태양활동과 지구온난화: 일관된 관계와 CO₂의 교란

본 논문은 1880년부터 2016년까지 월별 태양흑점수와 전 지구 평균 기온(전 지구, 북반구, 남반구)을 대상으로, 파동코히런스(wavelet coherence)와 공적분(cointegration) 분석을 결합해 두 변수 간의 동적 관계를 심층적으로 탐구한다. 연구 배경으로는 태양활동과 지구 기후 사이의 상관관계가 과거 수십 년간 논쟁의 대상이었으며, 특히 11년·22년 주기의 태양 사이클이 기후에 미치는 영향에 대한 결론이 일관되지 않았다는 점을 들었다. 기존 연구들은 주로 주파수 영역(스펙트럼, 코히런스)이나 단순 상관분석에 의존했으며, 비선형성, 구조적 변동, 장기 추세 등을 충분히 고려하지 못했다는 한계가 있었다. 연구 방법은 크게 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계에서는 Morlet 파동을 이용해 각 시계열의 파동변환을 수행하고, 두 시계열 간의 파동코히런스와 위상 차이를 계산한다. 파동코히런스는 0에서 1 사이의 값을 가지며, 특정 시간·스케일 영역에서 두 시계열이 얼마나 동조되는지를 시각화한다. 위상 화살표는 선행‑후행 관계를 나타내며, 오른쪽(동) 화살표는 동시 상관, 왼쪽(서) 화살표는 반대 상관, 아래쪽(남) 화살표는 첫 번째 시계열이 두 번째 시계열을 π/2 앞선다는 의미이다. 분석 결과, 21~22년(≈256개월) 스케일에서 가장 강한 파동코히런스가 관찰되었으며, 이 구간에서 위상 화살표는 남동쪽을 가리켜 흑점수가 기온을 약 2~3년 앞서며 양의 상관관계가 있음을 보여준다. 특히 북반구 기온과의 연관성이 남반구보다 뚜렷했으며, 1960년 이전까지 이 관계가 지속되었다. 그러나 1960년대 이후 전 지구 평균 기온이 급격히 상승하면서 파동코히런스가 약화되고, 통계적으로 유의미한 영역이 크게 축소되었다. 두 번째 단계에서는 CO₂ 배출량이 기후에 미치는 장기 영향을 통제하기 위해 공적분 분석을 수행한다. ADF와 KPSS 검정으로 각 시계열이 비정상임을 확인하고, Engle‑Granger와 Johansen 테스트를 통해 CO₂ 배출량과 기온 시계열이 공적분 관계에 있음을 입증한다. 따라서 CO₂와 기온을 회귀분석으로 분리하고, 잔차(기온‑CO₂)와 흑점수를 다시 파동코히런스로 분석한다. 이 과정에서 CO₂ 효과를 제거한 후에도 21~22년 스케일에서 강한 코히런스와 남동위상이 유지됨을 확인한다. 즉, CO₂ 배출이 증가하면서 기존의 태양‑기후 관계가 겉으로는 사라졌지만, 실제로는 ‘가려진’(masked) 상태였으며, 통계적 통제 후에는 다시 드러난다는 결론이다. 지역별 차이도 중요한 결과로 제시된다. 북반구에서는 CO₂ 통제 후에도 전 기간에 걸쳐 강한 코히런스가 유지되었으며, 남반구에서는 16년 이상 스케일에서 통계적으로 유의미한 코히런스가 부족했다. 이는 대륙·해양 비율, 대기 순환, 복사 균형 등 지역적 기후 메커니즘이 태양활동에 대한 민감도를 다르게 만든다는 가설을 뒷받침한다. 논문의 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, 파동코히런스와 공적분을 결합한 분석 프레임워크를 제시함으로써 시간·주파수 차원에서 비선형·비정상 시계열 간 인과관계를 동시에 검증할 수 있다. 둘째, CO₂ 배출이 증가한 20세기 중반 이후에도 태양활동이 기후에 미치는 직접적인 영향을 완전히 배제할 수 없으며, 기존 연구에서 보고된 ‘관계 소멸’은 CO₂의 교란 효과에 의해 가려진 현상일 가능성을 제시한다. 셋째, 북반구와 남반구 간 차이를 통해 지역별 기후 반응성을 평가할 수 있는 근거를 제공한다. 결론적으로, 태양흑점수와 전 지구 기온 사이의 관계는 기본적으로 안정적이며, 태양활동이 기후에 미치는 효과는 약 2~3년의 시차를 두고 양의 영향을 미친다. 그러나 1960년대 이후 급증한 CO₂ 배출이 이 관계를 표면적으로 약화시켰으며, 통계적 통제를 통해 숨겨진 관계를 재발견할 수 있다. 이는 기후 변화 연구에서 자연적 요인(태양활동)과 인위적 요인(CO₂)의 상호작용을 동시에 고려해야 함을 강조한다.