The Science Times

해류란 무엇인가?  우리는 왜 해류를 알아야 할까?

해류(Ocean current)란 바닷물의 일정한 흐름을 말하는데 일반적으로 작용 기작에 따라서 표층 해류와 심층 해류로 나뉜다. 둘의 가장 큰 차이점이라면 외력의 개입 여부이다. 표층 해류는 무역풍이나 편서풍 같은 바람이 만들어 내는 수압 차로 인한 해수의 쏠림 현상과 전향력의 발생이 주된 원인인 반면 심층 해류는 온도나 염분에 따라 변하는 밀도가 유발하는 압력 차로 인해서 움직인다. 밀도 차이는 크게 계절이나 장소 그리고 위도 등에 따라서 크게 달라지기 때문에 굳이 외력이 없어도 바닷물이 스스로 흐를 수 있다.

지구 중력장 관측 미션이었던 유럽 우주국의 첫번째 Living Planet Programme의 프로그램 GOCE가 관측한 해류 지도 ⓒGOCE/ESA

우리가 해류에 관해서 더 자세히 알아야 하는 이유는 바로 해류가 지구 환경에 끼치는 다양하게 영향을 끼치기 때문이다. 보다 구체적으로 해류 순환은 에너지 전달, 물질 전달 및 기후 변화 등을 통해서 전 지구적으로 퍼져있는 에너지의 불균형을 해소한다. 예를 들어서 북유럽이 위도에 비해서 따스한 이유는 멕시코만의 따스한 물이 해류의 대순환 덕분에 북대서양 일부로 전달되기 때문이다. 또한, 북극의 래브라도해(Labrador sea)와 남극의 웨들해(Weddell sea)에서 부근에서는 겨울철에 해수가 결빙될 때 염류들이 빙하로부터 빠져나와서 해수의 밀도 증가를 야기시키게 된다. 밀도 증가는 결국 표층수의 침강을 야기 시키게 되고 상대적으로 밀도가 낮은 해수는 위로 떠올라 심층수의 순환이 시작되며 이는 전 세계 대양으로 흐르기 시작한다.

해류의 흐름도를 나타낸 모식도. 빨간색과 파란색 화살표는 각각 난류와 한류를 나타낸다. ⓒESA

지구 온난화와 해류와의 관계

문제는 온실가스가 유발하는 지구 온난화로 인해서 북극과 남극의 빙하가 녹고 있다는 사실이다. 빙하의 융해는 주변 해수의 염분 농도 감소를 유발하고 이는 다시 해수의 밀도 감소를 유발한다. 이는 정상적으로 일어나던 표층 해류의 침강을 방해하게 되고 평소보다 많아진 차가운 표층 해류는 저위도로 흘러내려 가게 된다. 이는 결국 저위도에서 고위도로 올라가는 따스한 멕시코만의 해류를 막아버리며 일반적으로 고위도 지방에서 유래하는 한류와 저위도 지방에서 유래하는 난류의 순환 시스템의 불균형을 유발하게 된다. 중위도 지방의 여러 가지 이상 기온 현상은 이로 인해서 유발되는 것으로 예측되고 있다.

최근 2020년 발표된 중국 청도 해양 지질 연구소 (Qingdao Institute of Marine Geology) 연구팀의 연구에 따르면 해류가 전 세계적으로 가속화되고 있음이 확인되었다. 전 세계에 4,000개가 넘는 관측용 플로트를 띄워 수심 2,000m까지의 심층수 온도와 염분, 유속 등 데이터를 수집하는 무인장비 ARGO를 이용한 관측 분석 결과 1990년부터 2013년까지의 해류 운동 에너지가 10년마다 대략 15% 정도 증가하고 있음을 확인했다. 연구팀은 지구 온난화가 해류 속도 가속의 주된 원인이라고 추측되지만 반대로 해류 속도의 증가도 지구 온난화의 가속을 유발하는 양성 피드백 작용을 유발하고 있다고 주장했다. 난류가 가속되어서 보다 넓은 해역의 온도가 올라가게 되면 이산화탄소의 흡수도가 낮아지게 되면서 결국 수온의 상승을 유발할 수 있기 때문이다.

해류는 평균적으로 시간당 2.2m를 이동할 정도로 느린 현상이지만 이처럼 육지 기후를 좌우하고 있다. 따라서 지구의 기후를 이해하고 더 나아가서 지구가 맞이하게 될 미래를 예측하기 위해서 해류는 반드시 이해되어야 하는 지구의 중요한 변수 중 하나이다.

유럽이 한번 더 나선다.

유럽우주국의 Living Planet Programme의 일환으로 시작된 지구 탐험가 (Earth explorer) 미션은 지구에 관한 다양한 변수들을 관측하며 이들의 전반적인 상호 작용에 관한 큰 그림을 만들기 위한 지구 과학 프로그램이다. 또한, 최첨단 장비들이 주로 이용되는 만큼 과학과 기술의 발전을 통한 인류 발전 기여를 목표로 하고 있다. 예를 들어서 인류의 식량, 물, 에너지 및 자원의 가용성, 공중 보건 및 기후 변화와 같은 사회적 문제들처럼 인류와 직접적으로 관련이 있는 주제들을 다루게 된다. 2018년 9월, 유럽 우주국은 10번째 지구 탐험가 미션의 후보로 제안된 20개의 미션 중 최종 후보에 오른 세 가지 흥미로운 프로젝트들의 타당성 조사를 시작했다.

Daedalus라고 불리는 최종 후보 첫 번째 미션은 낮은 열권-이온권내 대략 최소 상공 100km 지점에 있는 대기-우주 전이 영역의 에너지, 역학 그리고 화학에 대한 이해를 높이기 위해서 제안되었다. 이를 통해서 이들과 중성 플라스마와의 상호 작용들에 관한 이해를 향상시킬 수 있으리라 기대를 모았다. 최종 후보에 오른 두 번째 미션은 해류에 관해서 자세히 이해하며 얼음 및 육지 역학과 관련된 주요 과학 문제를 해결하기 위한 해양 미션인 Stereoid (현재 Harmony로 명칭 변경) 미션이다. 마지막으로 G-CLASS(현재는 Hydroterra로 명칭 변경)라 불리는 최종 후보 세 번째 미션은 강렬한 폭풍들의 급격한 변화, 낮 동안의 토양 수분 또는 지표면의 습윤 변화 등과 같은 일주 물순환에 관해서 자세히 이해할 목적으로 제안되었다. 위 미션이 제공해줄 결과들을 바탕으로 특히 지중해 분지 및 아프리카와 같이 가뭄에 취약한 지역의 수자원 관리가 개선될 수 있을 것이라고 예측되었으며 정지 궤도(geosynchronous orbit)에서 원하는 시기에 원하는 지역의 지구를 자유롭게 관측할 수 있기에 기존보다 훨씬 더 유연한 관측 결과를 제공 할 수 있음에 큰 관심을 모았다.

Harmony미션이 관측하게 될 3가지 변수들ⓒESA

2021년 2월 사전 타당성 조사를 마친 유럽 우주국은 지구 관측 자문위원회 (ACEO: Advisory Committee for Earth Observation)의 권고와 자체 평가를 바탕으로 10번째 Earth Explorer의 임무로 Harmony 미션을 선택했다. 유럽 우주국은 Harmony 미션이 다음 단계인 Phase-A로 진행한다고 밝혔는데, 위 단계에서는 위성 플랫폼 및 기기의 설계, 비행 작전, 기술 개발 및 데이터를 가장 잘 활용할 수 있는 방법 등을 포함한 보다 구체적인 계획 등을 바탕으로 추가 타당성 평가를 시행하게 된다.

Harmony 미션만의 과학적인 특징

Harmony는 해양, 얼음 및 육지 역학과 관련된 주요 과학적 문제를 해결하기 위한 미션이다.  Harmony는 밤낮으로 지구 표면 이미지를 제공하기 위해서 각각 2014년과 2016년 발사된 두 개의 Copernicus Sentinel-1 위성들(Sentinel-1A 그리고 Sentinel-1B)중 한 대의 위성과 함께 지구를 관측하게 된다.

Sentinel-1위성의 모습 ⓒSentinel-1/ESA

흥미로운 점은 Harmony 미션 역시 두 개의 동일한 위성으로 구성된다는 점이다. 하나의 Harmony 위성은 Sentinel-1의 앞쪽에, 다른 하나는 약 350km 떨어진 Sentinel-1의 뒤쪽에 배치가 되어 서로 교차 트랙을 형성하며 운영될 예정이다. 각각의 하모니 위성들은 수신 전용 합성 조리개 레이더 (SAR: synthetic aperture radar)를 이용하여 정보를 전달하게 된다.

Harmony미션의 교차 관측 그리고 Sentinel-1위성의 모습 상상도 1 ⓒHarmony/ESA

Harmony미션의 교차 관측 그리고 Sentinel-1위성의 모습 상상도 2 ⓒHarmony/ESA

독일 항공 우주 센터 (DLR)의 파우 프랏츠 박사 (Dr. Pau Prats)는 Sentinel-1과 결합 된 Harmony 위성의 독특한 구성은 SAR 관측에 새로운 장을 열 수 있으리라 기대된다고 밝히며 이를 통해서 향후 20년간 SAR기술을 촉진 시킬 수 있을 것으로 기대를 모았다.

Harmony 팀이 유럽 우주국에 제출한 최종 제안서와 보고서에 따르면 파란색 영역은 Sentinel-1만으로도 관측할 수 있는 영영이지만 빨간색 영역은 Harmony 위성들을 통해서 관측할 수 있는 영역을 나타냄 ⓒHarmony/ESA

위 미션의 관측 임무는 크게 세 가지로 나뉘는데, 대기-해면 경계면을 이해하기 위한 바람, 파도, 표면 해류의 관측과 지구의 고체 표면을 이해하기 위한 화산의 높이 변화 관측 그리고 마지막으로 저온권에서의 에너지 순환과 작은 변화들을 정량화시키기 위한 빙하의 흐름과 높이 변화 관측 등의 임무들로 이루어진다.

Sentinel-1과 결합하게 될  Harmony 임무는 구름이 있는 곳에서는 항력 운동을 정확하게 측정할 수 있는 다중 빔 열 적외선 기기를 이용한다. 반면 구름이 없을 때는 높은 정확도로 해면 및 지표면의 아주 미세한 변화 그리고 해수면 온도까지도 측정할 계획이다. 이를 통해서 구체적으로 수십 밀리 초 단위의 해류 변화 측정부터 수년 단위의 지구 표면 운동 변화를 측정할 전망이다.

Harmony미션이 현재 유일한 열 번째 지구 탐험가 임무 후보임에도 불구하고 위 미션의 시작은 아직 완전히 보장되지 않았다. 다음 단계에 진입할 수 있을 정도의 필요한 기술과 과학적인 성숙도를 보여주었지만 궁극적으로 위성 발사 최종 구현을 위해서는 1년 정도의 추가 테스트가 필요하다. 유럽 우주국의 국장이자 지구 관측 프로그램 총 책임자인 요제프 아쉬바허 박사는 (Dr. Josef Aschbacher)는 Harmony 미션이 다음 단계로 진행하게 되어서 기쁘다고 밝히며 Phase-A가 마무리되는 2022년 가을 Harmony 미션의 시운전을 완료함과 동시에 미션의 최종 선정을 마무리할 것이라고 밝혔다. 또한, 지구 관측 자문위원회의 권고에 따라서 큰 잠재력을 가지고 있는 Daedalus 미션 역시 다른 국제 협력을 통해서 실현 시킬 수 있도록 방법을 모색할 것이라고 밝힌 바 있다.

(7689)