기후학자들은 왜 산속 눈 온도를 재고 있을까

기후 변화로 날씨가 점점 더 불규칙해지면서 과학자들은 눈이 녹아 저수지에 도달하는 시점과 저수지가 범람할 가능성이 있는 시기를 예측하기 위해 적설층의 온도 데이터를 수집하고 있다.

4월 초의 상쾌한 아침, 댄 매커보이(Dan McEvoy)와 비외른 빙엄(Bjoern Bingham)은 사우스 레이크 타호에 위치한 헤븐리 스키 리조트(Heavenly Ski Resort)의 넓은 슬로프를 가로지르며 내려온 뒤 밧줄 아래로 몸을 숙여 발길이 닿지 않은 새하얀 눈으로 뒤덮인 출입 통제 구역 안으로 들어섰다.

두 사람은 경사진 언덕을 올라 제프리 소나무 숲을 지난 후 장비를 내려놓았다.

네바다주 리노에 위치한 사막연구소(DRI) 소속 기후 연구원인 그들은 스키를 타고 리조트 한가운데 마련된 실험 구역으로 내려와 시에라네바다 산맥의 적설층(snowpack), 즉 내린 눈이 쌓여지면서 형성된 층의 온도를 측정하는 새로운 방법을 시험하고 있었다. 이들이 사용한 장비는 눈 속에 구멍을 뚫은 뒤 지면까지 내려보내 온도를 측정할 수 있는 실험용 적외선 장치였다.

시에라네바다 산맥의 얼어붙은 적설층은 캘리포니아 전체 물 공급의 약 3분의 1을 차지하며, 수돗물, 샤워, 스프링클러 등 북서부 네바다의 도시와 마을에서 사용되는 생활용수 대부분을 충당한다. 봄과 여름에 눈이 녹기 시작하면 댐 운영 기관, 수자원 기관 및 지역 사회는 수십억 리터의 유출수를 관리해야 한다. 매년 가뭄이 반복되는 여름철을 대비해 충분한 물을 저장하는 동시에 저수지와 수로의 범람을 방지하기 위해서다.

기후 변화로 인해 기온이 상승하고 눈이 더 빠르게 녹으며 극심한 강우와 가뭄이 번갈아 나타남에 따라 물이 산에서 흘러내리는 시점을 예측하기 위해 보다 정밀한 적설층 온도 데이터를 확보하는 작업의 중요성이 점점 더 커지고 있다.

과거에는 이러한 적설 관측 데이터를 수집하는 데 많은 시간과 노력을 들여야 했다. 하지만 이제는 최신 도구와 기술 및 모델이 등장하면서 작업이 한층 수월해지고, 물 예측의 정확도도 향상되고 있다. 이는 캘리포니아를 비롯한 여러 주가 심화되는 가뭄과 홍수 속에서도 주요 수자원을 보다 안전하게 관리하는 데 기여할 것으로 기대된다.

하지만 전문가들은 트럼프 행정부가 연방 기관 전반의 예산을 삭감하면서 적설 관측과 측량을 총괄하는 기관까지 영향을 받을 것을 우려하고 있다. 이는 미국 서부 지역 사회가 물 공급을 계획하는 데 바탕이 되는 수자원 데이터 및 예측 자료 생산에 차질을 빚을 수 있다.

오리건주 기후학자 래리 오닐(Larry O’Neill)은 “이러한 측정 데이터가 없다면 연료 계기판 없이 자동차를 운전하는 것과 같다”며 “산 위에 얼마나 많은 물이 있고, 그 물이 여름까지 버틸 수 있을지 알 수 없기 때문”이라고 설명했다.

적설 측량의 시작

미국의 적설 측량 프로그램은 20세기 초 북미에서 가장 큰 고산 호수인 타호 호수 인근에서 시작되었다.

당시에는 매년 봄 산에서 얼마나 많은 물이 흘러내릴지를 예측할 수 있는 신뢰할 만한 방법이 없었다. 이로 인해 호숫가에 위치한 주택과 상점 소유주들은 홍수를 우려해 댐 운영 기관에 이른 봄부터 물을 방류해 달라고 요청했다. 반면 하류의 지역 사회와 농민들은 이후의 물 부족 사태를 피하기 위해 댐에 최대한 많은 물을 저장해 달라고 요구하며 맞섰다.

1908년 제임스 처치(James Church) 네바다 대학교 리노 캠퍼스 고전학 교수는 등산에 대한 열정을 바탕으로 적설 과학에 관심을 갖게 되었고, 이른바 ‘타호 호수 물 전쟁’을 해결할 수 있는 장치를 발명했다. ‘로즈 산 눈 채취기(Mt. Rose snow sampler)’라는 이 장치의 이름은 네바다 쪽으로 뻗은 시에라 산맥 능선에 위치한 봉우리 이름에서 따온 것이다. 

이 장치는 나사로 연결된 관, 날카로운 끝부분, 측면의 눈금으로 구성된 비교적 단순한 구조이다. 적설 측량사는 눈 채취기를 눈 속 깊숙이 찔러 지면까지 닿게 한 후 적설 깊이를 측정한다. 이후 채취된 눈이 담긴 관의 무게를 특수 저울로 측정하여 눈의 수분 함량을 계산한다.

처치는 이 장치를 사용해 산맥의 여러 지점에서 측정 작업을 수행하고, 타호 호수의 수위 변화와 자신의 측정값을 비교해 수자원 예측치를 보정했다.

이 방법은 매우 효과적이어서 미국 정부는 1930년대 중반 연방 적설 측량 프로그램을 시작했으며, 이는 오늘날 미 농무부(DOA) 산하 자연자원보전청(NRCS)에서 운영하는 프로그램으로 발전했다. 미 서부 전역에서는 수백 명의 적설 측량사들이 겨울 내내 스노슈즈, 백컨트리 스키 또는 스노모빌을 타고 지정된 지점으로 올라가 100년 넘게 그대로 사용되고 있는 로즈 산 눈 채취기를 설치한다.

1960년대에 들어 미국 정부는 산악 지역 전역에 상시 모니터링 지점 네트워크도 구축하기 시작했으며, 이는 현재 ‘스노텔(SNOTEL)’ 네트워크로 알려져 있다. 현재 미국 서부 각 주와 알래스카 전역에 900곳 이상의 관측소가 설치되어 지속적으로 측정값을 전송하고 있다. 이들 관측소에는 공기 온도, 적설 깊이, 토양 속 수분을 측정하는 센서와 눈의 무게를 측정하여 수분 함량을 파악하는 압력 감지형 ‘스노우 필로우(snow pillow)’가 갖춰져 있다.

적설 측량 및 스노텔 관측소에서 수집된 모든 데이터는 NRCS가 발간하는 적설 깊이 및 적설 수분 함량 보고서에 반영되며, 봄과 여름 동안 하천과 저수지를 채울 수 있는 물의 양을 예측하는 데에도 활용된다.

온도 측정

그러나 이러한 적설 측량과 모니터링 프로그램들은 적설층 전반의 온도 정보를 제공하지 못한다.

시에라 네바다 산맥에서는 적설층이 6미터 넘게 쌓일 수 있으며, 특히 정상 부근에서는 온도 차이가 크게 나타날 수 있다. 적설층의 여러 지점에서 측정한 온도값을 이용하면 적설층을 섭씨 0도의 균일한 온도로 만드는 데 필요한 에너지인 냉열량(cold content)을 산출할 수 있다.

연구자들은 적설층의 냉열량을 파악함으로써 봄철 기온 상승기나 정상 부근에 비가 내린 직후 등 눈이 급격히 녹기 시작하는 조건을 이해할 수 있다.

예를 들어, 적설층 내부의 온도가 몇 피트 아래에서도 화씨 32도에 가깝다면, 따뜻한 날씨가 며칠만 이어져도 눈이 쉽게 녹기 시작할 수 있다. 반면 적설층 중간부의 온도 측정값이 전반적으로 낮게 나타난다면, 눈은 비교적 안정적으로 유지되어 날씨가 따뜻해져도 오래 남아 있게 된다.

문제는 지금까지 적설층 전체의 온도를 측정하는 작업이 매우 까다롭고 시간이 많이 소요되었다는 점이다. 연구자들은 대부분 지면에 닿을 때까지 눈구덩이를 판 후 내부 벽면을 따라 탐침 온도계로 온도를 측정하는 방식을 사용해 왔다.

울타리, 철사, 탑 등에 센서를 부착한 후 적설층에 묻히도록 하여 연속적인 원격 측정값을 얻으려는 시도도 다양하게 이뤄졌다. 하지만 밀도가 높은 눈의 움직임과 압력 때문에 장비가 고장 나거나 설치한 구조물이 손상되는 경우가 많았다.

매커보이는 “대부분 한 계절도 버티지 못한다”고 설명했다.

DRI의 교수 앤 헤글리(Anne Heggli) 산악 수문기상학 교수는 2019년 캠퍼스를 둘러보던 중 연구진이 접촉 없이 적설 표면의 온도를 측정하기 위해 적외선 육류 온도계를 사용하는 모습을 보고, 적외선 장비를 이용해 문제를 해결할 방법을 떠올렸다.

2021년 헤글리는 기기 제조업체인 RPM 시스템즈(RPM Systems)와 협력하여 적설 현장 조건에 최적화된 적외선 장치를 설계하기 시작했다. 이렇게 개발된 눈 온도 분석기(snow temperature profiler)는 적설 측량사가 판 구멍에 넣을 수 있을 정도로 가늘며, 10센티미터 간격으로 표시된 줄에 매달린 형태로 되어 있다.

4월의 어느 아침, 빙엄 DRI 연구원은 헤븐리 산에서 눈 온도 분석기를 적설 채취 구멍에 천천히 넣으며 각 눈금에 표시된 온도를 큰 소리로 읽었다. 매커보이는 근처에서 함께 판 눈구덩이에서 탐침 온도계를 이용하여 별도로 온도를 측정하며, 빙엄이 불러준 수치를 클립보드에 고정한 기록지에 적어 내려갔다.

두 사람은 현장에서 적외선 장치의 신뢰도를 평가하기 위해 온도 측정값을 비교하고 있었지만, 궁극적인 목표는 눈구덩이를 파는 작업 없이 적설층 온도를 측정하는 것이다. 이들은 앞으로 주 및 연방 정부의 적설 측량사들이 눈 온도 분석기를 가지고 와서 적설 측량 구멍에 넣기만 하면 산 전반의 적설층 온도 데이터를 정기적으로 수집할 수 있게 되기를 기대하고 있다.

2023년 미국 내 여러 댐을 운영하는 연방 기관인 미 내무부 개간국(Bureau of Reclamation)은 적외선 장치를 활용한 적설층 온도 측정 가능성을 평가하기 위한 3년 연구 프로젝트에 자금을 지원했다. 이 프로젝트를 통해 DRI 연구팀은 현재 캘리포니아, 콜로라도, 아이다호, 몬태나, 네바다, 유타에 있는 적설 측량팀 20곳에 장치를 배포하여 현장 활용 가능성을 시험하고 수집 중인 적설 데이터를 보완하고 있다.

눈 연구소

DRI 연구 프로젝트는 미국 서부 산악 지대 전반의 적설층 온도 데이터를 확보하기 위한 다양한 활동 중 하나다.

5월 초 타호 호수 북서쪽 고산 지대에 위치한 낡은 목조 건물인 UC 버클리 센트럴 시에라 눈 연구소(UC Berkeley Central Sierra Snow Lab)에서는 눈 높이가 4월 최고치였던 약 2.9미터에서 약 60센티미터로 줄어들었다.

연구소의 메건 메이슨(Megan Mason) 연구원은 산악용 스키 삽을 이용해 건물 뒤편에 파놓은 적설층 속에 묻혀 있던 세 개의 장치를 꺼냈다. 각 장치에는 시에라 산맥의 적설 무게와 움직임을 견딜 수 있도록 설계된 고강도 중합체 막대를 따라 다양한 종류의 온도 센서가 배열되어 있었다.

메이슨은 겨울을 견디고 매시간 온도 데이터를 전송할 수 있는 강력한 시스템을 개발하기 위해 진행 중인 이번 계절의 마지막 관측을 마친 뒤 이 장치들을 회수하고 있었다.

눈 연구소에서는 캘리포니아주 수자원부와 협력하여 ‘캘리포니아 냉열량 이니셔티브(California Cold Content Initiative)’라는 프로젝트를 진행 중이다. 캘리포니아주는 미국 서부에서 유일하게 자체 적설 측량 프로그램을 유지하고 자체 상시 관측소를 운영하고 있으며, 이 모든 시설은 수자원부에서 관리한다.

연구소는 이번 겨울 어떤 장치가 가장 잘 견디고 제대로 작동했는지 판단한 후 다음 계절에 가장 효과적인 방법들을 다른 관측소에서 시험해 볼 계획이다. 앤드루 슈워츠(Andrew Schwartz) 연구소장은 캘리포니아의 100곳이 넘는 적설 관측소에 이 장치들을 설치하는 것이 궁극적인 목표라고 밝혔다. 

한편, NRCS도 구슬형 온도 케이블이 설치된 일부 스노텔 지점에서 유사한 연구를 진행 중이다. 이러한 케이블 중 하나는 매커보이와 빙엄이 눈구덩이를 파낸 지점 인근에 있는 헤븐리 스노텔 관측소에서 확인할 수 있으며, 메인 타워에서 뻗어 나온 지지대와 눈 덮인 지면 사이에 수직으로 연결되어 있다.

슈워츠는 “여러 연구 집단이 서로의 프로젝트에 대해 공개적으로 소통하고 협력하고 있으며, 이를 통해 상호보완적인 정보를 제공하고 미국 서부 전역의 적설층 온도 데이터베이스를 확장할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

수십 년 동안 정부 기관과 연구자들은 주로 변수들 사이의 역사적 관계를 근거로 적설층에 저장된 수분량을 산 아래로 흘러내릴 물의 양으로 환산하는 비교적 단순한 회귀 모델을 사용해 수자원을 예측했다.

그러나 기후 변화로 인해 기온, 적설량, 융해 속도, 증발량 등이 달라지고, 고산 지대의 기상 패턴이 기존 추세를 벗어나면서 이러한 모델들은 점차 신뢰성을 잃고 있다.

헤글리는 “기후가 과거 평균에서 더 자주, 더 큰 폭으로 벗어나는 해가 늘어나면서 기존 모델의 적용 가능성이 떨어지고 있다”고 말했다.

슈워츠는 “최근 개발된 더 정교한 모델에 직접 측정한 온도 데이터를 적용하면 수자원 예측의 정확도를 크게 높일 수 있다”고 설명했다. 이는 기후 변화로 인해 더 극단적이고 불규칙한 날씨가 반복되더라도 지역사회가 가뭄을 효과적으로 관리하고, 댐의 범람을 예방하는 데 도움이 될 것이다.

전 세계 인구의 약 4분의 1이 산악 지역의 적설과 빙하에 저장된 물에 의존하고 있지만, 기후 변화는 전 세계 여러 지역에서 이러한 천연 냉수 저장소를 유지하는 물 순환 체계를 교란하고 있다. 따라서 관측 및 모델링 기술의 발전은 전 세계적으로도 광범위한 혜택을 가져올 수 있다.

위협받는 연구 인프라

하지만 이러한 진전을 가로막는 위협 요인이 존재한다.

DSI의 프로젝트가 예상대로 성과를 거두더라도 백악관이 연방 기관의 인력 감축, 수천 건의 과학 연구 보조금 폐지, 수백억 달러 규모의 연구 부서 예산 삭감을 추진하는 상황에서 이러한 도구와 기법이 얼마나 폭넓게 적용될 수 있을지 불확실하다.

트럼프 행정부는 미 농무부(USDA) 소속 직원 약 6,000명을 해고하거나 행정 휴직 조치했으며, 이는 부서 전체 인력의 약 6%에 해당한다. 지역 언론 및 업계 매체의 보도에 따르면 이러한 인력 감축은 지역 내 자연자원보전청(NRCS) 사무소에도 영향을 미쳤다.

오리건주의 기후학자 오닐은 포틀랜드 사무소 직원의 절반 이상이 감원 대상에 포함된다고 주장했다. <스테이츠맨 저널(Statesman Journal)>의 보도에 따르면 초당적 성향의 의원들은 농무부 장관에게 해당 인력의 복직을 촉구하며 “인력 감축이 오리건주의 농업, 산불, 수력발전, 임업, 관광 산업에 필수적인 수자원 데이터 및 분석 능력을 저해할 수 있다”고 경고했다.

현재 오리건주에는 80곳 이상의 스노텔 관측소가 운영되고 있다.

하지만 올여름에는 모든 관측소의 배터리, 태양광 패널, 유실되거나 고장 난 센서를 교체할 인력이 부족해 데이터의 신뢰성이 빠르게 저하되거나 정보 흐름이 중단될 수 있다는 우려가 제기되고 있다.

의원들은 “NRCS의 인력 및 예산 감축은 스노텔 장비 유지관리 및 정기적인 직접 관측을 어렵게 만들어, 1년 이내에 네트워크가 운영 중단될 수 있다”고 경고했다.

USDA와 NRCS는 MIT 테크놀로지 리뷰의 인터뷰 요청에 응하지 않았다.

매커보이는 연방 정부의 예산 삭감으로 스노텔 관측소나 연방 적설 측량을 통한 데이터 수집이 축소되더라도 주 및 지역 기관이 측량을 계속 수행하는 지역에서는 DRI의 적외선 측정 방식이 “여전히 적설층 온도를 간단하게 측정할 수 있는 대안이 될 수 있다”고 말했다.

하지만 대다수의 연구자들은 기후 및 수자원 순환의 월별·계절별 변화를 이해하기 위해서는 더 많은 측량, 관측소, 센서, 측정값이 필요하다고 주장한다. 헤글리는 적설층 데이터를 수집하고 농업인과 지역 사회에 필요한 수자원 예측 정보를 제공하는 프로그램에 대해 초당적 지원이 필요하다고 강조했다.

그녀는 “적설층 데이터는 우리가 보유한 가장 중요한 자원을 파악하는 수단”이라며 “미국 서부에서는 매년 여름 계절성 가뭄이 발생하며, 적설층에서 녹아내린 물이 이를 극복하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 그 양을 정확히 파악할 필요가 있다”고 덧붙였다.

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