기후변화로 인해 우박의 크기가 커질까?

전 세계적인 기온 상승은 우박 폭풍을 더 격렬하게 만들어서 더 큰 얼음 조각과 강한 폭우를 초래할 수 있습니다. 그러나 우박은 얼마나 더 커질 수 있을까요?

 

영국에서는 한 여름의 정점에 있었고, 나라는 폭염에 휩싸였습니다. 영국 중부의 레스터셔에서는 방학 중인 아이들이 시원하게 지내기 위해 패들링 풀에서 놀았습니다. 그런데 하늘은 어두워졌습니다.

2021년 7월 21일 늦은 저녁 시간, 골프공 크기의 우박이 하늘에서 갑자기 내려와 창문을 깨고 차량을 두드렸습니다. 몇 분 전에는 저녁 태양을 쬐며 사람들로 가득한 정원은 얼음의 폭우로 심각한 피해를 입었습니다.

우박 폭풍은 대기의 강력한 상층기류에 의해 발생하는 것이지만, 그 심각성을 고려하면 유례가 없는 일이었으며, 2020년 6월 캐나다의 캘거리에서 발생한 우박은 적어도 7만개의 주택과 차량에 피해를 입히고 작물을 파괴하며 12억 달러의 수리비용을 초래했습니다. 이 20분 동안의 우박 폭품은 캐나다에서 가장 비용이 많이 드는 기상 사건 중 하나였습니다.

그리고 기후 변화를 우박 폭풍의 패턴을 변화시키고 있습니다. 미국 텍사스, 콜로라도, 알라바마에서는 최근 3년 동안 최대 우박의 기록이 계속 갱신되었으며, 지름 16cm에 이를 정도의 크기를 보여주었습니다. 2020년 리비아 수도 트리폴리는 거의 18cm 크기의 우박에 맞았습니다.

거대한 우박(직경이 10cm 보다 큰 것)은 매우 드물지만, 그들은 우박 피해가 현재 미국 연간 100억 달러를 초과한다는 것을 나타냅니다.

그러나 왜 지구 온난화가 하늘에서 떨어지는 얼음의 양을 증가시키는 것일까요? 그리고 우박은 얼마나 커질 수 있을까요?

우박은 물방울이 천둥번개의 구름으로 올라가는 과정에서 형성됩니다. 상승기류는 물방울을 얼려줄만큼 충분히 차가운 대기층으로 올려갑니다. 대기 중의 수분이 물방울의 바깥쪽에 쌓이면서 우박은 층층이 증가합니다.

우박이 얼마나 빨리 자라느냐는 대기의 습기에 따라 달라집니다. 우박은 상승기류가 더 이상 그것을 공중에 유지하기에 충분히 강하지 않을 때까지 계속해서 자라게 됩니다. 미국 국립해양대기청에 따르면, 시속 103km/h의 상승기류는 골프공 크기의 우박을 지지할 수 있고, 27% 더 빠른 상승기류는 야구공 크기의 우박을 만들어 냅니다. 습한 공기와 강력한 상승기류는 더 큰 우박을 가져올 것입니다. 보통 더 큰 우박은 상승기류에 가까이 떨어지고, 작은 우박은 횡풍에 의해 멀리 떨어져 떨어집니다. 

25mm 이상의 지름을 가진 파괴적인 폭풍은 충분한 수분, 강력한 상승기류 및 일반적으로 기상 전선과 같은 트리거 요인이 필요합니다. 따라서 심각한 우박 폭풍은 미국의 대평원이나 호주의 골드 코스트와 같은 특정 지역에 한정되는 것이 일반적입니다. 일반적으로 이러한 지역은 따뜻하고 습한 표면 공기 위에 차가운, 건조한 상층 대기를 가지고 있습니다. 이 불안정한 상황은 강력한 상승기류와 뇌우의 형성으로 이어집니다.

기후 변화가 지구 대기의 온도를 변화시킴에 따라 공기 중의 수분 양도 변화합니다. 더 따뜻한 공기는 더 많은 수증기를 보유할 수 있고, 높은 온도는 지구 표면에서 더 많은 물이 증발되는 것을 의미합니다. 이는 세계 일부 지역에서 강한 강우와 극심한 폭풍을 유발할 것으로 예상됩니다.

기온 상승과 함께 작은 우박의 발생일 수가 감소한 반면, 큰 우박의 발생 일수는 증가할 것으로 예측됩니다. 캐나다 정부의 환경 및 기후 변화 부서인 환경 및 기후 변화 캐나다의 물리학 전문가인 줄리안 브리멀로 박사와 그의 동료들이 따뜻한 세계에서 북미의 우박 조건이 어떻게 변할 수 있는지 조사한 별도의 연구에 따르면 이는 그 이유 중 하나입니다.

이것은 하늘에서 떨어지는 동안 우박이 녹는 시작 높이가 상승하게 되므로 작은 우박은 땅에 닿기 전에 녹아서 비가 되지만, 더 큰 돌은 빠르게 따뜻한 영역을 통과하기 때문에 녹음에는 큰 영향을 미치지 않습니다.

"사실, 이를 이미 관찰했습니다. 프랑스의 우박 패드 데이터는 우박의 크기 분포의 변화를 나타냅니다." 브리멀로 박사는 말합니다. 우박 패드는 폭풍중에 남겨진 부드러운 물질의 덩어리로 우박이 충돌하면 변형되어 주변의 우박의 크기와 개수를 기록합니다. "더 따뜻해지면 작은 우박이 발생하는 날이 적어지지만, 더 큰 우박이 발생하는 날이 더 많아졌습니다."

우천 시가와 온도 변화는 우박의 크기와 밀도에 영향을 줄 수 있습니다. 매우 추운 공기에서는 물이 우박에 충돌하자마자 동결되지만, 이로 인해 많은 공기와 얼음이 혼합될 수 있습니다. 공기의 온도가 더 따뜻하거나 공기 중의 수분량이 많아 물이 느리게 동결되는 경우, 공기 버블이 탈출할 시간이 생깁니다. 이로 인해 밀도가 높은 맑은 얼음이 형성됩니다. 작은 우박은 순수한 얼음의 절반만큼 밀도가 낮으며, 일반적으로 대기권을 빠르게 상승한 후 다시 떨어지기 때문이 많은 공기가 혼합됩니다. 

가장 큰 우박은 종종 공기 열 기둥 속에서 움직이며 형성된 다양한 얼음층으로 구성됩니다. 얼음의 단면을 살펴보면 어떻게 형성되었는지에 대한 많은 정보를 얻을 수 있으며, 우박의 외부에 있는 휘어진 형태와 고드름 모양의 구조는 폭풍 중에 어떻게 회전했는지를 암시합니다.

예를 들어 2003년 네브래스카 주 오로라에서 발생한 폭풍 중에 떨어진 직경 17cm의 대형 우박은 내부에 스펀지 같은 공기로 채워진 얼음과 외부에 밀도가 높은 맑은 얼음을 가지고 있었습니다. 연구원들은 이 우박이 순수한 얼음으로 이루어져 있다면 배구공 크기의 우박은 약 2.5kg이 되어야 한다고 말합니다. 하지만 실제로는 밀도가 낮은 중심부 때문에 이 우박은 500g 밖에 되지 않았습니다. 연구원들은 이 우박이 처음에 구름속에서 빠르게 상승하다가 측풍에 의해 상승기류 밖으로 튀어나와 다시 그 안으로 떨어지면서 이번에는 크기가 더 큰 우박이 느리게 상승하면서 밀도가 높은 얼음으로 성장한 것으로 결론을 내렸습니다.

우박의 밀도는 성장 가능한 크기에도 영향을 줍니다. 더 무거울수록 우박은 기류에서 떨어질 가능성이 높아집니다. 또한, 더 큰 우박은 단위 무게당 저항이 적기 때문에 더 빨리 떨어집니다. 직경 25mm 미만의 우박은 일반적으로 11-22m/s의 속도로 떨어지고, 25-45mm의 우박은 22-29m/s의 속도로 떨어진다고 합니다. 1986년 방글라데시 고팔강 지구에서 기록된 가장 무거운 우박은 1.02kg 이였습니다. 이 폭우로 인해 40명이 사망하고 400명이 부상당했다고 당시 보도에는 나와있었지만, 나중에 나온 보도에 따르면 92명 이상이 목숨을 잃은 것으로 알려져 있습니다.

하지만 우박이 떨어지는 속도는 단순하지 않습니다. 연구원들은 과거에는 우박이 대략 구형이라고 가정했지만, 최근 연구에서는 더 납작한 럭비공 모양에 가깝다는 것을 밝혀냈습니다. 이로 인해 떨어지는 동안 더 많은 공기 저항이 발생할 수 있습니다. 또한, 우박은 커질수록 불규칙하게 되며 농드러지고 돌출된 부분들이 형성됩니다. 이 두가지 요소는 우박의 공기역학과 떨어질 때의 속도, 그리고 결국 땅에 충돌할 때의 피해 정도에 영향을 줍니다. 

따라서, 우박이 떨어질 때의 속도는 자유낙하 속도와 동일하지 않습니다. 한 가지로는 가로 성분이 있을 수 있습니다. 측면 바람을 우박의 충돌 속도를 자유낙하 상태에서의 충돌 속도보다 증가시킬 수 있습니다. 가장 피해를 입히는 우박 사건은 강력한 하강 기류에 의해 이끌리는 다운버스트 입니다. 다운버스트는 폭풍으로부터 급속하게 내려오는 공기가 땅에 닿으면서 바깥쪽으로 퍼지며 매우 높은 바람 속도를 생성합니다. 다운버스트는 일반적으로 몇 킬로미터나 마일 크기이며 몇 분 동안 지속되지만, 수직 바람 속도가 70-80m/s로 매우 파괴적인 우박을 동반합니다.

이러한 속성들이 모여서 확대된 우박은 예상보다 훨씬 많은 피해를 초래할 수 있습니다.

2018년 하르헨티나의 빌라 카를로스 파스 타운은 전례 없는 큰 크기의 우박으로 공격받았으며, 몇 개는 지름 18cm까지 측정되었지만 심지어 23.7cm에 이를 수도 있는 우박도 있었습니다. 이러한 크기는 우박의 세계 기록에 가깝다고 알려져 있지만, 확실하지 않습니다. 첫째로, 거대한 우박은 부수적인 힘으로 인해 손상되기 때문에 거의 훼손되지 않은 채로 회수되는 경우는 드뭅니다.

펜실베니아 주립대학교의 기상학자 매튜 쿰지안은 폭풍 후 소셜 미디어에 게시된 많은 이미지를 분석한 뒤 빌러 카르롤스 파스의 우박량을 추정하기 위해 현장을 방문하여 가로등, 양산 등 배경 물체의 정확한 비율을 측정하고, 목격자들과 인터뷰를 진행했습니다. 또한, 한 개의 돌이 보관되어 있는 냉장고를 조사하여 크기가 11.4cm 인 돌을 확인했습니다.

쿰지안은 최근 몇 년간 거대한 우박에 대한 보고가 점점 더 많아졌다고 언급했습니다.

"지난 20년 동안 미국에서는 최대 15cm 이상의 우박에 대한 약 10건의 보고가 있습니다." 라고 쿰지안은 말합니다. "이러한 사례는 예외적으로 드뭅니다."

최근 몇 년 동안 기록이 계속 갱신되고 있습니다. 예를 들어, 작년 4월 텍사스의 혼도 근처에서 폭풍 후 수집된 지름 16cm, 무게 590g 의 우박이 새로운 주 기록으로 확인되었습니다. 이 우박은 냉동고에 보관되었으며 나중에 주에서 새로운 기록으로 인정되었습니다. 

거대한 우박은 종종 광범위한 피해를 초래할 수 있는 여러 작은 우박을 포함한 특이한 현상입니다. 그러나 가축과 사람을 죽이고 재산을 심각하게 파괴할 수 있는 가능성 때문에 거대한 우박은 드물지만 중요합니다.

2006년 6월 9일 한국에서는 한 에어버스 A321 여객기가 강력한 우박 폭풍을 겪었습니다. 이 폭풍으로 인해 레이더를 보호하는 비행기의 선장 구조물인 라돔이 파괴되고 레이더도 파괴되었습니다. 우박은 날개 가장자리와 안정기를 강타했으며, 일부 라돔 부품이 엔진에 흡입되어 손상을 입혔습니다. 선장들은 모든 손상으로 인해 자동 경고 메시지의 연발을 다뤄야 했습니다. 그들은 결국 안개로 인해 안정적인 착륙을 위해 두 차례의 접근을 실패한 후에 안전하게 착륙했습니다.

항공기는 항상 우박으로부터 위험에 노출되어 있으며, 2017년부터 2019년까지 20건의 사건이 기록되었습니다. 항공기의 창문은 조류 충돌을 견딜만큼 충분히 강력하여 일반적으로 우박으로 인한 손상이 없습니다. 그러나 우박으로 인한 손상으로 인해 창문이 가려져 착륙이 더 어려워질 수 있습니다. 

일반적으로 날씨 레이더는 항공기가 우박 폭풍을 피할 수 있도록 도와줍니다. 그러나 고도가 높은 곳에서의 우박은 극도로 추운 온도 때문에 모든 수분이 얼어서 건조합니다. 따라서 우박은 레이더에 약하게 반사되어 감지하기 어렵습니다. 그리고 예상대로, 큰 우박이 작은 우박보다 더 위험합니다. 

지상에서는 태양광 패널과 풍력 터빈의 두 가지 구조물이 특히 위험합니다.

암스테르담 환경 연구소가 2019년에 실시한 연구에 따르면, 태양광 패널이 많을 수록 우박 피해가 더 많아집니다. 유럽연햡의 이니셔티브는 2023년까지 백만 개의 영산화 주택을 보유하려는 목표를 가지고 있으며 태양광은 점점 더 흔해지고 있습니다. 그러나 연구자들은 패널이 우박에 견딜 수 있는지를 보장하기 위한 규칙과 기준이 부족하다고 지적했습니다. 기후 변화로 인한 파괴적인 우박은 기후 변화와 맞설 목적으로 설치된 태양광 태널을 파괴할 수 있습니다. 

우박 피해는 또한 풍력 터빈 날개를 부식시키며 유지보수 비용을 증가시키고 풍력 발전소의 에너지 손실을 증가시킵니다. 이는 풍력 터빈의 앞부분이 최소한의 저항으로 공기를 가를 수 있도록 매우 공기 역학적으로 설계되어야 하기 때문입니다.

앞부분은 일반적으로 유리 섬유 보강 폴리머 적충제로 이루어져 있으며, 취성 폴리우레탄 기반 코팅이 되어 있습니다. 비는 이 경계를 침식시키지만 우박은 실질적인 충격이 더 크며, 반복적인 충돌은 그것을 깨뜨릴 수 있습니다. 날개에 발생한 어떠한 손상도 공기 흐름에 영향을 주며, 저항을 증가시켜 터빈의 효율성을 낮춥니다. 2017년 덴마크의 한 연구는 우박 피해를 줄이기 위해 극한 날씨 상황에서 터빈 날개를 중지시켜 충격 속도를 감소시킴으로써 우박 피해를 줄일 수 있다고 제안하고 있습니다.

더 큰 우박이 우리에게 올 가능성이 높아질 수 있지만, 피해는 반드시 불가피한 것은 아닙니다. 한 가지 방법은 피해지역에 우박 경보를 발령하는 것입니다. 남아프리카에서는 이미 보험사가 우박 경보를 내려 자동차나 다른 재산을 보호할 기회를 제공하는 문자 알림을 보내고 있습니다.

모노필라멘트 폴리에틸렌으로 만든 우박 망은 사과나 포도와 같은 취약한 과일을 보호할 수 있으며, 가장 큰 우박을 제외한 모든 우박을 잡아냅니다. 유사한 망은 현재 미국의 일부 자동차 딜러쉽에도 설치되어 있으며, 그림엘로는 자동차 산업이 우박 보험 청구의 상당 부분을 차지한다고 지적합니다.

콜로라도 대학의 레이라 톨더런드가 이끄는 2021년 연구는 우박 방호를 위한 초록 지붕의 잠재력도 강조하고 있습니다. 이는 식물이 심겨진 두꺼운 토양 층으로 이루어진 방수 막으로 구성됩니다. 초록 지분은 단열 작용을 제공하고 여름에는 열을 줄이며 이산화탄소를 흡수합니다. 그러나 이는 또한 우박 방어구로 탁월하다는 것이 밝혀졌습니다. 연구 결과, 시뮬레이션된 심한 우박 폭풍에서는 비보호 지붕 표면이 모두 손상되었지만 초록 지붕은 손상되지 않았습니다.

또한 특정한 폭풍에 의해 생성될 수 있는 우박의 크기를 예측하려는 시도도 있었지만, 이들 중 많은 것들이 정확도가 부족합니다. 브리멜로는 우박 피해가 앞으로 어디에서 발생할지 정확히 말하기에는 아직 너무 이른 단계라고 말합니다. 하지만 그의 연구와 다른 연구로부터 알 수 있는 바는 정말 큰 우박이 여전히 우리에게로 떨어지고 있을 가능성이 높다는 것입니다. 우리가 할 수 있는 일은 준비하고 적절한 피난처를 찾는 것뿐입니다.