지구를 관측하고 있는 유럽의 기상 위성들

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Non-programme missions (14) Meteosat 지구 관측 위성

기상 위성이 필요한 이유 

날씨는 우리의 생활에 매우 큰 영향을 끼친다. 또한 최근 기상 이변으로 인해서 날씨에 대한 관심이 더욱 높아지고 있는데, 이 때문에 기상 현상을 미리 관측하고 예측하는 기상 위성의 중요도 역시 높아지고 있다. 예를 들어서 우리는 기상 위성의 자료를 통하여 구름 움직임을 파악할 수 있으며 이를 기반으로 풍속과 방향을 계산할 수 있다. 또한 대서양의 허리케인은 육지와 상호 작용하기 이전부터 기상 위성에 포착될 수있다. 이처럼 지구를 관측하는 기상 위성은 날씨를 예측함과 동시에 호우 현상 및 황사 현상과 같은 기후/날씨 변화의 예측에 큰 도움을 준다.

참고로, 기상 위성이 본격적으로 지구를 관측하며 기후를 예측하기 이전에는 주로 풍선을 이용한 라디오존데(radiosonde: 전파를 이용한 기상 관측 기기이며 기압, 기온, 습도, 풍향 및 풍속 등을 측정함)나 항공기를 이용한 대기 정보와 육지 및 지구 표면 관측 등이 일기 예보에 이용되었다.

일기 예보를 준비하고 있는 기상 예보관들 ⓒ ECMWF

지난 45여 년간 지구를 관측한 유럽의 기상 위성 

1977년 11월 23일 지구를 처음 관측하기 시작한 유럽의 지구 관측 위성 Meteosat은 발사 당시 최신식의 컴퓨터 모델을 탑재하여 수많은 관측을 수행하기 시작했다. 이어서 오랫동안 두세대를 거쳐서 총 11대의 위성이 발사되었으며 이중 7대는 지구 관측을 중단하고 퇴역했다. 따라서 현재는 총 4대의 Meteosat 위성들이 지구 기상 현상들을 관측하고 있다.

2세대 Meteosat 지구 관측 위성의 지구 관측 상상도 ⓒ Eumetsat/ESA

Meteosat은 정지 궤도 위성 프로젝트로 본래 프랑스 국립 우주 연구 센터 (CNES:Centre National d’Etudes Spatiales)와 프랑스 기상청의 참여를 통해서 시작된 프랑스의 국가 프로젝트였다. 한편, Meteosat위성의 개발이 시작될 즈음에 유럽우주연구기구(ESRO, 유럽 우주국의 전신)는 지구 관측 용도로 극궤도 위성과 정지궤도 위성의 가능성을 고려하고 있었다. ESRO는 결국 프랑스의 결정과 같이 지구 관측 위성을 정지 궤도 위성의 형태로 발사하기로 했는데, 이 때문에 프랑스와 유럽은 협상을 시작하게 되었다. 유럽은 새로운 지구 관측 위성을 개발하기보다는 지구 관측 위성 개발 계약자로 Thales Alenia Space를 선택하며 프랑스의 기존 프로젝트를 토대로 기상 위성을 준비하기 시작했다. 또한 이와 동시에 프랑스 툴루즈에 유럽 우주국 (ESA) 사무소를 설립하기로 했다.

2세대 지구 관측위성들의 통제 센터인 독일의 다름슈타트 유럽 우주국 통제센터 ⓒ ESA

1세대 Meteosat 지구 관측 위성

첫 번째 Meteosat 지구 관측 위성 (Meteosat-1)은 1977년 11월 23일 플로리다의 케이프 커내버럴에서 발사되어 같은 해 12월 9일에 첫 번째 이미지를 전송하기 시작했다. Meteosat-1은 대기 중의 수분 움직임을 추적하는 최초의 위성이었다. 기상 위성이 보내온 육지 표면과 극지방 얼음의 변화 그리고 해수면 온도 변화 등의 결과들은 기후 변화 모형화 등에 매우 유용하게 이용되었지만, 초기 기상 위성은 기후 변화를 정확히 측정하기에 아주 이상적이진 않았다. 이에 따라서 위성의 결과 전송이 시작됨과 동시에 다른 1세대 새로운 Meteosat 위성들의 개발 계획이 시작되었다.

한편, 첫 번째 위성의 발사 10년 후 유럽은 기상 및 기후 연구를 위해 위성 데이터를 활용하는 유럽 우주국의 산하 조직인 Eumetsat(European operational satellite agency for monitoring weather, climate and the environment from space)을 공식적으로 설립했는데, Eumetsat는 유럽 우주국과 함께 원격 측정 및 이미지 데이터 처리 등을 담당하는 컴퓨터의 성능을 크게 향상하게 시키기 시작했다. 이에 따라서 나머지 1세대 Meteosat 지구 관측 위성으로 총 6개의 위성 (Meteosat-2 ~ 7)이 더 발사되었다. Eumetsat은 현재도 ESA와 계속 긴밀한 협력을 유지하며 새로운 지구 관측 위성 프로그램 개발에 몰두하고 있다.

Meteosat 1세대는 MVIRI(Meteosat Visible and Infrared Imager) 페이로드를 탑재하였다. 위 기기는 3개의 스펙트럼 채널을 통하여 30분마다 지구를 관측하며 거의 실시간으로 데이터를 제공하곤 했다. 흥미로운 점은 2017년 2월 퇴역한 Meteosat-7이 인도양을 성공적으로 매핑해내며 쓰나미 경고 시스템을 지원하기 시작했다는 점이다.

1세대 Meteosat 지구 관측 위성의 상상도 ⓒ Eumetsat/ESA

2세대 Meteosat 지구 관측 위성

유럽 우주국은 성공적이었던 1세대 Meteosat 지구 관측 위성 덕분에 2세대 지구 관측 위성 개발의 계약자로 여전히 Thales Alenia Space를 선택하며 Eumetsat은 1세대 Meteosat 지구 관측 위성들이 퇴역하기도 전 2세대 Meteosat 지구 관측 위성을 개발하기 시작하였다. 2세대 Meteosat 지구 관측 위성은 기본적으로 Nowcasting 애플리케이션 (바람 및 구름 등의 최신 관측데이터를 고해상도로 지속 관찰하여 강수량, 시간, 위치에 대한 기후를 예측하기 위해서 실시간으로 업데이트되는 예측 시스템) 및 수치 모델이 적용된 기상 예측을 목적으로 개발되었다.

2세대 Meteosat 지구 관측 위성은 총 4대의 위성 (Meteosat-8 ~11)으로 이루어져 있는데 현재 모든 2세대 위성들이 운영 중이다. 참고로 가장 최근의 Meteosat-11 위성은 2015년에 발사되었으며, 2세대 Meteosat 지구 관측 위성 중 가장 빨리 발사된 Meteosat-8 위성은 2022년 퇴역 예정을 앞두고 있다.

2세대 Meteosat 지구 관측 위성의 상상도 ⓒ Eumetsat/ESA

2세대 Meteosat 지구 관측 위성에 탑재된 페이로드로는 가시광선 및 적외선 촬영기 SEVIRI(Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager)와 지구 방사선을 측정하는 기기인 GERB(Geostationary Earth Radiation Budget) 장비 등이 있다. 현재 작동하고 있는 Meteosat-8은 인도양 상공에 배치되었으며 Meteosat-9와 Meteosat-10은 유럽과 아프리카 전역에 있으며 여러 관측을 수행하고 있다.

Meteosat-11가 보내온 첫 번째 관측 이미지 ⓒ Eumetsat/ESA

3세대 Meteosat 지구 관측 위성

3세대 Meteosat 지구 관측 위성들은 현재 번개 감지 등의 새로운 기능 추가를 목표로 개발하고 있다. 지구 대기에 관한 유럽의 지속적인 모니터링을 목표로 최소 2030년 정도에 발사될 것으로 예상한다.

Meteosat 지구 관측 위성들이 보여준 과학적인 결과 및 성과

우리는 매일 일기 예보를 듣고 기억하며 하루를 준비한다. 위 일기 예보는 위성 데이터 결과에 의존하며 이는 Meteosat 지구 관측 위성들의 가장 큰 성과라고 할 수 있다. 또한, 작물 재배 등과 같이 기후 변화에 직접 영향을 받는 일들은 위성 데이터 없이는 당면한 문제에 대비하기 힘들다. ESA, Eumetsat 그리고 유럽연합(EU)은 인류 모두가 이러한 혜택을 받을 수 있도록 장기적인 파트너쉽을 체결하여 긴밀한 협력을 진행하고 있다.

정확한 일기 예보의 경제적 및 사회적 이점은 실로 엄청나다. 예를 들어서 도로를 새로 만들 때 이용되거나 항공기 및 해상 운송의 예측, 농작물의 관개 등의 큰 스케일에서의 이용이 용이하다. 또한, 극단적으로 위험한 날씨를 예방하여 사람들의 재산과 생계를 보호하는데에도 도움을 준다. 유럽 ​​연합에서는 일기 예보의 사회 경제적 이익을 연간 대략 150억~ 610억 유로 정도로 추산하고 있다.

기후 변화는 의심할 여지 없이 우리가 직면한 가장 큰 환경 문제이며 우리 모두에게 큰 위협을 주고 있다. 온실가스 및 해수면 상승과 같은 기후 변화 경향에 관한 확실한 과학적 증거들 역시 Meteosat 지구 관측 위성들이 보내준 결과를 바탕으로 알게 된 사실들이다.

25년간의 결과를 바탕으로 알게 된 그린란드의 얼음 변화 ⓒ Eumetsat/ESA

몇 달 전 남극의 오존층 변화를 발표하며 화제를 불러일으켰던 유럽 연합의 코페르니쿠스 프로그램팀 역시 Meteosat 지구 관측 위성들이 매일 제공하는 무료 데이터 및 정보 서비스 등을 이용하고 있다. 이처럼 Meteosat 지구 관측 위성들은 인류의 삶을 개선하고 유럽 경제에도 재정적 이익을 가져다준다는 장점이 있다. 예측에 따르면 코페르니쿠스 팀의 여러 연구와 예측은 향후 20년 동안 유럽 경제에 920억~1,910억 유로의 가치를 가져다줄 것으로 예상한다.

이 외에도 지속 가능한 개발 역시 물, 식량 안보, 해양 자원, 산림 및 도시 개발과 같은 문제들의 최신 데이터가 뒷받침되어야 하며 이들 중 많은 부분은 위성의 결과에 크게 의존하고 있다.

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