해시넷
인공강우
인공강우(人工降雨, artificial rainfall)는 인공적으로 비가 내리게 하는 일을 말한다. 비행기로 드라이아이스를 구름 속에 뿌리거나 아이오딘화 은을 연기로구름 속에 상승시켜 구름의 작은 입자를 큰 빗방울로 만들어 비가 내리게 한다.
개요[편집]
인공강우란 구름에 인공적인 영향을 주어 비가 내리게 하는 방법 또는 그러한 비를 말한다. 기상을 인위적으로 조작하는 것 자체로 상징성이 있는 일이며 비가 안 내리는 곳에 비를 내리게 함으로 농업 등에 이익을 줄 수 있다. 한국에서는 중국에서 발생한 미세먼지를 저감하기 위해 연구 및 실험 중이다. 즉, 인공강우는 구름층은 형성되어 있으나 대기 중에 응결핵, 또는 빙정핵이 적어 구름 방울이 빗방울로 성장하지 못할 때, 인위적으로 인공의 작은 입자인 '비씨'를 뿌려 특정 지역에 강수를 유도하는 것이다. 인공의 '구름 씨앗(cloud seed)'으로는 드라이아이스, 아이오딘화 은, 염분 입자를 이용하는데, 이러한 입자들을 공기 중에 뿌리게 되면 빙정핵의 형성이나 병합을 촉진시키기 때문에 강수 현상이 발생한다. 구름 씨앗은 인공강우 목적 외에도 안개를 지우거나, 우박이 내리는 것을 막거나, 태풍의 강도를 약화시키는 데에도 이용되고 있다.[1][2]
상세[편집]
과학적인 인공강우의 연구를 미국의 GE사에서 시작한 이래 40년이 흘렀다. 지난 40년간은 많은 연구가 행해졌으며 거의 전 세계적으로 이 분야에 관심을 기울여왔던 것이다. 인공강우뿐이 아니지만 이 시기의 학자들의 일반적인 경향은 기초연구와 아울러 실용화의 연구에도 상당한 노력을 기울였다. 인공강우는 세계적인 경향으로 보면 환경콘트롤의 일부이며 환경컨트롤은 요즘 매우 중요시되고 있으며 또한 강조되고 있는 실정이다. 미국에서는 NSF(국립과학재단)가 기상컨트롤에 관한 연구비를 계속 지급하고 있으며 그 대상분야는 기초에서 응용, 실용에 이르고 있다. 소련, 호주에서도 마찬가지이다. 즉 실용방법과 그 새로운 용도의 개발을 염두에 두고 여러 나라에서 노력하고 있다. 인공강우에 관해서는 다음과 같은 극단론이 있다. 즉, "우리들은 자연에 대하여아는 바가 거의 없는데 어떻게 자연을 컨트롤한다는 것인가"라는 견해와 "인공에 의해 비가 내렸기 때문에 그것이 가능하지 않느냐"는 것이다. 이러한 극단론이 있기는 하지만 이미 기상컨트롤의 하나인 인공강우가 거대과학으로 발전하여 버렸다.
여기서는 비가 올 수 있는 곳(구름)에서 비를 내리게 하는 인공증우를 목적으로 하는 기상컨트롤의 현재의 문제점과 그 장래의 방향에 대한 내용은 다음과 같다.
과학 이전의 시대
비와 바람을 자연의 일부로 생각하였던 그리스 시대에는 과학기술의 응용이 전혀 없었고 단지 종교적 강우법으로써 큐피트가 비를 지배했던 때이다. 1620년대에는 연기를 많이 낸다든지 큰 북을 세게 울려서 비가 내리면 돈을 받는 사람도 등장하였다. 19세기 후반에 들어와서는 조잡한 수단을 쓰지 않고 과학자들이 강우 촉진을 위하여 몇 가지 제안을 했는데, 로켓이나 벌룬에 의해 폭발물을 구름 높이에까지 올려서 전기 스파크로 폭발시키는 방법이 그것이다.
과학기술 성장기
온실, 방풍림, 관개와 같은 주로 농업생산의 환경을 개선하는 시대를 말한다. 이들은 경험에 기초를 둔 자연적 발달이라고 보는데 반해 cloud seeding(씨뿌리기, 구름에 인공 응결핵을 뿌리는 것)과 같은 인공강우법은 이론적 추이를 구체화한 것이고 그 기원은 rain maker에서 찾을 수 있다. 1891년에는 액화 탄산 가스를 공중에 살포하는 방법(공기를 충분히 냉각시키기 위해서)이 도입되었다. 또 1930년 네덜란드에서는 드라이아이스로 야외 실험을 했지만 학자들의 보수성과 실험 성과를 판정하는 전문가가 없어서 중단되었다.
과학기술 혁신기
2차 대전 중에 GE연구진의 일부는 1932년 노벨상을 받은 랭뮤어의 지도로 항공기 착빙의 문제를 연구하였다. 한편 제자인 쉐퍼는 실험실에서 실험을 하였는데 그 결과를 중시 여긴 랭뮤어가 비행기로 드라이아이스를 살포하여 성공하였다. 이는 베르제론 핀다이젠의 강우 메카니즘을 실험을 통하여 성공적으로 확인한 것이었다. 그 후로 실험 성공의 보고가 많이 있었으며 1946년에는 보네갓이 얻은, 옥화은을 태워서 과냉각수적에 넣어 주면 빙정핵의 역할을 한다는 사실이 실용화되었다. 이렇게 되어 기상학의 한 분야로서 운물리는 급속히 전진하였다. 그래서 기상컨트롤이라는 말은 씨뿌리기와 같은 말로 쓰였으며 인공강우는 운물리의 일부로서 국제회의의 대상이 되었다.
앞으로의 추세
부유한 나라인 중동의 사막지방에 높이 600m, 길이 10km의 거대한 인공산맥을 만들자고 일본인들이 제의했다고 한다. 산맥을 인공적으로 만들어서 각종 실험, 즉 지형성 강우, 인공강우 등에 대해 연구해 보자는 것인데, 무엇보다도 막대한 자금이 필요한 것이다. 또 비행기를 사용하여 일년에 수백만 내지 수천만달러를 소비하면서 불가능할지도 모를 인공강우를 계속 연구하는 나라가 많아졌다. 막대한 비용과 노력을 필요로 하는 문제이기 때문에 무계획하게 처리할 것이 아니라 WMO가 관장하여 기술 지도와 계획통제를 해야 한다고 의견의 일치를 보아서 WMO의 사업중의 하나로 채택되었고 그리고 기상컨트롤 가운데서 인공강우가 최우선순위로 정해졌다.
기술적인 문제로서는 인공강우라는 개념보다 인공증우라는 방향으로 눈을 돌리고 있다. 지금까지의 성과로 보아 실험이 성공한 경우라 할지라도 10~30% 정도의 증우를 있게 할 정도였다고 하는 것은 강우 메커니즘 자체에 대해 재검토해야 할 필요가 있는 것이다. 그래서 실용화에 앞서서 실험실에서, 근본적인 새로운 강우이론의 개발과 그에 대한 실험이 있어야 한다. 1980년 이후에도 실험을 계속하여 재미있는 결과를 내는 경우도 있으나 인공강우에 관한 논문이나 실용화가 다소 주춤했다고 하는 것은 바로 전진을 위한 새로운 모색이라 볼 수 있다. 한 마디로 말해서, 인공강우와 같은 거대과학의 앞날은 인간과 자연의 팽팽한 마지막의 대결이므로 하루 이틀에 해결된 문제가 아니라 부단한 노력이 필요하다고 본다.[3]
역사[편집]
인공강우 실험의 첫 번째 성공은 1946년 미국 제너럴 일렉트릭 연구소의 쉐퍼(Schaefer)가 항공기를 이용하여 구름 속으로 드라이아이스를 살포한 실험이었다. 쉐퍼는 그 해에 실험실에서 냉각상자의 온도를 급속히 떨어뜨리기 위해 드라이아이스 조각들을 떨어뜨렸을 때, 작은 얼음결정들이 형성되는 것을 목격하고, 인공강우의 가능성을 인식하고, 곧 항공실험을 실시하여 그와 같은 결과를 얻었다.
1947년 베나르드 보네거트 (Benard Vonnegut)는 아이오딘화 은(AgI)이 얼음결정과 비슷한 결정구조를 가지고 있는데 착안하여, 인공강우용 구름씨 물질로써 적당함을 알아낸 후, AgI 연소기를 개발하여 인공강우 항공실험에 성공하였다. 이것을 계기로 1950년과 1960년대에 세계 곳곳에서 인공강우 실험이 진행되었으며, 1950년에는 기상조절학회(Weather Modification Association)가 창설되었다.
미국에서는 국가적인 차원에서 기상조절에 대한 연구를 종합적으로 기획, 조정하기 위해 1978년 국립해양대기청(NOAA : National Oceanic and Atmospheric Administration) 산하에 기상조절프로그램 (AMP : Atmospheric Modification Program )부서를 설립하였으며, 현재까지 각 주정부의 기상조절프로그램에 대한 연구 활동 및 연구 장비 지원 등을 담당해오고 있다.
1970년대에 들어서부터 일부에서 기상조절에 대한 반대 여론이 발생하였는데 주된 원인으로는 확실한 과학적인 기초연구가 없이 너무 쉽게 생각하고 인공강우의 효과에 대해 과대하게 선전, 인공강우 문제가 과학적인 연구 대상을 떠나서 농장주나 목장 등 실수요자들의 이해관계가 얽힌 사회적, 정치적인 문제로 대두, 인간이 자연현상인 기상을 조절하려고 시도해서는 안 된다는 종교적, 환경론적 주장 등이 있다.
1974년 사우스다코타주에서는 인공강우 반대 시민연합이라는 단체가 조직되어 반대 집회를 주도하였다. 1980년대에 들어와서는 기상조절에 대한 열기가 식어져서 연구비 지원도 점차 감소하게 되었으나, 과학기술의 발달로 인해 그때부터 새로운 측정 기기들이 개발되었고, 또 컴퓨터의 발달로 측정데이터분석이 용이해졌으며, 구름 및 강우수치모델 등이 개발되어 기상조절에 이용할 수 있는 도구로 활용되었다.
엘니뇨현상이나 지구온난화에 따른 기후변화에 의해 이상가뭄현상이 지속되고 있는 현실에서 가뭄해소 및 대체 수자원 확보의 한 방안으로 다시 인공강우에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 미국을 비롯한 세계 여러 나라에서는 인공강우를 실용화하여 가뭄해소와 수자원 확보에 효과를 보고 있다.[1]
인공강우의 원리[편집]
- 드라이아이스는 영하 40°C 이하로 아주 낮은 온도이기 때문에 이것을 뿌리면 강우메커니즘에 꼭 필요한 빙정이 국부적으로 만들어진다.
- 아이오딘화 은과 같이 빙정핵과 같은 작용을 하는 물질을 구름에 뿌린다.
- 구름방울의 구름 속에 가는 물방울이나 흡습성이 높은 염분 입자를 뿌리는 등의 방법이 생각되고 있다.
이것들을 비행기나 기구, 또는 산을 넘어가는 기류 등을 이용해서 구름 속으로 넣는다.[1]
강우 원리[편집]
구름 방울은 어느 정도 크기 이상으로 성장해야 강수현상이 발생하며, 어떤 구름에서는 강수현상이 발생 할 수 있지만 어떤 구름에서는 발생하지 않는다. 보통 구름방울은 매우 작아 평균 지름이 0.02mm밖에 되지 않으며, 빗방울의 100분의 1밖에 되지 않는다. 구름방울은 너무 작아서 약간의 상승기류만 작용해도 공중에 떠있을 수 있으며 간혹 떨어지는 방울이 있다 해도 구름 밑 건조한 대기층에서 증발해 버린다. 또, 응결핵이라고 불리는 작은 입자에서 시작된 응결로 인한 구름방울의 성장은 그 속도가 매우 느리다.
하지만 어떤 구름은 발달이 시작된 지 얼마 되지 않아서 강수를 일으킨다. 복잡한 과정은 완전히 밝혀지지 않았지만 이를 설명해 줄 수 있는 충돌-병합과정(coalescence theory)과 빙정과정(ice crystal theory)이라는 두 가지 중요한 과정이 있다.
충돌-병합설
열대지방이나 여름철 중위도 지방에서 형성되는 구름은 구름의 최상부의 온도가 0°C 이상이다. 이러한 구름을 따뜻한 구름이라고 하며, 구름 전체가 빙정이 없는 물방울로만 되어 있다. 따라서 강수 입자는 구름 내부의 수적 간의 충돌, 병합에 의해서 형성된다. 이런 과정을 통해 형성된 비를 따뜻한 비(warm rain)라고 하며, 따뜻한 비의 발달과정에 관한 이론인 병합설은 보웬(Bowen)과 랭뮤어(Langmuir)에 의해 제안되었다.
빙정설
한편, 중위도와 고위도 지방의 강수를 설명하기 위해, 1933년 스웨덴의 T. 베르예론이 구름 속에서 비나 눈이 형성되는 가설인 빙정설을 발표하였고, 1938년 독일의 W. 핀다이센은 빙정설에 입각해 가능성을 예언하였다. 빙정설의 과정을 위해서는 0°C이하의 구름 속에 수적과 빙정이 반드시 공존해야 한다. 중위도와 고위도 지방에서 형성되는 전형적인 적란운은 구름의 상부에는 빙정, 하부에는 수적, 중앙에는 빙정과 수적이 공존한다. 이와 같이 구름의 밑면의 온도가 0°C보다 높거나 낮지만 그 최상부의 온도가 0°C보다 낮은 구름을 차가운 구름이라고 하며, 찬 구름에서의 강수발달과정은 수적만으로 이루어진 따뜻한 구름의 강수과정과는 달리 구름내부에서의 빙정의 성장과정에 따라 좌우된다.
찬 구름에서 빙정 주위의 수증기가 빙정 면에 침적되어 빙정이 어느 정도 커지면 다른 빙정 또는 과냉각 수적과 충돌하여 빨리 성장하게 된다. 이를 부착이라고 한다. 과냉각 수적과 빙정이 공존하면서 수적과 빙정에 작용하는 포화수증기압의 차이에 의해 빙정이 성장한다는 것이 바로 빙정설이다. 과냉각상태의 물은 얼음보다 항상 포화수증기압이 높은데 이는 같은 온도에서 과냉각 수적과 얼음 면에서 출입하는 물 분자의 수가 과냉각 수적의 경우가 얼음 면에서 보다 많기 때문이다. 이러한 포화수증기압의 차이는 과냉각 수적으로부터 빙정으로 물 분자의 이동을 일으키는 원인이 되어 과냉각 수적에서는 증발이 일어나고 증발된 수증기는 증발하여 빙정에 승화하여 결국 빙정을 성장하게 만든다. 이 과정을 통해 빙정은 점점 커지고 수적은 점점 작아져서 이 결과 무거워진 빙정은 중력에 의해 지표로 낙하하게 되고 이때 낙하하면서 다른 빙정과 충돌, 병합하여 눈송이가 되기도 한다.
이렇게 형성된 눈은 지상의 기온과 습도가 낮으면 눈으로 내리지만 기온과 습도가 높으면 녹아서 비가 되어 내리는데 이것이 바로 고위도와 중위도 지방의 강수 발달과정을 설명하는데 적용되는 빙정과정으로 인한 찬비의 형성이다.[1]
방법 및 한계[편집]
흔히 구름 씨앗(Cloudseed), 즉 빙결핵이 될 만한 화학물질을 대기 중에 살포하여 수증기를 응축시켜서 내리게 하는 방법이 자주 쓰인다. 1946년 미국에서 첫 인공강우가 성공한 이래 과학 선진국들은 앞다투어 가뭄을 해결할 목적으로 인공강우를 연구하기 시작했다. 현재 한국 주변의 강대국들은 대부분 최첨단 인공강우 기술을 보유하고 있으며, 특히 중국이 굉장히 적극적으로 인공강우를 시도하고 있는것으로 유명하다. 대륙의 기상을 제대로 발휘해서 가뭄이 들거나 스모그, 황사로 심한 고생하고 있는 지역이나 사막화가 심한 지역에다가 엄청나게 뿌려대며, 미세먼지가 심할 때에도 인공강우를 시도해서 비를 내리게 한다.
하지만 문제는 인공강우가 스모그나 미세먼지 문제를 완벽하게 해결할 수 있는 만능 기술이 아니라는 것이다. 일단 구름이 형성되어도 비까지 내릴 수 있는 대기 중 수증기량이 부족하면 비가 내리지 않고, 설사 인공강우의 유도가 성공하더라도 공기 중 절대습도(수증기량)는 한정되어 있기 때문에, 내리는 비의 양이 적으면 미세먼지가 말끔하게 씻겨져 내려가지는 않기 때문이다. 성공할 경우에는 스모그와 미세먼지가 싸그리 씻겨져서 며칠간은 맑은 하늘을 볼 수는 있지만 이것도 조건이 맞아야 한다는 것이다. 그래서 중국 주요 공업지역의 스모그와 미세먼지 문제가 여전한 것도 이 때문이다.
그리고 돈 문제도 있는데 결정입자용 원소는 아이오딘화은이다. 금은동 할 때 그 은이다. 이것만 봐도 가격문제가 장벽이란 게 한눈에 보일 것이다. 은 화합물도 가격이 비싸서 학교 실험실에서 주로 쓰는 질산은의 경우 회수 후 재사용하는 경우도 있을 정도인데 은 화합물인 요오드화은을 엄청나게 뿌린다면 실사판 돈지랄 그 자체다. 비유하자면 은반지 수만개를 허공에 뿌려대는 짓이다. 물론 미국이나 중국 같은 나라야 예산규모가 엄청나다보니 펑펑 쓰는 것이지만 사막화로 고생하는 가난한 개도국들은 꿈꾸기 힘들다는 얘기다.
추가적으로 기후에 관한 문제가 있다. 문제의 내용은 실로 단순한데, 바로 구름이 아무 이유없이 생기지 않는다는 것이다. 2022년 여름, 중국 상하이를 중심으로 발생한 극심한 폭염이 일어났을 때 구름 자체가 발생하지 않아 인공강우를 발생시키지 못했다. 인공강우의 원리는 대기 중에 화학물질을 살포하여 수증기를 응축시켜 강우를 인공적으로 생성, 비를 내리게 하는 것이다. 그런데 이를테면 A 도시에 인공강우 실험을 했다고 할 때, 원래 A 도시 상공에는 비가 내릴 가능성은 적지만, 충분한 양의 구름이 있는 경우에 인공강우를 시도한다. 특히 현재의 인공강우 기술력은 비가 내릴 가능성이 아예 없는 곳에서 비를 만들어내는 능력이 아니라 비가 올 가능성이 있는 지역에 강우량을 늘리는 방식이 대부분이다.
그러나 화학물질을 통해서 억지로 비가 내리게 만들었기 때문에 인근의 다른 지역 대기에는 수분이 사라지는 현상이 발생한다. 왜냐면 지구의 수분은 일정하다. 화학물질 좀 뿌린다고 없던 게 생겨나는 것이 아니다. 한마디로 다른 지역에 내릴 비를 끌어다 쓰는 셈이다. 이것 때문에 다른 나라에서는 인공강우 실험을 꺼리는 것이다. 무턱대고 막 뿌렸다가 인근 나라에 가뭄이 들면 당연하게도 양 국가 간의 관계는 험악해질 수 밖에 없다. 이 문제가 있기 때문에 다른 나라들에선 인공강우의 기능을 충분히 알고 있음에도 시행하는 것을 꺼릴수 밖에 없다.[2]
활용[편집]
인공강우 기술의 경우 가뭄대처, 미세먼지 저감, 화재진압 등 강우가 필요한 곳에 포괄적으로 사용된다. 그 활용목적에 따라 폭죽, 로켓, 비행기와 같이 다양한 매개를 이용해 투사된다. 현재 중국이 인공강우에서 최고의 기술력을 가진 것으로 평가 받고 있다. 가뭄이 잦은 티베트 지역에서 인공강우를 실시하여 비를 공급하고 있으며 봄철만 되면 늘어나는 황사와 미세먼지를 저감하기 위해 인공강우를 실시하고 있다. 예전에는 비행기로 살포하는 것이 일반적이였으나 이제는 테크니컬차량을 직접 제작하여 토요타 하이럭스와 비슷한 차량에 인공강우용 로켓을 설치하여 발사하는 경우도 늘어나고 있다.[2]
효과[편집]
강수를 증가시키기 위해 아이오딘화은을 이용, 인공적으로 구름 씨를 뿌리는 방법은 어느 정도 효과적인가? 이 문제는 구름 씨 뿌리기 실험의 결과를 평가하기 어려워 기상학자들 간에 논란이 많다. 구름 씨 뿌리기가 없었다면 강수가 어느 정도였겠는가를 알아내기가 쉽지 않으며, 구름의 유형, 구름의 온도, 습도, 구름 방울의 크기 분포등도 고려해야 하기 때문이다. 구름 씨 뿌리기 실험 결과 강수 증가 효과가 없는 것으로 나타나는 경우도 있으나 적합한 조건이 구비될 때 구름 씨를 뿌리면 강수를 5~20%증가시킬 수 있음이 실험결과 나타나기도 한다. 이 문제에 관한 학자들 논쟁이 계속되는 것은 이 때문이다.
일부 적운은 구름 씨 뿌리기의 결과 '폭발적인' 강수 증가를 보이기도 한다. 구름방울들이 결빙할 때 내놓는 잠열은 구름의 온도를 높여 구름의 부력이 증진된다. 구름은 급속히 커져 오래 지속되며 따라서 강수 잠재력을 보다 많이 가질 수 있다. 구름 씨 뿌리기는 도가 지나치면 빙정을 너무 많이 만들기 때문에 까다로운 작업이다. 빙정이 과잉 생성되면 크기가 너무 작아 강수로 떨어지지 않는다. 액체방울이 얼마 안 되기 때문에 빙정과정을 통해 빙정이 커질 수가 없는 것이다. 빙정은 커지는 대신 증발하여 층운에 투명역(구멍)을 남기게 된다. 드라이아이스는 과냉각 구름에 가장 많은 빙정을 형성할 수 있기 때문에 이는 고의적인 과도한 구름 씨 뿌리기에 가장 적합한 물질이다. 따라서 공항의 찬 안개를 소산시키는 데 가장 보편적으로 사용되는 물질이 드라이아이스이다.
빙점보다 높은 온도를 지닌 따뜻한 구름에 구름 씨를 뿌려 비가 오게 하는 경우도 있다. 작은 물방울과 흡습성 소금 입자를 구름 밑바닥이나 꼭대기에 주입하면 이들 입자는 커다란 구름방울을 형성하게 되고 충돌-병합과정을 통해 방울은 더욱 커진다. 그러나 지금까지 이 방법을 통해 얻은 결과는 확정적이지 못하다. 아마도 구름 씨 뿌리기의 효과는 우연한 것인지도 모른다. 공기 중에 응결핵과 빙정핵을 다량 살포하는 경우도 있다. 이러한 인공 입자들이 일부 도시와 풍하 측에 강수를 증가시키는 데 최소한 부분적으로 기여했음을 보여준 연구결과도 있다.
반대로 농업폐기물의 연소결과 많은 응결핵을 포함한 연기가 배출되고 있음을 입증하는 연구도 있다. 이 결과 형성되는 구름은 무수히 많은 방울을 포함하고는 있으나 그 방울이 너무 작아 강수를 이루지 못한다. 요컨대, 구름 씨 뿌리기로 강수가 증가되는 경우도 있고 줄어드는 경우도 있다. 또 강수량에 변화를 주지 않는 경우도 있다. 따라서 구름 씨 뿌리기에 관한 의문은 아직 해결되지 못한 상태이다.[1]
한반도의 인공강우[편집]
한반도는 중위도 편서풍대에 위치해 있어서, 평균 주 1회정도 기압골이 통과하며, 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 구름 발달을 활성화시킬 충분한 수증기 공급이 원활하는 등 비교적 인공강우 실험에 적합한 기상환경 조건을 갖추고 있다.[1]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈인공강우〉, 《네이버 국어사전》
- 〈인공강우〉, 《지구과학산책》
- 〈인공강우〉, 《지구과학산책》
- 〈인공강우〉, 《두산백과》
- 〈인공강우〉, 《나무위키》
- 〈인공강우〉, 《위키백과》
- 〈인공강우〉, 《기상백과》
같이 보기[편집]
