AI기반 디지털 트윈으로 지구의 미래를 예측한다

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지구의 디지털트윈(디지털 쌍둥이). (사진=ESA)

1972년 로마클럽의 보고서 ‘성장의 한계’는 지구의 인구폭발, 자원 소비량, 에너지 소비량, 쓰레기, 대기 중 이산화탄소 농도 등에 대한 예측과 함께 위험성을 경고하면서 지구의 지속 가능한 성장을 위해 노력하자고 전세계에 호소했다.

그러나 이후에도 인류는 인구증가, 산업 발전에 따른 과도한 환경오염 등으로 병들어 가고 있고 무엇보다도 이산화탄소 증가로 인한 환경오염이 심각한 위기로 등장했다. 어느 때보다도 뜨거워지고 있는 지구의 온도는 돌연변이급 환경변화를 가져와 모두를 심각한 위험으로 몰아넣고 있다. 최근의 대표적 기상 이변 사례는 최근 미국 남부 텍사스 사막지대까지 내려온 북극 한파 기상 이변을 꼽을 수 있다. 알려진 대로 전세계 자동차업계가 이산화탄소 저감을 위한 전기자동차 개발에 나서는 것도 이산화탄소 저감을 위해서다.

◆ 지구가 아프다

과학자들은 디지털 트윈이 우리가 사는 현실 세계의 과거, 현재 및 미래의 변화를 정확하게 나타낼 것이라고 말한다. (사진=네이처)

지난 1972년 예측한 암울한 미래는 오늘날 현실이 돼 가고 있다. 그 가운데엔 로마클럽의 경고를 넘어선 것도 이미 존재한다. 당시 보고서는 대기중 이산화탄소 농도가 28년후인 2000년에 380ppm이 될 것이라고 경고했는데 실제로 2000년이 되자 그 수준을 넘어선 385ppm 정도에 이르렀다.(미해양대기국(NOAA), Climates.gov 2021) 그리고 그로부터 9년 후인 2019년 현재 그 수치는 무려 415ppm에 이르고 있다. (물론 레이첼 카슨의 ‘침묵의 봄’ 출간이 가져온 쇼크 이후 세계 각국의 DDT 사용 금지로 이어지기도 했다. 하지만 대신 폴리클로로비닐(PCB)이나 미세 플라스틱 오염같은 또다른 위해요인이 인류의 삶을 위협하고 있다.)

이산화탄소로 지구가 뜨거워지면서 앞서 언급했던 것처럼 지구기후가 돌연변이급 광란의 기상이변을 보여주고 있다. 특히 대기 중 이산화탄소의 증가는 지구 온도를 상승시키는 전체 에너지 불균형을 불러 일으키는 요인의 약 3분의 2를 차지한다.(미해양대기국(NOAA, Climates.gov 2021) 이번 미국 한파도 기온균형이 깨기면서 북극한파가 비 정상적으로 미국 남부 텍사스까지 내려왔기에 발생했다. NOAA의 연간 온실가스 지수에 따르면 1990년에 비해 모든 주요 온실가스의 총 가열 영향력은 43%나 증가했다.

기계 학습 알고리즘은 오는 2050년까지 이어지는 시뮬레이션을 개발하고 테스트한다. 실제 데이터(왼쪽)를 사용하여 시뮬레이션(오른쪽)을 생성한다. (사진=네이처)

이산화탄소 농도 증가가 지구의 가이아(생명체로서의 지구) 시스템에 치명적인 또 다른 이유는 바다로 녹아들어가기 때문이다. 이는 물 분자와 반응해 탄산을 만들고 바닷물의 수소이온 농도지수(pH,산성이나 알칼리성의 정도를 나타내는 수치)를 낮춘다, 산업혁명이 시작된 1870~80년대 이후, 지구 해양 표면의 pH는 8.21에서 8.10으로 떨어졌다. 이러한 pH 감소는 해양 산성화의 결과다. 0.1의 감소는 많은 양의 값이 아닌 것처럼 보이지만 pH 척도는 로그다. pH의 1단위 감소는 산도가 10배 증가함을 의미하므로 0.1의 변화는 산도가 약 30% 증가한다는 것을 의미한다. 산성의 증가는 해양 생물이 그들의 껍질과 뼈를 만들기 위해 물에서 칼슘을 추출하는 능력을 방해한다.

새삼 유럽의 과학자들이 인공지능(AI)을 이용한 지구의 ‘디지털 트윈’을 만들겠다고 나선 것도 이해가 간다.

◆ 지구를 본뜬 가상의 디지털 쌍둥이 시뮬레이션으로 지구 위기 예측하고 대응

‘디지털 트윈(Di9gital Twin·디지털 쌍둥이)’은 흔히 스마트 제조 공장, 스마트시티, 그리고 최근 전투기 개발 등에서 시뮬레이션을 위해 사용하는 최신 기술로 알려져 있다. 실제로 물리적 실체를 만들기 전에 시뮬레이션을 위해 가상의 공간에 만들기에 디지털로 만들어진 (실물의) 쌍둥이란 뜻에서 이렇게 부른다.

가상 모델은 또한 인간이 물, 음식 및 에너지 관리에 미치는 영향과 물리적 지구 시스템내의 프로세스를 포함, 모든 프로세스를 ‘가능한 한 현실적으로’ 예측한다. 이 시스템은 기계 학습 알고리듬인 ‘지구 디지털 트윈’에 의해 작동돼 지구의 시뮬레이션을 생성하고 테스트해 재앙적인 홍수나 식량 부족과 같은 극한 사건이 언제 닥칠지 예측하는 데 도움을 주게 될 것으로 기대를 모은다. (사진=네이처)

그 디지털트윈이 이젠 지구온난화 등으로 인해 점점 더 위험해지는 지구의 사건들을 예측하고 대비케 해 줄 수단으로 등장하기에 이르렀다. 유럽 과학자들과 스위스 취리히연방공대(ETH 취리히) 연구원들은 인공지능(AI) 오는 2050년까지의 지구 건강성을 예상해 보여줄 시험용 디지털트윈 지구를 개발해 진잔 22일자 사이언스지에 소개했다. 이들은 디지털 트윈 지구 개발 목적에 대해 “전세계 지도자들이 기후변화로 야기되는 미래의 사건들에 더 잘 대비할 수 있도록 돕기 위해서”라고 밝히고 있다. 실제로 이 디지털 트윈이 완성되면 최근 미국 남부까지 몰려 내려온 북극 한파 같은 극한적 환경 위협이나 저조한 식량 수확에 다른 식량부족 위기 같은 재난 등이 오기전에 미리 예측해 대비할 수 있게 된다.

◆ 인간이 환경에 미치는 영향 등 현실적 예측

더 구체적으로 말하자면 이 가상지구 프로젝트는 유럽 연합(EU)이 2050년까지 탄소중립성을 달성하도록 유럽각국 정부를 압박하기 위해서 고안된 ‘목적지 지구(Destination Earth)’라는 이름의 10년짜리 프로그램의 일부다. 목적지 지구는 올해 중반 시작될 예정이며 최대 10년 동안 작동할 예정이다.

1970년부터 2019년까지 대기중 이산화탄소 농도. 1970년 328ppm이었던 것이 2020년에는 410ppm이 됐다. (자료=NOAA)

이 기간 동안 지구의 디지털 트윈인 고도로 정확한 ‘디지털 지구’ 모델을 만들어 시공간에서 가능한 한 정확하게 기후 발전과 극한 사건 발생 예상치를 지도로 만든다. 이 디지털 트윈은 ‘가능한 한 현실적으로’ 인간이 물, 음식, 에너지 관리에 미치는 영향과 물리적 지구 시스템의 프로세스를 포함한 모든 과정을 예측하게 된다. 이 연구에 참여한 과학자들은 이 디지털 트윈이 우리의 실제 세계의 과거, 현재, 그리고 미래의 변화를 정확하게 나타낼 것이라고 말한다.

이 시스템은 농업과 상품 소싱 같은 상업적 응용에도 사용될 수 있다. 페터 바우어 유럽 중거리 기상 예보 센터(ECMWF) 연구 담당 부소장이자 목적지 지구의 공동 기획자는 “예를 들어 네덜란드에서 2m 높이의 제방을 쌓을 계획이라면 디지털 트윈의 데이터를 훑어보고 제방이 2050년에 예상되는 모든 극단적 수재 가능성을 막을 수 있을지 여부를 확인할 수 있다”고 말했다. 연구원들은 이 혁신적 기술은 아직 개발 단계에 있지만, 혁신이 어떻게 운영될 것인지를 설명하는 연구내용 정도를 네이처에 발표했다.

◆ 위성사진과 일기예보같은 실시간 관측 기반으로 설계된다

이산화탄소 증가에 따른 해양수 산성화는 해양 생물이 그들의 껍질과 뼈를 만들기 위해 물에서 칼슘을 추출하는 능력을 방해한다. 왼쪽의 건강한 바다 달팽이는 부드러운 굴곡이 있는 투명한 껍질을 가지고 있다. 그러나 오른쪽의 더 산성화되고 부식성 물에 노출된 껍데기는 흐리고 너덜너덜하며 꼬였고 약한 점으로 표시돼 있다. (자료=NOAA)

이 가상지구는 위성사진과 일기예보 같은 실시간 관측으로 설계된다.

예를 들어 이 연구는 미국 항공우주국(NASA) 아쿠아(Aqua) 위성의 중간해상도 영상 분광 복사선계(MODIS) 적외선 복사선측정기, 구름 데이터 반사 단면 위성 클라우드샛(CloudSat), 그리고 이 데이터들을 미래 예측을 위해 사용한 디지털트윈 시뮬레이션으로 만들어진 실제 사례를 보여준다.

연구원들은 “시뮬레이션과 관찰 내용을 융합하는 작업은 공간과 시간 경과 창문 위에 수행되며, 이 모델은 관측치가 모든 곳의 모든 상태 변수를 측정하지 않는다는 점을 감안해 최적의, 물리적으로 일관된 최적의 진화가 만들어지도록 보장한다”고 밝히고 있다. 이들은 “지구 시스템 상태는 수십억의 자유도로 구성되고 비선형적의 혼란스런 시스템을 다루기 때문에 이러한 최적화는 엄청난 컴퓨팅 족적을 갖는다”고 쓰고 있다. 이렇게 해서 오는 2050년까지 전세계 각국이 탄소발자국을 절반으로 줄이며, 그러는 중에 구컴퓨팅 능력과 AI힘으로 재난을 예방할 수 있으면 하는 기대를 해 본다.

산업혁명기인 지난 1880년부터 지난해까지 9월의 기온변화. 눈에 띄게 뜨거워져 있음을 알 수 있다. (자료=NOAA)

남부 텍사스까지 꽁꽁얼린 이상 한파.(자료=NOAA)

그러나 그 전에 나부터라도 조금이라도 탄소발자국을 줄이는(에너지 사용을 줄이는) 노력을 기울여야 하지 않을까.

일찍이 제임스 러브록은 그의 저서 가이아(1979)에서 지구가 살아있다며 전세계에 지구를 하나의 유기체로 보고 존중할 것을 설파했다. 그리고 좀더 경각심을 갖지 않았던 우리는 그 생명체 지구가 숨막혀하며 몸부림치는 후폭풍을 겪고 있다. 이것이 더 심한 돌연변이성 재난으로 이어지지 않게 하려는 노력을 나부터라도 실천해보자. 당장 손쉽게 할 수 있는 것은 1회용품을 줄이는 것이다.

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