길버트 워커: 하늘에서 시소를 발견한 사람

그는 1904년에 아무도 어떻게 하는지 모르는 일, 즉 인도 몬순을 예측하는 일을 하기 위해 고용되었습니다. 그는 기상학적 훈련을 전혀 받지 않았습니다. 그의 전임자가 그를 영입한 것은 정확히 그 이유 때문이었습니다. 인도 기상청이 원한 것은 또 다른 기상 예보관이 아니라 수학자였으며, 길버트 워커(Gilbert Walker)는 케임브리지 대학에서 시니어 랭글러(Senior Wrangler)였습니다. 그가 결국 지구 곳곳에 흩어진 기상 관측소의 수십 년치 기압계 판독값 속에 묻혀 있던 것에서 찾아낸 것은 아무도 의심하지 않았던 리듬, 즉 인도양과 태평양 사이에서 흔들리는 거대한 기압 시소였습니다. 이것이 왜 존재하는지 설명하는 데에는 65년의 세월과 또 다른 과학자가 필요했습니다.

시니어 랭글러, 그리고 우회

워커는 1868년 랭커셔주 로치데일에서 태어났으며, 빅토리아 시대 수학 엘리트들의 전형적인 경로인 케임브리지 트리니티 칼리지를 거쳤고, 1889년 수학 트라이포스(tripos)의 수석인 시니어 랭글러가 되었습니다. 이는 당시 국가적 순위로 기능했던 영예였습니다. 그는 연구원으로 남아 응용 수학을 강의했습니다.

그러던 중 영국령 인도 기상 서비스를 운영하던 존 엘리엇(John Eliot)이 후임자를 찾다가 이미 날씨에 대해 아는 사람보다는 수학적 소질이 있는 사람을 원한다고 결정했습니다. 워커는 1903년 케임브리지 연구원직을 그만두었고 1904년에는 인도 천문대 총국장이 되었습니다. 서류상으로는 기이한 임명이었지만, 실제로는 현대 기후 과학을 만드는 일이었습니다.

아무도 할 수 없었던 일

그 부서가 존재하는 이유는 몬순 때문이었습니다. 인도의 모든 것, 즉 수확, 세입, 수천만 명의 생존이 여름 비가 오는지, 얼마나 오는지에 달려 있었으며, 워커가 물려받은 예측 노력은 과학이라기보다는 경험에 근거한 추측에 가까웠습니다.

그의 대응은 관찰보다는 방법론적이었습니다. 그는 기본적으로 그런 방법을 사용하지 않던 분야에 통계적 상관관계와 회귀 분석을 도입했으며, 인도와 지구 어디에서든 측정된 데이터 사이의 관계를 체계적으로 찾는 규모로 이를 수행했습니다. 이것은 사실상 기계가 존재하기 수십 년 전, 연필, 표, 그리고 대규모 인간 계산원들을 사용하여 수행된 산업 규모의 데이터 분석이었습니다. 여기에는 독특한 종류의 배짱이 필요했습니다. 워커는 인도 상공 대기의 행동이 칠레나 호주의 기압계에서 읽힐 수 있을지도 모른다는 가설을 제시했고, 왜 그래야 하는지에 대한 이론은 없었습니다.

남방 진동

그의 말이 맞았습니다. 상관관계 표에서 그가 '남방 진동'(Southern Oscillation)이라고 명명한 현상이 나타났습니다. 이는 인도양과 태평양 사이의 대기압의 거대한 시소로, 한쪽의 기압이 상승하면 다른 쪽은 하강하며, 이와 함께 지구의 엄청난 영역에 걸쳐 기온과 강우량의 변화가 일어납니다. 워커는 하나의 연결된 시스템으로 작동하는 행성 규모의 변동성 모드를 발견한 것입니다.

그는 거기서 멈추지 않았습니다. 그는 또한 유럽, 북미, 북태평양의 겨울 기후 대부분을 지배하는 기압 패턴인 북대서양 진동과 북태평양 진동을 확인했습니다. 이 세 가지 발견은 기후 과학자들이 오늘날 연간 변동성을 설명하는 기본 구조의 대부분을 구성합니다. 남방 진동은 현재 '엘니뇨-남방 진동'(El Niño-Southern Oscillation)이라 불리는 현상의 대기적 측면임이 밝혀졌으며, 이는 지구상에서 연간 기후 변화의 가장 중요한 원천입니다.

이와 함께 분석 과정에서 발생하는 시계열 문제를 해결하면서, 워커는 통계학자 우드니 율(Udny Yule)의 방법과 함께 '율-워커 방정식'(Yule-Walker equations)을 개발했습니다. 이는 자기회귀 과정 분석의 기초 장치이며 오늘날 기상학 이외의 분야에서도 널리 사용됩니다.

라마누잔, 부메랑, 그리고 플루트

워커의 호기심은 가장 좋은 의미에서 규율되지 않았습니다. 그는 부메랑의 역학, 새 비행의 공기역학, 플루트의 물리학, 그리고 상대성 이론에 관한 논문을 발표했습니다. 그는 음악가이자 예술가였습니다. 수학 역사상 가장 중요한 인재 발굴 사례 중 하나로, 그는 스리니바사 라마누잔(Srinivasa Ramanujan)의 능력을 알아보고 마드라스 대학에 그를 추천하여 라마누잔의 경력을 시작하게 한 장학금을 확보하는 데 도움을 주었습니다.

그는 1924년 인도에서 은퇴하여 기사 작위를 받았고, 런던 임페리얼 칼리지에서 기후 연구를 계속했으며 1926~27년에는 영국 왕립 기상 학회 회장을 역임했습니다. 그때쯤 그는 자신의 방법을 규정한 불안감을 이미 명확히 했습니다. 1927년에 쓴 글에서 그는 "오늘날 두 주제의 전문가들이 서로의 작업에 대한 지식 없이 자라날 뿐만 아니라 상호 도움이 필요한 문제들을 무시할 위험이 항상 존재한다"고 경고했습니다.

길버트가 천재라고 불리는 이유

관련된 자질은 구체적이고 다소 시대에 뒤떨어진 것, 즉 예측할 이론이 존재하기 전에 데이터에서 실제 구조를 감지하는 능력입니다. 워커는 메커니즘을 설명하는 물리학자가 아니었습니다. 그는 상관관계를 신뢰하고 누구도 시도하지 않은 규모로 이를 적용했으며, 의미 있는 행성 신호와 이러한 검색이 필연적으로 발생시키는 수천 개의 가짜 관계를 구분하는 식별력을 가진 수학자였습니다. 이런 방식으로 남방 진동을 발견한 것은 연역이라기보다는 패턴 인식의 위업에 가까웠으며, 수십 년간 나열된 숫자들 속에서 지속된 그 정도 품질의 패턴 인식은 드뭅니다.

반론은 간단하며 워커 자신도 이에 답할 수 없었습니다. 그는 시소를 설명할 수는 있었지만 무엇이 그것을 흔들게 하는지는 말할 수 없었습니다. 물리적 메커니즘이 없으면 상관관계는 아무리 견고하더라도 매우 큰 검색 작업의 인위적인 결과물이라는 비난에 취약합니다. 설명은 1969년 야코브 비에르크네스(Jacob Bjerknes)가 시스템을 구동하는 바다와 대기의 결합을 입증했을 때에야 도착했으며, 물리학적 공로는 비에르크네스에게 돌아갑니다. 또한 규모의 문제도 있습니다. 워커는 식민지 과학 서비스의 자원과 계산을 수행하는 대규모 점원들을 가졌습니다. 그가 제공한 것은 계산이 아니라 방향이었습니다.

하지만 그 방향이 어려운 부분이었습니다. 그는 기대를 할 이유가 없을 때에도 해양 전역에 걸친 원격 상관관계를 찾기로 선택했고, 올바른 이름을 붙였으며, 그가 확인한 구조(남방 진동, 북대서양 진동, 북태평양 진동)는 한 세기가 지난 지금도 해당 분야의 표준 어휘로 남아 있습니다. 눈을 가리고 작업하는 사람에게는 매우 높은 적중률입니다. 천재라는 단어는 특별한 이론적 상상력보다는 신호에 대한 예외적인 감각을 의미한다고 이해한다면 여기에서 합당하게 사용될 수 있습니다.

유산

워커는 비에르크네스가 그를 입증하기 11년 전인 1958년에 사망했습니다. 태평양을 움직이는 대기 순환은 현재 '워커 순환'(Walker Circulation)이라 불립니다. 레딩 대학교의 워커 연구소(Walker Institute)는 그의 이름을 현대 기후 연구에 이어가고 있으며, 율-워커 방정식은 시계열을 다루는 사람이라면 누구나 사용하는 툴킷에 들어 있습니다. '올해 엘니뇨는 어떤가'라는 질문으로 시작하는 모든 계절 예보들은 그가 기압계 판독값과 상관계수로 조립한 프레임워크 안에서 작동하고 있으며, 그 프레임워크는 그가 생전에 완전히 답하지 못했던 질문인 '비가 올 것인가?'라는 질문에 답하기 위해 사용되고 있습니다.