의 PPT를 통해 다음과 같이 주장한다 :
❛ IPCC를 비롯한 주류 과학계는 조작된 태양 입사량을 취사선택하여 태양의 영향을 축소하고 있다 ❜
[slide #1]
❛ 태양입사량 Total Solar Irradiance, TSI의 원본데이터는 10W/m2 이상의 큰 편차를 보인다. 이들을 통해 실제 입사량을 추정하는 통합과정에는 많은 논쟁이 있다. ❜
[slide #2]
❛ 다양한 기관에서 다양한 방법으로 TSI 데이터의 통합을 시도하였다. 하지만 이들은 서로 다른 결과를 내놓았다. ❜
[slide #3]
❛ IPCC는 PMOD의 TSI compsition을 취사선택했다. 하지만 우리가 ACRIM composition을 통해 추정한 TSI는 IPCC의 결과와 근본적으로 다르며, 이는 태양이 기후에 끼치는 영향이 지대함을 말해준다. ❜
[slide #4]
❛ IPCC는 도시열섬효과로 오염된 온도 데이터와 실제 태양활동과는 다른 PMOD 데이터를 취사 선택하여 ‘지구온난화는 인류가 배출한 CO2 때문’이라는 결과를 조작해냈다. 하지만 도시열섬효과의 영향을 받지 않는 시골온도 그래프와 우리가 ACRIM data를 기반으로 추정한 태양 입사량은 서로 매우 긴밀한 상관관계를 보인다. 따라서 현시대의 지구기후를 결정하는 주요인은 온실가스가 아니라 태양이다. ❜
… 과연 IPCC보고서는 조작일까? TSI와 관련한 다양한 연구결과를 바탕으로 Soon의 주장을 한줄한줄 분석해보자.
태양광 패널에도 수명이 있듯, 대기권을 벗어나 태양의 강한 에너지를 받는 복사계radiometer 또한 무한정 오래 쓸 순 없다. 그 수명은 대략 10년이며, 그 이상 장기적인 TSI를 측정하기 위해서는 주기적으로 새로운 위성을 쏘아올려야 한다. 그렇게 TSI data set은 1978년 10월 Nimbus7을 시작으로 다양한 위성에 의해 측정되었다 :
Fig #1. 1978년부터 2011년 까지의 TSI raw data[2]
Soon이 slide#1에서 지적했듯, 서로 다른 프로젝트를 통해 측정된 TSI는 10W/m2 이상의 넓은 범위를 가지고 퍼져있다. 예를들어 ERB와 ACRIM1은 동일한 시기에 측정된 TSI인데도 불구하고, 아래위로 평행이동 한듯 약 4W/m2의 거리를 두고 있다[3]. 그런데 NASA와 콜로라도 볼더 대학의 대기우주물리 연구소 LASP가 기후연구를 위해 2003년 쏘아올린 SORCE 위성이 측정한 TSI는 유독 낮다. Fig #1를 전체적으로 보면 1978년 부터 2010년까지 10W/m2 이상 큰 폭으로 떨어지는 장기적인 경향성이 있는것처럼 보이기도 한다. 과연 그런 장기적인 변화는 실제하는가? 또한 같은 기간동안 다른 장비에 의해 측정된 TSI는 왜 다른 값을 가지는가? 무엇이 실제 TSI이며, 우리는 어떤 기준으로 위 raw data들을 통합해야 하는가?
Soon은, 마치 이런 raw data에 대한 통합이 여전히 큰 숙제이며 동시에 큰 논란인것 처럼 말한다. 하지만 그런 논란은 존재하지 않는다. 그것은 오직 Soon과 같은 부정론자들의 마음속에만 있다.
처음부터 완벽한 측정은 없다. 예를들어 다양한 기관에서 내놓은 지구평균온도변화 그래프를 보면, 과거로 거슬러 올라 갈수록 기관사이의 편차는 커진다. 이는 당연한 현상이다. 시간을 거슬러 올라 갈수록 측정장비의 정확도와 관측의 기술적 수준이 떨어지기 때문이다. 또한 측정에 대한 여러가지 문제들은 긴 시간속에서 연구자들 사이의 치열한 논쟁을 통해 점진적으로 개선된다. TSI 또한 마찬가지다. 첫 측정부터 20여년간 TSI가 참값에 비해 0.3% 이상 크게 측정되었던 것은, 초기 측정장비에 구조적 문제가 있었기 때문이다. 우선 먼저, TSI를 측정하는 원리를 간략히 살펴보자.
모든 파장영역에 대한 태양에너지를 정확히 측정하기 위해선 어떤 방법이 좋을까? 기본적으로 모든 TSI 측정은 태양에너지를 열로 변환환뒤 그 열 에너지를 측정하는 방식을 사용한다. 보다 구체적으로는 이렇다 : 입사되는 모든 파장영역의 태양빛을 최대한 흡수하는 ‘흑체 공동 blackbody cavity’을 아래에 두고, 그것을 일정 온도에서 열적평형상태를 유지하도록 조절한다 생각해보자. 이 상태에서 흑체가 태양에너지를 흡수하면 동일한 온도로 유지하기위한 에너지는 줄어들것이고, 그 줄어든 양이 바로 흑체에 입사된 태양에너지 이다. 초기 TSI 장비의 문제는, 태양빛이 흑체공동으로 입사되는 그 통로에 있다. 태양빛이 흑체로 입사되는 과정에서 발생한 원치않는 산란scattering 으로 인해 기준영역에 대한 실제 입사량보다 더 많은 빛이 흑체로 유입되었던 것이다.
SORCE 위성에 실린 TSI 측정장비인 TIM Total Irradiance Monitor은 재료의 개선과 정확한 교정, 노이즈 저감, 전자/광학 시스템 개선 등 정확한 TSI 측정을 위한 다방면의 진전을 이뤄냈다. 태양빛이 흑체로 입사되는 통로의 구조를 바꿨다는것은 특히나 더 중요한 개선점 이었다 :
Fig #2. TIM 이후(좌)와 이전(우)의 cavity 통로 구조[4]. TIM 이전의 입사량이 참값에 비해 0.3% 이상 크게 차이났던 이유는, 태양빛이 cavity로 들어오는 중에 입구 가장자리에서 산란된 빛(오른쪽 도식의 초록색 화살표)이 추가유입 되었기 때문이다.
TIM 이전 장비들에선 태양빛이 비교적 큰 입구View-Limiting Aperture를 먼저 지나면서 원치 않는 산란에너지 Fig #2 오른쪽 도식의 초록색 화살표 가 흑체 공동으로 입사되었다. View-Limiting Aperture 가장자리에서 산란된 빛 일부가 흑체로 유입되면서 기준으로 삼는영역 바깥의 에너지 일부가 TSI data에 추가된 것이다. TIM은 보다 작은 구경을 가지는 조리개Precision Aperture를 태양빛이 흑체 공동을 향해 처음 들어오는 입구의 위치로 올리면서 Fig #2 왼쪽 구조 그러한 산란문제를 개선하였다. 그렇게 개선된 cavity 구조는 SORCE 위성 이후 모든 TSI 측정의 표준이 되었다 :
Fig #3. 1978년 11월 첫 측정부터 2024년 12월 까지의 TSI 원본데이터 (Kopp’s TSI). VIRGO와 ACRIM3 데이터에는 산란에 대한 보정이 적용되었다.
VIRGO와 ACRIM3는 SORCE위성이 발사될 당시에 한창 진행 중이던 TSI 측정 프로젝트이다. 이들은 해당 프로젝트 전체 raw data에 산란효과에 대한 보정을 적용하으며, SORCE 이후 모든 TSI 측정장비는 좁은 조리개를 입구로 쓰고 있기에 이들은 더이상 이전과 같은 1365 W/m2 이상의 높은 TSI 값을 내지 않는다.
이렇게 TSI 초기측정에 존재했던 큰 문제 하나가 해결되었지만, 또 다른 중대한 문제가 남아있었다 : 78년부터 지금까지의 TSI 데이터들을 어떻게 통합 할것인가? — 이 문제에서 가장 많이 거론되는 두가지 통합방법이 바로 ACRIM Composite와 PMOD Composite 이다 :
Fig #4. 1978년 부터 2004년 사이 TSI 데이터에 대한 PMOD 합성과 ACRIM 합성[5]. TIM 측정은 위 결과가 발표될 당시부터 시작되었고, 이 그래프에는 산란문제에 대한 보정이 적용되지 않았다. ACRIM과 PMOD의 근본적 차이점은 89년 부터 92년의 데이터를 어떻게 다루느냐에 있다. 역시나 연두색으로 표시된 초기 HF 데이터 또한 주목해서 보기 바란다. TSI를 가장 처음 측정한 HF 복사계HF radiometer는 장비자체에 많은 문제를 안고있었고, 이로인해 Nimbus7의 활동기간 전체에 대한 상당한 보정이 필요했다.
PMOD와 ACRIM 사이의 가장 중요한 차이점은 Fig #4에서 연두색으로 표시된 89년부터 91년 기간에 있다. ACRIM에서는 이 기간동안 TSI가 일관되게 상승하고 있다고 보기 때문에 96년의 TSI 저점은 86년의 저점보다 0.5W/m2 가량 높다. 반면 PMOD에서는 해당기간동안 일관된 상승이 없다고 보기 때문에 96년 저점은 86년 저점보다 오히려 0.1W/m2 가량 더 낮다. 과연 PMOD와 ACRIM 사이의 이런 차이는 무엇 때문인가? 무엇이 실제 TSI와 더 가까우며, 실제 TSI는 어떤 근거로 추정할 수 있나? — 이에 답하기 위해서는 먼저, ACRIM의 뼈아픈 사연을 들어봐야 한다.
앞서 TIM 장비를 콜로라도 대학에서 개발했다 했는데, 그보다 20여년 앞서 칼텍Caltech 에서는 TSI의 장기측정을 위해 ACRs Active Cavity Radiometers를 개발했었다. 애초에 그들은 3번의 ACRIM 프로젝트 ACRIM1/2/3를 통해 3번의 태양주기를 커버하는 장기 TSI 측정을 계획하고 있었다. 그 프로젝트 전체에서 지켜져야 했던 중요한 조건 한가지는, 이전 프로젝트는 다음 프로젝트와 일정기간 겹쳐야 한다는 것이었다. 이전 프로젝트가 진행되는 중에도 다음 프로젝트를 위한 장비개선은 중단되지 않기에, 서로 다른 프로젝트의 관측데이터를 서로 비교하고 통합하기 위해서는 일정기간동안 동시측정 할 필요가 있는 것이다. Fig #4를 보면, ACRIM2와 ACRIM3는 00년부터 02년까지 대략 2년여의 동시측정 기간을 가진다. 하지만 ACRIM1과 ACRIM2 사이엔 오히려 89년부터 91년까지 2년 이상의 gap이 존재한다. ACRIM팀은 왜, 연속측정이 필수였던 자신들의 프로젝트에 그런 gap을 뒀을까? 그들도 그러고 싶어서 그랬던게 아니다. 그 gap은 챌린저호 참사로 인한 불가피한 결정이었다.
TSI 측정장비인 TIM과 ACRs는 각각 콜로라도 대학과 칼텍에서 개발되었다. 하지만 그 모든 장비들은 위성에 실려 우주로 쏘아올려져야 하므로, TSI 측정장비를 개발하는 연구자들은 NASA와 한팀이 되어 프로젝트를 진행한다. 하지만 1986년 — NASA는 챌린저호 참사라는 큰 사건을 겪었고, 그들은 향후 몇년동안 계획되어있던 거의 모든 프로젝트를 연기하는 결정을 내렸다. ACRIM2 장비를 싣고 570km 상공으로 쏘아올려질 계획이었던 위성 UARS 또한 그 대상에 포함되었고, 30년 이상을 커버하는 중단없는 TSI 측정을 시도했던 ACRIM 프로젝트엔 큰 상처가 남게 된것이다.
하지만 2년의 gap 때문에 30년의 전체 프로젝트를 폐기할 순 없었다. 그래서 그들은 다른 위성의 TSI 데이터로 ACRIM1과 ACRIM2를 이어붙였다. 그리고 ACRIM composition의 문제는 바로 그 연결지점에 있다.
ACRIM composite에선 ACRIM1과 ACRIM2사이의 gap을 메우기 위해 위성 Nimbus7에 실려있던 ERB의 데이터를 수정없이 그대로 삽입했다. 앞서 산란문제를 설명했지만, 초기 TSI 측정에는 많은 문제들이 있었다. 그중에서도 Nimbus7의 TSI 데이터는 가장 큰 편차를 보인다. 게다가 Nimbus7의 TSI 측정장비 HF radiometer Hickey-Frieden radiometer는 89년 기준으로 이미 10년 이상 사용된 상태여서, ERB 데이터엔 장기사용으로 인한 장비의 성능저하 영향도 포함되어있었다.
ERB 데이터에 보정이 필요하단 사실은 같은 기간동안 별개의 위성인 ERBS를 통해 측정된 데이터를 봐도 쉽게 알 수 있다. Fig #4 그래프 상단에 하늘색으로 표시된 ‘ERBS’ 데이터를 보라. 이 데이터 set에서는 89년에서 91년 사이에 Nimbus7에서 측정된 상승경향성이 나타나지 않는다[6], [7].
이정도만 봐도, Nimbus7 데이터를 ACRIM gap에 그대로 삽입하는데엔 상당한 문제가 있단걸 알 수 있다. 만약 Nimbus7이 맞다면 같은 기간동안 왜 ERBS는 감소했는지 알아야 하고, ERBS가 맞다면 왜 같은 기간동안 Nimbus7은 증가했는지를 알아야 한다.
해서, 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 89년부터 91년 사이 기간의 TSI를 직/간적으로 추정 할 수 있는 다양한 지표들을 분석했다. 많은 지표들 중 측정이 가장 쉬우면서도 꽤나 정확한 방법은, 태양흑점갯수의 변화를 보는 것이다 :
Fig #5. 지난 400년에 대한 태양 흑점갯수 변화
<지구인을 위한 오답노트>를 유심히 보셨다면 아마, 흑점활동과 태양활동 사이에 존재하는 긴밀한 상관관계에 깊은 인상을 받으셨을 것이다. 그런데 사실, 태양흑점의 온도는 주변보다 2,000도 가량 낮다. 순수하게 태양표면을 덮고있는 흑점영역만을 고려한다면, 그 갯수가 늘고 검은 영역이 증가할 수록 태양입사량은 줄어들어야 하는것이다. 하지만 흑점 주변에는 항상 그것을 상쇄하고 남을 만큼의 밝은 부분이 존재한다. 그 어두운 부분과 밝은 부분은 항상 쌍으로 나타나기 때문에, 흑점의 증가는 곧 태양활동의 증가로 이어지는 것이다.
이 글을 꼼꼼히 읽고 계신분들은 위에서 보셨겠지만, Fig #1과 #3 아래엔 월평균 흑점갯수 변화가 이미 그려져있다. 태양활동이 최대일땐 점들이 다소 산발적으로 찍혀있어 증감 경향성을 명확히 판단하긴 어렵지만, 통계처리 해보면 ACRIM gap에서 흑점갯수는 하강경향성을 보인다. 흑점 갯수는 1989년 11월에 212.5개로 해당 cycle에서 최대치를 찍고, 그 이후로 감소경향성을 보인 것이다. Fig#5의 검은선은 10년 정도 긴시간 범위에 대해 흑점갯수를 평균낸것인데, 80년대 후반에서 90년대 초반을 거치며 흑점이 증가하지 않았다는 사실은 이 그래프를 통해서도 재확인 할 수 있다. ACRIM gap에서의 태양활동을 추정할 직접지표들은 흑점 말고도 여럿 있다.
태양에서 방출되는 전자기파의 특정 파장을 선별적으로 관찰하면 해당 파장에 대응되는 특정한 물리활동의 정도를 알 수 있다. 저주파 영역의 F10.7은 전자의 운동정도를, 고주파 영역의 MgⅡ index는 태양의 자외선 방출정도를 알려주는 지표인데, 이들 또한 ACRIMP gap 속에서 지속적인 증가경향을 보이지 않는다 :
Fig #6. 태양활동을 추정 할 수 있는 직접 지표들 (2004, Fröhlich). F10.7은 태양표면에서 자유롭게 운동하는 전자의 활동성을 나타내고, Mg Ⅱ Index는 태양의 자기장 복사정도를 나타낸다. 이 두 지표 모두 89년 부터 91년까지의 ACRIM gap에서 증가경향을 보이지 않고, ACRIM 합성에서 보이는 86년 저점과 96년 저점 간의 차이도 없다.
F10.7은 태양에서 오는 10.7cm 파장의 복사선 세기를 나타내는 지표이다[8]. 태양은 전자가 원자핵과의 전기적 인력을 이겨내고 자유롭게 움직일 수 있을만큼의 강한 열 에너지를 지니고 있다. 그리고 태양에서 자유롭게 움직이는 전자는 열운동으로 인한 제동복사 Bremsstrahlung나 자기장 속에서의 나선운동으로 인해 싱크로트론 방사Synchrotron radiation를 낼 수 있는데, F10.7은 그 전자기 복사의 세기를 나타낸다.
MgⅡ index는 이온화된 마그네슘 원자 Mg-의 특정 방출 스펙트럼선의 세기를 나타내는 지표이다. MgⅡ이온은 약 280nm 파장에서 ‘h line’과 ‘k line’으로 불뤼는 이중 스펙트럼 구조doublet를 가진다. 이런 특정 스펙트럼의 날카로운 peak[9]는 비교적 부드럽게 변하는 태양 전체 스펙트럼에 비해 그 세기변화를 측정하기가 수월하다. MgⅡ index는 특히나 태양이 내는 자외선 복사에 대한 지표로 쓰인다.
Fig #6에서 보이듯, 전자의 운동으로 인한 F10.7와 태양의 자외선복사 정도를 나타내는 MgⅡ index 모두 80년 후반부터 90년 초반까지 일정한 증가경향을 보이지 않는다. F10.7와 MgⅡ index엔 흑점데이터에선 알 수 없었던 중요한 정보도 담겨있는데, 그것은 바로 TSI 저점에 대한 정보이다. 흑점이 최소일땐 그 갯수가 0을 스치기 때문에 86년 저점과 96년 저점 사이에 어떤 차이가 있는지 명확히 알기 어렵다. 하지만 F10.7과 MgⅡ index는 각 저점에서 0보다 큰 값을 가지므로 해당 지점에서 전자활동과 자외선 복사가 얼마나 활발했는지 비교 할 수 있다. Fig#4에서 봤듯, ACRIM composition에선 86년의 TSI보다 96년의 TSI가 0.5W/m2 가량 더 높다. 하지만 F10.7과 MgⅡ index 에선 그런 86년과 96년 사이의 차이는 없다. 태양에서 전자의 활동과 자외선 복사정도는 86년과 96년이 거의 같고, 이는 PMOD에서 본 TSI 그래프의 경향과 일치한다.
태양의 활동은 기본적으로 태양을 관찰함으로써 알 수 있지만, 그것은 지구에도 관측가능한 영향을 남긴다 :
Fig #7. 태양 흑점갯수 변화(검은색)와 지구 자기장 교란정도를 나타내는 두가지 지수 (푸른색, 붉은색)[10]. 지자기장 지수는 태양풍 세기에 영향을 받기 때문에 이는 태양활동을 추정 할 수 있는 간접지표이다. 그리고 이 지자기장 지수 또한 80년대 중반부터 90년대 중반 기간 속에서 ACRIM 합성과는 반대 경향을 보인다.
aa 지자기 지수aa geomagnetic index와 Ap 지자기 지수는 서로 다른 두지점간 지구 자기장의 차이를 나타내는 지표이며, 이는 지자기장 교란을 일으키는 태양풍의 영향을 받는다. 태양에서 날아오는 하전입자의 바람을 태양풍 solar wind이라 하는데, 태양이 활발히 활동할땐 강한 태양풍으로 인해 지자기장 교란이 심해지고 자기장 지수는 증가한다[11].
Fig#7에서 나타난 86년부터 96년 사이 지자기장 교란정도의 변화는 앞서봤던 흑점갯수 / F10.7 / MgⅡ index의 변화와 동일한 경향성을 보인다. 우선, 90년 중후반의 지자기장 교란 저점은 80년 중후반의 저점보다 낮다. 그리고 그 두 저점 사이의 증감 경향성을 보면, 지자기 교란지수 또한 ACRIM composition에서 나타나는 ‘긴 증가에 이은 짧은 감소’가 아니라 PMOD composition에서 나타나는 ‘짧은 증가에 이은 긴 감소’의 경향을 보인다.
부정론자들은 마치 IPCC가 어떤 결론을 정해놓고 그 결론에 맞게 데이터를 조작하거나 취사선택하는것 처럼 말하지만, 현실은 정반대이다[12]. 지금껏 봤듯 태양입사량 측정과 통합엔 여러문제가 있었고, 관측장비 문제와 태양에 대한 다양한 직/간접 증거를 종합분석했을때 실제 태양입사량과 가장 가까운 결과는 PMOD였다. 이에대한 모든 근거와 논리는 IPCC 보고서에 상술 되어있다. 2007년 4차, 2013년 5차 보고서에서 IPCC는, 그들이 왜 ACRIM보다 PMOD가 더 실제 TSI에 가깝다고 생각하는지에 대해 다음과 같이 설명하고 있다 :
2007년 IPCC 4차 보고서 > Working Group Ⅰ > 2.7.1.1.2 Observed decadal trends and variability :
지금까지 다양한 TSI의 통합데이터가 복사량 직접 측정결과를 서로다른 방법으로 조합함으로써 구축되었다. PMOD의 TSI 합성에는 Solar Maximum Misson의 ACRIM1, Nimbus 7의 HF radiometer, UARS의 ACRIM2 그리고 SOHO의 VIRGO 장비의 측정결과가 사용되었고, 복사계 사이 편차를 결정하기 전에 각 복사계의 감도 변화를 분석하였다. 반면 ACRIM의 TSI 합성은 VIRGO 대신 ACRIMSAT[13]의 관측결과를 사용하였고, 이미 원래 데이터에 복사계 감도 변화가 완전히 고려되어 있다 가정하고 그들을 교차 교정했다. 세번째 합성법은 … (중략) … . 하지만 각 합성방법에 대한 선형적 기울기는 서로 다르다. 1986년과 1996년 태양활동 저점에서의 수치도 다르다. 이러한 차이는 TSI 합성과정에서 서로 다른 교차 교정 방법이 적용되었고, 측정장비의 감도변화를 다루는 방식 또한 달랐기 때문이다. … (중략) …
ACRIM 합성에서 27년 동안 TSI가 0.04% 이상 증가한 것은, 이는 비록 아직 완전히 이해되진 않았지만, 그 원인은 태양활동 자체가 아니라 측정장비에 있는것으로 보인다. ACRIM 합성에서 나타난 1989년과 1992년 사이의 TSI 증가는 Nimbus 7 데이터에만 존재하는 특별한 사건이다. 같은기간 독립적으로 측정된 ERBS 관측에서는 그러한 증가가 없다. … (중략) …
현재까지 알려진 태양활동과 복사량 변화에 대한 자료들은 86년과 96년의 태양활동 최소점에서 복사정도가 비슷했음을 보여준다. 태양의 흑점sunspots과 백점faculae은 현대 태양 복사량 변동의 주원인으로 알려져 있다. 태양의 가시광선 이미지를 통해 흑점영역을 직접 계산하고, 마그네슘 지수를 근거로 백점 활동을 추정하여 이 둘을 모두 고려한 모델링 결과 또한 그 두 저점 사이에 어떤 장기적인 변화경향성을 나타내보이지 않는다. 또한 현대적 장비를 통해 측정한 은하 우주선 galactic cosmic rays, 10.7cm flux 그리고 aa 지자기 지표 또한 ACRIM에서와 같은 두 저점 사이의 증가경향을 보이지 않는다.
2013년 IPCC 5차 보고서 > Working Group Ⅰ > 8.4.1.1 Satellite Measurements of Total Solar Irradiance :
1978년부터 여러 독립적인 위성장비들이 TSI를 직접 측정했다. 이들을 통합하는 세가지 주요방법으로는 ACRIM, RMIB, PMOD가 있다. ACRIM과 PMOD 사이에는 두가지 주요 차이점이 있다. 첫번째는 1981년 이전 데이터에 대한 PMOD와 ACRIM의 교정과정에서 급격한 편차가 나타난다는 것이다. 이는 ACRIM은 HF 복사계 데이터를 그대로 가져다 쓴 반면 PMOD는 HF 복사계의 측정초기 문제들에 대해 재평가 과정을 거쳤기 때문이다. RMIB 또한 포함되는 두번째 차이는, ACRIM1의 후반부와 ACRIM2의 전반부 사이의 gap을 연결하는 부분에 있다. 이 차이는 해당기간 동안 HF장치가 일관된 측정을 하지 못했기 때문일 수 있다. ACRIM에서는 이 가능성을 무시했는데, 이는 한주기의 태양활동에 대해 TSI가 0.5W/m2 이상 증가했다는 결론으로 이어졌다. 이러한 차이는 3가지 합성방법에 대해 TSI의 서로 다른 장기적 트렌드로 나타났다. ACRIM은 96년까지 증가하다 감소하며, RMIB는 2008년까지 일관된 상승 경향성을 보인다. PMOD는 다른 두 합성결과와는 달리 86년부터 지속적인 감소경향성을 보이는데, 이런 경향성은 흑점갯수 변화의 장기적 경향성와 일치한다. 게다가 ACRIM의 TSI는 우주선cosmic ray 변화와 비교할 때 태양활동주기보다 긴 시간에 속에서 양의 상관관계를 보이는데, 이는 현재까지 재구성된 거의 모든 TSI와 반대의 경향성이다. 더 나아가 ACRIM의 TSI를 과거로 연장한 결과는 마운더 극소기 때 강한 태양활동이 있었음을 말해주는데, 이 또한 거의 모든 TSI의 재구성 결과에 반한다. 마지막으로, 장비의 성능저하 문제와 방향정렬 문제 그리고 태양 자기장 지도solar magnetograms를 통해 독립적으로 추청된 TSI는 HF 데이터에 대한 수정이 필요함을 확인시켜 주었고, 따라서 우리는 PMOD를 다른 합성결과보다 더 실제와 가깝다고 결론내렸다.
Soon은 slide#1과 #2에서 TSI 원본 데이터와 그에 대한 여러가지 합성방법을 보여주며, 마치 기후과학이 허술한 측정과 마구잡이식 연구에 기반하는것 같은 뉘앙스를 풍겼다. 그런데 이는, 확고히 다져진 과학적 기반 위에 의심의 씨앗을 뿌리는 행위다.
지금껏 살펴봤듯, TSI 측정은 초기오류들을 바로잡아가며 점진적으로 발전했고, 그것의 통합은 다양한 직/간접적 측정결과와 물리이론에 기반한 모델링을 통해 확인에 확인을 거치며 가다듬어져 왔다. 그리고 Soon은 다음 슬라이드로 넘어가며, 자신이 뿌린 그 의심의 씨앗 위에 물을 붇는다.
slide#3에서 Soon은 3가지 통합 TSI 각각을 기반으로 과거로 연장된 TSI를 보여주며 PMOD와 RMIB와는 반대로 최근 수십년동안 ACRIM은 뭔가 엄청난 폭으로 변하는것 처럼 말하고 있다. 하지만 이는 청자에 대한 기만이다. 그 어떤 composition도 그런 급격한 증감경항을 보이지 않는다. 모든 TSI 측정/통합 결과는 ACRIM gap 근방에서 최대 0.5W/m2 가량의 차이만 보일뿐, 그 모두는 대략 1361W/m2을 중심으로 ±1W/m2 범위 안에 있다 :
Fig #8. 어떤 TSI의 합성결과도 지난 40년동안 일관된 증가 경향을 보이지 않는다[14]. 반면 같은 기간동안 지구평균온도는 1도 가량 올랐다. Stefan-Boltzmann law로 계산해보면, 지구온도를 1도 올리기 위해 필요한 에너지는 약 3.7W/m2이다. 그리고 2022년 기준, 산업혁명 이후 태양 에너지의 변화는 약 +0.01W/m2이고 인류활동으로 인한 온실효과의 변화는 약 2.9W/m2 이다[15]. 이러한 forcing에 대해 water-vapor feedback을 비롯한 여러가지 feedback이 더해지며 지구온도는 산업혁명 이후 현재까지 약 1.2도 가량 상승한 것이다. 오늘날의 기후변화는 태양 때문이 아니라, 인류활동으로 인해 증가한 온실효과 때문이다.
그리고 Soon은 slide#3에서, ‘ACRIM 데이터를 기반으로 지난 300년동안의 TSI를 재구성한 결과 PMOD와는 다른 매우 놀라운 결과를 얻었다 ’고 주장한다. TSI가 지난 300년간 5 W/m2 정도의 매우 큰 폭을 가지고 요동쳤다는 것인데, 그는 이를 통해 현시대의 기후변화를 결정하는 것은 온실효과의 변화가 아니라 태양활동의 변화라고 결론짓는다. 하지만 이 또한, 모든 내막을 알고나면 그냥 듣는것도 낯뜨거울 정도의 무지한 주장이다.
이번 포스팅에서 다루고있는 Soon의 발표는 2023년 2월 25일, 미국의 보수 씽크탱크인 Heartland Institute의 후원으로 진행되었다. 헌데 slide#3 가장 오른쪽 그래프 위를 가만 보라. 그들의 TSI 합성법은 Hoyt와 Schatten의 30년전 연구에 기반하고 있다. 그 오래된 연구논문의 제목은 <그럴듯한 태양 복사량 변화에 대한 논의 A discussion of plausible solar irradiance variations>인데, 이 논문의 결과는 태양흑점 활동에 대한 잘못된 가정에 기반한 잘못된 결과이다[16]. <HS93>으로 불뤼는 이 논문은 흑점활동과 TSI 사이엔 약 11년의 시차가 있다고 가정하고 있는데, 그런 시차는 존재하지 않는다. 흑점은 태양표면에서 강한 자기장으로 인해 플라즈마의 흐름이 정체된 지점이다. 따라서 흑점활동은 태양표면의 자기장 활동을 나타내고, 태양표면의 자기장변화은 즉각적으로 TSI를 변화시킨다.
Soon은 초기장비의 성능저하를 고려하지 않은 ACRIM 데이터에 태양흑점에 대한 잘못된 가정을 더해 ‘아주 흥미로운 태양! A very intersting Sun!’을 만들어냈다. 그리고 그는 그 다음 슬라이드에서 의심의 씨앗에 싹을 틔워 기후과학을 그럴듯해보이는 plausible 덩굴로 덮으려 한다.
slide#4에서 그는, ‘아주 흥미로운 태양’ 그래프를 ‘시골 온도 데이터’와 비교한다. 그리고 그 둘은 서로 기가막히게 겹쳐진다. 하지만 그 ‘시골온도’라는 것은 그들이 제멋대로 취사선택한 지점에 대한 온도이다 :
Fig #8. 윌리 순은 도시열섬효과를 배제하기 위해 지구온도 그래프를 그릴때 도시를 제외해야 한다고 주장한다. 헌데 그들이 제외하는 것은 도시 뿐만이 아니다. 그들은 남반구를 제외하고 바다도 제외한다. 왜 시골중에서도 미국과 중국과 아일랜드와 북극의 일부 지방만을 택했는지는 잘 모르겠다. 그런데 왜 쌩뚱맞게 아일랜드가 들어갔는지는 알것같다. 윌리순이 리더로 있는 ‘CERES-Science’는 윌리순과 두명의 아일랜드 사람Ronan Connolly와 Michael Connolly으로 이루어진 단체이다.
반면 IPCC의 온도그래프는 NASA, 영/일 기상청, 미 국립 해양 대기청, 유럽 중기 기상 예보센터 등에서 독립적으로 내놓은 결과를 모두 포함하고 있으며, 그 결과는 ‘시골’, ‘북반구’, ‘육지’와 같은 특정 조건을 두는것이 아니라 모든 위/경도를 포함한 지구 전체를 대상으로 한다[17]. 그 지구평균온도는 지난 40여년간 태양입사량과는 반대로 가고있다. 태양은 오늘날 겪고있는 기후변화의 원인이 아니다 :
Fig #9. 지난 120년 동안의 태양활동 변화와 지구온도 변화[18]
나는 포스팅 <‘기후변화 부정론’은 음모론이다>를 쓴 직후 잠시동안 고민했다. ‘과연 ‘음모론자’는 기후변화 부정론자들에게 쓰기엔 과한 표현인가? 지구가 평평하다 주장하는 이들과 기후변화 부정론자들을 동일선상에 놓는것은 옳은가? ’ 하지만 이후 부정론자들의 밑낮을 보다 가까이서 보게되었고, 그들은 내가 알아온것 보다 훨씬 더 무지하고 노골적인 음모론자라는걸 알게되었다. 지금은 ‘음모론자’라는 표현도 부족하다 느낀다.
윌리순은 미국을 대표하는 기후변화 부정론자이다. 그리고 박석순은 대한민국 대표이다. 그런데 <지구인을 위한 오답노트> 공개 직후, 박석순은 자신을 비판하는 영상도 아닌었건만 2주에 걸쳐 영상 6개를 올리며 적극적인 반박에 나섰다. 기후전문가를 자처하는 이가 논문이 아닌 유튜브를 통해 반박한다는 사실도 놀라웠지만 [19], 나를 더욱 놀라하게 했던건 그의 무지였다.
그는 TSI 원본 데이터를 이번 기회를 통해 처음봤다고 말했다. 나는 그가 그정도로 무지할줄은 몰랐다. 그는 IPCC를 비롯한 모든 메이저 과학기구가 조작을 일삼고 있다고 주장한다. 그런 주장을 담은 여러 저서와 역서도 있다.하지만 그는 무엇이 어떻게 조작되었는지, 그 원본 데이터를 한번도 본적이 없는것이다[20]. 그런데 과거에 그가 <지구의 온난화 신음 안들리나> 같은 사설을 쓴걸보면, 자신이 무슨말을 하는지 모르는건 예나 지금이나 마찬가지 인것 같다.
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[1] 헌데 누가 ‘기후 전문가’인가? 사실 기후연구를 위해선 매우 다양한 분야간의 긴밀한 협동이 필요하다. 예를들어 이번 포스팅에서 논할 주제인 ‘태양’만 보더라도 그렇다. 위성을 통해 태양에너지를 측정하는 사람, 그 위성을 만드는 사람, 그 위성에 실리는 복사계 radiometer를 만드는 사람, 태양 플라즈마에 대한 MHD 시뮬레이션을 개발하는 사람, 흑점을 비롯 태양표면의 활동을 연구하는 사람, 태양풍solar wind을 측정하고 연구하는 사람, 태양풍이 지구자기장에 끼치는 영향을 연구하는 사람, 강력한 태양풍이 일으키는 CME coronal mass ejection를 연구하는 사람, CME가 지구에 끼칠 영향과 대비책을 연구하는 사람, Parker Solar Probe를 쏘아올려 태양을 근접촬영하며 연구하는 사람 … . ‘태양’ 하나만 하더라도, 당장에 다 열거 할 수 없을 정도로 많은 연구주제들이 있다. 기후연구는 그 방대한 각각의 주제와 그 사이 상호작용에 대한 연구를 필요로한다.
[2] Greg Kopp's TSI Page (이하 Kopp’s TSI)
[3] 이 정도의 입사량 차이는 지구기후에 지대한 영향을 준다. 참고로 산업혁명 이후 온실가스로 인해 증가한 단열효과의 정도는 약 3~4W/m2 수준이다 : Indicators of Global Climate Change 2022: annual update of large-scale indicators of the state of the climate system and human influence (2023, Earth System Science Data)
[6] 이에 대한 수치적인 분석은 다음 논문을 참고 바란다 : Long‐term total solar irradiance variability during sunspot cycle 22 (1995, Lee)
[7] 그런데 ACRIM팀은 왜 사용기간이 더 짧았던 ERBS가 아니라 Nimbus7의 데이터를 썻을까? 그건 아마도, ERBS의 TSI 측정주기가 너무 길어서 였을 것이다. Nimbus7은 매일매일 연속적으로 TSI를 측정했지만, ERBS는 2주에 한번씩 - 그리고 한번에 3분씩 할애하여 TSI를 측정했다. 따라서 매일매일에 대한 연속적인 TSI 그래프를 그리기 위해 남아있는 선택지는 오직 Nimbus7 데이터 밖에 없었던 것이다.
[9] 키르히호프의 복사법칙은 ‘좋은 흡수체good absorber는 좋은 방사체good emitter’ 임을 말해주고 있다. 따라서 특정 파장에서 강한 흡수를 보이는 원자나 분자는 동시에 같은 파장에서 강한 복사를 낸다. 지구의 복사 스펙트럼을 대기권 밖에서 측정하면 CO2 분자와 오존분자의 날카로운 방출 peak를 볼 수 있는데, 이는 성층권의 CO2와 O3가 내는 열복사이다. MgⅡ 또한 태양에서 비슷한 역할을 하고 있고, 우리는 이를 태양활동의 지표로 삼을 수 있는것이다.
[10] Predicting the maximum sunspot number and the associated geomagnetic activity indices aa and Ap for solar cycle 25 (2021, Astrophysics and Space Science)
[11] 최근엔 지자기장 약화가 기후변화의 원인이라는 새로운 주장을 들었다. 하지만 지자기장이 어떻든 지구로 입사되는 태양풍의 총 에너지는 전체 태양입사량의 0.0001% 수준이며, 이 중에서도 극미량만이 지자기장과 대기층을 뚫고 지표로 입사된다. 상세한 내용은 다음 포스팅을 참조바란다 : <기후변화의 원인은 지구 자기장 약화?>
그들은 기후관련 연구에 종사하는 모든 학자들을 연구비를 위해 양심을 포기한 집단으로 표현하지만, 사실은 정반대이다. 그들은 연구활동대신 단체를 조직하며 노골적인 후원을 요구한다. 나는 아직까지 사적후원 없이 활동하는 부정론자를 단 한명도 본적이 없고, 제대로된 연구논문을 쓰는 부정론자 또한 단 한명도 본적없다.
윌리순의 PPT자료가 담긴 논문은 그 말많고 탈많은 MDPI에 게재되었는데, 나는 부정론자들의 주장이 누구나 인정하는 제대로된 저널에 실리는걸 본적이 없다. 부정론자들은 그런 거대 저널들이 연구비를 타내기 위해 서로 담합하여 전지구적 사기행각을 벌이고 있다 비판하는데, 우리는 바로 그런 주장을 ‘음모론’이라 부른다.
[13] 본문의 ‘ACRIM3’에 해당한다. : ACRIMSat | Sun Climate
[15] Indicators of Global Climate Change 2022: annual update of large-scale indicators of the state of the climate system and human influence (2023, Forster)
[16] 보다 상세한 분석은 다음 문서들을 참조 바란다 : <A Discussion of Implausible Total Solar-Irradiance Variations Since 1700 (2024, Chatzistergos)>, <Behind the Paper : Discussion of Implausible Total Solar-Irradiance Variations Since 1700>, <RealClimate: More solar shenanigans>
[17] Soon은 지구 전체에 대한 온도변화엔 도시열섬효과가 포함되어있고 그것이 전체 데이터를 오염시킨다고 주장하는데, 전 지구적 스케일의 온난화는 도시열섬으로 인한 효과가 아니다 : <A Demonstration That Large-Scale Warming Is Not Urban (2006, Journal of Climate)>
내가 부정론자들에게 받았던 또 한가지의 무식한 지적은 ‘너는 논문이 없는데 왜 다른 사람에게 논문타령이냐’는 것이었다. 그런데 나는 기존의 기후 연구가 훌륭하게 잘되어있다 생각한다. 그들이 모두 조작이고 사기라 주장하는 사람은 박석순이고, 반박논문을 써야 할 사람은 내가 아니라 그다.
아마 외계인들이 지구에 존재하는 수많은 종류의 인간사회를 보며 가장 본받을만한 것들을 꼽는다면, 과학자 사회가 빠질 수 없을것이다. 태양을 연구하는 학자들은 ACRIM composition을 아무 이유없이 배제하지 않았다. 그들은 제기된 모든 종류의 통합방법을 논리와 이론, 그리고 여러 관측을 통해 검증했다. 그렇게 기후학자들은 어떤 결론을 정해놓고 연구하지 않는다. 그들은 CO2비료효과를 부정하지 않으며, 갑자기 해저메탄 분출로 급격한 온난화를 촉발할것이라는 식으로 기후변화 tipping points에 대한 근거없는 과장을 만들어내지 않는다. 그들은 무작정 우기는 식이 아니라 근거와 논리에 입각하여 학자들의 소통방식인 논문을 통해 싸워왔고, 내가 하는일은 내가 가진 가장 날카로운 지적도구들로 그들을 검증하는것 - 그리고 그것들을 배우고 알리는 것이다.