심해서 나온 천연 배터리와 기상이변을 예측할 AI의 미래

폭염과 폭우가 번갈아 휘몰아치는 요즘입니다. 여기에 더해 코로나 변이 바이러스인 KP.3마저 확산되고 있는데요. 상황이 이렇다 보니 불만의 화살이 기상청으로 향하고 있습니다. 기상청 자유게시판에 들어가면, “장마 끝이라면서? 끝나야 하는 건 기상청 아니냐”는 불만이 높아지고 있습니다. 아무래도 사업을 하시는 분들이 기상예보에 대한 의존도가 높기 때문일 텐데요.

 

사실 정확한 기상 예보라는 숙제는 오랜 옛날부터 있었습니다. 그래서 오늘은 인공지능이 바꾸려는 날씨 산업을 집중 분석해 보겠습니다. 또한 최근 산업계에서 뜨겁게 부상한 이슈인 심해 천연 배터리(암흑 산소)에 대한 이야기도 함께 전해드립니다.

 

심해서 나온 천연 배터리와 기상이변을 예측할 AI의 미래

 

1. 날씨 예보에 담긴 정치 경제적 목적

하늘을 예측하려는 시도는 사실 그 역사가 깁니다. 세계에서 가장 오래된 ‘날씨 정보’는 템페스트 스텔라입니다. 이집트 카이로의 이집트 박물관에 소장돼 있는 비문입니다. 기원전 16세기에 제18왕조의 파라오 아흐모세 1세 때 만든 것으로 알려졌는데, 당시 이집트를 휩쓴 엄청난 폭풍우와 그로 인한 피해를 상세히 묘사하고 있습니다.

 

1) 템페스트 스텔라

“하늘이 폭풍으로 가득 찼다”거나 “며칠간 비가 내렸다”거나 심지어 사람이 떠내려가는 모습까지 언급돼 있습니다. 물론 단순한 날씨 기록만은 아닙니다. 파라오 아흐모세 1세는 비문을 통해, 이런 궂은 날씨에도 자신이 자연재해 속에서 어떻게 나라를 안정시키고 있는지 과시하고 있습니다.

 

날씨 관찰은 예측으로 이어졌습니다. 바빌로니아인들은 기원전 650년 전부터 날씨를 예측하고자 별자리를 관찰했습니다. 또 아리스토텔레스는 기상학(Meteorologica)이라는 책을 저술했습니다. 모든 자연 현상을 네 가지 기본 원소인 흙, 물, 공기, 불, 그리고 이들의 성질인 건조, 습기, 냉기, 열기로 설명하는 것이 특징인데요.

 

2) 세계 최초의 기상청

기상학이 체계적으로 정립하기 시작한 것은 17세기부터입니다. 1643년 에반젤리스타 토리첼리가 수은 기압계를 발명해 기압의 변화를 체계적으로 측정했고요. 이어 로버트 훅과 에드먼드 핼리는 기압계 온도계 습도계를 갖고 날씨를 측정했습니다. 19세기 들어 전신이 발명됐는데요. 이 순간부터 날씨 소식을 전 지구적으로 전송할 수 있었습니다.

 

세계 최초의 기상청은 1854년 프랑스의 나폴레옹 3세가 설립한 프랑스 기상청이고요. 곧이어 미국이 1870년 국립기상서비스를 세웠습니다. 그렇다면 한국은 언제일까요? 퀴즈를 하나 풀고 가겠습니다.

 

1번: 1948년

2번: 1963년

3번: 1990년

 

정답은 1948년에는 국립중앙관상대가 설립됐고, 해당기구는 1963년에 중앙관상대로 승격이 됩니다. 청격으로 승격된 것은 1990년입니다. 사실 근대적 관측소는 일제강점기인 1904년에 세워졌지만, 기상청으로 승격이 된 뒤에 비로써 슈퍼컴퓨터를 도입해 기상 예보를 보내기 시작했습니다. 즉, 한국에서 기상 예측은 1990년부터이니, 그 역사가 34년 밖에 안 됐습니다.

 

2. 수치예보라는 숙제, AI가 도전을 하다

오늘날 널리 사용하는 기상예보 방식은 수치예보입니다. 쉽게 말해 수학적 모델을 갖고 날씨를 예측하는 방식입니다. 엄청난 계산이 필요하다 보니 슈퍼컴퓨터가 필요합니다. 우리나라는 2021년 레노버가 구축한 슈퍼컴퓨터 그루와 마루를 활용하고 있는데요. 구축 비용만 628억 원에 달합니다. 방식은 이렇습니다.

 

1) 열흘이 넘어가면 떨어진다

기상 관측소, 위성, 레이더, 부표, 항공기 등에서 다양한 기상 데이터를 모읍니다. 이를 갖고 현재 대기의 상태를 나타내는 초기 조건을 설정합니다. 조건을 입력한 뒤, 대기 운동 방정식을 푸는데요. 이때 슈퍼컴퓨터가 필요합니다. 즉 미래의 대기 상태를 수학 모델로 푸는 것입니다. 변수는 기온 강수량 바람 구름 등입니다.

 

그러면 미래 예측치가 나옵니다. 미래는 단 3개입니다. 1~3일 단기 예보, 3~10일 중기 예보, 10일 장기 예보인데요. 변수마다 조금씩은 다르지만, 대략적인 정확도는 각각 85%, 70~80%, 50~60%입니다. 하루 뒤나 이틀 후 날씨는 잘 맞지만 일주일이 넘어가면 잘 안 맞는 이유입니다. 특히 사람들은 비, 강수량에 민감합니다.

 

2) 빅테크가 시장에 뛰어들다

오늘날 많은 빅테크 기업과 연구소들이 AI 머신러닝을 동원하려는 이유가 여기에 있습니다. 머신러닝 알고리즘이 대량의 기상 데이터를 분석해 패턴을 인식하고, 초기 조건의 정확성을 높일 수 있어서입니다. 예를 들어 AI를 동원하면 기존의 물리 기반 모델과 결합해 하이브리드 모델을 구성할 수 있는데요. 종전 예보 모델 보다 20% 정도 정확도를 향상할 수 있다는 평가입니다. 일부 연구에서는 강수량 등에 있어서는 정확도가 최대 40% 이상 높은 것으로 알려졌습니다.

 

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3) 구글, 실시간으로 예측한다

대표적인 곳은 구글 딥마인드인데요. 그래프캐스트 모델을 내놓았습니다. 방식은 이렇습니다. 40년 치 데이터를 모델에 학습시켰습니다. 이후 바람, 기압, 온도, 습도 같은 기상 변수 간 연관성을 분석했습니다. 이렇게 만든 그래프캐스트는 전 세계 100만 곳이 넘는 곳곳에서 수집한 실제 기상 데이터를 불러들여 AI로 예측합니다. 현재 데이터를 빨아들여 1분 만에 6시간 뒤를 예측합니다.

 

그리고 다시 그 데이터를 활용해 6시간 뒤를 예측합니다. 이를 반복해 10일 후 미래 날씨를 전망합니다. 구글 딥마인드에 따르면, 10일 장기 예보에서 그래프캐스트는 종전 수치예보 방식 보다 90% 이상 정확했습니다. 또 일부 고도에선 정확도가 99.7% 달했는데요. 그만큼 미래 날씨가 정확해지는 것입니다.

 

4) 엔비디아, 지구를 트윈 하다

엔비디아는 어스-2라는 플랫폼을 얼마 전 공개했습니다 기후와 날씨를 더 빠르고 정확하게 예측할 수 있게 해주는 고해상도 시뮬레이션 플랫폼입니다. 한국을 찾은 스탠 포시 엔비디아 지구시스템 모델 총괄은 간담회에서 "기상을 연구한 지 30년이 넘었는데, 지난 2년간 가장 크게 변화했다"면서 "생성형 AI는 기상관측의 게임체인저"라고 치켜세웠습니다.

 

고해상도 이미지를 활용, 지구를 가상현실상에서 '디지털 트윈'해 실제로 돌려보는 것입니다. 엔비디아에 따르면, 기상청 방식 보다 1000배 빠르고, 분석 대상 해상도 역시 10배 높일 수 있습니다. 스탠 포시 총괄은 "AI의 기후 예측과 날씨 모델링은 빠른 속도로 진화하고 있다"며 "지난해가 특히 AI 기반의 기후 예측의 기념비적인 한 해였다"라고 설명했습니다.

 

5) MS, 한국을 놀라게 하다

MS는 2023년 1월 클라이맥스라는 파운데이션 모델을 처음 공개했습니다. 해당 서비스는 지난해 크게 주목받았는데요. 작년 7~8월 한국은 며칠을 제외하고 줄곧 비가 올 것이라고 예보했기 때문입니다. 이는 의외로 받아들여졌습니다. 두 달간 지속해서 비가 온 적은 통계상 없었기 때문인데요. AI가 맞았습니다. 작년 여름 날씨는 평년보다 1도 높았고 비는 291mm 더 내린 것으로 집계됐습니다.

 

국내에서는 울산과학기술원(UNIST) 지구환경도시건설공학과 임정호 교수팀이 적극적입니다. 해수면 온도, 토양 수분, 적설 깊이, 해빙 농도 등 전 세계 기후 요소들을 분석해 폭염 예측 AI 모델을 개발했습니다. 이를 통해 몽골 사막, 중국 톈산산맥의 적설 깊이가 국내 폭염일수 예측에 중요한 요소라는 점이 확인됐습니다. “중국 산맥의 눈이 녹으면, 한국은 찜통이 된다.”

 

3. 아직은 작은 시장, 그러나 미래는

사실 날씨 예측 시장은 크지 않습니다. 분석 업체 스태티스타에 따르면, 2023년 날씨 예보 시장은 18억 2,000만 달러 규모이고요. 한국기상산업기술원에 따르면, 예보 시장은 현재 30억 8,528만 달러에서 2027년 58억 3,504만 달러로 상승할 것으로 보입니다. 몇 년 뒤에도 전 세계 시장 규모가 10조 원이 안 되는 것인데요.

 

하지만 날씨는 산업 전반에 미치는 파급효과가 큽니다. 작물 생산, 재해 대비, 항공 해운 육상 운송, 재생 에너지, 레저, 보험, 비즈니스 등 모든 산업이 날씨의 영향을 받기 때문입니다. 인공지능을 활용해 비용은 낮추면서도, 정확도를 높이려는 시도가 이어지는 까닭입니다. 빅테크 기업들이 이런 산업에 날씨 정보 서비스를 비싼 가격에 제공할 가능성도 있습니다.

 

심해서 나온 천연 배터리와 기상이변을 예측할 AI의 미래

 

4. 해저 4000미터 심해동물 미스터리

자연의 신비로움은 또 있습니다. 바로 심해입니다. 심해 Deep Sea는 바다의 가장 깊은 부분을 말하는데요. 일반적으로 수심 약 200미터 이하는 모두 심해라고 합니다. 빛이 거의 도달하지 않아 대부분이 암흑입니다. 또 고압과 낮은 온도로 매우 극한 환경입니다. 심해는 다시 해양학적으로 다음과 같은 구역으로 나눌 수 있습니다

 

중층대: 수심 200미터부터 1000미터까지. 약간의 빛이 도달하지만, 광합성을 할 수 없을 정도로 어둡습니다.

심해층: 수심 1000미터부터 4000미터까지. 빛이 전혀 도달하지 않는 암흑 상태입니다. 온도는 매우 낮고 압력은 높습니다.

심해저층: 수심 4000미터부터 6000미터까지. 해저 평원을 포함하며, 극한의 환경입니다.

초심해층: 수심 6000미터 이상. 해구나 깊은 해저 협곡 등을 포함합니다.

 

1) 클라리온-클리퍼튼구역

하와이와 멕시코 사이에는 심해 평원지대가 있습니다. 바로 태평양 심해의 클라리온-클리퍼튼구역이라고 불리는 곳인데요. 길이만 무려 6400km에 달하는 바다의 평원지대고 깊이는 약 4000미터, 즉 심해저층대입니다.

 

이곳에는 먹이를 유인하기 위해 머리 위에 빛을 내는 발광기관을 가지고 있는 앵글러피시 (Anglerfish)나 50cm까지 자라는 갑각류인 거대 심해 등각류 (Giant Isopod)가 살고 있습니다. 생물학계에서는 이들 동물을 상당히 신비롭게 생각했습니다. “압력이나 온도는 그렇다 치고, 산소도 없는 곳에서 어떻게 사는 것일까.”

 

스코틀랜드해양과학협회(SAMS)의 앤드루 스위트먼 교수는 이런 의문을 품고 살았습니다. 하지만 눈이 휘둥그레질만한 관찰을 합니다. 2013년입니다. 심해저 광물 채굴이 해양생물 다양성에 미치는 영향을 평가하기 위해 심해 평원지대를 탐사하는 과정에서, 연구진은 예상과 달리 산소 수치가 증가하는 현상을 발견했습니다.

 

생각해 보면 해저로 내려가면 갈수록 산소가 희박해지는 것이 상식인데, 산소가 오히려 더 풍부해진 것입니다. 스위트먼 교수는 이렇게 생각했습니다. “도구가 고장 났나?” 그래서 2021년 또 내려가서 실험을 했습니다. 하지만 결과는 같았습니다.

 

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2. 바다에서 건져 올린 천연 배터리 21억 톤

연구진은 원인을 끝내 밝혀냈습니다. 그리고 이를 네이처지에 지난달 발표(논문)합니다. 바다 밑에는 수많은 금속이 있는데요. 망간단괴라는 것이 있습니다. 한데 이 망간단괴는 굉장히 높은 전하를 띠고 있었습니다. 이 전하가 바닷물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하고 있는 것을 목격한 것입니다. 이런 방식입니다.

 

1) 천연 배터리 발견

망간단괴는 심해저에서 발견되는 금속 덩어리로, 주로 망간, 철, 니켈, 코발트 등을 포함하고 있습니다. 표면에 있는 금속 이온이 바닷물에 녹아있는 이온과 반응합니다. 망간 이온(Mn²⁺)은 환원되고, 망간 산화물(MnO₂)로 변환될 수 있습니다. 이 과정에서 전자를 주고받을 수 있습니다. 전위 차이로 인해 전기화학적 전위가 형성됩니다. 이는 마치 전지의 작동 원리와 유사합니다. 전위 차가 전기분해 반응을 일으키는 데 필요한 전기를 제공할 수 있었던 것입니다.

 

2) 용어설명 전위란 무엇

전위는 전기장에서 특정 지점에 있는 전하가 가지는 에너지를 말합니다. 전기장이 특정 지점에서 전하를 밀어내거나 끌어당기려고 하는 힘을 나타내는 숫자인데요. 배터리는 전위가 높은 곳(플러스)과 낮은 곳(마이너스)을 만듭니다. 이 두 점 사이에 전류가 흐르게 됩니다. 전류가 흐르는 것은 전위 차이 때문입니다.

 

심해의 천연 배터리 망간단괴는 곧 바닷물을 산소와 수소로 분해하고, 이 분해된 산소를 활용해 심해 해저 생물들이 살아가고 있었던 것입니다. 이번 발견은 생명의 기원에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 오늘날 산소 발생, 즉 동물의 진화에 대한 주류 이론은, 시아노박테리아가 30억 년 전 광합성을 시작해 물을 산소와 포도당으로 변환하면서 시작됐다고 보고 있습니다.

 

하지만 심해 천연 배터리인 망간단괴 발견은 이런 논리를 단번에 뒤집었습니다. 다시 말해 우주 외계인을 찾으려면, 물이 있고 망간단괴가 있는 지역을 찾으면 되는 것 아니냐고 해석할 수 있습니다. 논란은 여기서 그치지 않습니다.

 

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3. 불어닥친 찬반 논쟁

심해에 있는 천연배터리를 아무나 채취할 수는 없습니다. 유엔기관인 국제해저기구가 얼마 전 브라질의 해양학자인 레티시아 카르발류를 전격 선출했다는 소식(뉴스)이 있었습니다. 그는 자신을 이렇게 소개했습니다. “전 과학과 기업과 국가의 중재자입니다.” 그만큼 이권이 심하게 있는 곳이 심해라는 뜻입니다.

 

심해 광물 채취에 가장 적극적인 곳은 노르웨이입니다. 하지만 과학계는 당장 반대에 나선 상태입니다. 이번 연구도 예외는 아닙니다. 천연 배터리를 발견한 것은 사실 기업의 후원이 있었기 때문입니다. 더 메탈스 컴퍼니(The Metals Company)입니다. 해당 지역에서 망간단괴를 채취하고자 노력을 하는 기업인데요.

 

논문이 나오자 당장 “데이터가 오염됐을 것”이라고 주장했습니다. 돈 들여 연구를 후원했는데, 원치 않은 결과가 나온 것에 대한 반응이기도 합니다. 해당지역에만 약 21억 톤이 넘는 망간단괴가 분포돼 있을 것이라는 기대감은 있습니다. 대략 계산하면, 약 2조 달러에 달하는 금액입니다. 망간단괴에는 이런 물질이 있습니다.

 

망간: 30%, 톤당 1,800 달러

니켈: 1.25%, 톤당 1만 9,000 달러

구리: 1.0%, 톤당 8,500 달러

코발트: 0.25%, 톤당 5만 2,000 달러

 

반면 과학계는 심해 해저 생물이 지구 온난화에 미치는 영향을 알 수 없기 때문에, 이런 조사를 중단해야 한다는 견해가 우세합니다.

 

어떠셨나요? 오늘은 날씨 예보에 도전하는 인공지능 기술, 그리고 심해에서 발견된 천연배터리 이슈를 점검했는데요. 지구는 알면 알수록 신비로운 행성인 것 같습니다. 사실 인류는 살기 위해 어쩔 수 없이 무엇인가를 채굴하고 개발해야 하는데요.

 

그렇다고 해서 지나치면 안 될 것 같습니다. 미국 연방정부의 원주민 영토침범에 맞서 싸웠던 19세기 인디언 추장인 크레이지 호스(Crazy Horse)는 이런 말을 남겼습니다.

 

지구를 잘 보살피십시오. 지구는 부모님으로부터 물려받은 것이 아니라, 자녀들에게 빌린 것입니다. 조상들로부터 지구를 상속받는 것이 아니라, 자녀들로부터 빌려 쓰는 것입니다.

 

Treat the earth well: it was not given to you by your parents, it was loaned to you by your children. We do not inherit the Earth from our Ancestors, we borrow it from our Children.

 

인류의 발전과 지구 환경 보호 사이의 균형을 찾는 것은 우리 시대의 중요한 과제인 것 같아요. 그래서 지속가능한 발전은 앞으로도 중요한 화두가 될 것이라고 생각합니다.

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