한층 더 강력해진 지구 관측 위성

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Non-programme missions (5) Envisat 위성

지구에 관해서 자세히 알고 싶은 유럽 우주국의 오랜 도전

유럽 우주국(ESA)은 1980년도부터 이미 지구 관측에 관한 원대한 계획을 세우고 있었다. 대표적으로 지구 관측 및 극지방 연구를 위한 다중 임무 플랫폼인 Polar Platform (PPF)의 개발에 몰두했다. 1991년도부터 시작된 위 프로그램은 수많은 미션들의 탄생을 일으키며 지구에 관한 호기심을 하나씩 풀어나갔다.

유럽 우주국은 그들이 쏘아 올린 첫 번째 지구 관측 위성 ERS-1 그리고 ERS-2가 성공적으로 운영되기 훨씬 이전부터 이들의 후속 계획을 세우기 시작하였다. 처음엔 PPF프로그램의 첫 번째 미션이며 환경학과 기상학 공동 미션으로 계획되었던 극궤도 지구관측임무(POEM-1: Polar Orbiting Earth Observation Mission)가 ERS의 후속미션으로 선정되었다.

하지만 1993년 유럽 우주국은 비용 절감을 이유로 POEM-1 임무를 환경학 임무를 수행 할 Envisat과 기상학 임무를 수행 할 Metop-1으로 분할시켰으며 Envisat (Environmental Satellite)미션을 ERS의 후속미션으로 최종 선정했다.

더욱 업그레이드된 지구 관측 미션 Envisat

미션이 선정됨과 동시에 Envisat위성의 페이로드 및 각종 장비 개발이 시작되었다. 유럽 우주국은 ERS 미션 장비와 기기보다 한층 발전된 촬영 레이더, 레이더 고도계 그리고 온도 측정 복사계 기기를 바탕으로 대기, 바다, 육지 및 얼음에 민감도를 높인 고해상도 분광계를 탑재한 최첨단 극궤도 지구 관측 위성을 준비하였다.

Envisat위성의 상상도 Envisat/ESA

Envisat 프로그램의 주된 목적은 ERS의 그것과 같았다. 특히, ERS가 성공적으로 수행한 레이더 기반의 관측을 포함하여 여러 가지 다양한 지구 관측을 계속 수행함에 있다. 또한 ERS 미션이 한계를 드러냈던 해양 및 얼음 관측 임무를 강화하기 위하여 대기 화학과 해양 생물학적 세부 장비를 추가하였다. 이를 바탕으로 지구의 자원을 보다 효과적으로 모니터링하고 관리할 수 있는 계획도 수립했다.

가장 중요한 점은 Envisat 프로그램은 환경 미션인 만큼 지구 환경을 결정하는 여러 가지 요인에 관한 세부적인 관측을 강화함에 목표를 두고 있다는 점이다. 예를 들면, 오존 파괴, 해양의 온도와 파도, 바람과 수문학을 비롯하여 습도, 홍수 등의 농업 관련 연구, 자연재해 및 산림 연구 등의 세부 미션들을 포함하고 있다.

Envisat미션은 2002년 3월 1일 프랑스령 기아나에서 Ariane-5 로켓과 함께 발사되었다.

Envisat의 페이로드

총 10개의 기기를 탑재하여 발사 당시 가장 큰 지구 관측 우주선으로 주목을 받은 Envisat 위성은 총 8t의 무게를 자랑한다. Envisat위성의 페이로드는 대기를 측정하는 장비들과 대기를 통해서 표면을 측정하는 장비들로 구성되며 총 2개의 레이더 장비, 3개의 분광계, 2개의 다른 복사계, 장기 관찰을 위한 최초의 고해상도 우주 간섭계를 이용한 2개의 장비 등으로 이루어진다. 위 기기들은 전파에서 자외선에 이르는 광범위한 전자기 스펙트럼에 반응한다.

구체적으로 정확한 해수면 온도를 측정하는 AATSR (The Advanced Along-Track Scanning Radiometer), ERS-1과 ERS-2 임무의 SAR 장비의 업그레이드 버전인 ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar), 스펙트럼 분석을 통해 대기 성분 및 오존을 측정하는 GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars), 태양 반사 스펙트럼대역에서 작동하는 중 해상도의 분광기 MERIS(Medium Resolution Imaging Spectrometer), 지구의 가장자리 관측을 위한 고해상도 기체 방출 스펙트럼 측정 간섭계 MIPAS(Passive Atmospheric Sounding Michelson interferometer), 대기 수증기, 구름의 액체 수분 함량, 육지의 표면 방사율 및 토양 수분, 대기 연구를 위한 표면 에너지 측정 도구인 마이크로파 복사계(MWR: The Microwave Radiometer), 지구 표면에서 레이더 에코의 양방향 지연을 나노초 미만의 매우 높은 정밀도로 측정하는 레이더 고도계 2(RA-2: The Radar Altimeter 2), 대류권과 성층권 미량 가스 측정을 수행한 영상 분광계 (SCIMACHY: Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography)등으로 이루어졌다. 이외에도 고출력 펄스 레이저를 이용하는 지상 기반 SLR 스테이션 반사기로 사용되는 LRR(Laser Retro Reflector)과 Envisat 위성의 정확한 위치를 결정하는 데 사용되는 마이크로파 추적 시스템 DORIS(Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite)등의 장비도 포함되었다.

Envisat위성의 실제 모습 Envisat/ESA

Envisat 위성은 2012년 4월 8일 예상치 못한 연락 끊김이 발생하였고, 같은 해 5월 9일 공식적으로 임무를 종료하기 전까지 10년 넘게 성공적으로 임무를 수행했다. 위성은 아직도 궤도에 있으며 비활성 상태로 여전히 지구를 돌고 있다. 위 임무는 Sentinel 위성 시리즈로 대체되었다.

Envisat의 과학적인 발견들

Envisat위성의 갑작스러운 임무 종료로 인해서 10년간의 결과 자료 분석이 시작되었다. Envisat 위성의 관측으로 인해서 도출된 수많은 결과들은 CryoSat위성과 센티널 위성들의 결과들과 함께 현재도 활발하게 분석되고 있다.

케냐, 탄자니아 우간다 지역의 지형 및 화산 관측 ⓒ Envisat/ESA

Envisat 미션팀은 먼저 케냐 남부와 탄자니아 북부의 접경 지역(우간다 남동부의 작은 부분)의 화산 관측을 대중에 선보였다. 전 세계 대부분 화산은 그간의 지구 관측 위성으로는 효과적으로 관측하기 힘들었기 때문에 연구가 미미했다Envisat 위성은 MERIS 장비에 탑재된 위성 레이더를 이용하여 화산 활동이 활발한 지면의 아주 작은 변화를 감지할 수 있었으며 이를 통해서 보다 세밀한 관측을 수행했다. 해발 5,895m의 아프리카에서 가장 높은 산인 킬리만자로의 눈에 위치한 Kibo, Mawenzi 및 Shira등의 세 가지 화산 원뿔을 관측했으며 지각에 있는 구멍에서 가스를 방출함을 확인했다. 또한 킬리만자로산의 북쪽 아프리카에서 두 번째로 높은 산인 케냐산에 존재하는 11개의 작은 빙하가 빠르게 후퇴하고 있음을 보였다. 이는 기온이나 강수 경향의 변화로 인해 발생할 수 있다고 여겨진다.

우간다와 콩고 민주 공화국의 지형 및 화산 관측 ⓒ Envisat/ESA

연구팀은 위성과의 교신이 끊어지기 불과 이틀 전에 남극 서쪽 빙상(ice sheet)에서 가장 큰 빙하인 파인섬(Pine Island) 균열이 강해짐을 확인했다. Envisat은 이미 2007년에 비슷한 균열을 보았는데 이는 길이 34km, 너비 20km의 새로운 빙산(iceberg)을 탄생시켰다. 이번 발견에서 균열은 대략 약 25km 길이로 밝혀졌다. 빙산의 쪼개짐은 빙상의 자연적인 현상 중 하나로 매년 남극대륙에서 발생하는 흔한 현상이다. 하지만 Envisat팀은 파인 섬의 흐름이 최근 몇 년 동안 가속화되었음을 발견했다. 또한 인근 Thwaites 빙하에서도 비슷한 현상을 발견했다. 과학자들은 이 두 빙하가 녹는 것만으로도 지구 해수면이 1m 이상 상승할 것이라고 보고 있다.

길이 약 25km의 균열을 발견한 Envisat 위성Envisat/ESA

Envisat팀은 5년마다 개최되는 20 Years of Progress in Radar Altimetry Symposium에서 1993~2010년간 레이더 고도계로 측정한 평균 해수면 지도도 공개하였다. Envisat팀은 매우 짧은 레이더 펄스의 전송과 수신 사이의 간격을 계산하여 물, 육지 또는 얼음 위의 위성 높이를 매우 자세히 측정하였다고 밝히며 지상 트랙을 따라 기록한 표면 지형 공개했는데, 일부 지역에서는 연간 최대 12mm의 증가가 발생하며 또 다른 지역에서는 연간 약 최대 약 12mm의 감소가 발생함을 밝혔다. 평균적으로 지구 해수면은 매년 약 3mm 상승한다고 밝혔다.

심포지엄의 개막식에서는 이탈리아 베네치아 시장인 Giorgio Orsoni가 직접 Envisat위성의 중요성에 관해서 강조했는데, 해수면 상승이라는 국제적인 이슈가 베네치아 시민들의 일상에 직접적인 영향을 미치고 있기 때문이다.

해수면의 높낮이를 나타낸 지도 ⓒ Envisat/ESA

또한 Envisat위성은 같은 영역의 두 개 이상의 레이더 이미지를 결합하여 위치 변화를 감지하는 Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DInSAR) 기술을 이용하여 지면 변형을 감지하였는데 이를 이용하여 스위스의 산사태를 집중적으로 관측했다. 위 관측은 ERS위성과의 협력을 통하여 수행되었다. 

스위스 알프스 지역의 지반 변위율 ⓒ Envisat/ESA

산사태는 스위스 알파인 지역에서 특히 중요한 자연재해이다. 이러한 지반 변위는 인명과 기반 시설에 심각한 피해를 줄 수 있기 때문이다. 이 프로젝트는 자연재해를 최소화하고 환경을 보호함을 위함이며 스위스 연방 환경청(Swiss Federal Office for the Environment)의 감시하에 진행되었다. 현재 이 임무는 역시 Sentinel 위성 시리즈들이 담당하고 있다.

Sentinel 위성의 상상도 ⓒ Sentinel/ESA

Envisat 위성은 오존에 관한 결과도 내놓았다. 기본적으로 오존 파괴는 북극보다 남극에서 더 심하다. 높은 풍속이 찬 공기의 빠른 회전 소용돌이를 일으켜 극도로 낮은 온도를 유발하는데, 이러한 조건에서 인간이 만든 염화불화탄소(CFC)는 오존을 고갈시키며 결국 오존 구멍을 만들게 된다. 이러한 복잡한 과정을 더 잘 이해하기 위해서는 장기간의 데이터와 복잡한 대기 모델에 기반한 수치 시뮬레이션 결과 등이 필요하다. 기존의 시뮬레이션 결과에 따르면 남극대륙의 구멍이 향후 수십 년 안에 닫힐 수도 있음을 보였는데 이는 Envisat 위성의 관측 결과와 유사하다. 남극대륙의 최근 오존 구멍이 지난 10년 동안 관찰된 것 중 가장 작았음이 밝혀져서 오존층이 회복되고 있음을 보였기 때문이다.

오존층이 회복되고 있음을 밝힌 Envisat 위성 자료 ⓒ Envisat/ESA

이외에도 Envisat 위성은 지구 북반구의 바이오매스 양을 매핑하고 관측했으며 메탄과 이산화탄소의 양이 점점 증가하고 있음을 밝힌 바 있다.

북반구의 바이오매스양 관측도 ⓒ Envisat/ESA

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