물과 토양은 어떻게 순환하고 있을까?

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Living Planet Programme (6) - SMOS 미션

해양의 염분이 연구되어야 하는 이유

염분은 1kg의 물속에 녹아있는 염의 양 (염의 단위는 g)을 나타내며, 수온과 함께 해수의 밀도를 결정한다. 따라서 염분은 해양의 열염순환에서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 참고로 담수(혹은 민물)는 염분이 거의 없어서 짜지 않은 물을 가리킨다. 따라서 염분은 해수를 담수와 구분해주는 성분 중 하나이기도 하다.

해양의 염분은 대체로 강수량, 담수의 유입 정도, 빙산이나 빙하의 융해 등에 의해서 낮아진다. 반대로 증발 현상은 해양의 염분을 올려주는 현상 중 하나이다. 염분을 조절하는 변수 중 강수량과 증발양은 대기의 상태에 의해서 결정이 되기에 위도에 따라서 크게 달라진다. 또한, 여러 연구를 통해서 염분의 양 변화 현상은 태풍 시기 강수의 양과 관련이 있다고 알려져 있다. 또한, 해양 염분은 이산화탄소 흡수 및 방출을 조절하는 변수 중 하나로 해양 탄소 순환에 영향을 미친다. 담수가 유입되기 전까지는 염분의 양이 거의 보존되지만, 담수가 유입되면 해수의 비열이나 어는점 온도 등의 물리적 성질이 증가하게 되며 밀도나, 분자 점성, 삼투압 등이 낮아지게 된다.

물과 토양의 대략적인 순환도 ⓒRocha et al. 2020

최근 몇십 년간 지구의 해양은 저염화 현상을 겪고 있는데 이는 전 세계적으로 증발량과 강수량의 차이가 감소함에 따라서 일어나기 때문으로 알려져 있다. 이처럼 해양의 염분은 해양 표층 및 해양의 심층 순환을 결정하는 주요 요소 중 하나이다. 따라서 우리는 염분의 양 변동이나 기타 변화를 통해서 해양의 역할이나 역학 메커니즘을 이해할 수 있으며 결과적으로 지구의 물순환과 기후에 관한 새로운 정보를 얻을 수도 있다. 예를 들면, 더욱 향상된 날씨 예보와 눈 및 얼음 등의 양에 관한 모니터링은 인간의 활동에도 도움을 준다.

해양 염분 연구를 위한 유럽 우주국의 도전

중력 및 정상 상태의 해양 순환에 관해서 연구하던 GOCE 위성의 뒤를 이어서 두 번째로 시작한 Living Planet Programme인 SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) 미션은 토양 수분 및 해양 염분 연구를 위한 유럽 우주국의 프로젝트로 1998년에 제안된 바 있었다. 이후 몇 차례 지연되긴 했지만 SMOS위성은 2009년 11월 2일 지구를 출발하여 처음 미션의 목표였던 3년을 훌쩍 넘기고 현재까지도 지구를 돌며 자료를 성공적으로 송수신하고 있다. 위 미션은 유럽 우주국이 주도했고 CNES(Le site du Centre national d’études spatiales) 그리고 CDTI(Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial)같은 프랑스와 스페인의 주요 국가 연구소들이 연구에 적극적으로 참여했다.

SMOS위성은 Thales Alenia Space가 설계하고 구축한 Proteus 소형 위성 플랫폼을 기반으로 하며 위성에 탑재될 페이로드로 EADS CASA Espacio에서 개발 한 MIRAS(Microwave Imaging Rad 사용하는 단일 기기인 마이크로파 방사계로 구성되었다. MIRAS는 마이크로파 주파수 범위(L- 대역: 1.4GHz)에서 지구 표면의 반사 온도 변화를 측정하기 위한 기계이다. 육지에 얼마나 수분이 함유되어있는지와 바닷물의 염도 변화를 측정 할 수 있는 장비이며 지표면의 실제 온도는 전도성, 지표면의 토양 수분 그리고 해면의 염분과 관련이 있기에 보다 정확한 측정을 위해서 세 부분으로 뻗어있는 약 8m 크기의 팔 부분에 장착된 69개의 ​​수신기를 함께 연결하는 간섭계를 포함하고 있다. 위 임무에 탑재되는 전체 시스템은 발사를 위해서 로켓 내부에서 접혀 있었으며 임무 2일 차부터 제대로 펴진 후 계획된 연구를 시작했다.

SMOS 미션의 과학적인 목표

SMOS 미션은 지구의 물이 육지, 해양 표면 그리고 대기 사이에서 얼마나 활발하게 순환되는지에 관해서 보다 잘 이해하고자 시작된 프로젝트이다. 위 미션이 가져다주는 결과들은 기후학적인 측면에서 단기적으로나 장기적으로 큰 도움을 줄 수 있다.

SMOS의 지구 관측 상상도 ⓒESA/SMOS

단기적으로는 일기 예보의 증진에 도움을 줄 수 있다. 현재의 기후 모델들에 따르면 토양 수분은 비를 받아 물을 다시 방출하기 때문에 강수와 직접 관련되어 있다는 사실만 알뿐 물이 우리 자연과 환경을 통과하는 방식을 완전히 이해하지 못하고 있다. 따라서 물의 양과 이동 속도를 보다 정확하게 파악함은 물의 순환을 자세히 이해할 수 있게 해준다.

장기적으로는 더욱 정밀한 농업 분야 및 수자원 관리 분야에 실용적으로 이용될 수 있다. 토양의 수분량은 작물 수확량에 큰 영향을 미치기 때문이다. 문제는 대부분의 식물이 1m 미만의 깊이에서 물을 배출하고 있다는 점이다. SMOS와 같은 최첨단 위성으로도 수분 함량을 대략 수 센티미터까지만 파악할 수 있지만 짧은 시간에 여러 번의 반복 측정을 이용하여 더욱 정확한 토양 수분을 추정할 수 있다.

결과적으로 SMOS미션은 토양에 보유된 수분의 양과 바다에 용해된 염분의 양에 대한 최초의 매핑을 통하여 더욱 저렴한 비용으로 거대한 세계 지도를 만들 계획으로 시작되었다.

SMOS의 염분 지도 매핑 모습 상상도 ⓒESA/SMOS

과학적인 결과는 계속되고 있다

유럽 우주국은 SMOS 위성에 의해서 생성된 글로벌 염도 지도를 2012년 처음 배포하였으며 2017년에 두 번째로 배포한 바 있다. 이는 유엔 기후 변화 협약과 기후 변화에 관한 정부 간 패널에서 요구하는 21 가지 필수 기후 변수에 관해서 보다 정확하고 장기적인 결과를 도출해 내는 데에 집중하는 연구 프로그램인 기후 변화 발의 (Climate Change Initiative)를 위한 목적으로 지금까지 우주에서 매핑해냈던 결과 중 가장 완벽한 형태의 지구 해수면 염분 결과로 주목받은바 있다. 전 세계의 해수면 염분을 매핑한 세계지도는 기후학적으로도 아주 유용하다. 예를 들어서 물순환, 해양 대기 교환 및 해양 순환 등을 통해서 비정상적인 염분 수준이 파악된다면 엘니뇨와 같은 극심한 기후 현상의 시작을 예측할 수 있다.

2012년 처음 공개된 염분 지도의 모습. 빨간 부분일 수록 높은 염도 지역을 나타낸다. ⓒESA/SMOS

2017년 두번째로 공개된 염분 지도의 모습. 빨간 부분일 수록 높은 염도 지역을 나타낸다. ⓒESA/SMOS

2012년과 2017년에 공개된 두 지도들의 비교도 ⓒESA/SMOS

자료 분석을 담당한 재클린 부탱 박사(Dr. Jacqueline Boutin)는 다른 센서 간의 측정값을 결합하고 비교함으로써 해수면 염도 지도의 정밀도를 약 30% 향상시킬 수 있었다고 밝히며 그동안 제대로 샘플링되지 않았던 공간들에 관한 보다 자세한 연구가 가능했음을 밝혔다. 부탱 박사는 위 결과를 통해서 전 세계적으로 해양의 염분이 더 많은 지역이 더 염도가 높아졌으며 담수 지역은 더 염분이 낮아졌음을 밝혔다.

새로운 데이터들을 기반으로 유럽 우주국은 여러 가지 새로운 기후 연구를 시작하고 있다. 현재는 심각한 열대성 저기압이 발생하기 쉬운 지역인 벵골만과 기니만의 물순환에 대한 이해를 높이는 데 초점을 맞추고 있으며 해양 상층의 층화에 대한 염분의 역할과 그것이 대기-해상 교환에 미치는 영향에 관해서 자세히 이해하고자 한다. 이를 통해서 최근에 관찰된 북대서양 염분 이상에 관해서 보다 자세한 정보를 얻을 수 있으며 보다 포괄적인 대서양의 기후 변동에 관해서 자세히 알 수 있으리라 기대된다.

얼음 깊이와 온도의 상관 관계를 밝히다

SMOS는 얼음 깊이에 따라 온도가 어떻게 변하는지에 관해서 자세한 관측을 시작했고 이는 2019년 최초로 공개가 되었다.

남극과 그린란드를 덮고 있는 거대한 빙상(ice sheet)은 입사된 태양 복사를 우주로 다시 반사하기 때문에 기후 시스템에서 매우 중요한 중개자 역할을 하며 이는 지구의 기후 변화에도 매우 중요하다. 또한, 급변하는 지구의 기후 변화에도 반대로 큰 영향을 받고 있다. 남극 빙상은 평균적으로 약 2km 두께라고 알려져 있지만, 일부 지역에의 빙상은 거대한 극지방 빙원(ice field) 표면보다 거의 5km 아래에 존재하고 있다. 주로 지각 아래에서 발생하는 기저 열로 인해서 빙상이 존재하는 위치가 깊어질수록 온도가 점점 증가하게 된다고 알려져 있지만, 얼음의 온도가 깊이에 따라서 얼마나 변화하는지에 관해서는 알려진 바가 없었다.

이탈리아 국립 연구위원회 (IFAC-CNR)의 응용 물리학 연구소 Giovanni Macelloni 박사는 남극 대륙에 대한 SMOS의 L- 밴드 수동 마이크로파 관측을 빙하 및 방출 모델과 결합하여 온도를 포함한 다양한 깊이에서 빙상의 빙하 학적 특성에 대한 정보를 추론함에 성공했고 이를 통해서 남극 얼음 온도의 단면도를 성공적으로 도출하였다.

남극 얼음의 온도 단면도 ⓒESA/SMOS

Giovanni Macelloni 박사는 SMOS가 처음 시작되었던 10년 전 계획보다 훨씬 더 많은 연구를 할 수 있음에 위성의 잠재력이 매우 풍부하다고 밝혔다.

깊이에 따른 온도를 자세히 매핑해낸 SMOS 미션 ⓒESA/SMOS

뜻밖의 발견 – SMOS 위성은 진화를 시작한다

10년 넘게 물의 순환에 관한 이해를 목표로 토양 수분과 해양 표층의 염분을 매핑하는 SMOS 미션은 이미 풍부한 데이터를 제공해 왔다. SMOS 위성은 위성의 시작과 함께 설정되었던 주요 과학적 질문을 해결하는 동안 예상치 못했던 새로운 발견을 한 차례 더 해냈다. 결과 분석 중 소음으로 간주되었던 부분이 실제로는 태양 활동과 우주 날씨를 모니터링하는 데 사용될 수 있다는 사실을 밝혀냈기 때문이다.

태양은 지구상의 생명체를 유지하기 위한 빛과 따뜻함을 제공하지만, 태양 플레어로 알려진 태양 또는 코로나 질량 방출을 전달하는 태양풍 등의 우주 기상 변화로 우리를 위협하기도 한다. 이는 통신 네트워크, GPS와 같은 내비게이션 시스템 및 기타 위성을 손상시킬 수 있기에 자세한 연구가 필요하다. 따라서 우주 기상을 이해하고 모니터링하는 것은 조기 경보 및 예방 조치에 아주 중요하다.

스페인 Alcalá 대학의 마누엘 플로레스-소리아노 박사는 (Dr. Manuel Flores-Soriano)는 SMOS의 자료 분석을 통해서 태양 전파 폭발과 11년의 태양주기와 같은 태양 방출의 약한 변화를 감지 할 수 있다는 것을 발견했다. 또한 1.4GHz에서 방출되는 태양 플럭스의 양과 관상 질량 방출의 속도, 각도 폭 및 운동 에너지 사이의 상관관계를 발견했다. 2015년 유럽 우주 기상 주간에서 이러한 아이디어를 처음 제안했던 하파엘 크라폴리치노 박사(Dr. Raffaele Crapolicchio)는 이처럼 유익한 결과로 바뀌는 것이 매우 흥미롭다고 밝힌 바 있다. 유럽 우주국의 디에고 페르난데스 박사(Dr.Diego Fernandez)는 위 결과를 기반으로 SMOS미션이 진화할 수 있음을 밝혔다. 물론 L- 대역 태양 신호에 대한 전용 검색 알고리즘을 만들고 태양 관측을 위한 기계들을 업그레이드하려면 더 많은 시간과 작업이 필요할 것이다.

엑스선 플럭스를 관측하는 Geostationary Operational Environment Satellites(GOES)위성과 SMOS 미션과의 동 시간대 결과 비교. GOES위성은 복사열을 관측해내지 못한 반면 SMOS 미션은 관측해냄 ⓒFlores-Soriano et al. 2020/ESA/SMOS

위 미션은 우리 지구를 위한 미션이다. 분석된 자료들을 통해서 SMOS의 임무가 얼마나 다재다능한지 볼 수 있는 점이 매우 흥미로우며 특히나 지구를 관찰하도록 설계된 미션이 태양 활동을 관찰 할 수 있다는 점을 통해서 위 미션이 얼마나 전망이 있는 미션인지 알 수 있다.

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