보다 정확한 기상예측을 위한 유럽 우주국의 도전

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Living Planet Program(2) ADM-Aeolus 미션

일기예보와 기상예측은 왜 이리 어려울까?

지구의 기상 현상에 관해서 보다 정확하게 예측하기 위해서는 우리가 알고 있는 기상 변수들, 즉 바람, 습도, 공기 등의 분포와 움직임 그리고 위 조건이 유발하는 현상 등에 관해서 예측 할 수 있어야 한다. 또한 우리가 알고 있는 대표적인 기상 변수 이외에도 크고 작은 많은 변수에 관해서 알아야 하며 위 변수가 일으킬 수 있는 현상들에 관한 예측 또한 어긋나지 않아야 한다.

불행히도 우리는 기상 현상에 관계된 모든 변수에 관해서 알지 못하며 이러한 변수들도 시시각각 예측하기 불가능하다. 따라서 이러한 변수들의 영향에 관해서 자세히 알기란 불가능에도 가깝다.

또한 지구 온난화 등으로 인한 기후 변화도 일기 예보를 어렵게 만드는 큰 요인 중 하나이다. 예를 들면, 기습 폭우는 비구름대가 옮겨 다니면서 아주 좁은 지역에 갑자기 비를 뿌리는 현상을 말하는데, 이는 수많은 기상 현상 중 가장 예측하기 어려운 날씨 중 하나로 알려져 있다. 이는 지구 온난화로 인한 아열대 기후에서 자주 나타나는 현상이다.

점차 나아지고 있는 일기 예보 그리고 아이올로스의 시작

현재는 슈퍼컴퓨터 등의 도움으로 기상 결과에 관한 상당한 지식이 쌓였을 뿐 아니라 수많은 인공위성의 등장으로 인해서 예전보다 한층 더 정확도가 높아지고 있다. 우리 인류는 여전히 내일 날씨를 정확하게 알 수 없지만 전 세계의 수많은 기상 변수들 중 가장 중요한 역할을 하는 바람 등을 활동과 진행 방향등에 관해서 자세히 관측 할 수 있는 장비가 늘어난다면, 일기 예보는 분명히 개선될 것이다.

Atmospheric Dynamics Mission Aeolus (ADM-Aeolus – 아이올로스: 그리스어로 Αἴολος)는 유럽 우주국 (ESA: European Space Agency)의 Living Planet Program에서 다섯 번째로 계획되었으며 두 번째 코어 미션을 담당하는 위성의 이름이다. 위 궤도선의 이름은 그리스 신화에서 포세이돈의 아들이자 바람의 신 그리고 통치자인 아이올로스의 이름을 따서 명명되었다.

ADM-Aeolus – 아이올로스의 상상도 ⓒESA

Aeolus는 지구 표면으로부터 30km 높이의 성층권까지 바람의 영향과 활동에 관해서 관찰할 수 있는 최초의 위성이다. 위 위성의 이름에서 착안할 수 있듯이 미션의 과학적인 목표는 지구 대기 그리고 기상 시스템에 관한 지식의 향상 그리고 기상 현상의 예측에 관해서 더욱 발전시키는 것이다. 예를 들어서 Aeolus는 전 세계 여러 지역의 날씨를 모니터링하고 상세히 기록하며 더 복잡한 날씨 모델을 구축할 수 있도록 도움을 주는 역할을 한다.

바람의 단면 분석결과 상상도 ⓒAeolus/ESA

특히 복잡한 수치 모델과 여러 가지 변수의 조건들이 결합하여 적용된다면 단기적으로는 기상예측에 관한 정확도를 높일 수 있다. 이러한 데이터들과 함께 수치적으로 여러 가지 변수들을 통제할 수 있다면 장기적으로는 지구 온난화에서 대기오염에 이르는 모든 종류의 기상 현상들에 관한 지식을 향상할 수 있을 것이다. 이러한 결과들은 공중 보건에 영향을 미치는 먼지 및 기타 공기 중 입자의 운동에 관한 예측을 개선하기 위한 대기 질 모델의 개발에도 사용된다.

대서양위 사막먼지들 움직임의 단면들 분석 결과 ⓒAeolus/ESA

또한 기상 위성을 이용한 기상연구는 아직 걸음마 수준이므로 미래의 기상 위성들이 작동할 수 있도록 길잡이 역할을 할 수도 있을 것이다.

아이올로스 미션만의 특징

위 미션은 이미 오래전인 1999년에 승인되었고 2007년 발사 계획이었지만 기술적인 장애로 인해서 11년이나 지연된 프로젝트이다. 우주선은 Airbus Defense and Space에서 제작을 담당했고 가장 중요한 기기인 알라딘(Atmospheric Laser Doppler Instrument)을 포함하고 있다.

아이올로스 팀은 위성에 탑재될 알라딘 장비의 개발에 문제를 겪고 있었는데 이는 자외선 레이저는 진공상태에서 광학 표면에 손상을 입히기 때문이다. 이에 관해서 유럽 우주국 과학자들은 미항공우주국 과학자들과 열띤 토론을 벌였지만, 별 소득이 없었고 위성에 필요한 기술은 이미 배정된 자본을 훨씬 뛰어넘어버렸다. 유럽우주국은 성공적인 임무 진행을 위해서 추가 자금을 마련함과 동시에 Airbus에 추가 모델 테스트를 의뢰했고 2014년에 모든 기기의 조립이 완료되어 발사 준비를 하게 되었다.

Aeolus에 탑재될 각종 기기들과 장비들 ⓒAeolus/ESA

이에 관해서 유럽 우주국의 지구관측 팀장인 요세프 아쉬바허 (Josef Aschbacher) 박사는 “위 미션은 완전히 새로운 방식으로 접근했기에 이러한 선구적인 기술을 가능하게 하기 위해서 무척이나 힘들었습니다. 하지만 여러 과학자의 노력 덕분에 이 특별한 위성이 현재 지구를 돌고 있다는 사실이 매우 감격스럽습니다.”라고 밝힌 바 있다.

알라딘은 송신기를 포함해서 미(Mie) 그리고 레일리(Rayleigh) 후방 산란의 수신기 그리고 1.5m 직경의 카세그레인 망원경을 포함하고 있는 직접 감지 자외선 레이저 레이다(Light Detection And Ranging: 줄여서 라이더-Lidar라고 부름)이다. 레이저 레이다는 레이저 펄스를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간을 측정함과 동시에 반사체의 위치를 정확히 측정하는 시스템을 말한다.

라이더 시스템의 원리 ⓒAeolus/ESA

Mie 수신기는 분해능이 100MHz (18m/s에 해당) 인 Fizeau 간섭계로 구성되어 있으며 Rayleigh 수신기는 2GHz 분해능과 5GHz 간격의 이중 필터 Fabry-Pérot 간섭계를 사용한다. 라이더는 천저 (nadir)에서 35° 방향을 향하고 있으며 태양에서 멀리 떨어진 쪽의 위성 트랙에서 90° 방향을 향하고 있다. 후방 산란 신호를 분석하면서 200km마다 위성 트랙을 따라 맑은 공기에서 두꺼운 구름 위 또는 표면 아래로 풍력 구성 요소들의 단면 프로파일을 얻게 된다.

Aeolus의 실제 결과 단면도 ⓒAeolus/ESA

혹은 얇은 구름이나 두꺼운 구름의 꼭대기에 분포하는 바람에 관한 정보들도 얻을 수 있다. 위의 결과들을 바탕으로 구름과 에어로졸과 같은 다른 요소에 관한 정보도 얻을 수 있다. 데이터들은 실시간으로 처리되며 주로 수치 기상 예측 센터(numerical weather prediction centres)에 배포된다.

풍속의 변화를 높은 정확도로 매핑해낸 결과 ⓒAeolus/ESA

우리 생활에도 도움을 주는 과학 미션 아이올로스

위 임무는 우리 시대의 가장 긴급한 지구 과학 문제를 다루는 유럽 우주국의 미션으로 과학을 발전시킬 수 있는 임무이지만 우리 생활에도 도움을 주는 미션이다. 아이올로스팀이 보내온 결과에 따르면 풍속과 압력의 변화에 따라서 분석한 결과 이틀내의 기후 변화 예측은 예전보다 크게 향상되었음을 알 수 있다.

경도에 따른 일기예보 예측도의 정확도, 파란색일 수록 기후 예측이 향상되었음을 의미한다 ⓒAeolus/ESA

유럽 우주국장 얀 뵈르너 (Jan Wörner) 박사는 위 미션에 관해서 “아이올로스는 Living Planet Program 중 핵심입니다. 위 미션은 행성 안에서의 대기 활동이 어떻게 작동하는지에 관한 우리의 지식을 늘려줄 것이며, 위 결과를 바탕으로 우주에서의 행성 대기 활동이 어떻게 작용하고 있는지를 보여줄 것입니다.”라고 말했다.

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