구름, 에어로졸 그리고 태양열의 관계를 밝힌다

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Living Planet Programme (3) - EarthCARE

에어로졸이란?

에어로졸(aerosol)은 aero-solution의 줄임말로 공기와 같은 기체에 존재하는 미세한 고체 입자나 액체 방울을 뜻한다. 이들의 대략적인 크기는 크게는 수백 마이크로미터에서 작게는 수 나노미터 수준까지 내려가기에 대부분 육안으로는 구분이 불가능하다. 참고로 입자의 크기가 수백 마이크로미터보다 크게 되면 중력에 의한 침강 속도가 빠르기 때문에 기체에 입자가 부유 된 상태를 오래 유지할 수 없다. 이 때문에 다양한 입자들 중 수백 마이크로미터까지를 에어로졸로 정의한다.

안개는 대표적인 에어로졸중 하나이다. ⓒflagstaffotos

에어로졸은 자연 현상으로 만들어질 수 있다. 예를 들어서 대기 중의 작은 물방울이나 얼음 알갱이들은 구름이나 안개를 형성할 수 있다. 화산 활동은 자연적인 에어로졸을 가장 많이 발생시킬 수 있는 자연 현상 중 하나로 알려져있다. 유기체나 꽃가루 같은 생물학적 기원을 가지고 있는 에어로졸 등도 있다. 반면 발전소나 자동차 등으로 인해서 발생하는 스모그와 같은 인공적인 에어로졸도 있으며 휘발성 유기화합물이 공기 중에서 응결해 에어로졸을 형성하기도 한다. 이처럼 에어로졸은 우리 일상에 늘 존재한다.

에어로졸은 왜 중요할까?

우리에게 위험을 주는 자연현상 중 최근 가장 대두되고 있는 현상으로 지구 온난화 현상을 들 수 있다. 지구 온난화는 대략 19세기부터 시작되었다고 알려져 있으며 전 세계의 바다와 지표 부근 공기의 온도 상승을 의미한다. 기후 온난화의 원인은 아직 분명히 밝혀지지는 않았지만, 온실 기체 농도의 증가와 화석 연료의 사용과 같은 인간 위주의 활동으로 인해서 발생하는 것으로 여겨지고 있다.

구름과 에어로졸은 지표면에 도달할 태양열에 강한 영향을 끼친다. ⓒESA

에어로졸은 이와 반대되는 현상을 유발한다. 대표적으로 공기 중의 다양한 크기 입자 중 작고 밝은 입자들은 햇빛을 산란시키며 크고 어두운 입자들은 햇빛을 흡수한 후 재방출을 통해서 온도를 낮춘다. 예를 들어서 대기 중에 많아지는 구름은 태양 빛의 산란 또는 반사를 일으켜서 지표면에 도달하는 태양 에너지의 양을 결국 줄어들게 한다. 또한 화산 폭발로 인해서 생성된 에어로졸 역시 온도를 직접 낮추는 효과를 일으킨다.

같은 이산화탄소 농도를 가정했을시 8가지 다른 모델들을 분석한 결과 구름이 태양열에 미치는 영향은 시간이 지나면서 점점 강해질 전망이다.  ⓒ Illingworth et al. 2015

구름의 수명은 에어로졸의 온도, 습도 및 대기의 전반적인 역학 등에 직접적으로 영향을 받는데, 문제는 에어로졸의 작은 크기로 인하여 중력에 의한 침강속도가 작다는 점이다. 이는 결국 공기 중에서의 에어로졸 체류를 용이하게 만들며 온도가 낮아지는 등의 여러가지 기후 변화를 유발한다.

유럽우주국과 일본이 나섰다

앞서 설명했듯이 대기의 에너지는 태양으로부터 받는 지구를 가열시키는 에너지와 지구를 냉각시키는 열복사의 균형이 좌우한다. 전반적으로 대기의 냉난방에 대한 구름의 영향은 이산화탄소와 같은 온실가스가 유발하는 그것보다 훨씬 더 강할 뿐 아니라 복잡한 구름의 구조로 인해서 훨씬 더 복잡하다. 따라서 구름이 대기와 기후 시스템을 어떻게 작동시키며 어떤 영향을 미치는지에 관한 정보들은 기후연구와 기상 예측에서 가장 핵심적으로 이해되어야 할 부분들이다.

EarthCARE의 지구 관측 상상도 ⓒEarthCARE/ESA/JAXA/NCIT

이를 위해서 유럽과 일본이 협력하고 나섰다. EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) 위성 임무는 대기의 에너지 균형에 관해서 더 자세히 연구하며 궁극적으로 구름과 에어로졸이 수행하는 역할에 관한 이해를 향상하기 위해서 유럽 우주국 (ESA), 일본 우주 항공국 (JAXA), 그리고 일본 국립 정보 통신 기술원 (NICT)이 협력하여 준비하고 있는 미션이다.

EarthCARE의 지구 관측 상상도 ⓒEarthCARE/ESA/JAXA/NCIT

2008년 5월 유럽 우주국은 민간용/군용 우주 제품들의 제작을 담당하는 유럽의 항공기 제작 회사인 에어버스 (Airbus SE, Société par Actions Simplifiée)의 자회사였던 Astrium과 EarthCARE 미션에 관한 거대 계약을 체결하였다. 이에 따라서 Astrium은 위성의 설계, 개발 및 통합을 담당하고 있으며 미션에 관한 설계와 시공은 이미 2009년부터 시작된 바 있다. 2014 년부터는 제작된 기기들의 지속적인 통합이 이루어지고 있으며 2015년 라이더 개발 문제로 인해서 당초 계획이 약간 연기되었다. 2021년 4월 현재 EarthCARE의 계획은 2023년 3월로 예정되어 있다.

EarthCARE만의 특징

위 미션의 가장 큰 목표는 구름, 에어로졸 그리고 태양 복사 사이의 복잡한 관계에 관한 이해도를 높이고 관측된 실제 데이터들을 기반으로 모델링을 수행하며, 연구 및 기상 예측을 하고자 함에 있다. 이를 위해서 EarthCARE위성은 고성능 라이더 및 레이더 기술과 EarthCARE에 탑재된 다양한 원격 감지 기술 등의 시너지 효과를 통하여 지구의 열과 태양 복사 균형에 관한 효과적인 관측을 시작할 전망이다. 보다 구체적으로 위 미션은 대기의 외기권, 성층권 등의 대기 상단부와 중간권, 열권, 대류권 및 지구 표면에서의 공간적인 복사 플럭스 3차원 구조를 자세히 이해하고자 한다.

에어로졸 관측 장비 ATLID ⓒEarthCARE/ESA/JAXA/NCIT

라이더는 다양한 유형의 구름과 에어로졸을 구분해낼 수 있으며 구름 내에서의 수직 운동을 감지할 수 있다. 이를 통해서 대류 및 강우 속도 등에 관한 자세한 정보를 얻을 수 있기에 기상예보에 도움이 됨은 물론이며 궁극적으로 지구의 날씨와 미래 기후 예측을 위한 연구도 가능해질 전망이다. 이처럼 초정밀 수준에서의 연구는 EarthCARE 미션을 현재까지 가장 규모가 크며 가장 복잡한 Living Planet Programme 임무로 만들고 있다.

구름 관측용 레이더 CPR의 안테나 ⓒEarthCARE/ESA/JAXA/NCIT

EarthCARE 미션에 장착될 장비들로 유럽 우주국이 담당하는 에어로졸 관측 장비 ATLID (ATmosphericLIDar: 고성능 분광기), 일본 우주 항공국이 담당하는 구름 관측용 레이더 CPR (Cloud Profiling Radar), 구름과 에어로졸을 동시에 관측하게 될 다중 스펙트럼 관측기 MSI (Multi-Spectral Imager), 그리고 태양 빛을 관측하게 될 BBR(Broad-Band Radiometer) 등이 있다.

EarthCARE에 탑재될 4가지 장비의 대략적인 관측 지역과 방법 ⓒEarthCARE/ESA/JAXA/NCIT

에어로졸이 유발하는 대기오염은 이미 북반구의 기후를 바꾸고 있으며 바뀐 대기 질은 인류의 건강을 위협하고 있다. 기상청의 표현에 따르면 에어로졸은 공기의 질을 넘어 이제 인류의 삶의 질까지 결정하고 있다. 에어로졸은 이미 자세히 연구될 가치가 충분하다.

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