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[윌로우 양자 혁명의 시작(7·끝)] 윌로우, 양자 도약과 인류의 미래⋯기술 철학의 새로운 미래를 열다
- 양자 컴퓨터는 이제 공상 과학이 아닌 현실이다. 구글이 개발한 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우(Willow)'는 계산 능력의 한계를 넘어 새로운 가능성의 문을 열었다. 하지만 기술의 발전은 단순히 효율성과 성능의 문제로 끝나지 않는다. 윌로우는 인간의 윤리와 사회적 책임, 기술과 철학의 경계선에서 중요한 질문을 던지고 있다. 이번 회에서는 윌로우가 인류의 미래에 제시하는 철학적·사회적 의미를 탐구하며, 기술의 진정한 의미를 되짚어본다. [편집자 주] 자연의 언어를 읽다…양자역학의 운영체제 양자 컴퓨팅은 자연의 언어, 즉 양자역학을 기반으로 작동한다. 고전 컴퓨터가 0과 1의 이진법으로 정보를 처리한다면, 양자 컴퓨터는 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)을 활용하여 훨씬 더 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다. 윌로우는 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나가 10의 25제곱년 걸리는 계산을 5분 이내에 수행했다. 10의 25제곱년은 글로 표현하면 10,000,000,000,000,000,000,000,000년이다. 이 엄청난 숫자는 물리학에서 알려진 시간 척도를 넘어 우주의 나이를 크게 넘어선다. 이처럼 윌로우는 인간이 과거에는 상상조차 하지 못했던 문제를 해결할 수 있는 능력을 제공하지만 이와 동시에 윤리적 문제를 동반한다. 양자 컴퓨터가 기존 암호학 기술을 무력화하는 것처럼, 윌로우의 기술은 오용될 경우 사회적 갈등을 유발하거나 개인의 프라이버시를 침해할 가능성이 있다. 양자 컴퓨터는 RSA, ECC와 같은 기존 암호 체계를 빠르게 해독할 수 있다. 이로 인해 양자 내성 암호(Quantum-Resistant Crystography) 개발이 중요해 지고 있다. 아울러 양자 컴퓨팅 기술과 함께 양자 암호학(QKD)을 활용해 해킹에 강한 통신 네트워크 구축이 가능하다. 이처 양자 기술의 발전에는 책임감 있는 사용과 윤리적 가이드라인이 필수적이다. 기술의 목적이 무엇인지, 그리고 이를 통해 어떤 가치를 실현할 것인지에 대한 사회적 논의가 필요하다. 신약 개발 등 첨단 기술 앞당겨 양자 컴퓨터는 분자의 복잡한 상호작용을 시뮬레이션할 수 있어 신약 개발 시간을 단축하고 성공률을 높일 수 있다. 아울러 방대한 유전체 데이터를 효율적으로 분석하여 맞춤형 치료제 개발에 기여할 수 있다. 양자 시뮬레이션을 통해 신소재 개발에 기여할 수 있다. 예를 들어 초전도체나 고성능 배터리 소재 등 새로운 물질의 특성을 정확히 예측하고 최적화된 재료를 설계할 수 있다. 양자 컴퓨터는 기존의 머신러닝 알고리즘보다 더 빠르고 효율적으로 대규모 데이터를 설계할 수 있다. 그로 인해 데이터 분류, 클러스터링, 강화 학습 등에서 혁신적인 성능을 발휘할 수 있다. 금융 시장에서 복잡한 위험 요소를 더 정밀하게 분석해 투자 전략을 최적화할 수 있다. 양자 알고리즘을 활용해 금융 데이터의 패턴을 더 정교하게 분석하고 시장 예측력을 높일 수 있다. 아울러 기후 변화의 다양한 변수를 빠르게 분석해 더 정교한 모델을 제공할 수 있다. 국방 및 안보 분야에서 방대한 정보를 빠르게 분석해 전략적 의사 결정을 할 수 있다. 기존 레이더보다 월씬 더 정교하고 감지 능력이 뛰어난 시스템 개발이 가능하다. 그밖에 우주선의 최적 항로를 계산해 연료를 절약하고 탐사 효율을 극대화하며, 복잡한 천체 물리학 문제를 더 정확하게 해결할 수 있다. 이처럼 양자 컴퓨팅은 현재 초기 단계에 있지만 앞으로 기술이 성숙함에 따라 더 다양한 산업에서 응용될 가능성이 크다. 협력과 공유 통한 기술의 민주화 구글 퀀텀 AI는 윌로우의 기술을 독점하지 않고, 오픈소스 소프트웨어와 교육 자료를 통해 전 세계 연구자들과 공유하고 있다. 이러한 협력적 접근은 양자 컴퓨팅 생태계를 확장하고, 기술 발전의 혜택을 전 세계적으로 분배하는 데 기여한다. 이는 기술 민주화의 본보기가 될 수 있으며, 기술 발전이 일부 계층이나 국가에만 국한되지 않도록 하는 중요한 사례로 평가받고 있다. 기술과 철학, 새로운 질문을 던지다 윌로우는 단순히 계산 속도를 높이는 도구가 아니라, 인간 존재와 기술의 관계에 대한 새로운 질문을 던진다. 기술이 인간의 한계를 초월할 때, 우리는 무엇을 추구해야 할까? 기술 발전이 인류의 이익을 넘어선 순간, 우리는 어떤 선택을 해야 할까? 이러한 질문은 단지 과학자나 기술 전문가들만의 것이 아니다. 사회 전체가 윌로우와 같은 기술이 가져올 변화를 논의하고, 이를 바람직한 방향으로 이끌어야 한다. 미래를 여는 윌로우, 새로운 시작의 문을 열다 윌로우는 단순한 양자 컴퓨팅 칩이 아니다. 이는 기술과 윤리, 사회적 책임과 인간의 한계를 넘어 새로운 미래를 열어가는 첫걸음이다. 의약품 개발, 기후 변화 대응, 에너지 혁신 등 다양한 분야에서 윌로우는 인류가 직면한 난제를 해결할 수 있는 도구로 자리잡고 있다. 하지만 그와 동시에 윌로우는 우리에게 기술의 본질과 목표에 대해 다시금 생각해보게 만든다. 양자 컴퓨팅은 이제 막 시작됐다. 그리고 그 여정은 인간의 창의성과 협력을 바탕으로 계속 이어질 것이다. <윌로우, 양자 혁명의 시작> 시리즈는 양자 컴퓨팅 기술의 선두 주자인 윌로우를 통해, 기술이 인간과 사회에 미치는 영향과 가능성을 탐구하는 여정을 담아냈다. 구글의 윌로우가 열어갈 새로운 세계는 단순히 기술 혁신을 넘어, 인간 존재의 의미와 미래를 재정의하는 데 기여할 것이다. 이제 윌로우는 우리 모두에게 새로운 가능성의 문을 활짝 열어 보이고 있다.
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- IT/바이오
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[윌로우 양자 혁명의 시작(7·끝)] 윌로우, 양자 도약과 인류의 미래⋯기술 철학의 새로운 미래를 열다
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[윌로우, 양자 혁명의 시작(6)] 새로운 시대를 여는 양자 컴퓨팅…윌로우가 제시하는 미래
- 구글의 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우(Willow)'는 단순한 기술적 진보를 넘어, 인류 문명과 기술의 관계를 재정의하고 있다. 에너지, 의료, 환경 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌며 양자 컴퓨팅 시대의 가능성을 열어가고 있는 윌로우, 이번 회에서는 윌로우가 만들어갈 미래의 모습과 함께, 기술 발전이 가져올 윤리적 질문과 사회적 영향을 깊이 있게 탐구한다. [편집자 주] 양자 컴퓨팅이 가져올 기회와 도전 양자 오류를 극복한 윌로우는 에너지 혁신, 신약 개발, 환경 문제 해결 등 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 강력한 도구로 주목받고 있다. 예를 들어, 윌로우는 복잡한 기후 모델링과 도시 설계 시뮬레이션을 통해 더 지속 가능한 미래를 설계하는 데 기여할 수 있다. 또한, 약물 개발 속도를 대폭 향상시켜 난치병 치료제 개발에도 새로운 가능성을 열어 준다. 그러나 이러한 기술적 가능성은 새로운 문제를 동반한다. 양자 컴퓨터는 RSA 암호화를 비롯한 기존 보안 체계를 무력화할 수 있는 능력을 가짐으로써 금융, 국방, 개인 정보 보호 등 다양한 분야에서 심각한 위협을 가할 수 있다. 양자 컴퓨팅과 윤리…기술의 목적은 무엇인가? 기술 발전은 인간 삶의 질을 높이는 데 기여해야 한다는 점에서 윌로우의 사회적 역할은 매우 중요하다. 양자 컴퓨팅의 막대한 계산 능력이 잘 못 사용될 경우, 악의적인 해커나 권위주의적인 정부에 의해 사회적 통제를 강화하는 도구로 변질될 위험이 있다. 따라서 윌로우와 같은 양자 컴퓨팅 기술이 윤리적으로 활용될 수 있도록 투명한 정책과 규제가 필요하다. 예를 들어, 구글 퀀텀 AI는 오픈소스 플랫폼을 통해 기술을 공개하며, 학계 및 산업계와 협력하여 기술 발전의 윤리적 기준을 세우고 있다. 환경과 지속 가능성에 대한 윌로우의 기여 윌로우는 에너지 산업에서 혁신적인 역할을 할 잠재력을 가지고 있다. 예를 들자면 윌로우는 전기차 배터리와 태양광 패널의 설계를 최적화함으로써 에너지 효율성을 극대화하고 지속 가능한 에너지 전환을 가속화할 수 있다. 또한 복잡한 기후 모델링과 탄소 배출 감소 시뮬레이션을 통해 기후 변화 대응에 실질적인 도움을 줄 수 있다. 하지만 양자 컴퓨터의 운영에는 극저온 환경을 유지하는 데 상당한 에너지가 소모된다. 이는 에너지 효율성 측면에서 개선해야 할 중요한 과제로 남아 있다. 기술 민주화…협력과 공유의 필요성 구글은 윌로우 칩의 기술적 성과를 전 세게적으로 공유하며, 기술의 민주화를 실현하고자 한다. 오픈소스 소프트웨어와 교육 자료를 제공함으로써 연구자와 개발자들이 윌로우를 활용한 응용 프로그램 개발에 참여할 수 있도록 장려하고 있다. 이러한 협력은 양자 컴퓨팅 생태계를 확장하고, 기술 발전의 이점을 전 세계적으로 공유하는 데 기여할 것이다. 양자 컴퓨팅이 만들어낼 미래의 가능성 윌로우는 인류가 직면한 복잡한 문제를 해결할 강력한 도구로 에너지, 신약 개발 등 의료, 환경, 보안 등 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 것이다. 하지만 그와 동시에 윤리적 논의와 사회적 협의가 반드시 동반되어야 하며, 기술 발전이 모든 사람에게 공평하게 혜택을 줄 수 있도록 해야 한다. 다음 회에서는 양자 컴퓨팅과 철학적 관점을 중심으로 윌로우가 인류 사회에 제시하는 새로운 가능성과 도전을 다룬다. [윌로우, 양자 혁명의 시작(7·끝)]에서 이어진다.
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[윌로우, 양자 혁명의 시작(6)] 새로운 시대를 여는 양자 컴퓨팅…윌로우가 제시하는 미래
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[윌로우, 양자 혁명의 시작(3)] 윌로우, 양자 컴퓨팅의 미래를 펼치다
- 구글의 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우(Willow)'는 단순한 기술 발전을 넘어, 인류가 풀지 못한 문제들을 해결할 열쇠로 주목받고 있다. 에너지, 의료, 암호화 등 다양한 분야에서 그 가능성은 무한하며, 상상조차 할 수 없던 변화를 가져올 준비를 하고 있다. 이번 회에는 윌로우가 제시하는 기술적 가능성과 이를 활용해 만들어갈 미래의 모습을 구체적으로 탐구한다. [편집자 주] 양자 컴퓨팅의 본질: 슈퍼컴퓨터를 넘어선 도구 윌로우는 기존 컴퓨터가 수천년이 걸려도 풀기 어려운 문제를 단 몇 분 만에 해결할 수 있는 능력을 입증했다. 랜덤 회로 샘플링(RCS) 벤치마크를 통해 윌로우는 슈퍼컴퓨터조차 10해년(10의 25제곱 년) 걸리는 연산을 단 5분 만에 처리하며 양자 컴퓨팅의 우위를 확실히 보여주었다. 이처럼 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨터와는 완전히 다른 방식으로 작동한다. 큐비트(양자 컴퓨터의 기본 단위)의 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)을 활용해 더 많은 정보를 동시에 처리할 수 있기 때문에, 기존 방식으로는 불가능했던 계산이 가능해진다. 에너지 혁명: 지속 가능한 미래의 도구 윌로우는 에너지 효율화와 신재생에너지 최적화에서도 중요한 역할을 할 가능성이 크다. 예를 들어, 전기차 배터리 설계에서 윌로우는 분자 수준의 화학 반응을 시뮬레이션하여 더 효율적이고 오래 지속되는 배터리 재료를 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 풍력 터빈의 최적 배치, 태양광 패널의 효율성 개선 등 재생에너지 활용도를 높이는 데도 기여할 수 있다. 이는 탄소배출 감소와 지속 가능한 에너지 전환을 가속화하는 데 결정적인 역할을 할 것이다. 의료 혁명: 신약 개발의 속도와 효율성을 높이다 의료 분야에서 윌로우는 분자 상호작용 시뮬레이션을 통해 기존 신약 개발 과정을 혁신적으로 단축할 가능성을 열었다. 예를 들어, 항암제나 희귀 질환 치료제 개발을 위한 분자 구조 분석은 기존 기술로는 수년이 걸리는 작업이었지만, 윌로우는 이를 몇 주 또는 며칠로 단축할 수 있다. 또한 단백질 접힘 현상을 시뮬레이션하여 새로운 치료제를 설계하거나 약물과 수용체의 결합 방식을 정밀하게 분석할 수 있어, 난치병 치료제 개발에서도 중요한 도구로 자리잡을 수 있다. AI와 양자의 융합: 초지능으로 나아가는 길 양자 컴퓨팅은 인공지능(AI)과의 융합을 통해 새로운 혁신을 이끌 것이다. 기존 컴퓨터로는 처리하기 어려운 대규모 데이터 분석과 고속 학습 모델 훈련을 지원하며, AI가 더욱 효율적이고 정교하게 작동할 수 있도록 돕는다. 예를 들어, 자율주행차의 실시간 데이터 분석, 금융 시장의 예측 모델링, 의료 영상 분석 등 다양한 AI 응용 분야에서 윌로우의 능력이 발휘될 수 있다. 환경 보호: 복잡한 생태계 모델링과 기후 변화 대응 윌로우는 기후 변화와 환경 문제 해결에도 강력한 도구가 될 것이다. 산림 복원 프로젝트에서 탄소 흡수량을 최적화하거나 복잡한 생태계 상호작용을 시뮬레이션하여 환경 보전 정책의 효율성을 높일 수 있다. 또한 더 정교한 기후 모델링을 통해 재난 예측의 정확성을 높이고, 지속 가능한 도시 계획을 세우는 데 기여할 것이다. 무한한 가능성을 향한 윌로우의 도전 윌로우는 단순한 양자 컴퓨팅 칩 이상의 의미를 지닌다. 구글 퀀텀 AI는 오픈소스 플랫폼과 협업을 통해 학계와 산업계의 연구자들이 윌로우를 활용할 수 있도록 지원하며, 양자 컴퓨팅 생태계를 확장하고 있다. 이러한 협력을 통해 윌로우는 에너지, 의료, 환경 등 다양한 분야에서 인류가 직면한 난제를 극복하는 데 기여할 것이다. 다음 회에서는 윌로우가 암호화 기술과 보안 패러다임에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 중점적으로 다룬다. [윌로우, 양자 혁명의 시작(4)]에서 이어진다.
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[윌로우, 양자 혁명의 시작(3)] 윌로우, 양자 컴퓨팅의 미래를 펼치다
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[윌로우, 양자 혁명의 시작(2)] 윌로우, 30년 난제 깨고 양자 컴퓨팅 시대 앞당기다
- 양자 컴퓨터는 인류가 해결하지 못했던 문제들을 해결할 열쇠를 가지고 있다. 구글이 개발한 혁신적인 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우(Willow)'는 그 열쇠를 단단히 쥔 채, 30년간 학계를 괴롭혀 온 난제를 해결하며 양자 컴퓨팅의 상용화를 앞당기고 있다. 이번 회에서는 윌로우가 어떻게 양자 오류 정정의 난제를 해결했는지, 그리고 이를 통해 어떤 가능성이 열렸는지 심층적으로 살펴본다. [편집자 주] 양자 오류 정정, 꿈을 현실로 만들다 양자 컴퓨터는 큐비트(Quantum Bit·양자 역학의 원리를 기반으로 정보를 저장하고 처리하는 단위)를 사용하여 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 많은 데이터를 동시에 처리할 수 있지만, 큐비트는 외부 환경에 매우 민감해 오류가 발생하기 쉽다. 이 때문에 과학게에서는 "큐비트를 늘릴수록 오류도 증가한다"는 문제가 걸림돌로 여겨졌다. 그러나 윌로우는 이를 뒤집었다. 구글 퀀텀 인공지능(AI) 팀은 큐비트를 3x3, 5x5, 7x7로 배열하고, 표면 코드(surface code)라는 기술을 통해 오류를 단계적으로 절반씩 줄이는 데 성공했다. 구글은 2019년 '시커모어(Sycamore)' 칩으로 양자 우월성을 처음 달성했으며, 이번에 윌로우는 이를 더욱 확장하고 복잡한 문제를 해결할 수 있는 능력을 입증했다. 이는 1985년 피터 쇼어가 이론화한 양자 오류 정정의 한계를 실질적으로 극복한 사례로, 양자 컴퓨터의 상용화를 향한 거대한 도약을 의미한다. 윌로우, 전설적 성과로 기록되다 윌로우는 단순히 연구 단계에서 멈추지 않았다. 랜덤 회로 샘플링(RCS) 실험에서 윌로우는 기존 슈퍼컴퓨터가 10해년(10septillion·10의 25제곱 년) 걸리는 계산을 단 5분 만에 완료하며 압도적인 성능을 입증했다. 이는 양자 컴퓨터가 단순한 이론이 아닌 실질적인 응용 가능성을 지니고 있음을 보여주는 획기적인 사건이다. 이번에 해결된 문제는 양자 역학 시스템의 시뮬레이션과 같은 분야에서 고전 컴퓨터로는 계산 불가능한 영역에 속한다. 예를 들어 고체 물질 내 전자의 움직임을 계산하거나, 화학 반응의 정확한 에너지 상태를 예측하는 문제처럼 기존의 컴퓨터로는 수십년 걸릴 계산을 단 시간에 수행했다. 3D 큐비트 배열과 초전도 기술의 진화 윌로우의 성공 뒤에는 초전도 큐비트와 3D 큐비트 배열 기술이 있었다. 기존의 평면적 큐비트 배열은 외부 간섭에 취약했지만, 윌로우는 큐비트를 3D 구조로 배치하여 안정성을 극대화했다. 또한 초전도 회로를 활용하여 큐비트 간의 신호 간섭을 줄이고 계산 정확도를 높였다. 이는 윌로우가 기존 양자 컴퓨터와 차별화된 이유 중 하나다. 실시간 오류 정정, 양자 컴퓨팅의 문을 열다 윌로우는 새로운 디코딩 알고리즘을 통해 실시간으로 오류를 감지하고 수정하는 기술적 성과를 달성했다. 이는 양자 컴퓨터가 단순히 이론적 실험을 넘어, 실질적인 응용 분야에서도 신뢰할 수 있는 시스템으로 자리 잡을 수 있는 기반을 마련한 혁신적인 변화다. 양자 컴퓨팅 시대를 앞당기다 구글 퀀텀 AI 팀은 윌로우의 성공을 기반으로 양자 컴퓨팅 상용화의 속도를 더욱 높이고 있다. 구글은 연구 성과를 오픈소스 플랫폼을 통해 공개하며, 전 세계의 연구자와 협력해 양자 컴퓨팅 생태계를 확장하고 있다. 특히 윌로우는 의약품 개발, 에너지 혁신, AI 알고리즘 등 다양한 분야에서 상상 이상의 가능성을 제시하며, 인류가 직면한 난제를 해결하는 데 중요한 도구가 될 것이다. 다음 회에서는 윌로우가 슈퍼컴퓨터를 넘어선 연산 능력을 어떻게 활용할 수 있을지 구체적으로 분석한다. [윌로우, 양자 혁명의 시작(3)]에서 이어진다.
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[윌로우, 양자 혁명의 시작(2)] 윌로우, 30년 난제 깨고 양자 컴퓨팅 시대 앞당기다
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[신소재 신기술(140)] 일본 연구진, 햇빛·물로 수소 연료생산하는 새로운 개념 반응기 시연
- 일본 연구진이 햇빛과 물을 이용해 재생 가능한 수소 연료를 생산할 수 있는 새로운 개념 증명 반응기를 시연했다. 특수 광촉매를 이용하는 이 기술은 저렴하고 풍부하며 지속 가능한 수소 연료 생산에 기여할 것으로 기대된다고 라이브사이언스, 인터레스팅엔지니어링등 다수 외신이 전했다. 현재 수소는 대부분 천연 가스에서 추출되기 때문에 화석 연료 의존도를 낮추는 데 한계가 있다. 하지만 이번에 개발된 기술은 햇빛을 이용해 수소를 생산할 수 있어, 향후 수소 에너지 시대를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 새로운 100㎡(1076제곱피트) 규모의 반응기는 광촉매 시트를 사용하여 물 분자에 있는 산소와 수소 원자를 분리하고, 이를 통해 수소를 추출해 연료로 사용한다. 신슈대학교의 카즈나리 도멘 교수 연구팀은 이번 연구 결과를 국제 학술지 '프론티어스 인 사이언스'에 발표했다. 도멘 교수는 "광촉매를 이용한 햇빛 기반 물 분해는 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하고 저장하는 이상적인 기술"이라며 "최근 광촉매 소재 및 시스템의 발전으로 실현 가능성이 높아졌지만, 여전히 많은 과제가 남아 있다"고 밝혔다. 이 기술의 핵심 원리는 물을 산소와 수소로 분해하는 것이다. 간단해보이지만 이는 에너지 집약적인 과정이며, 특수광촉매가 필요하다. 광촉매는 빛에 노출되면 물을 구성 요소로 분해하는 화학 반응을 촉진한다. 이러한 개념은 새로운 것이 아니지만 기존의 '1단계' 광촉매는 효율이 낮고 태양 에너지-수소 전환율이 미미했다. 연구팀은 '2단계'로 구성된 더 효율적인 물 분해 과정을 선택했다. 이 시스템에는 하나의 광촉매가 첫단계에서는 물에서 산소를 분리하고 다음 단계에서는 수소를 제거한다. 팀은 이 과정을 위한 광촉매를 개발함으로써 3년 동안 작동한 시제품 반응기를 제작할 수 있었고, 연구실에서 사용하는 자외선보다 실제 햇빛을 사용했을 때 더 잘 작동하는 것을 확인했다. 연구팀의 하사토미 타카시 박사는 "태양 에너지 변환 기술은 밤이나 악천후에서는 작동할 수 없지만, 햇빛 에너지를 연료의 화학 에너지로 저장하면 언제 어디서근 사용할 수 있다"고 설명했다. 팀은 100㎡ 규모의 반응기를 3년간 운영해 개념 증명에 성공했다. 이 반응기는 실제 햇빛에서 실험실 조건보다 더 나은 성능을 보였다. 하사토미 박사는 "자외선에서 반응하는 광촉매를 사용하는 우리 시스템에서 태양 에너지 변환 효율은 자연광에서 약 1.5배 높았다"고 설명했다. 그러나 현재 시뮬레이션된 햇빛에서의 효율은 최대 1%이며 자연광에서는 5% 효율에 도달하지 못하는 한계가 있었다. 연구팀은 5% 효율 장벽을 깨기 위해 더 많은 연구자들이 더 효율적인 광촉매를 개발하고 더 큰 실험 반응기를 구축해야 한다고 강조했다. 아직 초기 단계인 이 기술이 상용화되면 수소 에너지 생산 비용을 낮추고, 친환경 에너지 구축에 크게 기여할 것으로 예상된다.
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[신소재 신기술(140)] 일본 연구진, 햇빛·물로 수소 연료생산하는 새로운 개념 반응기 시연
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[기후의 역습(96)] "얼음 없는 북극해가 온다", 카운트다운
- 북극의 해빙이 거의 모두 녹는 여름이 2027년에 발생할 수 있으며, 이렇게 되면 기록상 첫 번째가 될 것이라고 PHYS가 전했다. 이는 지구에 불길한 전조다. 미국 콜로라도 볼더 대학교의 기후학자 알렉산드라 얀과 스웨덴 예테보리 대학교의 셀린 호이제 등 국제 연구팀은 컴퓨터 모델을 적용해 지구의 최북단 바다에서 '처음으로 얼음이 없는 날'이 언제 발생할 수 있을지 예측했다. 얼음이 없는 북극은 날씨 패턴을 변화시켜 생태계와 지구 기후에 큰 영향을 미칠 수 있다. 얀 박사는 "북극에 얼음이 없는 날이 온다고 해서 상황이 극적으로 바뀌지는 않을 것"이라면서도 "그러나 온실가스 배출로 인해 북극해의 특성 중 하나인 해빙과 연중 눈으로 덮여 있는 자연환경이 근본적으로 바뀌었다는 점을 보여줄 것"이라고 말했다. 연구팀의 결과는 이달 초 네이처커뮤니케이션즈 저널에 게재됐다. 얀 박사는 오는 9일 워싱턴 D.C.에서 열리는 미국지구물리학회 연례회의에서 이를 발표할 예정이다. 지구 온난화로 '푸른 북극' 온실가스 배출 증가로 기후가 따뜻해지면서, 북극의 해빙은 10년마다 12% 이상이라는 전례 없는 속도로 사라지고 있다. 지난 9월, 미국 국립빙설데이터센터는 올해 북극 해빙 최소치(북극에서 동결된 바닷물의 양이 가장 적은 날)가 1978년 이후 가장 낮은 수준 중 한 해라고 보고했다. 올해 최소치는 428만㎢로 2012년 9월에 관측된 역대 최저치를 약간 웃돌았다. 그러나 1979~1992년 사이의 평균 최소 면적인 685만㎢에 비하면 여전히 뚜렷한 감소를 나타내고 있다. 과학자들은 북극해의 얼음 면적이 100만㎢ 미만일 때 북극에 얼음이 없다고 말한다. 북극 해빙 변화에 대한 이전의 예측은 바다가 한 달 동안 얼음이 없는 상태가 되는 시점을 예측하는 데 초점을 맞췄다. 얀 박사의 종전 연구에 따르면 얼음 없는 달은 거의 필연적으로 발생할 것이며, 그 시기는 2030년대가 될 것임을 시사했다. 기후 변화에서의 티핑 포인트(임계점)가 다가오면서 얀 박사는 북극의 해빙이 녹는 속도에 관심을 가졌다. 특히 첫 번째 얼음 없는 달의 발생 가능성을 예측하고, 북극해의 모든 해빙을 녹일 수 있는 사건이 무엇인지에 대해서도 파악하고자 연구팀을 구성해 분석에 나섰다. 해빙이 완전히 사라질 가능성 얀과 호이제 박사는 300개 이상의 컴퓨터 시뮬레이션에서 얻은 결과를 사용해 북극에서 처음으로 얼음이 없는 날이 언제가 될 것인지를 예측/추정했다. 대부분의 모델은 인간이 온실가스 배출량을 어떻게 변경하든 관계없이 첫 번째 얼음 없는 날이 2023년 이후 9~20년 사이에 발생할 수 있다고 예측했음을 발견했다. 가장 빠른 예측은 3년 안에 발생할 수 있다는 것이었다. 극단적인 시나리오이지만, 모델은 가능성이 있음을 시사하고 있다. 총 9개의 시뮬레이션에서 얼음 없는 날이 3~6년 안에 발생할 수 있다고 추정했다. 연구진은 일련의 극심한 기상 현상이 단시간에 200만㎢ 이상의 해빙을 녹일 수 있다는 것을 발견했다. 비정상적으로 따뜻한 가을이 먼저 해빙을 약화시키고, 그 다음에는 따뜻한 북극의 겨울과 봄이 이어지면서 해빙이 형성되지 않는다. 북극이 3년 이상 연속으로 극심한 온난화를 겪으면 첫 번째 얼음이 없는 날은 늦여름에 발생할 수 있다. 그런 따뜻한 해는 이미 일어났다. 예를 들어, 2022년 3월에 북극 지역은 평균보다 화씨 50도(섭씨 10℃) 더 따뜻했고, 북극 주변 지역은 거의 녹고 있었다. 호이제 박사에 따르면 기후 변화로 인해 이러한 기상 현상의 빈도와 강도는 증가한다. 해빙은 지구로 들어오는 햇빛을 우주로 반사해 북극이 온난화되는 것을 방지한다. 얼음이 녹아 반사율이 낮아지면 어두운 바닷물이 태양으로부터 더 많은 열을 흡수함으로써 북극과 전 세계의 기온을 더 끌어올린다. 또한 북극의 온난화는 바람과 해류 패턴을 변화시켜 전 세계적으로 더 극심한 기상 현상을 초래할 수 있다. 하지만 좋은 소식도 있다. 연구에 따르면, 탄소 배출량을 크게 줄일 경우 얼음 없는 북극의 타임라인을 크게 늦출 것이다. 얀 박사는 "배출량을 줄이면 해빙을 보존하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 강조했다.
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- ESGC
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[기후의 역습(96)] "얼음 없는 북극해가 온다", 카운트다운
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[기후의 역습(94)] 그린란드 빙상 해빙 가속화, 해안선 1m 상승 가능성
- 그린란드의 빙하가 녹는 속도가 빨라지고 있다. 세 가지 기후 모델에 따르면 온실가스 배출이 높은 시나리오의 경우 2100년까지 연간 964~1735기가톤(Gt)의 얼음이 손실될 것으로 추정된다. 이렇게 빙하가 녹으면 해수면이 최대 1m까지 상승해 해안 지역의 수백만 명을 위협할 것이라고 PHYS가 전했다. 이 연구는 벨기에 공립 리에주 대학이 NIC5 슈퍼컴퓨터의 지원을 받아 수행했으며, 연구 결과는 향후 IPCC(기후 변화에 관한 정부간 협의체) 평가에 반영된다. 북극해에 위치한 그린란드의 빙하는 현재 놀라운 속도로 녹고 있다. '지구물리학 연구지(Geophysical Research Letters)'에 실린 리에주 대학 보고서는 이를 극명하게 보여주고 있다. 세 가지 지역 기후 모델(RACMO, MAR 및 HIRHAM)은 빙하가 녹는 것에 대해 다양한 예측을 내놓지만, 그린란드는 2100년까지 엄청난 양의 얼음을 잃어 해수면 상승이 가속화될 것이라는 한 가지 결론에 모두 동의하고 있다. 리에주 대학교의 쿠엔틴 글라우드 박사는 "예측에 따르면, 빙하는 사용된 모델에 따라 세기말까지 매년 964~1735기가톤의 얼음을 잃을 수 있다"며 "온실가스 배출을 급격하게 줄이지 않으면 빙하가 녹는 것을 되돌릴 수 없다"고 설명했다. 연구팀은 모델별 차이는 각 모델이 빙하가 녹은 물의 흐름을 처리하는 방식에서 비롯된다고 지적했다. 예를 들어, 눈이 녹으면 일부 물은 침투해 다시 얼고 나머지는 바다로 직접 흘러 들어간다. 표면 반사율과 관련된 피드백의 영향을 받는 이 복잡한 과정은 모델 간 불일치의 핵심 요인이다. 리에주 대학교 기후학자 자비에 페트바이스는 "그린란드는 현재 전 세계 해수면 상승의 25%, 즉 연간 0.6mm를 차지하고 있다. 현재의 녹는 속도가 유지된다면 2100년까지 최대 1m에 이를 수 있다"고 우려했다. 이는 전 세계 해안 지역의 수백만 생명을 위협하고 홍수와 침수 위험을 높인다. 이번에 발표된 연구 결과는 슈퍼컴퓨터를 활용한 분석이었으며, 이를 통해 빙하, 대기 및 해양 간의 상호 작용을 시뮬레이션하여 복잡한 기후 시나리오를 탐색할 수 있었다. 연구진은 기후 예측의 발전에도 불구하고, 기후 모델을 개선할 필요가 있다고 주장했다. 눈 속의 물을 유지하는 데 관련된 프로세스를 더 깊이 이해하고, 빙하의 고도 변화와 같은 동적 매개변수를 통합하는 것은 불확실성을 줄이는 데 필수적이라는 주장이다. 유럽 기관 간 협력의 결실인 이번 연구는 글로벌 기후 문제에 직면한 협력의 중요성을 보여준다. 연구에서 얻은 결과는 향후 IPCC 평가에 반영되어 해수면 상승에 대한 예측을 구체화하는 데 기여하게 된다. 그린란드 빙하가 급속히 녹고 있다는 사실은 무시할 수 없는 경종이다. 연구는 지구 온난화를 억제하고, 취약한 지역 사회를 보호하며, 전 세계 생물 생태계를 보존하기 위한 즉각적인 조치를 촉구하고 있다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(94)] 그린란드 빙상 해빙 가속화, 해안선 1m 상승 가능성
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[신소재 신기술(139)] 중국, 소행성 탐사용 고양이 닮은 4족 로봇 개 개발
- 중국 연구원들이 소행성의 울퉁불퉁하고 중력이 낮은 표면을 뛰어넘을 수 있는 인공지능(AI) 기반 로봇 개를 제작했다. 하얼빈 공업대학 연구진은 고양이가 몸을 비틀고 발로 착지하는 능력에 영감을 받아 강화 학습을 이용한 소행성 탐사용 4족 로봇 개를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 중국의 한 온라인 매체에 따르면 이 로봇은 네 다리를 무거운 안정화 하드웨어에 의존하는 대신 '모델 없는' 제어 시스템을 사용해 동작을 조정한다. 이러한 설계 덕분에 로봇은 공중에서 자세를 조정하고 기울기를 수정하며 방향을 바꿀 수 있다. 이는 작은 천체를 탐사하는 방식을 변화시켜 우주 탐사의 새로운 가능성을 제시하고 멀리 떨어진 천체에 대한 이해를 높일 수 있다. 저중력 혁신 저중력은 현재 연구중인 소행성 탐사에서 로봇이 해결해야 할 중요한 난제다. 태양계 생성의 유물인 이 행성들은 백금과 같은 자원이 풍부해 미래 우주 연구에 도움이 될 수 있다. 또한 태양계의 기원에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. 그러나 기존의 바퀴 달린 탐사선은 중력이 지구의 수천 분의 1에 불과해 견인력을 얻기 어렵기 때문에 큰 어려움에 직면해 있다. 연구팀은 충돌, 제어할 수 없는 회전 또는 로봇이 땅에서 튕겨져 나갈 수 있는 다리 힘의 불균형 문제를 해결하는 데 집중했다. 에어 서스펜션 기술을 사용하여 미세중력 시뮬레이션 플랫폼을 개발하여 제어 기술을 테스트하고 로봇이 안전하게 착륙하고, 후속 도약을 위해 요(yaw)를 수정하거나 자유 낙하 중 고도 편차를 수정할 수 있는지 확인했다. 그동안 우주 기관이 소행성에 우주선을 착륙시켜 샘플을 채취하는 데 성공한 적은 있지만, 장기적으로 표면 탐사를 수행할 수 있는 탐사선을 보낸 임무는 아직 없다. 홍콩 매체 사우스차이나모닝포스트(SCMP)에 따르면 이 점핑 로봇의 성공은 소행성 탐사를 변화시켜 소멸 소행성에 대한 새로운 연구의 길을 열고 우주 자원 활용을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 점프 안정화 연구팀은 중력이 낮은 천체에서 점프하는 동안 스스로 안정화할 수 있는 로봇을 개발했다. 이러한 환경에서는 점프할 때마다 로봇이 최대 10초 동안 공중에 떠 있는 상태가 유지되는 데, 이는 다리 힘의 불균형으로 인해 로봇이 제어되지 않고 회전하거나 심지어 우주로 표류하고도 남는 시간이다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 강화 학습, 특히 근거리 정책 최적화를 사용해 가상 시뮬레이션에서 로봇을 훈련시켰다. 7시간에 걸쳐 AI는 안정적인 착륙을 위해 움직임을 개선하고 몇 초 내에 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw)를 수정하는 방법을 학습했다. 예를 들어 140도의 가파른 전방 기울기로 발사했을 때 로봇은 단 8초만에 안정화되었고, 공중에서는 최대 90도까지 회전해 방향을 바꿀 수 있었다. 저중력을 이겨내고 점프 동작을 안정화시킨 중국의 로봇 개가 소행성 탐사 현장에 언제 투입될지 귀추가 주목된다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(139)] 중국, 소행성 탐사용 고양이 닮은 4족 로봇 개 개발
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[기후의 역습(93)] AI, 역사적 기후 극단 현상 발견
- 인공지능(AI)으로 지구의 극한 기온을 분석한 연구 결과가 나왔다. 전 세계에는 3만 개가 넘는 기상 관측소가 있다. 관측소는 매일 기온, 강수량 및 기타 기상 관련 지표를 측정한다. 이 자료는 기상학자들이 월별 및 연간 기후 정보를 생성하기 위해 분석해야 할 엄청난 양의 데이터이다. 기상학자들이 최근 기상 데이터 세트에 AI 기술을 적용해 유럽의 극한 기온을 분석했다. 이를 기존의 분석과 비교한 결과 일치도가 탁월한 것으로 나타났다. 나아가 AI 분석은 과거에 알려지지 않은 기후 극한 현상도 추가로 발견했다고 PHYS가 전했다. 기상학자들의 이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 기후 변화로 인해 일부 지역에서는 비가 더 많이 내리거나 더위의 극한도 증가하고 있다. 현재 전 세계 육지 면적의 30% 이상이 매년 2-시그마 통계 수준을 넘는 월별 기온을 기록하고 있으며, 이는 1950년의 약 1%에서 대폭 증가한 수치다. 기온을 분석하는 데 있어 중요한 문제는 일부 기상 관측소의 데이터가 부족하다는 것이다. 유인 기상 관측소는 손상되거나, 관측자가 바뀌거나 교체되지 않는 등 연속성이 떨어진다. 관측 기술은 이전 계측과 상관관계가 있어야 하는데, 예컨대 아프리카와 극지방 등의 지역은 충분한 정보를 제공하지 않는다. 함부르크 소재 독일 기후 컴퓨팅 센터의 연구팀은 극한 기온이 AI의 신경망 기술을 적용하기에 적합한 영역이라고 판단했다. 연구팀은 전 세계 다른 곳보다 더 오래 전부터 기상 관측소가 밀집된 유럽에 초점을 맞췄다. 연구진은 AI를 사용해 유럽의 기후 극한 상황에 대한 기상 관측치를 재구성했다. 유럽의 기온 관측소는 밀도가 높기 때문에 기존의 통계적 방법은 효과적일 수 있다. 한 관측소에 온도계가 없어도 인근의 관측소를 통해 예측할 수 있기 때문이다. 관심 지점에서 인근 관측소까지의 거리와 함께 측정된 값을 사용해 관심 위치의 온도를 예측하는 방법이며, 계산에서 거리나 각도에 가중치를 부여해 산정한다. 그러나 근처 관측소의 데이터가 부족하거나 누락되면 성능이 떨어진다는 문제가 있다. 연구팀이 적용한 AI 방법론은 지난 몇 년 동안 누락된 기후 정보를 적정 가중치를 적용해 재구성하고 불확실성을 정량화해 빈 데이터 공간을 채우는 것이었다. 그 결과 기존의 통계 방법에 의한 채우기보다 성능이 우수한 것으로 나타났다. 연구팀이 사용한 AI 모델은 CMIP6 아카이브(결합 모델 상호 비교 프로젝트: 과거 기후, 현재 기후 및 미래 기후를 계산하는 대기와 해양을 결합한 기후 모델의 글로벌 협업)의 지구 시스템 모델을 사용, 과거 시뮬레이션을 통해 훈련을 받고 비교했다. 연구팀은 CRAI(기후 재구성 AI)라고 부르는 딥러닝 기술이 따뜻한 날(일일 최고 기온이 90번째 백분위수보다 높은 날의 비율), 시원한 날(일일 최고 기온이 10번째 백분위수보다 낮은 날의 비율)을 계산하는 데 여러 기존의 방법보다 성능이 뛰어나다는 것을 발견했다. 따뜻한 밤과 시원한 밤에 대해서도 마찬가지였다. 연구진은 또 이를 유럽 도메인의 HadEX3 데이터 세트에 있는 모든 필드를 재구성하는 데 적용했다. HadEX3는 1901~2018년까지 격자로 구분한 지구 표면의 극한 기온과 강수량에 대한 80개 이상의 지수로 구성되어 있다. 여기에서도 AI 기술은 과거의 극단적인 기상을 재구성하고, 소위 '재분석 데이터 세트'에서 다루지 않은 시간 간격에 걸친 공간적 추세를 드러내는 능력을 보여주었다. 기후 재분석은 기후 모델과 사용 가능한 관측치를 함께 활용해 관측 데이터베이스의 격차를 메워주었다. CRAI는 1929년의 한파와 1911년의 폭염 등 이전에는 알려지지 않았던 유럽의 극단적인 기상 상황도 밝혀냈다. 연구팀은 "우리의 연구는 이 접근법을 글로벌 규모 또는 데이터가 부족한 지역에 적용해야 할 필요성과 장점을 모두 보여준다"라며 "실제로 우리의 AI 기반 재구성은 특히 데이터 부족이 심한 지역에서 기존 통계적 방법보다 더 높은 정확도를 보여주었다"라고 셜명했다. 연구팀은 이러한 CRAI 모델을 학습하면 더 많은 양의 정보를 활용할 때 정확도가 향상될 것이라고 덧붙였다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(93)] AI, 역사적 기후 극단 현상 발견
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[기후의 역습(92)] 지구 온난화로 전 지구적 해양 순환 시스템 붕괴
- 전 세계의 해양 순환, 즉 해류는 해양 생태계는 물론 지구 환경의 지속가능성에 막대한 영향을 미친다. 작게는 해안가에도 해류가 있을 수 있으며, 지구 전체로 끊임없이 물을 이동시키는 거대한 해류 네트워크, 즉 대규모 '글로벌 해양 컨베이어 벨트'도 있다. 이 거대한 해류 시스템은 전 세계적으로 열을 분배하여 기온에서 강수량에 이르기까지 지구의 모든 것에 영향을 미친다. 그런데 안타깝게도 이 해류 시스템이 속도가 느려지고 완전히 붕괴될 위기에 처해 있다고 어스닷컴이 전했다. 이는 네이처 지오사이언스에 발표됐는데, 연구에 따르면 이런 붕괴는 우리가 예상했던 것보다 더 큰 문제로 다가오고 있다. ◆ 해양 순환과 AMOC AMOC(대서양 해류 순환)는 대서양 주변에서 따뜻한 물과 차가운 물을 이동시키는 거대한 해양 컨베이어 벨트다. 멕시코만에서 시작하여 따뜻하고 짠물이 미국 동부 해안을 따라 북쪽으로 흐르고 대서양을 건너 유럽으로 향한다. 따뜻한 물은 북대서양에 도달하면 차가워지고 밀도가 높아지며, 따라서 바다 깊숙이 가라앉는다. 이 가라앉는 과정은 더 많은 따뜻한 물을 북쪽으로 끌어당겨 대체하고, 지구 전체에 열을 분산시켜 기후를 조절하는 데 결정적 역할을 하는 연속적인 루프(고리)를 만든다. ◆ AMOC가 인간에게 미치는 영향 인간은 몇 가지 중요한 면에서 AMOC에 의존한다. AMOC 덕분에 서유럽은 온화한 겨울을 지낼 수 있다. AMOC는 특히 지구 온도를 조절함으로써 농업, 생태계 및 일상생활에 필수적인 안정적인 기상 패턴을 유지하는 데 큰 도움을 준다. 그런 AMOC가 지난 1000년 이래 그 어느 때보다 약해졌다고 이번 연구는 지적하고 있다. 연구진은 이 둔화의 주된 원인이 지구 온난화라고 설명한다. 연구팀의 새로운 모델링은 그린란드 빙상과 캐나다 빙하에서 녹은 물이 퍼즐의 빠진 조각일 수 있음을 시사한다. ◆ 해양 순환에 관심을 가져야 하는 이유 연구팀은 "연구 결과에 따르면 지구 온난화가 섭씨 2도 진행되면 대서양의 해류 흐름이 70년 전에 비해 3분의 1 정도 약화될 가능성이 높다"고 말했다. 또 "이는 남반구의 더 빠른 온난화, 유럽의 더 혹독한 겨울, 북반구의 열대성 몬순의 약화를 포함해 기후와 생태계에 큰 변화를 가져올 것이다"라고 우려했다. 해류가 약해지면 유럽의 겨울이 더 추워지고 강우 패턴이 바뀌어 수백만 명에게 큰 영향을 미치게 된다. 그것은 비단 바다에만 국한된 문제가 아니다. 사람의 일상생활에 대한 심각한 위협이다. ◆ 녹은 물과 해양 순환 산업혁명 이후 지구는 이미 섭씨 1.5도 뜨거워졌고, 북극은 지구의 다른 지역보다 거의 4배 더 빨리 뜨거워지고 있다. 그 모든 열은 북극의 해빙, 빙하, 그린란드 빙상을 녹이고 있다. 연구팀은 "2002년 이후로 그린란드는 5조 9000억 톤의 얼음을 잃었다. 녹은 얼음은 텍사스주 전체를 26피트 두께의 얼음으로 뒤덮을 수 있는 양"이라고 추정했다. 아북극해로 흘러드는 이 신선한 녹은 물은 염분이 많은 바닷물보다 가벼워서 가라앉는 정도가 그리 크지 않다. 이로 인해 대서양에서 깊고 차가운 바닷물이 남쪽으로 흐르는 것을 방해하고 걸프 스트림(맥시코 만류)을 약화시킨다. 걸프 스트림은 영국에 온화한 겨울을 가져다주는 해류이다. ◆ 전 세계적으로 파급 효과 그렇다면 걸프 스트림이 느려지는 것이 무슨 큰 문제일까. 우선, 유럽은 더 혹독한 겨울을 맞이할 수 있다. 영국과 같은 지역은 캐나다 일부 지역처럼 같은 위도에 있는 추운 지역과 더 비슷해질 수 있다. 연구진은 "새로운 연구에 따르면 그린란드 빙상과 캐나다의 북극 빙하에서 녹은 물이 기후 퍼즐의 빠진 조각임을 보여준다"라고 설명했다. 그들이 이 빙하가 녹은 물을 시뮬레이션에 포함시켰을 때, 해양 순환이 느려지는 것이 이치에 맞았다. 연구는 AMOC가 20세기 중반 이래 느려지고 있음을 확인시켜 준다. 또 앞으로 무슨 일이 일어날지 엿볼 수 있게 해준다. ◆ 북대서양과 남대서양 순환 연구팀은 "새로운 연구는 북대서양과 남대서양이 이전에 생각했던 것보다 더 깊이 연결되어 있음을 보여준다"고 밝혔다. 해양의 한 부분에서 일어나는 변화는 먼 지역에 빠르게 영향을 미칠 수 있다. 해양 순환이 강하면 많은 열을 북대서양으로 전달한다. 그러나 순환이 약해지면 그린란드 남쪽의 해양 표면은 그만큼 따뜻해지지 않아 '온난화 구멍(워밍 홀)'이라고 하는 현상이 발생한다. 한편, 남대서양은 더 많은 열과 소금을 저장하게 된다. ◆ 시간은 우리 편이 아니다 연구진은 "우리의 시뮬레이션은 북대서양의 극지방에서 일어나는 변화는 20년도 채 안 되어 남대서양에서 느껴진다는 것을 보여준다"라고 말했다. 둔화의 영향이 우리가 생각했던 것보다 더 빨리 확산되고 있다는 의미다. 기후 예측에 따르면 AMOC는 2060년까지 약 30% 약화될 것으로 예상된다. 그런데 이는 추가로 녹는 물을 고려하지 않은 것이다. 연구는 "그린란드 빙상은 앞으로 1세기 동안 계속 녹아 지구 해수면이 약 4인치 상승할 가능성이 있다"라고 언급했다. "이 추가 융해수가 기후 예측에 포함된다면 AMOC는 더 빨리 약화될 것이다. 2040년까지 30% 정도 약화될 수 있다. 이는 처음 예측보다 20년 앞당겨진 것"이라는 설명이다. ◆ 무엇을 할 수 있을까 AMOC가 이렇게 빨리 약화하면 상황은 뒤바뀔 것이다. 유럽은 더 추운 겨울을 맞이할 수 있고, 북부 열대 지방은 더 건조해질 수 있으며, 미국 남부와 같은 지역은 더 따뜻하고 습한 여름을 겪을 수 있다. 연구진은 "지난 20년 동안 우리의 기후는 극적으로 변했다.빙상이 더 빨리 녹으면 기후 체계가 더욱 파괴될 것"이라고 경고했다. 그렇다면 이 모든 것이 인류에게 무슨 의미가 있을까. 이는 우리가 행동할 시간이 더욱 부족해진다는 것을 의미한다. 배출량을 줄이는 것은 필수적이다. 지구 시스템은 상호 연결되어 있다. 상황의 악화를 막고자 한다면 지금 당장 행동해야 한다고 연구진은 강조한다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(92)] 지구 온난화로 전 지구적 해양 순환 시스템 붕괴
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[기후의 역습(89)] 나사 슈퍼컴퓨터, 인류 위협하는 탄소 배출량 3D 모델 공개
- 나사(NASA)가 슈퍼컴퓨터를 이용해 데이터를 분석, 인류에게 위협이 되는 기후 변화의 주범인 전 세계 탄소 배출량을 보여주는 3D 모델을 공개했다고 공식 홈페이지를 통해 밝혔다. 메릴랜드주에 소재한 나사 고다드 우주비행센터의 게시글에 따르면, 고다드 산하 기후 시뮬레이션 센터는 3D 모델링 및 애니메이션과 같은 할리우드 영화 제작 도구를 사용해 디스커버(Discover) 슈퍼컴퓨터로 데이터 세트를 분석, 자세하고 정확한 탄소 배출량의 시각화에 성공했다. 이 애니메이션 프로젝트는 슈퍼컴퓨팅 파워와 SVS(고다드 센터의 과학시각화 스튜디오) 장비로 수행됐다. 대량의 데이터를 슈퍼컴퓨터로 분석하고, 이를 SVS에서 애니메이션과 같은 시각화 데이터로 변환해 일반인들도 쉽게 이해할 수 있도록 한 것이다. 애니메이션 모델은 전 세계 발전소, 대형 화재, 도시 활동의 영향으로 인해 배출돼 지구 대기권으로 진입하는 탄소 배출량을 그림으로 나타낸다. 또 탄소 배출이 대기권의 기류와 다양한 기상 패턴을 통해 지구 전체에 어떻게 퍼져 나가는지도 보여준다. 고다드의 기후 과학자 레슬리 오트는 게시글에서 "정책 입안자와 과학자 모두 탄소가 어디서 배출되는지, 그것이 지구에 어떤 영향을 미치는지를 이해하고자 노력했으며, 결국 3D 애니메이션 모델로 탄생했다"고 말했다. 오트는 "이 모델을 활용하면 탄소 발생이 다양한 기상 패턴을 통해 대기권과 어떻게 상호 연결되어 있는지를 확인할 수 있다"고 부연했다. 3D로 만들어진 탄소 발생 애니메이션을 보면 미국, 남아시아, 중국의 경우 탄소 배출의 대부분은 발전소, 자동차, 트럭, 산업 시설에서 발생한다. 반면 아프리카와 남미에서는 토지 관리, 산림 벌채, 농업을 위한 인위적인 화재, 석유와 석탄 등 화석연료 연소와 관련된 탄소 배출이 주로 이루어진다. 만들어진 탄소 발생 시각 자료는 지구 전역에서 '맥박이 뛰는 것처럼' 동적으로 발생하는 탄소 배출 현황을 역력히 보여준다. 맥박처럼 뛰는 모양은 불꽃이 위아래로 타오르는 것과 함께, 나무와 식물이 광합성을 할 때 탄소가 흡수 및 방출되는 것을 나타낸다. 이 모델은 기후 변화의 악화에 결정적인 영향을 미치는 엄청난 양의 탄소 배출을 보여준다는 점에서 의미가 크다. 탄소 배출량이 많을수록 대기는 더 따뜻해진다. 2023년은 역대 가장 가장 더운 해로 기록됐으며, 지난 10년 모두 역사상 가장 더운 상위 10개 연도였다. 기후 변화에 관한 정부 간 패널(IPCC)에 따르면, 인간 활동은 명백하게 지구 온난화를 일으켰으며, 이로 인해 더 강렬한 열파, 폭풍, 산불, 해수면 상승을 포함한 심각한 기상 이변이 일어나고 있다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(89)] 나사 슈퍼컴퓨터, 인류 위협하는 탄소 배출량 3D 모델 공개
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[신소재 신기술(134)] UC 버클리, '뜨거운 이산화탄소 가스 포집' 획기적 기술 개발
- 산업 공정에서 발생하는 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있는 혁신적인 기술이 개발됐다. 시멘트나 강철을 생산하는 산업 플랜트는 강력한 온실가스인 이산화탄소를 대량으로 배출하지만, 배기가스가 너무 뜨거워 최첨단 탄소 제거 기술을 사용할 수 없다. 배기가스를 냉각하려면 많은 에너지와 물이 필요하며, 이는 일부 가장 오염이 심한 산업에서 이산화탄소 포집 기술을 도입하는 장벽으로 작용한다. 그런데 UC 버클리의 화학자 연구진이 스펀지처럼 작용해 산업 배기가스와 비슷한 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있는 소재를 발했다. UC 버클리 공식 홈페이지에 따르면, 발견된 소재는 금속-유기 프레임워크(MOF)의 일종으로, 사이언스 저널에 게재됐다. 발전 또는 산업 플랜트 배기가스에서 탄소를 포집하는 주요 방법은 액체 아민을 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 것이다. 그러나 이 방법은 섭씨 40~60도 사이에서만 효율적으로 작동한다. 시멘트 제조 및 제강 공장은 200도를 넘는 배기가스를 생성하고 일부 산업 배기가스는 500도에 달한다. 아민이 추가된 MOF 하위 분류를 포함해 현재 시범 운영 중인 새로운 소재는 150도 이상의 온도에서는 분해되거나 덜 효율적이다. 이렇게 뜨거운 이산화탄소를 가져와 기존의 탄소 포집 기술을 적용하려면 적절한 온도로 냉각해야 하고, 비싼 인프라가 필요하다. 이번 연구를 진행한 UC 버클리 커티스 카쉬 박사는 "우리 기술이 탄소 포집 방식을 근본적으로 바꿀 수 있을 것"이라며 "개발된 MOF가 전례 없이 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있다는 것이 입증됐다. 과거의 다공성 소재로는 불가능했던 것"이라고 설명했다. 아민 기반 탄소 포집에 대한 일반 연구에서 벗어나 고온에서도 작동하는 MOF의 새로운 매커니즘을 수립했다는 것이다. 개발된 소재는 다공성 결정질 금속 이온 및 유기 링커 배열을 특징으로 하며, 내부 면적은 스푼당 약 6개의 축구장 크기에 달해 이산화탄소를 흡착하기에 충분히 넓은 면적이다. 연구진은 시뮬레이션에서 새로운 MOF가 평균 20%~30%의 이산화탄소 농도를 보이는 시멘트 및 철강 제조 플랜트의 배출가스와 약 4% 농도의 이산화탄소를 포함한 천연가스 발전소의 배출가스에서 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있음을 보여주었다. 포집된 이산화탄소를 지하에 저장하거나 연료 또는 기타 부가가치 화학 물질을 만드는 데 사용하는 것은 온실가스를 줄이는 핵심 전략이다. 지구 온난화와 기후 변화에 대응하는 유력한 솔루션으로 각광받고 있다. 재생 에너지 발전과 달리 화석연료를 주로 사용하는 산업 플랜트는 지속 가능성을 확보하는 것이 더욱 어렵기 때문에 이산화탄소 포집이 매우 중요하다. 아민 기반 흡착제는 수십 년 동안 탄소 포집 연구의 초점이었다. MOF는 원래 독일 아우크스부르크 대학교의 연구진이 발견했다. MOF가 이산화탄소로 채워지면 이산화탄소의 분압을 낮추어 제거하거나 탈착할 수 있다. MOF는 재사용한다. 연구진은 MOF를 변형해 다른 가스를 흡착할 수 있는지 추가 확인 작업에 나서고 있다. 이 소재가 더 많은 이산화탄소를 흡착할 수 있도록 기능 개선도 진행하고 있다.
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- 경제
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[신소재 신기술(134)] UC 버클리, '뜨거운 이산화탄소 가스 포집' 획기적 기술 개발
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[우주의 속삭임(74)]토성 위성 타이탄, 10km 두께 메탄 얼음층 존재…행성 과학 새 지평 열어
- 토성의 위성 중 하나인 타이탄의 메탄 층에 대한 미스터리가 한겹 풀렸다. 타이탄은 토성의 위성 중 가장 큰 천체로, 태양계 내에서는 목성의 위성 가니메데에 이어 두 번째로 크다. 미국 하와이대학교 마노아 캠퍼스의 행성 과학자들은 새로운 연구를 통해 타이탄의 얼음 속에 메탄 가스가 갇혀 최대 10km 두께의 독특한 지각을 형성하고 있음을 밝혀냈다고 사이테크데일리가 보도했다. 이 지각은 그 아래 얼음층을 따뜻하게 하고 타이탄의 메탄 대기를 설명하는 데 도움이 될 것으로 예상된다. 타이탄의 메탄 미스터리 풀다 토성의 가장 큰 위성인 타이탄은 태양계에서 지구 외에 대기와 액체 상태의 바다, 강, 호수를 가진 유일한 천체다. 극도로 추운 기온 때문에 이 액체들은 메탄과 에탄 같은 탄화수소로 이루어져 있으며, 표면은 단단한 고체 물 얼음으로 구성되어 있다. 하와이 지구물리학 및 행성학 연구소(HIGP)의 로렌 슈어마이어 연구원이 이끄는 연구팀은 타이탄의 충돌 크레이터가 예상보다 수백 미터 얕다는 사실을 발견했다. 나사(NASA) 데이터에 따르면 타이탄에서 확인된 크레이터는 90개에 불과하며, 이는 타이탄의 표면과 지질학적 역사에 대한 흥미로운 질문을 제공한다. 크레이터 분석을 통한 통찰 슈어마이어 연구원은 "다른 위성들을 기반으로 했을 때 타이탄 표면에 더 많은 충돌 크레이터가 있고, 그 크레이터들은 우리가 관찰한 것보다 훨씬 더 깊을 것으로 예상했기 때문에 분화구가 실제로는 얕다는 사실이 매우 놀라웠다"고 말했다. 그는 "우리는 타이탄 특유의 무언가가 크레이터를 얕게 만들고 비교적 빠르게 분화구를 사라지게 한다는 것을 깨달았다"고 덧붙였다. 연구팀은 이 미스터리를 조사하기 위해 컴퓨터 모델을 사용해 타이탄의 얼음층이 메탄 클래스레이트 얼음층으로 덮여 있을 경우, 충돌 후 지형이 어떻게 변화흐는 지 시뮬레이션했다. 메탄 클래스레이트 얼음은 결정 구조 내에 메탄가스가 갇힌 일종의 고체 물 얼음이다. 타이탄 크레이터의 초기 형태는 알려져 있지 않기 때문에 연구팀은 비슷한 크기의 목성의 가니메데의 크레이터를 기반으로 두 가지 초기 깊이를 모델링하여 비교했다. 슈어마이어 연구원은 "이 모델링 접근 방식을 사용하여 메탄 클래스레이트 지각의 두께를 5~10km로 제한할 수 있었다. 이 두께를 사용한 시뮬레이션에서 관측된 크레이터와 가장 일치하는 크레이터 깊이가 생성되었기 때문이다"라고 설명했다. 그는 "메탄 클래스레이트 지각은 타이탄의 내부를 따뜻하게 하고 놀라울 정도로 빠른 지형 이완을 유발하며, 이는 지구의 빠르게 움직이는 따뜻한 빙하와 비슷한 속도로 크레이터를 얕게 만든다"라고 부연했다. 타이탄 대기에 미치는 메탄의 영향 메탄 얼음층의 두께를 추정하는 것은 타이탄의 메탄 대기 기원을 설명하고 연구자들이 타이탄의 탄소 순환, 액체 메탄 기반 '수문 순환(물이 끊임 없이 이동하는 현상)' 및 기후 변화를 이해하는 데 도움이 되기 때문에 중요하다. 슈어마이어 연구원은 "타이탄은 온실가스 메탄이 대기를 어떻게 따뜻하게 하고 순환하는지 연구할 수 있는 천연 실험실"이라고 말했다. 그는 "시베리아 영구 동토층과 북극 해저 아래에서 발견되는 지구의 메탄 클래스레이트 수화물은 현재 불안정해지고 메탄을 방출하고 있다. 따라서 타이탄에서 얻은 교훈은 지구에서 일어나는 과정에 중요한 통찰력을 제공할 수 있다"고 덧붙였다. 타이탄의 생명체 존재 가능성 이러한 새로운 발견에 비추어 볼 때 타이탄에서 볼 수 있는 지형은 따뜻할 수도 있다. 메탄 클래스레이트 얼음 지각의 두께를 제한함으로써 타이탄의 내부가 이전에 생각했던 것처럼 차갑고 딱딱하며 비활성 상태가 아니라 따뜻할 가능성이 있음을 알 수 있다는 것. 슈어마이어 연구원은 "메탄 클래스레이트는 일반적인 물 얼음보다 강하고 단열성이 뛰어나다"면서 "클래스레이트 지각은 타이탄의 내부를 단열하고 물 얼음층을 매우 따뜻하고 연성으로 만들며 타이탄의 얼음층이 천천히 대류하고 있거나 대류했음을 의미한다"고 설명했다. 향후 탐사 임무 슈어마이어 연구원은 "두꺼운 얼음층 아래 타이탄의 바다에 생명체가 존재한다면, 생명체의 흔적(바이오마커)은 우리가 미래 임무를 통해 더 쉽게 접근하거나 볼 수 있는 곳까지 타이탄의 얼음층 위로 운반되어야 할 것"이라면서 "이는 타이탄의 얼음층이 따뜻하고 대류하는 경우 발생할 가능성이 더 크다"고 말했다. 연구팀은 2028년 7월 발사되어 2034년 타이탄에 도착할 예정인 NASA 드래곤플라이 미션을 통해 이 위성을 가까이에서 관찰하고, 셀크라는 크레이터를 포함한 얼음 표면을 추가로 조사할 수 있는 기회를 갖게 될 것이다. ◇ 참고: Schurmeier, L. R., Brouwer, G. E., Kay, J. P., Fagents, S. A., Marusiak, A. G., & Vance, S. D. (2024). Rapid Impact Crater Relaxation Caused by an Insulating Methane Clathrate Crust on Titan. The Planetary Science Journal, DOI: 10.3847/PSJ/ad7018
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(74)]토성 위성 타이탄, 10km 두께 메탄 얼음층 존재…행성 과학 새 지평 열어
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[우주의 속삭임(70)] 달 내부에 녹은 암석층 존재 가능성…중력 측정 분석 결과 뒷받침
- 달의 지각 아래 내부 구조는 무엇으로 이루어져 있을까. 지구 내부에는 녹은 암석층이 존재하며, 이는 지표면의 지각판 운동을 일으키는 원인으로 알려져 있다. 과학자들은 그동안 달에도 지구처럼 핵과 고체 외층 사이에 녹음 암석층이 존재하는 지에 대한 연구를 진행해왔다. 미 항공우주국(나사·NASA) 고다드 우주 비행 센터와 애리조나 대학의 연구팀은 최근 지구와 태양의 중력에 대한 달의 반응을 분석한 결과, 달 내부의 깊은 곳에 녹은 암석층이 존재할 가능성을 뒷받침하는 새로운 증거를 제시했다. 해당 내용에 대해서는 사이언스얼라트와 스페이스닷컴 등이 보도했다. 이번 연구를 통해 지구의 바닷물이 달과 태양의 중력에 의해 주기적으로 상승하고 하강하는 것처럼, 달도 조석력의 영향을 받는다는 것이 밝혀졌다. 다만, 지구처럼 바다가 없기 때문에 달의 조석 현상은 미묘하지만 모양과 중력의 변화를 통해 확인할 수 있다. 연구 결과 달의 맨틀은 조수처럼 오르락내리락하는 두껍고 끈적끈적한 영역을 갖고 있는 것으로 드러났다. 달의 조석력에 반응하는 방식은 내부 구조와 밀접한 관련이 있다. 연구팀은 지구와 태양에 대한 달의 조석 반응으로 분석하면 표면 아래에 무엇이 있는 지 단서를 얻을 수 있다는 점에 주목했다. 기존 연구에서는 한 달 동안 달의 조석 변화를 측정했지만, 이번 연구에서는 나사의 위성 기반 GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory) 미션과 달 정찰 궤도선(Lunar Reconnaissance Orbiter)을 통해 1년 동안의 데이터를 수집했다. 연구팀은 달의 월별 및 연간 형태 변화, 중력장 변화, 평균 밀도 등의 정보를 종합해 내부 구조를 시뮬레이션했다. 그 결과 달의 맨틀 하부에 부드러운 층을 포함했을 때 관측된 중력 측정값을 더 정확하게 재현할 수 있었다. 이는 달 내부 깊은 곳에 점성을 가진 물질 층이 존재할 가능성이 높음을 시사한다. 연구팀은 달 내부의 이러한 녹은 층이 티타늄이 풍부한 광물인 일메나이트(ilmenite)로 구성되었을 것으로 추측하고 있다. 하지만 이 층의 열원이 무엇인지, 정확한 구성 성분은 무엇인지 등이 여전히 풀어야 할 과제로 남아 있다. 해당 연구는 AGU 어드밴시스(AGU Advances)에 게재됐다. 한편, 일메나이트는 티타늄과 철의 산화 광물로 화학식은 FeTiO3이다. 일메나이트는 티타늄의 주요 광석이며, 이산화 티타늄(TiO2) 생산의 주원료다. 이산화 티타늄은 페인트, 잉크, 플라스틱, 종이, 선크림, 식품, 화장품 등 다양한 분야에서 사용된다. 일메나이트는 러시아의 일멘 산맥에서 처음 발견되어, 이름이 붙여졌다. 아폴로 우주선이 가져온 달에서 채취한 암석에서 상당량의 일메나이트가 발견됐다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(70)] 달 내부에 녹은 암석층 존재 가능성…중력 측정 분석 결과 뒷받침
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[기후의 역습(64)] 기후 변화가 초래한 유럽의 위기…급증하는 홍수
- 기후 변화로 인해 중부 유럽의 파괴적인 홍수가 더욱 악화되고 있다. 전문가들은 유럽이 세계에서 가장 빠르게 온난화되고 있어 냉엄한 미래를 경고하고 있다고 BBC를 비롯한 현지 언론들이 전했다. 폭풍 보리스는 이번주 폴란드, 체코, 루마니아, 오스트리아, 이탈리아 등을 강타해 곳곳을 황폐화했으며, 이로 인해 최소 24명이 사망하고 수십억 파운드의 피해가 발생했다. 세계기상기여(WWA: World Weather Attribution) 그룹은 최근 4일간이 중부 유럽에서 가장 많은 비가 내린 기간으로 기록됐다고 밝혔다. 게다가 기후 변화로 인해 강도가 두 배 더 높아졌다고 한다. 긍정적인 점은 폭풍 예보는 잘 이루어졌다는 것이었다. 때문에 일부 지역은 폭풍에 잘 대비해 사망자를 줄일 수 있었다. WWA는 인간이 200년 동안 화석 연료를 태우지 않은 세상에서의 폭풍, 가뭄 또는 폭염의 상황과 기후 변화가 극심한 기상 현상에서의 상황을 비교하는 모델로 기후 변화의 심각성을 추정하고 있다. 보리스가 쏟아부은 강우량은 드문 경우였다. 오늘날 온실가스 배출로 인해 섭씨 약 1.3도가 상승한 상황에서 100~300년에 한 번 정도 발생할 것으로 예상된다. 그러나 온난화가 2도까지 올라가면 보리스와 유사한 강우가 5% 더 강해지고, 발생 빈도는 50% 더 증가할 것이라고 WWA는 경고했다. 공격적인 기후 조치가 없다면 지구 온난화는 세기말까지 약 3도에 도달할 것으로 예상된다. 임페리얼 칼리지 런던 교수로 WWA 연구를 수행한 프리데릭 오토 박사는 보리스와 같은 폭풍우가 미래에 더욱 많아질 것이라고 우려했다. 기록적인 폭우는 온난화되고 있는 세계에서 유럽의 기후가 변화하는 패턴과 부합한다는 것이다. 유럽은 가장 빠르게 온난화되는 대륙이다. 코페르니쿠스 기후서비스에 따르면 지난 5년은 19세기 후반보다 평균 섭씨 2.3도 더 따뜻했다. 이로 인해 더욱 빈번하고 강렬한 더위가 발생했으며, 특히 북부와 중부 유럽에서 더 극심한 폭우가 발생했다. 남부 유럽에서는 대규모 기상 패턴의 변화로 인해 상황이 더 복잡해졌다. 강렬한 강우가 발생하는 가장 간단한 이유는 따뜻해진 대기가 더 많은 수분을 보유(섭씨 1도당 약 7%)할 수 있기 때문이다. 추가되는 수분은 더 많은 강우로 이어진다. 보리스가 많은 비를 동반한 한 가지 이유는 기상 환경이 고착돼 며칠 동안 같은 지역에 엄청난 양의 물을 쏟아부었기 때문이다. 기후 변화가 제트기류(상층 대기에서 빠르게 흐르는 바람의 띠)에 미치는 영향으로 인해 이러한 '정체' 현상은 더욱 빈발한다. 기후 변화로 인해 정체된 기상 환경은 더 많은 수분을 운반할 수 있고, 잠재적으로 재앙이 될 수 있다. 최근 수십 년 동안 홍수 방지 시설이 개선된 관계로 보리스로 인한 피해는 상대적으로 적었다. 그러나 전문가들은 기온이 상승하고 극심한 강우량이 계속 증가하면 예방 시설도 효과가 없을 수 있다고 우려했다. 날로 심각해지는 상황을 고려하면 현재와 같은 홍수 방지 수준으로는 유럽 사회가 견디기 어려울 수 있다는 것이다. 전문가들은 악화되는 상황을 막는 명확한 방법은 이산화탄소와 같은 온실가스의 배출을 줄이는 것이라고 지적한다. WWA는 "시뮬레이션에 따르면 섭씨 1.5도 이하로 지구 온난화를 제한한다는 파리 협정의 목표만 유지할 수 있다면 미래의 홍수 피해는 예상치의 절반으로 줄어들 것"이라고 전망했다.
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[기후의 역습(64)] 기후 변화가 초래한 유럽의 위기…급증하는 홍수
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[기후의 역습(63)] 영구동토층 해빙으로 북극-아북극 산불 급증
- 극심한 기후 변화로 영구동토층인 북극 지역에 산불이 급증할 것이라는 암울한 연구 결과가 나왔다. 국제 기후 과학자 및 영구동토층 전문가 팀의 연구에 따르면, 새로운 기후 컴퓨터 모델 시뮬레이션 결과 지구 온난화로 인해 영구동토층 해빙이 가속화되고, 이로 인해 북부 캐나다 및 시베리아의 아북극 및 북극 지역에서 산불이 급격히 증가할 것으로 예상된다고 네이처닷컴과 PHYS 등 다수 외신이 24일(현지시간) 보도했다. 최근 관측 결과 따뜻하고 건조한 기후 조건으로 인해 이미 북극 지역의 산불이 심화되고 있는 것으로 나타났다. 미래 인위적 온난화가 산불 발생에 미치는 영향을 이해하고 시뮬레이션하기 위해서는 가속화된 영구동토층의 해빙의 역할을 고려하는 것이 중요하다. 영구동토층 해빙은 토양의 수분 함량을 크게 좌우하며, 이는 산불 발생의 핵심요소다. 최근 기후 모델들은 지구 온난화, 북부고위도 영구동토층 해빙, 토양 수분 및 화재 사이의 상호작용을 완전히 고려하지 않았다. 이번 새로운 연구는 가장 포괄적인 지구 시스템 모델 중 하나인 '커뮤니티 지구 시스템 모델'에서 생성된 영구동토층 및 산불 데이터를 사용했다. 이 모델은 토양 수분, 영구동토층 및 산불 사이의 결합을 통합적으로 파악하는 최초의 모델이다. 온실가스 배출 증가의 인위적인 영향과 자연 발생적인 기후 변화를 더 잘 구분하기 위해 과학자들은 1850년부터 2100년까지의 기간(SSP3-7.0 온실가스 배출 시나리오)을 다루는 50개의 과거-미래 시뮬레이션 앙상블을 사용했다. 이 시뮬레이션은 최근 한국의 부산 IBS 기후물리센터와 미국 콜로라도 볼더 국립대기연구센터 과학자들이 IBS 슈퍼컴퓨터 Aleph에서 수행했다. 이 앙상블 모델링 접근 방식을 통해 연구팀은 21세기 중후반까지 아북극 및 북극 지역에서 인위적인 영구동토층 해빙이 상당히 광범위하게 진행될 것임을 입증했다. 많은 지역에서 과도한 토양 수분이 빠르게 배출되어 토양의 수분이 급격히 감소하고, 이후 지표면 온난화 및 대기 건조가 발생한다. 부산에 있는 IBS 기후물리학 연구원의 연구 주저자이자 박사후 연구원인 김인원 박사는 "이러한 조건은 산불을 심화시킬 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 조건들이 산불을 심화시킬 것이라고 경고했다. 모델 시뮬레이션 결과 21세기 후반에는 불과 몇 년 만에 사실상 화재가 거의 없는 상태에서 매우 강렬한 화재로 갑작스럽게 전환되는 것으로 나타났다. 이러한 미래 산불 추세는 대기중 이산화탄소 농도 증가로 인해 고위도 지역의 식물 바이오매스가 증가할 가능성이 높다는 사실로 인해 더욱 악화될 것으로 전망된다. 이른바 '이산화탄소 비료 효과'는 추가적인 화재 연료를 제공한다는 것. 참고로 이산화탄소 비료 효과는 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면 식물의 광합성 속도가 빨라져 성장이 촉진되는 현상을 말한다. 쉽게 말해 이산화탄소는 식물에게 비료와 같은 역할을 한다고 볼 수 있다. 식물이 더 빠르게 성장하면 화재가 발생할 경우 연료가 추가되는 것과 같은 효과를 내 화재 위험이 더 높아질 수 있다. 공동연구자인 노르웨이 트론헤임에 있는 노르웨이 과학기술대학의 한나 리 부교수는 "복잡한 영구동토층 환경이 미래를 더 잘 시뮬레이션하기 위해서는 확장된 관측 데이터 세트를 사용하여 지구 시스템 모델에서 소규모 수문학적 과정을 더욱 개선해야 할 필요성이 있다"고 강조했다. 이번 논문의 공동 저자이자 ICCP 책임자 겸 부산대학교 명예 교수인 악셀 팀머만 박사는 "산불은 이산화탄소, 검은 탄소 및 유기 탄소를 대기중으로 방출하여 기후에 영향을 미치고 북극 영구동토층 해빙 과정에 피드백을 줄 수 있다"고 지적했다. 팀머만 교수는 "하지만 화재 배출과 대기 과정 사이의 상호작용은 아직 지구 시스템 컴퓨터 모델에 완전히 통합되지 않았으며, 이러한 측면을 추가로 고려하는 것이 다음 단계가 될 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다. 실제로 2023년 캐나다 북부에서 미국 플로리다 주 크기의 지역을 태운 기록적인 산불이 발생했다. BBC에 따르면 2023년 캐나다 산불은 엄청난 이산화탄소를 배출했다. 과학자들은 캐나다의 한대 삼림이 지구 온난화를 유발하는 탄소를 포집하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 이례적으로 화재가 발생하면 전 세계 기후 변화 예측에 영향을 미칠 수 있다고 우려하고 있다. 지난 8월 28일 캘리포니아 공과대학과 캐나다, 네덜란드 등 국제 연구팀이 네이처 저널에 발표한 자료에 따르면, 캐나다 화재로 인한 총 배출량을 약 647테라그램의 탄소로 계산했다. 1테라그램은 백만 미터톤이다. 이는 지난 10년 동안 약 29테라그램에서 82테라그램 사이를 오르내렸던 캐나다의 전형적인 산불 배출량을 훨씬 웃도는 수치다. 또한 이는 캐나다의 연간 총 탄소 배출량보다 5배 많으며, 작년에 740테라그램의 탄소를 배출한 인도와 비슷한 수준이었다. 2023년 캐나다 산불보다 더 많은 탄소량을 배출한 나라는 중국, 미국, 인도뿐이었다. 인류의 생존을 위협하는 탄소 배출량을 실질적으로 감소하기 위해 각국 정부와 기관이 더욱 머리를 맞대야 할 시기다.
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- IT/바이오
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[기후의 역습(63)] 영구동토층 해빙으로 북극-아북극 산불 급증
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[기후의 역습(60)] 지구의 고대 기온, 극심한 변화 반복…이산화탄소가 주범
- 지구의 고대 기온 변화가 예상보다 훨씬 극심했으며 온실가스인 이산화탄소(CO₂)가 큰 영향을 미친 것으로 나타났다. 지구는 4억8500만년전부터 현재까지 이어진 현생대 동안 극심한 기후 변화를 겪어왔다. 최근 연구 결과에 따르면 이 변화는 예상보다 컸으며, 그 주범은 이산화탄소였다는 연구 결과가 나왔다고 독립매체 사이언스뉴스가 20일 전했다. 미국 애리조나대와 스미스소니언 국립자연사박물관의 에밀리 저드 박사 연구팀은 지질학 데이터와 기후 모델 시뮬레이션을 결합하여 과거 지구 평균 표면의 온도(GMST)를 재구성했다. 그 결과, 지구 평균 표면 온도는 섭씨 11도에서 36도 사이에 변화했다. 이는 이전 컴퓨터 시뮬레이션 기반 연구에서 추정했던 섭씨 14도에서 26도 범위를 훨씬 뛰어넘는 수치이다. 특히 열대 지역은 섭씨 42도에 달하는 폭염을 겪기도 했다. 이는 당시 생물들이 극심한 더위라는 환경에 적응하며 진화했음을 보여준다. 이산화탄소, 기후 변화의 '키 플레이어' 연구팀은 이러한 기온 변화의 주요 원인으로 이산화탄소 농도를 지목했다. 이산화탄소 농도가 두 배 증가할 때 기온 변화 폭을 나타내는 '지구 시스템 민감도(Earth system sensitivity)'는 과거에 최대 8℃로 현재(최대 3℃)보다 2~3배 컸던 것으로 확인됐다. 즉 과거 지구는 이산화탄소 변화에 훨씬 민감하게 반응했던 것이다. 특히 이러한 기온 변화는 대기 중 이산화탄소 농도 변화와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났으며, 태양 복사 변화 등 다른 요인보다 더 큰 영향을 미쳤다는 점이 주목할만하다. 이번 연구는 지구 온난화에 대한 새로운 시각을 제시한다. 현재 지구 평균 기온은 약 섭씨 15도로, 상대적으로 '빙하기'에 가깝다. 그러나 연구팀은 이것으로 현재 인간에 의한 지구 온난화 문제를 과소 평가해서는 안 된다고 경고했다. 연구팀은 가장 중요한 문제는 '변화 속도'라는 점을 강조하했다. 지난 2000년 동안 지구 온난화 속도는 매우 빠르게 진행되어 왔고, 생물들은 점진적인 변화에는 적응할 수 있지만 급격한 변화에는 적응하기 어렵다는 지적이다. 인간 역시 추운 환경에 적응하고 해수면 근처에서 살도록 진화했기 때문에 급격한 기후 변화에 취약할 수밖에 없다. 연구팀은 "지구의 회복력이 인간의 적응 능력을 보장하지 않는다는 점을 우리 모두 명심해야 한다"라고 강조했다. 이번 연구 결과는 20일 과학 저널 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
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- 생활경제
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[기후의 역습(60)] 지구의 고대 기온, 극심한 변화 반복…이산화탄소가 주범
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화성 '거미' 지형, NASA 실험실서 최초 재현 성공
- 미 항공우주국(나사·NASA) 과학자들이 실험실에서 화성의 거미 지형 재현에 성공했다고 나사가 지난 11일(현지시간) 홈페이지를 통해 밝혔다. 2003년 궤도선 이미지를 통해 발견된 이후, 화성 남반구에 펼쳐진 거미 모양의 지형은 그동안 과학자들의 호기심을 자극해 왔다. 각각의 가지 형태는 길이가 1km 이상 뻗어 있으며 수백 개의 가느다란 '다리'를 포함하고 있다. '아라네이폼 지형'이라고 불리는 이 지형은 종종 군집을 이루어 표면에 주름진 모습을 띠고 있다. 지금까지는 지구에는 자연적으로 존재하지 않는 이산화탄소 얼음과 관련된 과정을 통해 이 '거미' 지형이 생성된다는 이론이 지배적이었다. 하지만 최근 '행성과학저널(The Planetary Science Journal)'에 발표된 논문에 따르면, 과학자들은 화성의 온도와 기압을 모방한 환경에서 처음으로 이러한 형성 과정을 재현하는 데 성공했다. NASA 제트추진연구소(JPL)의 로렌 맥키온은 "이 거미들은 그 자체로도 기이하고 아름다운 지질적 특징"이라며 "이번 실험은 거미 지형이 어떻게 형성되는 지에 대한 모델을 개선하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다. 이번 연구는 '키퍼 모델(Kieffer model)'에서 설명하는 몇 가지 형성 과정을 확인했다. 키퍼 모델은 화성의 남반구에서 발견되는 독특한 거미 모양 지형 즉 '아라네이폼' 지형의 형성 과정을 설명하는 이론이다. 이 모델은 햇빛, 이산화탄소 얼음, 그리고 토양 사이의 상호 작용을 통해 이러한 지형이 만들어진다고 설명한다. 화성의 거미 지형이 만들어지는 원리는 다음과 같다. 먼저 겨울마다 화성 표면에 쌓이는 투명한 이산화탄소 얼음층을 통해 햇빛이 토양을 가열한다. 토양은 위의 얼음보다 어둡기 때문에 열을 흡수하고, 그 결과 가장 가까운 얼음이 액체 상태를 거치지 않고 바로 가스로 변하는 '승화' 과정이 발생한다. 드라이아이스가 액체가 아닌 기체 상태로 바로 변하는 것이 승화다. 다음으로 가스 압력이 증가하면 화성의 얼음에 균열이 생기고 가스가 빠져나갈 수 있게 된다. 가스가 위로 스며 나오면서 토양에서 나온 어두운 먼지와 모래를 함께 끌고 올라가 얼음 표면에 쌓이면서 거미 다리와 같은 모양이 생성된다. 즉, 키퍼 모델 이론에 따르면 겨울이 봄으로 바뀌고 남은 얼음이 승화하면 가스 분출로 인해 거미 모양 지형이 남게 된다. 실험실에서 화성 재현 연구팀에게 가장 아려운 부분은 화성 극지 표면의 조건, 즉 극도로 낮은 기압과 영하 185도에 이르는 낮은 온도를 재현하는 것이었다. 이를 위해 맥키온은 JPL의 액체 질소 냉각 테스트 챔버인 DUSTIE((Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments)를 사용했다. 맥키온은 "DUSTIE를 좋아한다. 역사적인 장비다"라며 와인통 크기의 이 챔버가 NASA의 화성 탐사선 피닉스 착륙용으로 설계된 긁는 도구 프로토타입을 테스트하는 데 사용되었다고 밝혔다. 이 도구는 탐사선이 화성 북극 근처에서 물로된 얼음을 깨고 물을 퍼올려 분석하는 데 사용됐다. 이번 실험에서 연구원들은 액체 질소 욕조에 담긴 용기에 화성 토양 시뮬레이션 물질을 넣고 냉각했다. 그런 다음 이를 DUSTIE 챔버에 넣고 화성 남반구와 유사한 기압으로 낮췄다. 이후 이산화탄소 가스를 챔버에 주입하고 3~%시간 동안 기체에서 얼음으로 응축시켰다. 맥키온은 실험에 적합할 만큼 충분히 두껍고 투명한 얼음을 얻기 위해 여러번 시도해야 했다. 화성 남반구와 적절한 특성을 가진 얼음을 얻은 후에는 챔버 내부 시뮬레이션 물질 아래에 히터를 놓고 가열해 얼음 균열을 일으켰다. 맥키온은 마침내 분말 시뮬레이션 물질 내부에서 이산화탄소 가스 기둥이 분출되는 것을 보고 기뻐했다. 그는 "금요일 늦은 저녁이었는데, 실험실 관리자가 제 비명 소리를 듣고 뛰어왔다"며 5년 동안 이런 기둥을 만들기 위해 노력해왔다고 말했다. 어두운 기둥은 시뮬레이션 물질에서 구멍을 뚫고 뿜어져 나왔고, 모든 압축 가스가 배출될 때까지 10분 동안 시뮬레이션 물질을 분출했다. 실험 결과, 키퍼 모델에는 반영되지 않은 놀라운 사실이 발견됐다. 시뮬레이션 물질 알갱이 사이에 얼음이 형성된 후 균열이 생긴 것이다. 이러한 과정은 왜 '거미 지형'이 더 갈라진 모습을 갖는 지 설명했다. 갈라짐 현상 발생 여부는 토양 알갱이의 크기와 지하에 얼음이 얼마나 묻혀 있는지에 따라 달라지는 것으로 보인다. JPL의 세리나 디니에가는 "이것은 자연이 교과서 이미지보다 조금 더 복잡하다는 것을 보여주는 세부 사항 중 하나"라고 말했다. 향후 거미 지형 기둥 테스트 계획 기둥 형성 조건을 찾은 연구팀은 다음 단계로 아래의 히터 대신 위에서 인공 태양을 비추는 실험을 시도할 계획이다. 이를 통해 연구팀은 기둥과 토양 분출이 발생할 수 있는 조건의 범위를 좁힐 수 있을 것으로 보인다. 그럼에도 실험실에서는 답할 수 없는 거미 지형에 대한 많은 질문이 남아 있다. △왜 화성의 특정 지역에서만 거미 지형이 형성되었을까? △계절 변화의 결과로 나타나는 것으로 보이는 거미 지형은 왜 시간이 지나도 그 수나 크기가 증가하지 않는 것일까? 등이다. 거미 지형은 화성의 기후가 달랐던 먼 과거에 형성되었을 가능성도 있으며, 화성의 과거를 들여다 볼 수 있는 독특한 창을 제공할 수도 있다. 과학자들은 당분간 실험실 실험을 통해서만 화성의 거미 지형에 가까이 다가갈 수 있을 것으로 보인다. 화성 탐사선 큐리오시티와 퍼시비어런스 로버는 화성 남반구에서 멀리 떨어진 곳을 탐사하고 있다. 이 지역에는 아직 어떤 우주선도 착륙한 적이 없다. 2007년 8월 발사돼 2008년 5월 25일 화성 북반구에 착륙한 피닉스 우주선은 극심한 추위와 제한된 햇빛으로 같은해 11월 10일 임무가 종료됐다. 피닉스 탐사선은 물과 생명체를 탐사하는 두 가지 목표를 가졌지만 화성의 극한의 기온을 견디지 못했다.
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화성 '거미' 지형, NASA 실험실서 최초 재현 성공
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[기후의 역습(56)] 극한 기상 급증, 20년 내 15억 명 피해 불가피
- 온실가스 배출량을 극적으로 줄이지 않으면 전 세계 인구의 4분의 3이 향후 20년 동안 극심한 기온과 강우량의 강력하고 빠른 변화로 큰 위험에 처할 것이라는 연구 결과가 나왔다고 PHYS가 전했다. 이 연구 결과는 네이처 지구과학지에 실렸다. 국제기후연구센터(CICERO: Center for International Climate Research) 학자들이 주도하고 영국 레딩 대학교의 지원을 받아 수행한 연구에 따르면, 2050년까지 탄소 중립을 실현한다는 파리 협정 목표를 달성할 만큼 배출량을 줄일 경우에도 인류의 20%가 극심한 기상 위험에 직면할 수 있다. 그러나 조치가 부족할 경우에는 전체 인구의 70%가 극단적인 기상의 위기에 처할 것으로 예상된다. 이 연구는 지구 온난화가 기상 변화와 결합됨에 따라 극심한 기온과 강우량이 10년 동안 매우 빠르게 변할 것임을 암시한다. 현재까지 극심한 기상 변화가 개별 국가에 미치는 영향을 조사한 연구는 거의 없다. 연구팀을 이끈 칼리 아일리스 박사는 "우리는 전 세계 평균 수준에 비해 기후 또는 기상 변화 관련성이 높은 지역에 초점을 맞추고 있다. 향후 수십 년 동안 극심한 변화를 겪을 것으로 예상되는 지역에 집중하고 있다"고 말했다. ◆ 전례 없는 상황 연구팀이 대규모 기후 모델 시뮬레이션을 사용해 도출한 '위험한 70%의 인구'는 대부분 열대 및 아열대 지역에 집중되어 있었다. 이들 대부분이 탄소 고배출 상황에서 향후 20년 동안 극심한 온도와 극한의 강수량 변화를 경험할 것으로 예상됐다. 강력한 배출 완화가 이루어져야만 숫자가 20%(약 15억 명)로 줄어들 것으로 보인다. 이 같은 급격한 변화는 상상하기 어려운 악조건과 극한 사건의 위험을 증가시킨다. 예를 들어, 열파는 사람과 가축 모두에 고온 스트레스와 높은 사망률, 생태계 위기, 농업 수확량 감소, 발전소 등 열원의 냉각 어려움, 운송 중단 등을 광범위하게 일으킬 수 있다. 또 극한의 강수량 집중은 홍수를 일으키고 정착지를 파괴하며 인프라, 작물 및 생태계의 피해, 침수 등으로 이어진다. 사회는 특히 여러 위험이 동시에 현실화될 때 취약해지는 것이다. ◆ 정화의 위험 연구팀원인 레딩 대학교의 로라 윌콕스 박사는 "아시아 전역에서 대기 오염을 빠르게 정화하면 따뜻한 극한 기온이 동시에 가속하고 이 지역의 여름철 몬순(우리의 장마에 해당)에 영향을 미친다는 사실도 발견했다"고 밝혔다. 건강상의 이유로 공기 정화가 중요하지만, 이는 거꾸로 지구 온난화에 영향을 미친다는 의미다. 윌콕스는 공기 정화 작업이 지구 온난화와 결합돼 향후 수십 년 동안 큰 변화를 일으킬 수 있다고 우려했다. 연구는 급격한 기후 변화의 가능성에 초점을 맞추지만, 그 결과가 기후 적응에 중요한 의미를 갖고 있다고 강조한다. 최선의 경우에만 15억 명에게 영향을 미치는 것으로 축소될 것이며, 이를 위해 향후 10~20년 사이에 매우 공격적으로 대응해야 한다는 지적이다.
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[기후의 역습(56)] 극한 기상 급증, 20년 내 15억 명 피해 불가피
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[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명…10년 논쟁 종결
- 세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터인 '프론티어'가 10년 동안 과학자들의 논쟁의 중심에 섰던 칼슘-48 퍼즐을 해독했다. 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)의 핵물리학 연구팀은 세계 최고 슈퍼컴퓨터 프론티어를 활용해 칼슘-48 원자핵의 자기적 특성을 규명하는 데 성공했다고 과학전문 매체 인터레스팅엔지니어링이 4일(현지시간) 보도했다. 이는 1980년대부터 지속되어온 핵물리학계의 논쟁을 종식시키는 중요한 성과로 평가된다. 칼슘-48, '이중 마법' 핵으로 안정성 높아 칼슘-48은 20개의 양성자와 28개의 중성자로 이루어진 '이중 마법' 핵으로 매우 안정적인 구조를 가지고 있다. 이러한 특성 대문에 핵물리학 연구에 이상적인 물질로 꼽힌다. 하지만 칼슘-48의 자기적 특성은 오랜 기간 동안 논쟁의 대상이었다. 양성자와 전자빔을 사용한 초기 실험에서는 자기 전이 강도가 4제곱 마그네톤으로 측정되었으나 2022년 감마선을 이용한 실험에서는 이 값이 두 배나 높게 나타났기 때문이다. 여기서 '핵 마그네톤'은 원자핵의 자기적 특성을 나타내는 기본 단위다. 쉽게 말해, 핵 마그네톤은 원자핵이 얼마나 강한 자석처럼 행동하는 지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 따라서 4제곱 마그네톤은 칼슘-48 원자핵이 특정 에너지 상태 변화를 겪을 때, 자기장의 세기가 핵 마그네톤 단위로 4의 제곱만큼 변한다는 것을 의미한다. 수퍼컴퓨터 '프론티어' 활용, 10년 논쟁 종식 ORNL 연구팀은 초당 퀸틸리언(quintillion, 100경) 이상의 계산을 수행할 수 있는 세계 최초의 엑사스케일 컴퓨터인 '프론티어' 슈퍼컴퓨터를 활용해 칼슘-48의 자기 전이 강도를 시뮬레이션했다. 그 결과 감마선 실험 결과와 일치하는 값을 얻어냄으로써 오랜 논쟁에 종지부를 찍었다. 또한 이 연구는 핵 내부의 핵자 쌍(양성자와 중성자)의 복잡한 상호작용과 핵이 주변 환경과 상호작용하는 방식을 설명하는 연속 효과에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 초신성 연구에도 영향 이번 연구는 핵물리학뿐만 아니라 천체물리학에도 중요한 의미를 갖는다. 칼슘-48은 초신성 폭발 과정에 풍부하게 생성되는 데, 이 때 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 연구의 제 1저자인 비자야 아차리아는 "칼슘-48의 자기 전이 강도를 설명하는 물리학은 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식도 설명한다"고 말했다. 칼슘-48의 자기 전이 강도에 대한 정확한 이해는 초신성 폭발과정과 우주 형성 과정에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. ORNL 핵천체물리학자 라파엘 힉스는 "이번 연구는 핵의 생성 원리를 밝히는 데 중요한 걸음이며, 별과 행성의 생성부터 원소의 풍바함까지 우주를 형성하는 과정을 더 잘 이해하게 해 줄것"이라고 말했다.
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[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명…10년 논쟁 종결
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