What drives the Mesoamerican Midsummer Drought? Insights from the moist static energy budget
이 연구는 습윤 정적 에너지 수지를 분석함으로써, 메조아메리카 한여름 가뭄이 대기 안정도의 증가가 아니라 순환 효율의 계절적 변화와, 증가된 수평 수분 수출이 상승하는 지표 난류 플럭스에 의해 상쇄되어 강수량이 일시적으로 감소하는 동안에도 대기 기둥이 에너지를 얻을 수 있게 하는 특정한 균형에 의해 발생한다는 것을 밝혀냈다.
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멕시코 남부와 중앙아메리카의 북서쪽 모퉁이 지역에서 여름 우기는 단 한 번의 지속적인 폭우로 찾아오지 않는다. 대신, 이는 뚜렷한 리듬을 따른다. 비는 5월에 시작되어 첫 번째 정점에 도달했다가, 7월과 8월 사이 몇 주 동안 신비롭게 물러난 뒤 9월에 두 번째 급증과 함께 다시 돌아온다. 이 한여름의 강수 휴식기는 현지에서 '카니쿨라(canícula)', 즉 "작은 여름"이라 불리며, 이 지역 기후의 결정적인 특징이다. 이 비에 의존하여 작물을 재배하는 농부들에게 이 건조한 시기의 시기와 강도는 생존의 문제다. 가뭄이 너무 일찍 찾아오거나 너무 오래 지속되면 수확을 망칠 수 있으며, 기후 변화로 인해 이 패턴이 변하는 것은 수 세기 동안 이어져 온 농업 전통을 뒤흔들 수 있다. 과학자들은 오랫동안 이 일시적 멈춤 뒤에 숨겨진 물리적 엔진을 이해하고자 노력해 왔으며, 이것이 대기 안정성의 변화나 바람이 지표면을 가로질러 습기를 운반하는 방식의 변화로 인해 발생할 수 있다고 제안해 왔다.
이 수수께력을 풀기 위해 연구진은 대기를 금융 장부처럼 취급하는 방법을 사용했다. 그들은 공기 기둥 내의 특정 에너지 척도에 집중했는데, 이는 공기의 열, 수증기에 저장된 에너지, 그리고 그 높이에 따른 위치 에너지를 결합한 것이다. 연구팀은 이 지역의 공기 기둥 속으로 에너지가 어떻게 유입되고, 유출되며, 변화하는지를 추적함으로써 건조한 시기 동안 정확히 어떤 일이 벌어지고 있는지 파악할 수 있었다. 그들은 위성 데이터, 기상 관측소 기록, 그리고 물리 법칙을 결합하여 대기의 완전한 그림을 만들어내는, 과거의 날씨를 고해 resolution으로 재구성한 두 개의 방대한 재분석 자료를 사용했다. 그들의 목표는 두 가지 주요 이론을 검증하는 것이었다. 하나는 공기가 너무 안정되어 구름을 형성하기 위해 상승하지 못한다는 이론이었고, 다른 하나는 강한 바람이 습기를 지표면 밖으로 불어낸다는 이론이었다.
연구진은 먼저 공기가 마치 대기를 짓누르는 무거운 뚜껑처럼 더 안정되어 비가 내리는 것을 막는지 확인했다. 조사 결과, 공기는 전체 우기 동안 계속해서 불안정하며 상승하려는 성질을 유지하고 있었다. 공기의 온도는 구름 형성을 막을 만큼 충분히 변하지 않았다. 대신, 그들은 하늘 중간 부분이 한여름의 가뭄 동안 눈에 띄게 건조해진다는 사실을 발견했다. 이 건조함은 마치 스펀지처럼 상승하는 습기를 빨아들여, 지표면의 공기가 여전히 상승할 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있음에도 불구하고 비로 변하는 것을 방해한다.
다음으로 연구팀은 카리브해로부터 흘러 들어오는 저층 제트 기류, 즉 바람의 역할을 조사했다. 이 바람이 가뭄 기간 동안 강화되어 습기를 육지 밖으로 불어내어 비를 멈추게 한다는 것이 널리 알려진 믿음이었다. 데이터는 실제로 이 시기에 바람이 지역 밖으로 더 많은 습기를 실어 나간다는 것을 확인해주었다. 그러나 그 증가 폭은 놀라울 정도로 작았다. 더 중요한 것은, 연구진이 이러한 건조 효과가 지표면 자체에서 상승하는 습기의 증가에 의해 거의 완벽하게 상쇄된다는 것을 발견했다는 점이다. 가뭄 동안 구름이 걷히면서 태양이 지표면을 더 강렬하게 가열했고, 이로 인해 토양과 식생으로부터 더 많은 물이 증발하게 되었다. 지면으로부터의 이 추가적인 습기가 바람에 의해 손실된 습기를 상쇄했기에, 공기 기둥 내의 총 에너지량은 감소하기는커녕 오히려 증가했다.
이 가뭄의 진정한 동인은 상승 기류의 형태 변화로 밝혀졌다. 습한 시기에는 공기가 하늘 높이 상승하여 에너지를 효율적으로 운반한다. 하지만 한여름의 가뭄 동안에는 상승하는 공기가 더 얕고 약해져 지표면에 가깝게 머문다. 공기가 높이 올라가지 못하기 때문에, 기둥 속에 쌓이는 에너지를 밖으로 실어 나르지 못하는 것이다. 이는 독특한 상황을 만든다. 즉, 대기는 에너지를 축적하고 있지만 비는 내리지 않는 상황이다. 연구진은 이 가뭄이 대기가 연료를 다 써버리는 시기가 아니라, 평소 연료를 비로 전환하던 엔진이 덜 효율적이 되는 시기라고 결론지었다. 공기는 본질적으로 비가 억제되는 동안 에너지를 "재충전"하고 있으며, 이는 뒤따르는 강력한 두 번째 폭우를 위한 발판을 마련한다.
이 연구는 한여름의 가뭄이 안정적인 뚜껑이나 건조한 바람과 같은 단일 요인에 의해 발생하는 것이 아니라, 대기가 에너지를 이동시키는 방식의 복잡한 변화에 의한 것임을 시사한다. 유입되는 습기와 유출되는 습기, 그리고 지면에서 상승하는 습기 사이의 균형은 비교적 일정하게 유지된다. 진짜 변화는 수직 순환, 즉 공기 기둥을 환기하는 능력이 약해지는 데 있다. 대기가 에너지를 잃는 것이 아니라 오히려 축적하고 있다는 점을 인식함으로써, 과학자들은 이 중요한 계절적 휴지기가 향후 어떻게 변할지 더 잘 예측할 수 있으며, 그 리듬에 의존해 살아가는 공동체에 필수적인 통찰력을 제공할 수 있다.
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