새로운 국제 공동 연구는 기후와 대기에 관한 오랜 과학적 논쟁에 핵심 증거를 제공합니다. 중국, 미국, 이스라엘의 국제 과학자 팀은 깊은 열대 대류 구름의 수증기 과포화 상태가 이전 인간 관측 기록을 훨씬 초과한다는 사실을 발견했습니다. 이 발견은 과학계가 이전에 제안한 가설, 즉 적절한 대기 조건이 주어지면 작은 에어로졸 입자가 열대성 폭풍 구름을 "촉매"하고 강화할 가능성이 있다는 가설을 확증합니다.
기후 과학자들은 작은 에어로졸 입자가 실제로 열대성 뇌운을 더욱 강력하게 만드는지에 대해 오랫동안 논쟁을 벌여 왔습니다. 깊은 대류 구름의 진화는 전 지구적 강수량, 번개, 기후 패턴을 직접적으로 형성하는 반면, 구름 방울의 중심에 있는 작은 입자는 구름 내의 물리적 메커니즘을 미묘한 방식으로 변경합니다. 과학계에서는 "응축 에어로졸 대류 여기"라는 이론적 메커니즘을 제안했습니다. 이 메커니즘은 구름 내부의 수증기가 매우 높은 "과포화" 상태에 도달할 때(즉, 공기 중 수증기 함량이 일반적인 평형 상태의 함량을 훨씬 초과함) 에어로졸 입자의 도입이 많은 수의 추가 구름 방울 생성을 촉진하여 응축을 가속화하고 더 많은 잠열을 방출하여 궁극적으로 대류 구름 내부의 상승 기류가 급격히 강화된다고 믿습니다.
그러나 그 전에는 과거 항공 관측이 대부분 오염이 심한 구름과 얕은 따뜻한 구름에 집중되었거나 샘플링 위치가 강수량과 구름 방울이 매우 빠르게 합쳐지는 깊은 대류 영역 아래에 있었기 때문에 과포화 축적을 쉽게 약화시킬 수 있었기 때문에 과거 항공기 측정 데이터는 이 이론을 뒷받침하는 데 필요한 높은 수준의 준 정상 상태 과포화를 거의 포착하지 못했습니다.
연구팀은 이 미스터리를 풀기 위해 NASA가 2019년 필리핀 및 주변 열대 해양에서 실시한 '구름, 에어로졸 및 몬순 과정 실험'의 항공기 관측 데이터를 심층 분석했다. 측정된 상승 기류 속도와 구름 방울 크기 분포를 사용해 준정상 상태 과포화를 도출했다. 이 혁신적인 접근 방식은 수증기를 생성하는 공기의 상승과 수증기가 구름 방울로 응축되는 것 사이의 동적 균형을 완벽하게 포착합니다.
결과는 열대 대류 구름에서 달성할 수 있는 과포화도가 유사한 관측으로 이전에 기록된 것보다 훨씬 높다는 것을 보여줍니다. 데이터에 따르면 계산된 준정상 상태 과포화도는 고도가 증가함에 따라 증가하여 구름층이 여전히 과냉각된 물방울에 의해 지배되는 영하 5도 부근의 영역에서 약 10%에 도달하는 것으로 나타났습니다. 온도가 더 낮은 지역에서는 과포화 추정치가 계속 증가합니다. 동시에 텍사스와 루이지애나 해안 지역의 "ESCAPE" 항공 관측 프로젝트에 대한 또 다른 병행 독립 연구에서도 이러한 결론이 확인되었습니다. 이 연구는 또한 깊은 대류 상승 기류에서 드물지만 최대 11%에 달하는 극단적인 준정상 상태 과포화를 발견했습니다. 이 두 가지 독립적인 연구는 과학자들이 예상한 구름 환경에 극도로 높은 수준의 수증기 과포화가 존재한다는 것을 결론적으로 보여줍니다.
연구진은 가장 심각한 과포화는 강한 상승 기류와 낮은 농도의 구름 방울이 결합될 때 발생하는 경향이 있다고 지적했습니다. 구름 방울의 농도가 증가하면 구름 방울의 전체 표면적이 확장되어 가속 응축을 통해 과포화를 감소시키며 이는 물리 법칙과 완전히 일치합니다.
이러한 관측은 아직 에어로졸이 이러한 구름을 강화한다는 것을 직접적으로 추론하고 입증할 수는 없지만 응축된 에어로졸 여기를 위해 필요한 "대기 연료"가 실제 열대 대류 구름에 존재한다는 매우 중요한 초석을 설정합니다. 이렇게 과포화도가 높은 환경에서 미세하거나 초미세 에어로졸 입자가 추가되면 쉽게 새로운 구름 방울로 응축되어 추가 잠열을 방출합니다. 과거 연구에서는 올바른 목표를 찾지 못했기 때문에 이 메커니즘을 발견하지 못했습니다. 이 메커니즘의 신비를 진정으로 밝히고 싶다면 미래의 과학 탐사는 깊고 깨끗한 해양 대류 구름에 초점을 맞추고 후속 항공 임무에서 깨끗하고 오염된 환경의 열대 대류 구름 간의 차이를 더 비교하여 궁극적으로 폭우, 번개 및 지구 기후 예측에 에어로졸이 미치는 영향에 대한 인류의 물리적 이해를 향상시켜야 합니다.