지구 온난화에 대해 ARABOZA (feat. AI)

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GRE를 공부하는 사람은 알겠지만, Verbal에서 주로 나오는 주제들은 몇 가지 정해져 있다. GRE 시험 특성상 주로 최근 연구 및 역사에 대한 새로운 주장 또는 사실들을 가지고 오는 경우가 많은데 그 중 하나 빠질 수 없는 주제가 바로 Global Warming, 즉 지구 온난화이다.

나 또한 작년부터 인공지능 분야에서도 기후 변화에 대해 여러 적극적인 활동들이 일어나는 것을 보고 더더욱 관심이 생겼다. 이러한 활동에는 대표적으로 Climate Change AI 가 있다. 그러나 우선 기후 변화에 왜 경각심을 가져야 하는지와 그에 대한 어떠한 의견들이 있었는지 알아보고 이후 소개하기로 한다.

용어 정리

첫 번째로 짚고 넘어가야 하는 것은 바로 용어(Terminology)이다. 기후 변화에 대한 다양한 의견들을 찾아보면서 서로 가장 많은 오해가 쌓이는 것이 용어에 대한 문제였다. 그러므로 본론으로 넘어가기 전 용어 정리를 우선하도록 한다.

아래 설명된 용어들은 모두 위키백과를 참고하였다.

기상이변

기상이변(氣象異變) 또는 극한기후(영어: Extreme weather)란, 평상시 기후의 수준을 크게 벗어난 기상현상을 의미하며, 기후는 보통 30년을 기준으로 삼는다. 기상이변의 원인은 여러 가지이며, 지구 온난화, 엘니뇨 등이 그 예이다. 하지만 엘니뇨와 라니냐는 수년에 한번씩 찾아오는 현상일 뿐이므로 지구온난화라고 할 수 없다

기후변화

기후 변화(氣候 變化, 영어: climate change)는 범지구적, 세계적 규모의 기후 시스템(climate system) 또는 지역적 기후가 시간의 흐름에 따라 최소 수십 년 이상 동안 점진적으로 변화하는 것이다. 10년에서부터 수백만 년의 기간 동안의 대기의 평균적인 상태가 새로운 기후 패턴(new weather patterns)으로 변화하는것을 의미하는데, 이러한 변동은 지구 내부의 작용이나 외부의 힘(예를 들면, 태양 복사의 변화)에 의한 것일 수도 있고, 인간의 활동에 의한 것일 수도 있다

지구 온난화

지구 온난화(地球溫暖化, 영어: global warming 또는 climate change)는 19세기 후반부터 시작된 전 세계적인 바다와 지표 부근 공기의 기온 상승을 의미한다. 21세기 초부터 2018년까지 지구 표면의 평균 온도는 1980년에 비해 약 3분의 2가 넘는 0.93 ± 0.07 °C 정도 기온이 상승했다. 기후 온난화의 원인에 대해서는 아직 애매하나, 대부분의 과학자들은 90% 이상의 온실 기체 농도의 증가와 화석 연료의 사용과 같은 인간의 활동에 의해 발생한 것으로 추측하고 이러한 연구 결과는 모든 주요 산업 국가의 과학 연구 센터에서 인정받고 있다

IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change

기후 변화에 관한 정부간 협의체(氣候 變化에 關한 政府間 協議體, Intergovernmental Panel on Climate Change, 약칭 IPCC)은 국제 연합의 전문 기관인 세계 기상 기구(WMO)와 국제 연합 환경 계획(UNEP)에 의해 1988년 설립된 조직으로, 인간 활동에 대한 기후 변화의 위험을 평가하는 것이 임무이다. IPCC는 연구를 수행하거나 기상 관측을 하는 조직은 아니다. 기후 변화에 관한 국제 연합 기본 협약(UNFCCC)의 실행에 관한 보고서를 발행하는 것이 주 임무이다.

온실효과(greenhouse effect)

온실효과(溫室效果)는 태양의 열이 지구로 들어와서 나가지 못하고 순환되는 현상이다.

지구과학자

지구과학은 연구하는 사람들로 지구과학에는 자연지리학 (physical geography), 지형학 (geomorphology, topography), 수문학 (hydrology), 기후학 (climatology), 지역지리학, 측지학 (geodesy), 토양학 (pedology, soil science), 지질학 (geology) 등 다양한 분야가 있다.

지구 온난화의 요인

지구 온난화는 크게 자연적 요인인위적 요인으로 나눌 수 있다1. 자연적 요인은 크게 세 가지로 볼 수 있는데 태양에너지의 변화, 화산 폭발에 의한 변화, 그리고 지구 움직임의 변화이다. 지구 움직임의 변화라면 밀란코비치 주기(Milankovitch Cycle)를 나타낸다. 이는 지구에 빙하기가 반복되었던 원인이라고 할 수 있다. 밀란코비치 주기는 그림 1과 같이 크게 세 가지 요소가 있는데 첫 번째로는 이심률(eccentricity), 자전축의 기울기(tilt), 그리고 자전축의 세차운동(precession)이 있다2.


그림 1. 밀란코비치의 세 가지 요소

인위적 요인은 사람에 의한 영향을 나타낸다. 대표적으로 온실가스 및 에어러솔의 증가 그리고 산림파괴 및 환경변화가 있다.

지구 온난화로 인한 영향

지구 온난화에 대한 환경운동가로 빠질 수 없는 인물을 꼽자면 앨 고어 (Al Gore) 가 있다. 앨 고어는 미국의 45대 부통령이었으며, 현재는 환경 운동가로 활동하고 있다. 누구나 한번쯤 들어봤을만한 <불편한 진실 (2006)> 는 앨 고어를 주연으로 하는 기후 변화에 대한 대표적인 다큐멘터리이다. 그의 이러한 환경 운동을 위한 여러 적극적인 활동으로 2007년에 노벨 평화상을 받게 되었다.

이후 2017년 나오지 않았으면 좋았을 불편한 진실2가 나오게 되는데 2006년 나왔던 불편한 진실1에서 나온 진실들이 사실은 불편하지 않았던 사람들에 의해 등장하게 되었다. 10년이라는 세월에 어느새 앨 고어형의 머리는 백발이 되었고 그동안 수많은 정치적인 문제로 인해 어려움을 느껴서인지 두 번의 대선을 도전하지 않는다고 한다. 또한 10년 전과 다른 점은 이전보다 소리높여 강력하게 주장한다는 점이었다.

불편한 진실에서는 처음 그림 2과 같이 온실현상으로 점점 더 많은 열이 나가지 못하고 지구를 뜨겁게 만들어 지구 온난화가 점점 더 격상하고 있다고 얘기한다3.


그림 2: greenhouse effect illustration

온실 현상의 주된 원인은 이산화탄소의 증가이다. 이산화탄소로 인한 온실 현상은 이전에서 주기적으로 계속 있었다. 과거 기상청도 없던 시절의 이산화탄소의 농도와 온도를 아는 방법이 있는데 그 방법이 바로 ‘빙하 코어(ice core)’ 이다. 빙하 코어는 그림 3과 같이 빙하를 원기둥 모양으로 뽑아내어 그동안 빙하가 축적되어온 과정을 분석하는 방법이다4. 빙하 코어에서 알 수 있는 정보는 그 해의 온도, 강수량, 공기 중 구성요소 등 다양한 정보를 얻을 수 있고, 알려진 바로는 약 80만 년 전까지의 데이터를 얻을 수 있다고 한다5.


그림 3. 빙하 코어 추출 과정

아래 그림 4은 빙하 코어를 통해 얻은 현재(당시 2008년도에 발표된 데이터지만 데이터를 보니 present가 2008년이 아닌 약 100년 전인듯하다)부터 약 80만년 전까지의 온도와 \(CO_2\) 그래프이다678.


그림 4. 지난 80만년 간 CO2 농도와 온도의 변화

그러나 주의해서 보아야 할 것은 바로 최근 \(CO_2\)의 급격한 증가 현상이다. 지난 1,000년 간 \(CO_2\) 농도 상승률을 보면 그 사실을 알 수 있다. 그림 5에서는 지난 1,000년 간 300ppm이 넘지 않았던 \(CO_2\) 농도가 급격하게 상승하여 현재는 414ppm까지 오른 것을 알 수 있다9. 주목할 점은 \(CO_2\)의 상승과 함께 평균 온도 또한 계속해서 증가한다는 것이다.


그림 5: 지난 약 1,000년 간 CO2와 온도 변화, 온도는 20세기 평균 온도와의 차이를 나타낸다.

영화에서는 기온이 올라가게 되면 지구에 어떤 영향은 크게 해수면 상승, 생태계 파괴, 늘어나는 자연재해가 있겠다.

해수면 상승으로 인한 피해

남북극 빙하의 녹는 속도가 가속됨에 따라 발생하는 해수면 상승이 있다. 특히 북극은 더 빠르게 녹는 속도가 가속화될 수 있는데 이는 그림 6과 같이 열을 흡수하는 해양의 면적이 점차 넓어짐에 따라 빙하의 속도가 빨라지는 것으로 볼 수 있다10.


그림 6. 빙하는 햇빛의 90%를 다시 반사하는데 반해 해수면은 햇빛의 94%를 흡수한다. 출처: https://www.exploratorium.edu/climate/ice

NSIDC (National Snow & Ice Data Center) 에서는 과거 1981~2010년까지의 빙하 면적으로부터 최근까지 줄어든 면적을 최근 날짜로 확인할 수 있다.


그림 7. 1981~2010년 빙하 면적(분홍색 라인)에 비해 현저히 줄어든 2020년 8월 북극의 빙하 면적.

해수면이 상승하면서 해안 지역의 수많은 이재민이 발생하게 될 것이고 이 수는 수천만에서 수억까지 달할 정도로 큰 피해로 다가올 것이라고 경고한다. 2020년 기준 현재 세계 인구가 약 78억 명, 앞으로 계속 늘어날 인구에 비해 사람이 살 수 있는 곳이 줄어들고 있는 현실을 고려하면 심각한 문제라고 볼 수 있다.

생태계 파괴

평균 온도가 급격하게 올라감에 따라 철새들의 이주 기간이 달라지고 그림 811과 같이 부화 시기도 점차 앞당겨지면서 먹이가 가장 풍부한 시기에 제대로 된 먹이를 공급하지 못하게 될 가능성이 높아지게 된다. 이처럼 기존 생태계의 균형이 여럿 깨지기 시작했다. 또한, 해수면의 증발뿐만 아니라 지표면 또한 증발하게 되면서 수많은 종이 멸종해나가기 시작한다. 하나둘 어긋나면서 나비효과와 같이 전체적인 균형이 무너진다면 결국 인간에게까지 피해가 오기 시작할 것이다.


그림 8. 2주나 앞당겨진 부화 시기

늘어나는 자연 재해

빙하가 녹고 해수면이 따뜻해지면서 증발하는 양이 많아지게 되면 기류에도 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 요인들이 태풍의 발생 위치와 강도를 높이는 것은 이미 잘 알려진 사실이다12. 그 외에도 그림 9와 같이 비 폭탄 (rain bomb)이 일어나는 곳이 있지만 어느 한 곳에서는 전례 없던 가뭄이 오기도 한다1314.


그림 9. 이상 기후로 인한 비폭탄과 그와 대비되는 전례없는 가뭄

지구 온난화 회의론자

기후 변화에 관한 관심은 시간이 지날수록 더더욱 커지고 있다. 그러나 그만큼 기후 변화에 대한 의견 또한 다양해지고 있다. 현재는 대부분의 지구 과학자들의 의견과 다양한 실험으로 지구 온난화를 촉진하는 기후 변화의 원인이 인위적인 활동에 의한 것이라고 부정하기 어려운 현실이 되었다1516.

그러나 그럼에도 지구 온난화는 자연적 요인에 의한 것이고 인위적 요인에 의한 것이라고 확실하게 검증된 것은 없다 라는 의견들과 지금 우리에게 큰 문제는 따로 있고 신경 쓸 문제가 아니다 라고 주장하는 의견들도 있다. 이는 마치 끓는 물에 개구리를 넣으면 바로 나오겠지만, 개구리를 물에 먼저 넣고 서서히 넣으면 물이 끓을 때까지 나오지 않는 것과 마찬가지인듯하다.

기후 변화가 인위적이라는 증거 있어!?

지구 온난화를 일으킨 기후 변화가 인위적인 요인이라는 것은 2009년 Doran의 survey paper에서 조사된 바 있다. 조사 대상은 총 10,257명의 지구 과학자들이었고, 이 중 90% 이상이 박사학위 소지자였다. 질문은 크게 두 가지였고 질문1은 ‘1800년 이전과 비교했을 때, 지구 온도가 올랐는가, 내렸는가, 아니면 상대적으로 일정한가?’ 이고 질문2는 ‘이러한 기후 변화에 미치는 영향이 인간 때문이라고 생각하는가?’ 였다. 그 결과 아래 그림 10과 같이 첫 번째 질문에 90%가 ‘올랐다’라고 대답하였고 두 번째 질문에는 82%가 ‘그렇다’라고 응하였다15.


그림 10. 질문 2에 대한 응답률

또한 조사에 응한 지구 과학자 중 기후 과학자 79명을 한정하여 결과를 확인하였을 때, 질문 1에 대해 96.2%(79 중 76명)가 ‘올랐다’ 그리고 97.4%(77 중 75명)이 ‘그렇다’라고 하였다. 이러한 사실로 나사에서도 ‘기후 변화의 원인이 인간에 의한 활동이라고 전문가의 97%가 인정하였다’라고 주장했다15.

2013년에는 John Cook에 의해 또 다른 조사가 이루어졌다. 그의 조사에서는 1991~2011년까지 ‘global climate change’ 또는 ‘global warming’이라는 주제의 논문 11,944개를 대상으로 하였다. 조사는 해당 논문들이 AGW(Anthropogenic Global Warming)에 대한 입장을 조사하였다. 그 결과, 모든 초록 중 66.4%는 AGW에 대한 의견을 나타내지 않았고 32.6%는 AGW를 지지하였으며 0.7%는 AGW를 부정하였고 나머지 0.3% 지구 온난화에 대한 요인이 불명확하다고 하였다. 논문은 AGW를 지지하는 논문들의 97.1% 가 사람이 기후 변화의 주된 요인이라고 결론 냈다16.

그러나 이에 대해 반박하는 사람도 당연히 있었으니, Doran의 조사에 대해서는 이 97% 라는 숫자가 오직 79명을 대상으로 하였다는 것이다. 또한 Cook의 조사는 전문가가 아닌 논문을 기준으로 세었기 때문에 신뢰성이 떨어진다고 주장한다17. (박사 학위를 소지한 기후 과학자 79명에 검증 절차를 거친 논문으로도 신뢰할 수 없다면 어느 정도 신뢰성이 있어야 하는 걸까…)

지금 기후 변화에 돈 쓸때가 아니야!

지구 온난화를 뒤로한 채 다른 문제에 더 신경을 써야 한다는 주장들 또한 매우 많다. 대표적으로 도널드 트럼프 대통령은 취임 이전부터 꾸준하게 우선순위가 아니라고 하였고 취임한 후에는 2015년 파리에서 맺은 파리 협정에서 탈퇴하였다. 기후 변화를 둘러싼 반박에는 정치적인 요소를 빼놓을 수가 없다. 수많은 석유 사업과 같은 에너지 사업은 지구 온난화에 대한 경각심이 일어날수록 사업성에서 위기가 올 수 있기 때문에 수많은 로비와 방해 공작들이 난무한다. <불편한 진실2 (2017)>에서 앨 고어는 트럼프를 향해 복서계의 띵언을 내던졌다.

누구나 그럴듯한 계획을 갖고 있다. 처맞기 전까지는.
Everyone has a plan until they get punched in the mouth.

한편으로는 단순 수익성이 아닌 개발도상국의 입장에서 본다면 신재생에너지를 구축하여 기존 에너지 사업을 대체하는게 비효율적일 수 있다. 대표적으로 인도의 경우, 파리 협약과 그 전 미국과의 소통에서도 ‘협약에 대한 내용이 매우 강압적이고 지난 150년 간 미국이 발전해온 방식으로 선진국이 된 후 고려하겠다’라며 주장한바있다. 그러나 이를 해결하였던 것이 태양광 에너지 모듈로 세계적인 기술을 가진 ‘솔라시티’의 기술 이전과 대규모 지원으로 인해 인도의 등을 다시 돌리게 하였다.

교황의 말처럼 인도에서 주장했던 150년 계획도 선진국들로 인한 기후 변화를 제대로 된 성장도 못 한 개발도상국이 함께 지어야 한다는 불합리에서 발생한 사례라고 생각된다.

지구 온난화를 극복하기 위한 노력

지구 온난화를 극복하기 위해서 정말 다양한 시도와 노력이 이루어지고 있다. 신재생 에너지의 효율성을 극대화하기 위한 연구부터 개개인의 생활 패턴을 고치기 위한 운동까지 파리 협정 또한 20세기 안으로 이산화탄소 배출량이 0이 되는 것을 목표로 하고 있다.

그러나 사실 지금까지 얘기는 지금부터 할 얘기를 꺼내고 싶었기 때문에 쓴 내용이다. 지난해 인공지능 분야의 대가들이 모여 만든, 국힙계의 ‘동전 한 잎’ 또는 ‘119 remix’같은 느낌으로 기후 변화에 대해 적극적으로 문제를 논의하고 해결하자 하여 ‘Climate Change AI’ (이하 CCAI)가 생겼다. 오늘로 하면 약 1년 정도 되었다고 볼 수 있겠다.


그림 11. 머신 러닝을 통해 기후 변화를 해결하고자 참여한 인사들

그림 11과 같이 인공 지능을 공부한다면 한 번쯤 들어봤을 이름들과 수많은 연구소에서 대거 참여한 전례 없는 (내 기준) 논문이라 생각된다. 저 인사들이 한 자리에 있다는 상상을 하니 마이클 잭슨의 ‘We are the world’의 뮤비가 생각나지 않을 수 없다.

Climate Change AI

CCAI는 작년 2019년 NIPS 워크숍을 통해 알게 되었다. 진정 내가 희망하던 프로젝트가 아닐 수 없다. 인류에게 도움이 되는 연구! 너무 추상적이고 이상적인 바람이라 솔직하게 얘기하고 다니지 못했지만 그렇다. 나는 그런 걸 하고 싶다.

기후 변화와 관련된 도메인은 정말 다양하게 있다. 웹에서는 다양한 도메인에 따른 데이터를 공유하고 해당 분야에 사용되는 애플리케이션들을 소개한다. 또한, 올해는 아쉽게도 코로나로 전부 온라인이 되었지만 머신 러닝 분야의 탑 컨퍼런스들에서 워크숍들을 열었다.

  • 도메인별 데이터 리소스 공유
  • 분야별 영향력있는 어플리케이션
  • 2020년 ICLR, AMLD, NIPS 등 워크샵
  • 다양한 분야의 사람들의 포럼

Tackling Climate Change with Machine Learning 18

이 논문은 위에서 언급한 인사들이 함께 작성한 논문이고 기후 변화에 대응하기 위해 어떻게 머신 러닝을 활용하여 문제를 해결해 나갈 수 있는지를 나타내고 있다. 아래는 논문에 대한 간략한 소개이다.

Abstract

기후 변화는 인류가 풀어야하는 난제 중 하나이다. 이 문제를 머신러닝을 풀고자 하고 여러 분야의 전문가들과 함께 해결해나가고자 한다. 이 논문에서는 좋은 비즈니스 기회뿐만 아니라 흥미로울 수 있는 질문들도 함께 제안한다. 우리와 함께 합시다.

Introduction

기부 변화를 위한 영향은 눈에 띌 정도로 커지고 있다. 2018년도 기후변화에 대한 정부보고서에서는 30년 내에 온실가스 배출량을 줄이지 않으면 큰 재앙이 올 거라고 얘기했지만 계속 올라가고 있다.

기후 변화를 다룬다는 것은 배출량을 줄이고 불가피한 결과에 대해 준비를 하는 것이다.

머신러닝과 인공지능이 다양한 문제를 풀고 좋은 결과들을 내고 있지만 머신러닝 전문가들도 아직 기후 변화에 대한 해결책을 못 내놓고 있다. 그래도 많은 분야에서 머신러닝을 통해 기후 변화를 해결하기 위해 계속해서 연구하고 있다.

이 논문은 많은 사람이 기후 변화에 관해 연구한 좋은 방법들에 대한 개요들을 담았다. 주로 기후 완화와 적응을 다루고 그 외 meta-level의 방법들도 제안한다.

누구를 위해 쓴 논문인가?

  • Researcher and engineers
  • Entrepreneurs and investor
  • Corporate leaders
  • Local and national governments

논문을 읽는 방법

위 테이블에 따라 섹션이 구분돼 있는데 보다 더 전략적으로 읽기를 바라며 몇 가지 flag를 세웠다고 한다.

  • High Lerverage : 기후 변화에 대한 완화와 적응의 문제를 해결한 도메인 전문가의 bottleneck이고 ML 전문가들에게 유익하다.
  • Long-term : 2040년 이후 일어날 일들에 대한 application들을 말한다.
  • Uncertain Impact : GHG 배출의 영향에 대한 불확실성을 가진 applicaiton이나 잠재적인 악영향들에 대한 내용을 말한다.

맺음말

인공 지능을 공부하는 입장으로 이러한 프로젝트는 반갑지 않을 수 없다. 통계를 공부하며 마찬가지로 항상 고민해왔던 것은 ‘과연 이 방법들을 어느 분야에 접목하는 것이 좋을까’이다. 어떤 분야에든 적용하는 것이 가능하겠지만 모든 분야를 공부하고 다루는 것은 불가능하기에 내가 관심 있게 보고 의미 있는 일에 적용해보고 싶었다. 내 오랜 바람인 ‘인류에게 도움이 되는 연구(이 말을 글로 쓰는 것도 꽤 용기가 많이 필요한 일이다)’에 적합하지 않나 생각이 든다. 의료계에서도 마찬가지로 지금까지 했던 연구에 더해 조금 더 사람이 살아가는 데 있어서 이바지할 수 있는 연구를 하고 싶다.

CCAI는 앞으로 행보가 기되 대는 프로젝트이다. 저 많은 도메인마다 각각 어떻게 활용되는지 너무 궁금하기 때문에 다음에는 분야별로 대표 사례들을 찾아볼 계획이다.

오랜만에 포스팅하는데 공부를 많이 했더니 목이 뻐근하고 밥도 안 먹었다… 파스타 먹으러 가야지

Reference

  1. 국토환경정보센터: 기후변화 

  2. Milankovitch Cycle Figure 

  3. Greenhouse Effect Illustation 

  4. Paleoclimatology: The Ice Core Record 

  5. Ice core in wikipedia 

  6. Temperature Change and Carbon Dioxide Change 

  7. EPICA Dome C Ice Core 800KYr Carbon Dioxide Data 

  8. EPICA Dome C Ice Core 800KYr Deuterium Data and Temperature Estimates 

  9. If carbon dioxide hits a new high every year, why isn’t every year hotter than the last? 

  10. Introduction: Ice in Global Climate Change Explorer 

  11. Kleijn, D., Schekkerman, H., Dimmers, W. J., Van Kats, R. J., Melman, D., & Teunissen, W. A. (2010). Adverse effects of agricultural intensification and climate change on breeding habitat quality of Black‐tailed Godwits Limosa l. limosa in the Netherlands. Ibis, 152(3), 475-486. 

  12. Knutson, T. R., McBride, J. L., Chan, J., Emanuel, K., Holland, G., Landsea, C., … & Sugi, M. (2010). Tropical cyclones and climate change. Nature geoscience, 3(3), 157-163. 

  13. Qiu, J. (2010). China drought highlights future climate threats: Yunnan’s worst drought for many years has been exacerbated by destruction of forest cover and a history of poor water management. Nature, 465(7295), 142-144. 

  14. Rain Bomb: Rare ‘Wet Microburst’ Caught on Camera in Stunning Timelapse 

  15. Doran, P. T., & Zimmerman, M. K. (2009). Examining the scientific consensus on climate change. Eos, Transactions American Geophysical Union, 90(3), 22-23.  2 3

  16. Cook, J., Nuccitelli, D., Green, S. A., Richardson, M., Winkler, B., Painting, R., … & Skuce, A. (2013). Quantifying the consensus on anthropogenic global warming in the scientific literature. Environmental research letters, 8(2), 024024.  2

  17. Do 97% of experts agree with the IPCC that human CO2 emissions are causing dangerous global warming? 

  18. Rolnick, D., Donti, P. L., Kaack, L. H., Kochanski, K., Lacoste, A., Sankaran, K., … & Luccioni, A. (2019). Tackling climate change with machine learning. arXiv preprint arXiv:1906.05433. 

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