남극의 얼음이 빠르게 녹고 있다

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Living Planet Programme (7) - CryoSat-2 미션

지구 온난화가 유발하는 해수면 상승 그리고 지구의 위기

지구 온난화는 지구의 평균기온이 상승하는 현상을 일컫는다. 주로 인간의 활동으로 인해서 유발되는 온실효과나 혹은 다양한 이유로부터의 급격한 기후 변화 등이 지구 온난화의 주된 이유로 예측된다.

지구 온난화로 인해서 일어나는 주요 문제점으로는 그린란드와 남극 빙산이 융해되어 수온 상승이 유발됨을 들 수 있다. 이로 인해서 해수의 열팽창이 일어나고 결국 해수면이 상승하게 된다. 참고로, 그린란드의 빙상이 모두 녹게 된다면 해수면은 자그마치 60cm나 상승할 것으로 알려져 있다. 지난 2015년 미 항공 우주국(NASA)이 발표한 자료에 따르면, 온실가스 방출과 급격한 기후 변화 등으로 인해서 200년 안에 해수면이 최소 1m 이상 높아질 수 있다고 한다. 이는 기존에 언급되던 최악의 시나리오보다도 더 심각한 수준이다.

남극의 얼음이 녹고 있다. ©Antarctica Journal

유럽의 지구 극지방 만년설 연구 첫 번째 도전

지구의 극지방이 얼마나 녹고 있는지 더 자세히 알기 위해서 유럽 우주국이 나섰다. 유럽 우주국은 극지방 얼음의 범위와 두께의 변화를 약 1.3cm의 해상도로 모니터링하는 위성을 계획했다. 이는 궁극적으로 미래의 지구 온난화와 해수면 상승을 정확히 예측하기 위한 임무이다.

1990년대 말 이미 지구온난화는 지구를 연구하는 과학자들에게 큰 화두였다. 이러한 이유로 1998년 7월 이미 유럽 우주국의 Living Planet programme의 일환으로 고도계 위성 (altimetry satellite) CryoSat (후에CryoSat-1로 명명 변경)의 제안서가 제출되었다. 1999년, 위 미션에 관한 유럽 우주국의 타당성 연구를 성공적으로 통과하였고 임무가 최종 승인되었다. 위성의 제조는 2001년에 시작되었으며 2002년 EADS Astrium과 탐사선의 제조, 조립, 건설에 관한 계약을 마쳤다. 2004년, 지구 저궤도에서 작동하도록 설계된 위성의 모든 제조와 조립이 완료되었다.

CryoSat-1 위성의 모습 ©ESA/ATG medialab

위성의 발사는 러시아 우주 발사체 Rokot/Briz-KM을 이용하기로 협의하였으며, 성공적인 시험 발사를 마친 후 2005년 10월 8일 위성의 발사를 시작했다. 하지만, 로켓의 비행 제어 시스템 명령 누락으로 인해서 2단계 엔진이 제때에 정지되지 못했다. 이는 2단계 연소와 상부 스테이지인 Briz-KM이 분리되는 것을 막았으며 결과적으로 로켓은 궤도에 성공적으로 안착하지 못했다. 위성은 다시 그린란드 북쪽의 북극해에 진입했을 때 분실되었음이 확인되었다.

유럽의 지구 극지방 만년설 연구 두 번째 도전

과학자들은CryoSat-1의 실패에도 불구하고 지구 온난화의 심각성을 이유로 위 임무는 다시 시도해야 한다고 주장했다. 이에 따라서, 임무 실패 후 5개월도 채 되지 않은 2006년 2월 지구 극지방 연구 임무가 CryoSat-2의 이름으로 재차 승인되었다. CryoSat-2 위성 역시 이전 CryoSat-1 위성과 마찬가지로 EADS Astrium에 의해 제작되었으며 탑재될 페이로드들은 Thales Alenia Space의 협력하에 제작되었다. 위성의 제작 및 테스트는 2008년 2월에 완료되었다. 2009년 8월, 유럽우주국은 드디어 재설계된 위성의 모든 제작이 완료되었음을 알렸다. CryoSat-2의 디자인은 CryoSat-1과 거의 흡사하지만 크고 작은 업데이트들과 개선들이 있었다. 예를 들어서 CryoSat-2 위성에는 레이다 고도계가 한 개 더 탑재되었다.

CryoSat-2의 지구 관측 상상도. 레이다 고도계가 한개 더 늘어났음을 볼 수 있다. ©CryoSat-2/ESA

CryoSat-2 위성 역시 CryoSat-1와 마찬가지로 Rokot 로켓에 의해 발사될 예정이었지만 가용 가능한 발사체의 부족으로 인해서 Dnepr 로켓으로 변경되었다. 위 변경으로 인해서 임무가 약간 지연되었으며 발사는 2010년 2월로 연장되었다. 2010년 1월 위성이 최종 발사 지점에 도착한 후 최종 조립 및 테스트가 진행되었다.

최종 테스트 중 엔지니어들은 위성의 X 대역 (NATO H/I/J 대역) 통신 안테나가 정상적으로 전송해야 하는 전력의 극히 일부만 전송하고 있다는 사실을 발견했다. 위 수리를 위해서 위성을 완전히 분해한다면 본래 계획보다 한참 더 지연될 것이 뻔했기에, 시간의 단축을 위해서 내시경으로 부품 검사를 먼저 진행하였다. 외과 의사 타티아나 지코바(Dr. Tatiana Zykova)는 내시경 검사를 통해서 두 개의 페라이트(혹은 규소철이라고 부름: alpha iron) 조각이 튜브에 박혀 있음을 발견하였고, 엔지니어들은 두 조각을 모두 제거하면서 최종 테스트를 성공적으로 마쳤다.

그 후 연료 문제 등 크고 작은 사항들이 수정되었고 같은 해 4월 8일 위성이 성공적으로 발사되었다. CryoSat-2 위성은 발사 후  근지점 720km, 정점 732km, 경사 92도, 궤도주기 99.2 분의 지구 저궤도에 배치되었다. 발사 당시 CryoSat-2는 최소 3년 동안 작동할 것으로 계획되었지만 2021년 현재까지도 지구를 관측하고 있다.

CryoSat-2 미션만의 특징

CryoSat-2 미션의 과학적인 임무는 CryoSat-1의 그것과 동일하다. 즉, 남극의 얼음 두께를 더욱 정확히 측정하고 변화를 모니터링하는 것이다. CryoSat-2에 탑재된 주요 페이로드로 SIRAL-2 (Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter-2)가 탑재되었는데, 이는 두 개의 안테나가 있는 간섭계 레이더 거리 측정기를 사용하여 얼음의 고도를 측정하고 모니터링하는 기계이다.

CryoSat-2의 대표 페이로드인 SIRAL-2의 남극 얼음 두께 관측 상상도 ©CryoSat-2/ESA

두 개의 SIRAL-2를 탑재된 이유는 한개의 SIRAL-2가 오작동할 경우를 대비함이었다 .

CryoSat-2의 지구 관측 상상도 ©CryoSat-2/ESA

두 번째 페이로드로 우주선의 궤도를 정확하게 계산하는 데 이용되는 DORIS (Doppler Orbit and Radio Positioning Integration by Satellite)가 있는데, 지상에서 궤도 데이터를 확인하기 위한 역 반사기도 탑재했다. 탐사선은 6개월 동안 궤도를 돌면서 테스트 및 시운전을 마쳤고 2010년 10월 26일부터 본격적인 미션의 시작을 알렸다.

CryoSat-2에 탑재된 주요 장비들 ©CryoSat-2/ESA

CryoSat-2 가 보내온 결과들 – 남극의 얼음이 빠르게 녹고 있다

Cryosat-2 위성이 발사되기 이전까지는 얼음의 면적과 얼음으로 덮인 해면의 비율만을 측정할 수 있었다. Cryosat-2를 통해서 우리는 보다 자세한 남극 얼음의 정보를 얻을 수 있다. 예를 들면, 해빙의 두께를 아주 정확한 수준으로 관측 할 수 있으며 이를 통해서 우리는 지구 극지방 얼음이 환경 및 기후 변화에 의해서 어떻게 변하고 있는지 자세히 알 수 있다. 또한, 접지선은 육지나 해저에서의 접근이 불가능한데, 위성을 이용하면 접지선 측정도 가능하다. 영국의 극지 관측 및 모델링 센터 (CPOM)는 해빙 두께와 얼음의 부피 지도등을 실시간으로 얻고 있다.

Cryosat-2 이끄는 던칸 윙험 교수(Prof. Duncan Wingham)는 2014년 심포지엄에서 Cryosat-2의 첫 결과를 알렸다. 그는 Cryosat-2의 소프트웨어들이 정상적으로 잘 작동하고 있음은 물론이고 위성도 매우 좋은 상태라고 밝혔다. 또한, 그는 10여 년 전 우리가 얼음에 관해서 추론하고 있던 정보들을 실제로 보는 일은 매우 보람찬 일이라고 밝힌 바 있다.

CryoSat-2의 대략적인 결과 상상도. 빨간색일 수록 얼음이 두꺼움을 나타낸다. ©CryoSat-2/ESA

2013년 7월, 유럽 우주국은 CryoSat-2가 남극 대륙의 얼음 표면에서 거대한 분화구를 발견했다고 보고했다. 과학자들은 얼음 아래에 있는약 3km 규모의 호수가 갑자기 배수되었을 때 분화구가 남겨졌다고 예측하고 있다. 과학자들은 CryoSat-2에서 수집한 새로운 결과들과 NASA의 ICESat 위성 결과를 결합하여 거대한 호수가 남긴 큰 분화구를 성공적으로 매핑해냈고 그 규모를 정확히 이해하고자 노력했다.

남극의 분화구 모습 ©CryoSat-2/ESA

2018년 CryoSat-2팀은 위성이 보내온 자료를 바탕으로 2010년부터 2016년 사이에 남극 대륙의 해저 얼음이 대략 런던 도시의 규모만큼 녹았음을 보였다. 또한, 높아지는 바닷물 온도는 바다 위의 얼음덩어리인 빙붕까지 녹이고 있다고 밝혔다.

CryoSat-2가 2010년 봄, 2011년 봄, 그리고 2012년 봄에 관측한 북극 얼음의 두께 ©CryoSat-2/ESA

CryoSat-2가 2010년 가을, 2011년 가을, 그리고 2012년 가을에 관측한 북극 얼음의 두께 ©CryoSat-2/ESA

빙붕이 쉽게 녹고 있음은 바다로 유입되는 얼음 흐름이 더 빨라지고 있음을 나타낸다. 이 때문에 바다와 맞닿은 지점에서의 빙상이 얇아지는 속도는 평균적으로 5배 이상 빠른 것으로 나타났다. 결과에 따르면, 남극의 동쪽 고지대에서는 빙상이 증가했지만, 서쪽 해안은 빙상의 뚜렷한 감소를 보였다.

바다와 맞닿은 지점에서의 빙상이 얇아지는 속도가 더 빠름을 알 수 있다. ©CryoSat-2/ESA

CryoSat-2가 관측한 그린란드의 얼음 두께 결과 ©CryoSat-2/ESA

2020년, 미국의 워싱턴대학교 벤 스미스 교수팀은 CryoSat-2의 결과와 ICESat를 바탕으로 그린란드의 빙상 두께 역시 많이 감소하고 있다고 밝혔다. 분석 결과 그린란드는 얼음을 매년 평균 2,000억 톤이나 잃고 있는 것으로 나타났다. 이에 따라서 해안 지역에서 녹아내리는 얼음 양이 내륙 지역에서 내리는 눈의 양을 훨씬 초과하였고, 결과적으로 해수면을 14㎜나 상승시켰음을 밝혔다.

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전체 댓글 (2)

  • 이서은 2021년 6월 3일11:08 오전

    그림 설명에 남극얼음의 두께라고 쓰여져 있는데 사진은 북극사진이네요.
    수정 요청드립니다.

  • 허혜경 2021년 6월 4일6:13 오전

    보고 갑니다. 마음 무거운 이야기. 모두 힘을 합쳐 대처.

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