물리학은 입자의 세계부터 우주까지 다양한 크기의 개체와 시스템을 연구한다. 보통은 유사한 크기의 시스템에 집중해 그 성질을 규명하는 데 노력을 기울인다. 수많은 원자들로 이루어진 물체라 할지라도 그 물성을 알려고 할 때 개별 원자 안에서 어떤 일이 일어나는지는 크게 중요치 않다. 그런데 경우에 따라 작은 규모에서 일어나는 현상이 큰 규모의 현상에 지대한 영향을 미치는 경우가 있다. 원인과 결과가 비선형적으로 연결돼 있는 복잡한 시스템에서 흔히 나타나는데 ‘나비효과’라고 알려져 있다. 나비의 날갯짓이 태풍 같은 거대 기상 현상에 영향을 끼친다는 것으로 많이 알려져 있다.

비선형 복잡계인 지구 기후도 정량적 분석을 할 때 컴퓨터의 도움을 받는다. 바로 올해 노벨 물리학상의 업적이다. 1967년 마나베 슈쿠로 박사는 이산화탄소가 기후에 미치는 영향을 간단한 지구 대기 모형에 적용해 처음 계산했다. 결론은 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지구 기온이 2도 상승한다는 것이다. 수직인 공기기둥을 생각했고 온실효과로 기온을 높이는 이산화탄소와 수증기의 농도만 고려해 계산한 것이다. 뜨거운 공기는 수평이동 없이 수직상승만을 한다는 전제하에 만든 매우 간단한 모형이었다.

1975년에는 수평이동, 즉 바람까지 고려한 모형을 만들어 0.5메가바이트(Mb) 메모리를 가진 당시 최고 성능 컴퓨터로 계산해 이산화탄소 농도가 2배 증가하면 기온이 2.93도 올라간다는 결론을 얻었다. 이는 최신 슈퍼컴퓨터에서 계산한 2.5~4도와 같다.

공동수상자 클라우스 하셀만 박사는 1970년대에 매일 바뀌는 날씨를 변수로 하는 모형을 고안해 장기적 기후변화에 미치는 영향을 계산했다. 상이한 규모를 연관지어 다룰 수 있는 방정식을 만든 것이다. 하셀만의 모형을 통해 최근의 기후변화는 분명히 인간이 원인이 돼 발생한 기온상승이 원인이라는 점을 분명히 밝혔다. 두 사람은 기후변화 예측을 매우 과학적으로 만드는 데 공헌했다.지난 8월 ‘기후변화에 관한 정부 간 협의체’(IPCC)가 발표한 보고서에 따르면 모든 국가들이 당장 급격히 이산화탄소 배출을 줄이더라도 20년 안에 지구온도가 1.5도 오르는 것은 확실하다. 이렇게 되면 10억명에 달하는 사람들은 견디기 어려운 더위에 시달리고 수억명이 물기근에 시달리게 된다.

이산화탄소는 석탄이든 석유이든 천연가스이든 화석연료를 사용할 때마다 발생한다. 일단 나온 이산화탄소를 다시 모아 저장하기란 수영장에 풀어 놓은 잉크를 다시 잉크병에 모아 담는 것만큼 힘들다. 따라서 매장된 화석연료를 채굴하지 않는 것이 가장 좋다. 우리에게 시급한 것은 탈(脫)화석연료이다. 그럼에도 화석연료 사용은 아직도 줄지 않고 오히려 증가하고 있다. 당장 모든 화석연료 채굴을 중지한다고 하더라도 온실가스는 계속 나온다. 예를 들어 축산업에서 나오는 메탄이 그 사례이다.

올해 노벨 물리학상의 또 다른 수상자 조르조 파리시 교수는 복잡계에 대한 많은 기여를 인정받았다. 작은 스케일과 큰 스케일의 관계에 대해 매우 깊이 이해하고 있는 이탈리아 이론물리학계의 최고 학자이다. 그런 그가 최근 “기후변화는 인류에 매우 큰 위협이고 각국 정부는 즉시 행동하는 것이 매우 중요하다”고 말했다. 이제 정말 시간이 없다. 우리 정부도 기후변화를 막기 위한 노력을 정책의 최우선으로 해야 할 것이다.