지구과학은 지구를 구성하는 대기권, 수권, 지권, 생물권, 외기권을 연구하는 학문이다. 이 시리즈는 자연의 이치를 알아낸 지구과학자들에 대한 생애와 업적들을 조명하기 위해서 기획되었다. 즉, 1부 대기권 과학자, 2부 수권 과학자, 3부 지권 과학자, 마지막 4부는 외기권 과학자이다.

대기권의 운동은 하늘을 가로질러 흘러가는 구름과 뺨을 때리는 바람으로써 쉽게 관찰할 수 있다. 생물권 내에서는 동물과 식물의 이동이 나타난다. 흐르는 강물, 부서지는 파도, 떨어지는 비는 모두 수권 내에서 일어나는 운동의 친숙한 예이다. 비록 덜 뚜렷하지만, 지권도 역시 움직이고 역동적이다. 지하 암석의 거대한 덩어리들이 지구의 내권 내에서 유동하고, 대륙이 이동하고, 산맥들이 융기하고 그런 다음 풍화되어 퇴적된다. 또한 태양, 행성, 위성, 항성, 은하, 외부은하, 블랙 홀 등으로 구성된 외기권이 존재한다.

대기권의 연구는 기상학으로 시작되었다. 기상학의 역사는 인간의 역사와 궤적을 같이한다. 인류가 이룬 2번의 혁명(농업 혁명과 산업 혁명)에서도 기상학은 큰 역할을 하였다. 21세기를 살고 있는 우리에게 기상학적 현상들은 쉼 없이 우리들을 괴롭히고 있다. 그러나 우리는 이를 극복하여 아름다운 지구를 후손에게 물려주어야 할것이다.

17세기부터 기상학은 과학의 한 부분으로 발전하게 되었고, 18세기에는 기상측기의 개발이 활발하게 이루어졌다. 이러한 뒷받침을 바탕으로 하여, 19세기에는 주로 물리학적 연구 성과를 토대로 각종 기상 현상이 연구되기 시작하였다. 1802년, 프

랑스의 화학자 겸 물리학자인 조제프 루이 게이-뤼삭은 “기체팽창 법칙”을 발견하였다. 1802년 12월 잉글랜드의 기상학자인 루크 하워드는 구름 모양에 기초한 최초의 실용적인 구름 분류를 소개하였다. 1817년 독일의 알렉산더 폰 훔볼트는 등온선을 사용하여 기온의 분포를 나타내는 지도를 제작하였다. 1821년에는 충분한 기상자료가 축적돼 엉성하나마 최초의 일기도가 독일의 하인리히 브란데스에 의해서 작성되었다. 그 후 얼마 지나지 않은 1827년에 독일의 하인리히 도베는 한대와 적도 기류를 분석하여 국지 기상을 설명하였다. 1835년 프랑스의 귀스타브 드 코리올리는 지구의 자전이 대기 운동에 미치는 효과인 코리올리 효과를 수학적으로 입증하였다. 이후 오스트리아 율리우스 폰 한을 중심으로 한 오스트리아 기상학파에 의해서 기상역학 분야가 등장하게 되었다.

20세기에 이르러 대기 특징은 더욱 상세히 밝혀졌다. 기상학은 수학, 물리학, 화학, 전자기학과 같은 관련 학문 발달에 의해서 영향을 받아 과학적으로 급격한 팽창을 경험하였다. 1902년에는 프랑스의 기상학자인 레옹 테스랑 드 보르에 의해 대기

층들을 대류권과 성층권으로 구분하여 부르기 시작하였다. 간단한 대기 운동을 기술하는 방정식에 대한 최초의 수학적인 해답은 1905년 스웨덴 해양물리학자인 방 에크만에 의해서 유도되었다.

종관기상학은 노르웨이의 기상학자인 빌헬름 비에르크네스와 그의 제자들에 의한 노르웨이 기상학파에 의해서 제1차 세계대전 후 개발되었다. 1904년 빌헬름 비에르크네스는 ｢역학과 물리학의 문제로서의 날씨예보｣란 제목의 논문을 발표하였다. 이 논문에서 비에르크네스는 날씨 예보를 할 수 있는 절차를 계획하였다. 그는 계속해서 일어나는 대기 상태는 물리 법칙에 따라 이전의 상태로부터 발달한다고 주장하였다. 날씨를 예보하기 위해서는 대기의 초기 상태와 법칙들을 알고 있어야만 했다. 또 한 빌헬름 비에르크네스는 대기의 상태를 적절하게 기술하기 위해서는 기본적인 기상요소(기압, 기온, 습도, 바람 등)들을 전 세계적으로 관측해야 할 필요성이 있다고 인식하였다. 그는 특정한 시간의 대기 상태에 알려진 물리 법칙을 적용시켜 대기의 미래 상태를 예측하려고 시도하였다.

상층 대기 관측의 중요성에 대한 인식은 라디오존데의 발명으로 이루어졌다. 첫번째 실용적인 라디오존데는 1939년 러시아의 기상학자인 파벨 몰챠노프에 의해서 이루어졌다. 또한 스코틀랜드의 공학자 겸 기상학자인 로버트 왓슨-와트는 1938년, 적의 항공기 접근을 초기 경보할 수 있는 7～14 m 파장을 사용하는 최초의 레이더관측소 망을 설치하였다. 전쟁 후에는 기상 레이더로 발전하였다.

스웨덴 기상학자인 카를-구스타프 로스비가 미국 매사추세츠 공과대학교에서 교수로 활동하고 있던 1930년대, 로스비는 고도가 높은 곳으로부터 기압, 기온, 다른 변수들을 연구하여 이론화시키기 시작하였다. 따라서 기상학자들은 대기대순환에 관한 새로운 정보를 얻게 되었다. 로스비는 극지방 바람에서 굽이치는 상황이 일어나는 조건을 예측할 수 있었다. 이에 따라 부분적으로 대기 파동의 변경을 설명할 수 있게 되었다. 대규모 날씨 현상은 이러한 변경에 의존하기 때문에, 그의 방정식은 이론적으로 변화하는 대규모 날씨 패턴을 예보할 수 있도록 하였다. 로스비의 업적은 기상학을 과학으로 바꾼 것으로 인정되고 있다. 또한 그는 해류를 연구하였고 제트기류의 기본 개념을 개발하였다. 제트 기류란 이름은 로스비가 명명한 것이다. 컴퓨터의 출현으로 인하여, 로스비의 계산과 방정식은 복잡한 예보 기술 개발에 적용될 수 있었다. 로스비에 의한 최초의 컴퓨터에 의한 날씨 예보는 1950년에 구축되었다. 로스비를 중심으로 활동한 연구 그룹을 시카고 기상학파라 부른다.

대기연구의 새로운 차원은 대기를 탐사하기 위해 기상 위성을 궤도에 진입함으로써 이루어졌다. 최초의 기상위성은 1960년 미국에 의해 발사된 극궤도 위성인 TIROS 1호이고, 그 뒤 1966년에는 정지기상위성인 ATS 1호를 발사한 이후 괄목한 발전을 이루게 되어 현재에는 날씨예보에 필수적인 기상장비로 대두되었다.

이 책은 19세기에서 20세기까지 대기권을 연구한 20명의 기상학자들을 선정하여 집필되었다. 여기에는 우리에게 잘 알려진 과학자도 있지만, 업적은 탁월하였으나 잘 알려지지 않은 과학자들도 포함되어 있다. 이 책은 교수 생활 중 마지막 연구년을 맞이하여 미국 인디애나 주 퍼듀 대학교 지구행성대기과에서 보낸 1년 동안 집필되었다. 초청해준 존 하버(Jon Harbor) 교수에게 감사를 표한다.

Chapter 01 저기압과 고기압 주변의 바람 순환을 설명한 네덜란드 기상학자

크리스토포로스 뷔스-발로트

Chapter 02 이온권을 연구한 스코틀랜드 기상학자

밸푸어 스튜어트

Chapter 03 버컨 냉난기의 이론을 제안한 스코틀랜드 기상학자

알렉산더 버컨

Chapter 04 오로라 연구를 선구한 덴마크의 기상학자

아담 파울젠

Chapter 05 열대 폭풍에 이름을 부여한 잉글랜드 기상학자

클레멘트 래지

Chapter 06 기상측기들을 선도적으로 발명한 잉글랜드 기상학자

윌리엄 다인스

Chapter 07 기상역학을 창시한 오스트리아 기상학자

막스 마르굴레스

Chapter 08 자연의 물을 연구한 스코틀랜드 기상학자

휴 밀

Chapter 09 한대전선이론을 구축한 노르웨이 기상학자

할보르 쇨베르그

Chapter 10 가능증발산과 기후학적 물수지의 개념을 정립한 미국 기후학자

찰스 손드웨이트

Chapter 11 위치소용돌이도 정리를 고안한 독일 기상학자

한스 에르텔

Chapter 12 대기와 해양의 상호 작용을 연구한 체코공화국 기상학자

에릭 크라우스

Chapter 13 미기상학을 연구한 잉글랜드 기상학자

프랭크 파스퀼

Chapter 14 하층대기 내의 난류 수송을 연구한 오스트레일리아 기상학자

찰스 프리스틀리

Chapter 15 지균 운동량 근사를 고안한 노르웨이 기상학자

아른트 엘리아센

Chapter 16 수치예보의 선구자인 미국 기상학자

조지 크레스만

Chapter 17 수치날씨예보에 공헌한 잉글랜드 기상학자

존 소이어

Chapter 18 물리기후학을 창시한 벨로루시 기상학자

미하일 부디코

Chapter 19 구름과 에어로졸을 연구한 미국 기상학자

피터 홉스

Chapter 20 기상역학 분야를 연구한 미국 기상학자

제임스 홀턴