올해 들어 그린란드의 수도 누크(Nuuk)와 서울의 기온을 비교한 그림입니다. 붉은색이 그린란드 누크의 최저기온, 파란색은 서울의 최저기온입니다. 1월 15일부터 17일까지 단 사흘만 빼고 누크의 기온이 높았습니다.

영하 10도 밑으로 떨어진 날은 서울이 7일이지만, 누크는 이틀에 불과합니다. 1월 평균기온은(1월 29일까지 집계) 서울이 3.5도, 누크는 영상 0.3도로 누크의 평균기온은 영하가 아니라 영상이었습니다. 서울은 예년보다 훨씬 추웠고, 그린란드는 훨씬 따뜻했기 때문입니다.미국과 캐나다 등 북미의 한파와 폭설 상황은 더 심각합니다. 아래 그림은 미국 중서부의 대도시 시카고의 기온입니다. 1월 8일 시카고의 최고기온은 이상고온 현상으로 영상 15.6도까지 올라가 신기록에 가까운 수준으로 상승했습니다.

그러나 중순 이후부터 상황은 급반전했습니다. 북극에서 강력한 한파가 들이닥치면서 기온이 영하 23.9도까지 곤두박질해 이번에는 신기록에 가까운 수준으로 떨어졌습니다. 찬 공기가 더운 공기를 들이받으면서 강력한 겨울 폭풍이 발생해 50여 명이 숨지고, 80만 가구의 전기가 끊겼으며 난방비가 폭등했습니다.

기후전문가 김백민 교수(부경대 환경대기과학과)는 북반구를 강타하고 있는 대규모 한파는 ‘성층권 극소용돌이’의 심각한 교란 또는 붕괴에서 시작됐다고 말합니다.

성층권 극소용돌이는 15~50km 상공 성층권에서 북극을 감싸며 반시계 방향으로 회전하는 시속 100~200km의 빠른 기류를 말합니다. (대류권 상부에도 극소용돌이가 있지만, 성층권 극소용돌이는 그보다 더 높은 곳에서 회전합니다).

평소 극소용돌이는 북극을 중심으로 하나의 동심원을 그리며 쌩쌩 도는데, 올겨울에는 극소용돌이가 약해지면서 마치 8자를 그리듯 두 개의 중심으로 갈라지며 모양이 크게 일그러졌습니다. 이런 현상을 성층권 극소용돌이 교란(disrupt)이라고 하는데 교란이 심하면 붕괴(collapse)라고 부르기도 합니다.

김 교수는 늘어진 극소용돌이의 중심이 어디를 향하는지가 중요하다고 말합니다. 극소용돌이의 중심축이 향하는 방향으로 강력한 한파가 밀려오기 때문입니다.

두 개로 갈라진 극소용돌이 중심축 중 하나는 캐나다와 미국으로, 다른 하나는 동아시아로 확장했습니다. 같은 기간 지상 기온을 보면 미국과 캐나다, 우리나라의 한파가 강력했습니다.

성층권 극소용돌이 붕괴로 시작된 한파는 보통 한파보다 더 강력하고 오래 지속됩니다. 그 이유는 북극에 갇혀 있던 찬 공기가 중위도 지방으로 둑이 터진 것처럼 일시에 쏟아져 내려오기 때문입니다.

북극을 둘러싸고 빠르게 회전하는 극소용돌이는 북극의 냉기가 남쪽으로 내려오지 않게 가둬두는 역할을 하는데, 극소용돌이가 붕괴됐다는 건 북극 냉기를 가두는 힘이 약해졌다는 걸 의미합니다.

성층권 극소용돌이가 약해지면 대류권 극소용돌이도 약해지고 편서풍의 흐름이 정체되면서 곳곳에서 블로킹이라고 불리는 정체성 고기압과 저기압이 출현해 이상한파와 이상고온, 가뭄과 폭설 같은 극단적인 기상현상이 출현해 장기간 지속될 가능성이 커집니다.

극소용돌이가 얼마나 강한지 혹은 약한지를 한눈에 파악하기 위해 기상학자들이 고안해 낸 지수가 북극진동지수(AO 지수)입니다.

북극진동지수의 값이 3을 밑돌면 극소용돌이가 약해졌다는 것을 의미하고, 이때 강력한 북극한파가 남쪽으로 내려오게 됩니다. 아래 그림을 보면 지금은 4에서 5 사이까지 떨어져 북극한파의 강도가 매우 강력하다는 사실을 알 수 있습니다.

따라서, 겨울철 한파의 강도와 지속 기간을 예보할 때 극소용돌이의 움직임을 예측하는 것은 매우 중요합니다.

김 교수는 극소용돌이가 약해지는 현상은 북극권과 중위도 지역 사이의 기온 차가 줄어들면 발생 확률이 높아진다고 말합니다. 즉, 상대적으로 북극권이 더 뜨거워지거나 중위도가 더 식으면 남북의 기온 차가 줄어드는데 올해가 그렇다고 분석했습니다.

올겨울 북극해는 역대급으로 해빙(바다를 뒤덮은 얼음) 면적이 적은 상태로 겨울이 시작됐고, 겨우내 시베리아 서부 해역 등 얼음이 사라진 바다로부터 많은 열에너지가 대기로 공급돼 북극권의 기온이 상승했습니다.

반면, 유라시아 대륙 동부의 광활한 지역은 예년보다 많은 눈이 내려 차갑게 식었습니다. 아래 그림에서 파란색은 11월에 예년보다 더 많은 눈이 쌓인 지역을 보여줍니다.

지구온난화는 성층권 극소용돌이 붕괴에 어떤 영향을 주고 있을까요? 결론부터 말하면 복합적입니다. 북극의 얼음이 녹고 북극 기온이 상승하는 현상은 확실히 극소용돌이 붕괴에 유리한 조건입니다. 그러나, 지구온난화로 성층권이 차갑게 식는 현상은 극소용돌이 붕괴에 불리한 조건입니다.

성층권이 식는 이유는 이산화탄소와 메탄 등 인간이 배출한 온실가스가 지구가 내보내는 열을 지면 가까이에 가둬 성층권까지 도달하는 열은 오히려 줄어들고 있기 때문입니다. 성층권이 식으면 극소용돌이가 강해집니다.

그러니까 지구온난화는 성층권 극소용돌이 붕괴에 양방향으로 기여합니다. 양쪽에 다 힘을 불어넣고 있다는 건데 문제는 더 팽팽해진 긴장이 끊어질 때 발생합니다. 균형이 깨질 때 더 강력한 북극한파가 발생할 수 있습니다.

김 교수는 지구온난화로 날씨의 변동성이 커지고 극단적인 기상현상이 출현할 가능성이 높아졌다고 말합니다.

2월은 어떨까요? 성층권 극소용돌이 붕괴로 시작된 한파는 길고 오래 갑니다. 미국과 동아시아를 강타한 한파는 잠시 풀리더라도 또 들이닥칠 가능성이 큽니다.

김 교수는 그러나 성층권 극소용돌이가 일단 제자리를 찾기 시작하면 강력한 복원력으로 북극의 냉기를 가둘 수 있다고 말합니다. 2월 중순 이후에는 북반구를 강타한 한파가 진정되면서 고온으로 돌아설 가능성도 있다는 전망입니다.

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《뉴스인사이트팀 김승환 논설위원》