새로운 연구에 따르면 21세기에 전 세계적으로 토양 수분이 감소하면 세계 물 순환에 '영구적인' 변화가 나타날 수 있다고 경고했습니다.

위성 데이터, 해수면 측정 및 "극지방 운동" 관찰을 결합하여, 이 연구는 토양 수분 수준이 2000년 이후로 어떻게 감소했는지 보여줍니다.

Science 에 발표된 연구 결과에  따르면, 이러한 감소는 주로 지구 기온이 상승하면서 대기 중 수분이 점점 줄고 강수 패턴이 바뀌면서 발생한 것으로 나타났습니다.

따라서 연구자들은 현재의 온난화 추세가 계속된다면 관찰된 변화가 "영구적"일 가능성이 있다고 경고합니다.

수반된  전망 기사에  따르면 이 연구는 기후 변화로 인해 지상 수원에 "돌이킬 수 없는 변화"가 일어났다는 "확실한 증거"를 제공한다고 합니다.

NASA 고다드 우주 연구소  와  컬럼비아 대학 에서 일하는 학제간 지구 시스템 과학자인  벤저민 쿡 박사 는 토양이 건조해지면 주요 가뭄의 "심각성과 빈도가 증가"하여 인간, 생태계, 농업에 영향을 미친다고 설명했습니다.  그는 이 연구에 참여하지 않았습니다.

그는 Carbon Brief에 이렇게 말했습니다.

"가뭄은 가장 큰 영향을 미치고 비용이 많이 드는 자연 재해 중 하나입니다. 왜냐하면 가뭄은 일반적으로 지속적이고 오래 지속되기 때문입니다. 모든 것에 물이 필요합니다. 생태계에는 물이 필요하고 농업에는 물이 필요합니다. 사람들에게도 물이 필요합니다. 물이 충분하지 않다면 문제가 됩니다."

토양 건조

매년 약 6조 톤의 물이 지구 표면을 순환합니다. 비가 땅에 내리면 바다로 돌아가는 여정에서 토양, 습지, 지하수, 호수, 저수지에 갇힙니다. 

토양 수분은 지구 시스템의 중요한 부분을 형성하여 토양 관개, 영양소 순환, 기후 조절에 도움을 줍니다. 

토양에 포함된 물의 양은 강수량, 증발, 식생 및 기후의 변화를 포함한 다양한 요인과 집약 농업과 같은 인간 활동에 따라 민감하게 달라집니다. 

이 연구는 2000-02년 3년간의 "급격한 고갈" 기간으로 인해 21세기에 토양 수분 수치가 "점진적으로 감소"할 것이라고 지적합니다.

구체적으로 연구자들은 토양 수분 고갈로 인해 2000~2002년 동안 총 1조 6,140억 톤(기가톤, 또는 Gt)의 물이 손실되었고, 2002~2016년 사이에는 1,009Gt이 손실되었다는 것을 발견했습니다.

(문맥상, 그린란드의 얼음 손실로 인해 2002~2006년 동안 900Gt의 물이 손실되었습니다.) 

연구에 따르면, 토양 수분은 2021년 현재까지 회복되지 않았으며, 현재 기후 조건에서는 회복될 가능성이 낮습니다. 

멜버른 대학교 수문학 및 원격 감지학과 교수  이자 공동 주저자인  Dongryeol Ryu 교수 는 Carbon Brief에 다음과 같이 설명했습니다.

"우리는 지난 20년 동안 토양 수분의 지속적인 감소 추세 사이에 [토양 수분의] 단계적 감소를 두 번이나 관찰했습니다. 우리는 이전에는 이런 추세를 본 적이 없었기 때문에 이것이 매우 우려되는 이유입니다."

Ryu는 토양 수분의 변화를 전 세계적 규모로 분석하기로 한 결정은 연구자들이 더 작은 지리적 데이터 세트에서 보기 어려운 추세를 확인할 수 있다는 것을 의미한다고 설명합니다.

"이러한 대규모 측정을 분석하여 우리가 발견한 독특한 점은 강수량과 기온 상승에서 폭넓게 변동하는 기복을 보았지만 토양 수분과 지하수 등 토양에 포함된 총 수분은 이 세기 초부터 점차 감소해 왔다는 것입니다."

아래 지도는  ERA5-Land  재분석 데이터 세트에서 추정한 1995-99년 기준선에 대한 2003-07년과 2008-12년의 토양 수분 변화를 보여줍니다. 지도에서 갈색으로 표시된 영역은 토양 수분이 감소했고 파란색으로 표시된 영역은 토양 수분이 증가했습니다.

상단 지도는 2003-07년 동안 동아시아와 중앙아시아, 중앙아프리카, 북미와 남미의 광대한 지역에서 토양 수분 고갈을 보여줍니다. 하단 지도는 그 이후 몇 년 동안 "보충"이 남미, 인도, 호주, 북미의 비교적 작은 지역에서 발생했음을 보여줍니다.

1995-99년 기준선 대비 2003-07년(지도 a)과 2008-12년(지도 b)의 평균 토양 수분 변화. 갈색으로 표시된 영역은 토양 수분이 감소했고 파란색으로 표시된 영역은 토양 수분이 증가했습니다. 진한 회색은 토양 수분 변화가 통계적으로 유의하지 않은 영역을 나타냅니다. 추정된 수치 ERA5-육지. 원천: 과학.

기후 변화 

류 박사는 연구자들이 "21세기에 지구 물 저장량과 토양 수분이 감소한 데에는 기온 상승이 중요한 역할을 했을 것으로 추정한다"고 말했습니다. 

이 연구는 지난 25년 동안 토양 수분의 점진적인 고갈을 촉진하는 두 가지 요인, 즉 강수 패턴의 변동과 "증발 수요"의 증가를 지적합니다.

증발 수요는 대기가 물에 대해 "갈망하는 정도"를 말하며, 토양, 식물, 표면수에서 얼마나 많은 수분을 흡수할 수 있는지를 말합니다.

 연구에 따르면 지난 20년 동안  전 세계적으로 증발 수요가 어떻게  증가 했는지가 강조되었으며, 이로 인해 물 가용성에 영향을 미치고, 농작물에 피해를 입히고  가뭄  이 발생하고 있습니다 .

새로운 연구는 "기후 온난화로 인한 증발 수요 증가"가 "기온 상승에 따라 건조화 경향이 더 일관되고 광범위하게 나타난다"는 것을 시사한다고 언급합니다. 

류는 2000-02년에 관찰된 "매우 이례적인" 수분 감소는 전 세계적으로 강수량이 적었기 때문일 수 있다고 말하는데, 이는 "증발 수요가 증가하기 시작한 기간"과 일치합니다.

류는 2015-16년에 나타난 덜 두드러진 또 다른 토양 수분 감소 기간은 2014-16년 엘니뇨 현상으로 인한 가뭄 때문일 수 있다고 지적했습니다. 

류는 연구 결과가 토양 수분이 과거처럼 건조한 해에서 더 이상 회복될 수 없음을 나타낸다고 말했습니다.

"예전에는 강수량이 다시 증가하면 토양에서 물을 회복했습니다. 하지만 이렇게 증발 수요가 증가하기 때문에 강한 엘니뇨 현상이 나타나면(1~2년 동안 강수량이 크게 감소) 증발 수요가 증가해서 물을 완전히 회복하지 못하는 것 같습니다. 그래서 건조한 해가 지나고 비가 오는 해가 오더라도 토양의 물이 회복되지 않는 것 같습니다." 

교차 검증

역사적으로 과학자들은 토양 내 수분에 대한 포괄적이고 직접적인 관찰이 부족하기 때문에, 전 지구 토양 수분의 변화를 측정하는 데 어려움을 겪어 왔습니다.

연구자들은 유럽 중기 기상 예보 센터 (ECMWF)  의  ERA5-Land 재분석 데이터 세트 와 세 개의 지구물리학 측정 데이터 세트를 비교하여 이러한 불확실성을 줄이려고 시도했습니다   .

ERA5의 지표 모델링 시스템은 기상 데이터와 기타 입력 데이터를 사용하여 토양 표면 수 미터 내의 물을 추정합니다.

이 수치는 NASA  와  독일 항공 우주 센터 의 공동 위성 임무인  GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) 임무에서 수집한 데이터와 비교되었습니다 .

2002년부터 운영된  GRACE 미션은  지하수 고갈, 빙하 손실, 해수면 상승에 대한 데이터를 수집하여 지구 중력의 변화를 추적합니다. 이러한 관찰을 통해 육지에서 바다로 물이 지속적으로 손실되는 것이 밝혀졌습니다. 

 과학자들은 또한 ERA5 재분석 데이터를 지구의 질량 분포가 변화함에 따라 지구의 자전 변동을 측정한 1세기 전 데이터 세트 와 교차 참조합니다  .

(빙상이 녹고 지하수가 고갈되는 등 얼음과 물의 재분배로 인해 지구는 회전하면서 흔들리고 축이 약간 이동합니다. 이를 " 극 운동 "이라고 합니다.)

과학자들이 사용하는 세 번째 측정값은 위성을 통해 수집한 지구 평균 해수면 높이입니다. 

연구자들은 이 데이터 집합에서 토양 수분 변화를 추출하기 위해 그린란드 빙하 녹음, 남극 빙하 녹음, 해수면 온도 증가(물량 증가)의 영향, 지하수의 기여를 포함하여 해수면 상승의 다른 구성 요소를 전체에서 빼었습니다. 

이러한 제거 과정을 통해 연구자들은 토양 수분이 전 세계 해수면 상승에 미치는 영향을 추정할 수 있었습니다. 

이 연구는 해수면 높이와 극지방의 운동 관찰 결과가 "토양 수분의 급격한 변화가 진짜라는 결론을 뒷받침한다"고 언급합니다. 

류는 지구 평균 해수면 상승과 "지구 흔들림"을 이용해 육지의 물 재분배를 추적하는 것이 논문에 적용된 "주요 혁신"이라고 말한다. 

그는 ERA5 데이터세트의 "역엔지니어링"의 가치는 미래에 지표 모델링을 개선하는 방법을 이해하는 것이라고 덧붙였습니다.

"이 측정에 기여하는 모든 요소를 ​​설명하면 프로세스를 이해할 수 있습니다. 그리고 프로세스를 이해하면 이러한 요소 중 하나라도 특정 방식으로 변경되면 미래에 무슨 일이 일어날지 실제로 예측할 수 있습니다."

NASA의 쿡 박사는 논문에서 제시한 "보완 증거"가 "최근 수십 년 동안 토양 수분이 대규모로 감소했다는 매우 강력한 사례"를 제공한다고 말했습니다. 

그러나 그는 연구의 비교적 짧은 참고 기간이 감소 원인을 식별하는 것이 덜 명확하다는 것을 의미한다고 말합니다. 

"[감소가] 영구적인지 아닌지는 훨씬 더 불확실합니다... 이러한 시간 척도에서 내부 자연적 변동성은 정말, 정말 강할 수 있습니다. 이 감소를 기후 변화나 내부 변동성 중 특정한 것에 기인시키는 것은 훨씬 더 어렵습니다."

해수면 상승

이 연구의 해수면 상승 분석에서 주목할 만한 발견은 육지의 물 저장이 21세기 초 해수면 상승의 주요 원인이었을 수 있다는 것입니다.

특히 이 논문은 2000~2002년 토양 수분이 급격히 감소하면서 지상의 물 저장량이 감소하여 지구 평균 해수면이 연간 약 2mm 상승했다고 지적합니다.

연구자들은 이러한 해수면 상승률이 "전례가 없고" 그린란드 빙하 손실에 기인한 해수면 상승률(연간 약 0.8mm)보다 "상당히 높다"고 지적했습니다.

프린스턴 대학  의  하이 메도우 환경 연구소 의  리드 맥스웰 교수 는 이 연구에 참여하지 않았지만, 토양 수분을 다른 지구 수분 저장소와 비교하려는 연구자들의 노력은 "새로운" 것이며 "더욱 전체적인 지구 수분 수지에 대한 미래 연구의 문을 열었다"고 말했습니다.

'점점 더 심각해지는 재앙'

이 논문은 기후 변화에 따른 토양 수분 변화를 정확하게 시뮬레이션하기 위해서는 지표 및 수문 모델에 "상당한 개선"이 필요하다고 언급합니다.

현재 모델은 농업 집약화의 영향이나 반건조 지역의 지속적인 " 녹화 "를 고려하지 않습니다. 둘 다 토양 수분의 추가 감소에 "기여할 수 있음"을 명시합니다.

헬름홀츠 환경 연구 센터  의 계산 수력 시스템 부서의  Luis Samaniego 교수는 Science 에 게재된 관점 기사에서  농업   , 대규모 댐, 관개 시스템과 같은 인간이 초래한 영향을 차세대 모델에 통합하는 것이 "필수적"이라고 말했습니다.

이 연구는 연구에서 제시된 지구 토양 수분 변화를 추정하기 위한 "혁신적인 방법"이 "지구 및 대륙적 규모에서 모델링의 현재 상태를 개선"할 수 있는 기회를 제공한다고 가정합니다. 

더 광범위하게 말하면, 토양 수분 변화에 대한 과학적 이해가 진전되면 전 세계가 가뭄에 대비하는 데 도움이 될 수 있습니다.

가뭄은 종종 " 점점 심각해지는 재난 "으로 묘사됩니다. 왜냐하면 가뭄이 식별될 때까지는 대개 이미 진행 중이기 때문입니다.

논문 저자인 류 씨는 다음과 같이 설명했습니다.

"홍수나 폭염과 달리 가뭄은 매우 매우 느리게 오고, 장기적이고 지연된 결과를 초래합니다. 우리는 늦기보다 일찍 대비하는 것이 좋습니다. 가뭄이 오면 장기간의 결과를 예상할 수 있기 때문입니다."

연구에 참여하지 않은 수문기후 극한 연구소와  홍콩 이공대학의 준교수인 왕 박사 는 연구 결과가 "온난화 기후에서 전례 없는 수문학적 극한 현상"의 "잠재적 원동력과 역학"에 대한 이해를 증진하는 데 "중요하다"고 말했습니다. 그는 Carbon Brief에 다음과 같이 말했습니다.

"이것은 복합 및 연속 가뭄-홍수 현상과 같은 전례 없는 수문학적 극단으로 이어지는 수문학적 체제 변화의 원동력을 밝혀내는 획기적인 연구입니다."