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기획특집 ②

슈퍼 엘니뇨와 이상 기후

  올해 전 세계적으로 이상 기후 현상이 두드러지고 있습니다. 특히, 전 지구 평균 기온이 평년보다 크게 상승하며 최고 기록을 경신하고 있는데요. 이러한 현상은 ‘슈퍼 엘니뇨(Super El Niño)’와 밀접한 관련이 있습니다. 엘니뇨(El Niño)는 열대 동태평양의 해수면 온도가 평소보다 높아지면서 전 세계의 기후에 영향을 미치는 자연 현상으로, 그중에서도 강력한 ‘슈퍼 엘니뇨’는 그 영향력이 매우 큰 것이 특징입니다. 지구 온난화로 인해 이러한 엘니뇨 현상이 더 자주, 강하게 발생하고 있습니다. 이번 꼭지에서는 엘니뇨와 슈퍼 엘니뇨가 어떻게 형성되고, 이상 기후에 어떤 영향을 미치는지 자세히 살펴보겠습니다.   엘니뇨의 정의와 발생 지역 엘니뇨(El Niño)는 남아메리카 해안에서 크리스마스 시기에 수온이 가장 높아지는 현상을 관측한 페루의 한 어부가 이 현상의 이름을 아기 예수(El Niño de Navidad)에 빗댄 것에서 유래되었습니다. 엘니뇨는 주로 적도 부근 열대 태평양에서 형성되는데요. 엘니뇨 현상을 이해하기 위해서는 먼저 열대 태평양의 대기와 해양에 대해 알아보아야 합니다. 이 지역의 상태는 무역풍과 워커 순환이라는 두 가지 주요 기상 패턴에 의해 결정됩니다.

그림 1. 평상시 적도 부근 열대 태평양의 대기와 해양의 상태 

평상시 적도 태평양에서는 강력한 무역풍1이 동쪽에서 서쪽으로 불어갑니다. 이 무역풍은 태평양 동부 해역에서 서부 해역으로 해수를 밀어내며, 서태평양의 해수면을 높이고, 반대로 동태평양의 해수면은 낮아지게 만듭니다. 이에 따라 해수면에 기울기가 형성되고, 동태평양에서는 차가운 심해수가 표층으로 올라오는 용승 현상2이 발생합니다. 이 차가운 해수는 동태평양의 해수 온도를 낮추어 이 지역이 차갑고 건조한 기후를 유지하도록 합니다. 반면, 서태평양에서는 따뜻한 해수가 집중되어 고온다습한 기후가 형성됩니다. 이와 함께, 태평양 대기에서는 워커 순환3이라는 대기 흐름이 나타납니다. 서태평양에서는 따뜻한 해수에 의해 상승 기류가 발생해 수증기가 많은 구름이 형성되고, 인도네시아와 호주 북부 지역에 많은 비가 내립니다. 반대로, 동태평양에서는 차가운 해수로 인해 하강 기류가 발생하여, 남미 서부 연안 지역은 건조한 기후를 유지하게 됩니다. 이 순환은 무역풍을 더욱 강화해 동서 간 해수면 기울기를 유지하고, 동태평양과 서태평양의 기후 차이를 고정하는 역할을 합니다.  

그림 2. 엘니뇨 시기 적도 부근 태평양 지역의 대기와 해양의 상태 

엘니뇨 시기에는 평상시와 달리 적도 부근 열대 태평양의 대기와 해양 상태가 크게 달라집니다. 먼저 무역풍이 약해지거나 역전되면서 태평양 동부에서 서부로 흐르던 해수의 이동이 느려지거나 멈추게 됩니다. 이에 따라 해수면 기울기가 평소보다 줄어들어 동태평양에서 용승 현상이 약해집니다. 차가운 심해수의 유입이 줄어 수온이 상승하기 때문에 결과적으로 서태평양과의 온도 차이가 줄어듭니다. 이때 서태평양에 있던 따뜻하고 습한 상승 기류가 동태평양 쪽으로 이동하게 됩니다. 그 결과, 동태평양 부근에서 평균 기후 상태에 비해 상승 기류가 강해지고 비구름이 형성되며, 서태평양에서는 하강 기류가 발생해 상대적으로 건조한 날씨가 이어집니다.

그림 3. Niño 3.4 지역의 위치 

엘니뇨 시기 동태평양 부근에 고온 현상과 상승 기류가 나타나는 지역을 Niño3.4라고 명명하며 이 지역의 해수면 온도에 따라 엘니뇨 시기를 정의하고 강도를 결정합니다. 엘니뇨 시기가 되면 적도 태평양의 동서 간 기압 차이가 줄어들고, 전체적인 대기와 해양의 균형이 깨집니다. 이 현상은 전 지구에 걸쳐 이상 기후를 야기합니다.   

엘니뇨의 발달과 슈퍼 엘니뇨 

엘니뇨 현상은 비아크니스 피드백(Bjerknes feedback)과 동서해류 이류 피드백(zonal advective feedback)이라는 두 가지 메커니즘에 의해 발달하는 복잡한 기후 현상입니다. 이 메커니즘은 해수면 온도와 대기 순환 간의 상호작용으로, 엘니뇨의 강도를 결정짓는 중요한 역할을 합니다.

그림 4. 비아크니스 피드백 과정 

첫 번째 중요한 메커니즘은 비아크니스 피드백입니다. 이 과정은 엘니뇨 과정에서 순환으로 발생하는 피드백입니다. 엘니뇨가 시작될 때, 무역풍이 약해지거나 역전되면 용승이 약화되면서 동태평양의 해수면 온도가 상승하게 됩니다. 동태평양의 해수면 온도가 상승하면, 해수면과 대기 간의 열 교환이 활발해져 이 지역의 공기가 따뜻해지고 상승 기류가 형성됩니다. 이 상승 기류는 워커 순환을 약화시키며, 무역풍이 약해져 용승 현상이 약해지고 해수면 온도는 더욱 상승하는 악순환이 발생합니다. 이 피드백은 동쪽에서 서쪽으로 진행하는 엘니뇨 발달의 주요 메커니즘입니다. 두 번째 중요한 메커니즘은 동서해류 이류 피드백입니다. 이 과정은 해수의 동서 이동에 따른 피드백으로, 엘니뇨 과정 중 서태평양에서 동쪽으로 이동한 따뜻한 해수가 동태평양의 해수면 온도를 더욱 높입니다. 그로 인해 상승 기류가 강화되면서 엘니뇨가 더욱 강해집니다. 이 피드백은 특히 엘니뇨가 발달하는 중후반기에 중요한 역할을 하며, 따뜻한 해수가 서쪽에서 동쪽으로 이동하면서 엘니뇨의 범위와 강도가 점차 커지게 합니다.  

그림 5. 기간에 따른 Niño 3.4 지역의 해수면 온도 (빨강: 엘니뇨 / 파랑: 라니냐4 ) 

슈퍼 엘니뇨는 비아크니스 피드백과 동서해류 이류 피드백이 장기간 강화되면서, 진자 운동처럼 엘니뇨의 진폭이 커질 때 발생합니다. 엘니뇨는 주기적으로 반복되며, 매번 강도에 차이가 있지만, 일반적으로 Niño 3.4 지역의 수온은 0.8 ~ 1°C 상승합니다. 그러나 해수면 온도가 1.5°C 이상 상승하면 이를 슈퍼 엘니뇨라고 부릅니다. 슈퍼 엘니뇨는 해수면 온도가 급격히 상승할 뿐만 아니라, 이로 인해 대기 순환이 극단적으로 변하면서 전 세계에 더 큰 이상 기후를 초래합니다.   

엘니뇨가 지구에 미치는 영향

그림 6. 해수면 온도가 1°C 상승할 때 생성되는 에너지 

엘니뇨 현상은 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 

물리적으로 계산하면, 그림 6과 같이 약 3.12 x 1021 줄(J)에 이르며, 이는 핵폭탄 5천만 개가 방출하는 에너지와 맞먹는 수준입니다. 이 에너지의 절반은 대기를 통해 파동 형태로 전달되어, 전 세계 기상 패턴에 변화를 일으킵니다. 서태평양에서는 태풍 발생이 줄어드는 반면, 중태평양과 동태평양에서는 태풍이 더 자주 발생하고, 강도 또한 세지는 경향을 보입니다. 남미 서부와 적도 부근에서는 강수량이 증가하지만, 인도네시아와 호주 등 서태평양 지역에서는 심각한 가뭄이 발생할 수 있습니다. 이러한 이상 기후는 식물의 광합성 활동을 감소시켜 이에 따라 이산화탄소 흡수량을 줄어들게 하는 동시에 산불 발생이 증가하여 대기 중 이산화탄소 농도가 일시적으로 상승할 수 있습니다. 실제로 엘니뇨가 발생한 해에는 지구의 평균 온도가 최대 0.2°C까지 상승하는 경향을 보입니다. 이러한 엘니뇨의 복합적인 기후변화 영향은 올해에도 나타나, 빈번한 이상 기후와 함께 지구의 최고 기온 기록 경신에 기여하였습니다. 슈퍼 엘니뇨는 지구 온난화로 인해 더욱 강력해지고 빈번해질 것으로 예상됩니다. 따라서 전 지구적 이상 기후를 예측하고, 효과적으로 대응하기 위해서는 엘니뇨에 대한 심도 있는 연구가 필요합니다. 이번 꼭지에서는 엘니뇨의 형성과 슈퍼 엘니뇨, 그리고 이들이 지구에 미치는 영향까지 알아보았습니다. 엘니뇨가 지구에 미치는 영향이 정말 큰 것 같네요! 

다음 꼭지에서는 기후변화에 대비하는 방법에 대해 함께 알아보겠습니다!   

글. 화학공학과 23학번 29기 알리미 황현준

[각주] 1. 적도 부근의 고압대에서 저압대 방향으로, 동쪽에서 서쪽으로 일정하게 부는 바람 2. 해양의 깊은 곳에서 차고 영양염이 풍부한 물이 표층으로 상승하는 현상을 말하며, 주로 해안 가까이에서 발생하여 해양 생태계에 중요한 영향을 미침 3. 적도 지역에서 동서 방향으로 이루어지는 대기 순환 패턴으로, 해수면 온도가 높은 서태평양 지역에서 상승한 공기가 동쪽으로 이동해 해수면 온도가 낮은 동태평양에서 하강하고 다시 무역풍을 따라 서쪽으로 되돌아가는 순환을 말함 4. 엘니뇨와 반대되는 현상으로, 적도 동태평양의 해수면 온도가 평년보다 낮아져서 서태평양의 무역풍이 강화되고, 전 세계적으로 기온과 강수량에 극단적인 변화를 초래하는 기후 현상

[그림 출처] 그림 1-2. https://www.kma.go.kr/kids/233.jsp 그림 3. https://www.kma.go.kr/kma/news/press.jsp?bid=press&mode=view&num=1193307&page=92&&field1= 그림 4. 자체제작 그림 5. https://iri.columbia.edu/our-expertise/climate/forecasts/enso/2024-february-quick-look/ 그림 6. https://www.cambridge.org/core/books/abs/changing-flow-of-energy-through-the-climate-system/el-nino/24F3D3F2BC7D9634EE775E4ACA378550

[참고 자료] 1. International Research Institute for Climate and Society. “ENSO Forecasts: January 2024 Quick Look.” Columbia Climate School. January 2024. https://iri.columbia.edu/ourexpertise/climate/forecasts/enso/2024-january-quick-look/. 2. National Ocean Service. “What Are El Niño and La Niña?” National Oceanic and Atmospheric Administration. Accessed October 2, 2024. https://oceanservice.noaa.gov/facts/ninonina.html. 3. Yi Liu. “Nonlinear El Niño impacts on the global economy under climate change” Nature communication. September 21, 2023  https://www.nature.com/articles/s41467-023-41551-9