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지구의 색채를 진찰하며 하늘을 나는 기후변화 관측 위성 ‘시키사이’의 도전

기사승인 2018.01.08  19:22:11

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최근 지구온난화가 큰 문제가 되고 있다. 이미 해수면이 상승해서 가라앉고 있는 섬이 있거나 심각한 가뭄과 홍수가 발생하고 태풍이나 허리케인의 규모가 거대해지는 등, 기후변화가 원인으로 생각되는 재해가 세계각지에서 발생하기 시작했다. 2017년 10월 2일 마이나비 뉴스 보도이다.

 

지구에 도대체 무엇이 일어나고 있는 것일까? 앞으로 지구는 어떻게 되는 걸까? 그래서 어떻게 하면 이 기후변화를 해결할 수 있을까? 그렇지만 그것을 정확하게 연구하기 위해서는 자료가 압도적으로 부족하다.

이 난제에 도전하기 위해서, 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는, 인공위성을 사용하여 지구의 환경을 지속적으로 연구할 계획을 진행하고 있다. 그래서 이 일익을 담당할 새 인공위성 시키사이(GCOM-C)가 최근 완성되었고, 2017년 9월 14일에 보도 관계자에게 공개되었다. 발사는 올해 안에 할 예정이다.

‘시키사이’는 지구 규모에서의 기후변화의 체제를 해명하기 위해, 지구의 기후 시스템과 기후변화의 열쇠를 쥐고 있는 구름이나 에어로졸, 식생 따위를 지구 차원의 규모에서 지속적으로 관측할 임무에 있다. 그 자료는 기후변화의 연구를 시작하고, 더 가까운 일상이나 산업에도 쓸모 있을 것이라고 기대되고 있다.

 

세계를 덮친 기후변화

2017년 7월, 후쿠오카와 오이타 현에 ‘수 십 년에 한번’이라고도 불릴 정도의 집중호우가 덮쳤고, 많은 사망자를 낸 큰 피해를 냈다. 8월 말에는 대서양에서 초거대 허리케인 이루마가 발생하여 카리브 해의 나라들이나 미국 플로리다 주를 덮치고, 여기까지도 거대한 피해를 줬다. 또현재는 초대형 허리케인 마리아가 발생했고, 예측하기 어려운 상태가 계속되고 있다.

더욱이 타국으로 눈을 돌린다면, 인도나 방글라데시, 네팔이 홍수에 습격받았고 아프리카의 니제르나 시에라리온에서도 호우나 홍수, 또 그것에 따른 산사태에 의해 많은 사람들이 사망하고 있다.

유럽 각국이나 브라질, 인도네시아, 케냐 등에서는 대규모의 가뭄이 덮쳤고, 물 부족이나 농작물의 타격, 산불 등이 심각한 문제가 되고 있다.

이러한 이상기상은 과거에 비해서 규모도 빈도도 증가하고 있다고 한다. 그리고 이 현상에 대한 가장 유력한 원인은 바로 ‘기후변화(지구온난화)'이다.

미국 항공 우주국(NASA)과 미국 해양 대기청(NOAA)의 발표에 의하면, 1880년부터 2012년 사이에 지구의 평균 기온은 0.85℃ 상승했다. 게다가 평균 기온은 매년 상승하고 있고, 2016년의 세계의 평균 기온은 역대 최고를 기록하고 있다.

지구가 온난화 되면 바닷물의 온도가 상승하는 등 물의 순환에 차질이 생기고, 그 결과 거대한 태풍이 생기고 홍수이나 가뭄과 같은 재해도 일어나게 된다. 지금 세계를 휩쓸고 있는 현상이 그 증명이라는 목소리도 있다.

게다가 남극의 물이 녹아 해수면이 상승하고, 세계 각지의 섬들이나 해변이 고조 등의 피해를 쉽게 받게 되거나, 최악의 경우 바다에 가라앉을 가능성도 있다. 또한 열대지역에서만 서식할 수 있는 생물들이 북상하고, 전염병 등을 각지에 가져올 것이다.

그리고 농업이나 어업에도 영향을 미치고, 해충이나 병이 유행하며, 수확량과 어획향이 줄 것이다. 그리고 식량의 국제 시세가 크게 변동할 것이며, 특히 식량 자급률이 낮은 일본에 있어서는 거대한 문제가 될 가능성도 있다.

 

기후변동은 수수께끼투성이

기후변화가 일어나고 있는 가장 큰 원인으로서 들 수 있는 것이 산업 혁명 이후부터 배출된 이산화탄소나 메탄 등 이른바 ‘온실가스’이다. 그 중에는 “사람의 탓이 아니다”, 혹은 “온난화에 영향을 주지 않았다”라고 주장하는 사람들도 있다. 하지만 많은 기상학자들은 지구는 점차 온난화되고 있고, 실제로 대기 중의 온실가스의 양은 늘었으며, 그 원인이 인간의 활동가능성이 상당히 높다는 것에서 일치한 견해를 보인다.

그렇지만 지구가 무엇이 어떻게 온난화되고 있느냐에 대한 정확한 구조를 모르고, 이제부터 지구의 환경이 어떻게 될 것인지를 바로 예측할 수 없다는 것이 현실이다.

기후변화에 관련된 정부 패널에 의하면, 이제부터 21세기까지 약 100년 간, 지구의 평균 기온은 2.6~4.8℃정도 상승한다고 예측된다. 지금까지의 100년간의 상승 기온이 0.85℃이었던 것을 생각하면, 이 상승정도도 당연하지만, 예측에 2.2℃정도의 폭이 있는 것도 큰 문제이다. 예컨대 기후 변동 억제에 관련된 국제적인 협정인 ‘파리협정’에서는 세계의 평균기온의 상승을 사업혁명 이전의 2℃ 미만으로 억누르는 것을 목표로 하였지만, 원래 예츠그의 시점에서 2℃이상정도의 오차가 있는 상황에서는, 구체적으로 어느 정도의 노력을 하면 좋을지 모른다.

왜 이만큼 예측의 폭이 발생하는가 하면, 필요한 기초적인 정보가 압도적으로 부족해서라고 한다. 그 때문에 분석하는 연구자나 연구기관에 따른 차이가 생긴다.

지구의 기후는 정말로 복잡한 구조에서 성립된다. 예를 들면 지구에는 대기가 있고, 바다가 있고 구름이 있고 그리고 인간을 비롯한 동물이나 식물이 있다. 게다가 대기 중에는 ‘에어로졸’이라고 불리는 미립자가 있고, 바다나 육지에는 설빙이 있다. 거기에 낮에는 태양광이 쏟아진다. 이 중, 예컨대 태양광은 지구를 가열시키는데, 다른 한 편으로는 방사 냉각이 발생한다. 또한 대기에 포함된 이산화탄소 등은 열을 흡수하여 온난화시키는 한편, 식물은 이산화탄소를 흡수하여 산소로 바꾸고 있다. 또한 구름과 에어로졸은 태양광을 반사하고, 히카사와 같은 역할을 하며, 지구를 냉각시키는 효과를 가지고 있다.

지구의 기후는 이러한 다양한 요소가 각각의 기능을 함으로써 성립되지만, 그 요소의 양과 분포, 또한 열을 얼마나 흡수하는지 또는 반사하는지 등은 정확히 알려져 있지 않다. 그 중에서도 지구를 냉각시키는 에어로졸은 지금까지 정확한 관측이 어려워서 데이터가 부족하고 그것이 온난화의 예측을 어렵게 만들고 있었다.

비유하자면 지금의 예측은 조각이 없는 퍼즐을 만들면서 그려져 있는 그림이 무엇인가를 맞히는 것 같다.

 

기후 변화 체제를 규명하는 ‘지구 환경 변화 관측 미션’(GCOM)

과연 기후 변화는 어떤 체제로 발생하고 있으며, 장래의 지구는 어떻게 될까? 그 정확한 연구나 예측을 위한 데이터를 모으는 것을 목적으로 JAXA는 ‘지구 환경 변화 관측 미션’(GCOM:Global Change Observation Mission)이라는 계획을 추진 중이다.

GCOM은 ‘물 순환 변동 관측 위성’과 ‘기후 변화 관측 위성’이란 2종류의 인공위성을 쏘고 지구를 관측할 계획이며 이 중 물 순환 변동 관측 위성은 2012년에 ‘시즈쿠’(GCOM-W)로 발사되고 현재도 운용되고 있다. ‘시즈쿠’은 기후 변동이나 온난화에 따른 적설량과 해빙 지역의 감소와 수증기량 증가, 해면 수온 상승 등 “물”에 초점을 맞춘 관측을 실시하는 것이 목적이다.

그리고 기후 변화 관측 위성은 이번 발사될 GCOM-C의 ‘시키사이’이다. ‘시키사이’은 구름과 에어로졸, 설빙, 육지의 식물과 바다의 식물(식물 플랑크톤)등의 변화를 관측하고 이들이 기후 변화에 어떤 영향을 주고 있는지를 알아보는 것을 목적으로 하고 있다.

‘시키사이’의 본체는 세로, 가로가 2.6m, 길이 4.7m로, 큰 밴이나 소형 트럭을 조금 크게 한 정도의 사이즈인데, 태양 전지를 전개했을 때의 날개 길이는 16.5m, 질량은 약 2톤 이다. 설계 수명은 5년, 개발비는 로켓 발사비를 포함하여 322억 엔이라고 한다.

발사는 2017년 안에 다네가시마 우주 센터에서 H-IIA로켓으로 할 예정이며 JAXA와 미쓰비시가 개발 중인 초저고도 위성 기술 시험기 ‘제비’(SLATS)와 함께 발사된다.

‘시키사이’은 발사 후 고도 798km, 궤도 경사각 98.6도의 태양 기준 회귀 궤도에 오른다. 이 궤도는 약 2일마다 같은 지점 상공에 돌아올 것이므로, 지구 전체를 관측할 수 있다. 또 통과하는 직하의 장소의 시각(지방 태양시)은 항상 10시 30분(플러스마이너스 15분)가 되므로 비슷한 태양광의 조건하에서 세계를 관측할 수 있다.

태양 전지나 배터리, 스러스트 등이 있는 버스 부분(기체의 아래쪽 절반 부분)은 NEC가 개발한 ‘NX-1500L’이라는 중형 위성용 표준 버스가 쓰인다. NX-1500L은 ‘시즈쿠’에도 사용되고 있으며, 양자를 나란히 두고 보면 첨단 관측 기기의 부분만 다른 자매기로 보인다. 다만 ‘시즈쿠’에서는 센서에 간섭할 형편상, 태양 전지 패들의 설치 위치가 바뀌었다.

그리고 ‘시키사이’의 앞부분에는, ‘다파장 광학 복사계’(SGLI)로 불리는 관측 기기가 장비되었다. 적외선 주사 방사계부(SGLI-IRS)와 가시·근 적외 방사계부(SGLI-VNR)라는 2가지 부분으로 구성된 복사계야말로 기후 변화 체제 규명이라는 ‘시키사이’의 핵심 목적이 되는 것이다.

 

하늘을 떠도는 계측기

‘시키사이’ 개발을 담당했던 JAXA의 야스 후지 나리토 마사루씨는 "‘시키사이’는 지구를 본다기보다, 계측합니다. 이른바 위성 자체가 계측기예요"라고 말한다.

지구를 관측하다고 치면 카메라로 사진을 찍어 ‘본다’는 인상이 강하다. 그러나 ‘시키사이’의 목적은 지구의 색깔을 ‘재는데’ 있다. 그래서 여러 파장 광학 복사계(SGLI)는 우리가 생각하는 ‘일반 카메라’가 아니라 보통의 카메라로는 보이지 않는 근 자외선에서 열 적외선 영역까지 파장대(색)를 포착하고 그 색상을 정확히 파악할 수 있다.

그래서 SGLI로 촬영한 화상은 얼핏 보면 희미하고, 그다지 예쁜 사진처럼 보이지는 않는다. 그러나 실은 거기에 나오는 갖가지 색깔의 정보가 가장 중요하고, 연구자가 기후 변화 체제 규명을 위해서 원하는 것이기도 하다.

SGLI는 1000km이상의 넓은 폭(화상의 너비)에서 지구를 촬영할 수 있고 그 사이 지구는 자전하고 있으며 위성도 약 2일에서 같은 지점 상공에 돌아오기 때문에 2일마다 지구 전체를 촬영한 데이터가 만들어진다. 또 다른 나라 위성들이 가진 동종의 센서와 비교하면 250m라는 비교적 높은 분해능(자세히 보는 능력)을 갖고 있다는 특징도 있다.

이어 편광 관측이라는 빛의 편향되는 방법을 알아보는 방법을 쓰기 때문에 그동안 정밀하게 파악하는 것이 어려웠던 육상의 에어로졸을 관측할 수 있다. 특히 에어로졸은 그동안 정밀 관측이 어렵고 그것이 온난화 예측을 어렵게 만드는 요인도 되고 있었지만, SGLI에 의해서 지금까지보다 훨씬 정밀하게 관측할 수 있게 된다.

함께 같은 장소를 여러 방향에서 관측할 수도 있고 어디에 얼마나 식생이 있는지만 아니라 그 생물의 높이도 알아볼 수 있다. 예를 들어 키 큰 숲인지, 키 작은 초원과 논인지를 구분할 수 있다. 이에 의한 육지 식물이 어느 정도의 양의 이산화탄소를 흡수하고 그것이 기후 변화에 어떤 영향을 주는지 보다 정확하게 추정할 수 있다.

GCOM프로젝트의 매니저 모쿠노 마사아키씨는 이렇게 기대한다. "‘시키사이’에 의한 관측에서 조금이라도 예측 정확도가 오르면, 향후의 온도 상승이 어떻게 추이 하느냐는 판단을 빨리 하게 됩니다. 확인이 빨리 된다는 것은 온난화에 의해서 일어나는 문제에 대한 대처도 빨리 할 수 있다는 거죠. 물론 온난화의 예측 모델의 오차가 제로가 되는 것이 이상적이지만 약간의 개선도 효과가 있다고 생각합니다."

또 ‘시키사이’의 데이터는 기후 변화 연구뿐만 아니라 더 가까운 일상생활이나 어업에도 도움이 될 수 있다고 한다.

예를 들어 ‘시키사이’의 센서는 황사가 날아오는 모습도 볼 수 있다. ‘황사 예보’에서 일기 예보처럼 황사의 이동 상황을 알려줄 수 있다는 것이다. 모쿠노씨에 의하면 "황사 예보 등에 사용하기 때문에 기상청과 최종적인 얘기를 하는 단계"라고 한다.

또 해수면 온도와 생선의 분포는 밀접한 관계가 있으며 식물 플랑크톤은 물고기의 먹이이다. 이러한 데이터가 있으면 생선이 모이는 장소를 추측할 수 있기 때문에 어획량이 늘고(혹은 자원을 지키기 위해서 보호할 수 있다), 어선이 어장으로 직행하게 될 것으로 연료비 절약도 된다.

‘시키사이’는 일본 부근에 관해서는 관측 데이터를 준 실시간으로 제공할 수 있는 것에서 이런 일상생활이나 어업에 응용할 수 있는 기대가 크다.

 

GCOM의 미래와 우리 지구의 미래

‘시키사이’이 발사되어 관측이 시작되면 JAXA의 GCOM계획은 일단 출발을 하게 된다.

또 JAXA는 현재 GCOM뿐 아니라 지구를 온난화되는 이산화탄소의 분포를 관측하는 ‘이부키’(GOSAT)도 운용하고 있다. 또 전체 지구의 강수(강우와 강설)을 높은 빈도로 상세하게 관측할 수 있는 미국 항공 우주국(NASA)의 지구 관측 위성‘GPM’(2014년 발사)에는 그 요점이 되는 레이더‘DPR’을 탑재한다. 더욱이 유럽 우주국(ESA)이 개발 중인 지구 관측 위성 ‘어스 케어’(EarthCARE)는 구름의 구조를 삼차원적으로 보여주는 고성능 레이더‘CPR’을 탑재한다.

JAXA는 이 ‘이부키’, ‘시즈쿠’ 그리고 이번 ‘시키사이’, 그리고 DPR과 CPR이라는 3대의 위성과 2개의 레이더를 사용하며 다른 나라의 지구 관측 위성들과 협력하고 기후 변화의 정밀한 예측에 도전한다.

그러나 그 일익을 담당한 GCOM의 장래는 불투명하다.

GCOM계획은 원래 GCOM-W과 GCOM-C를 각각 3대, 합계 6대를 계속적으로 쏘고, 13년간 장기 데이터를 취득하는 것이다. 그러나 1대의 위성만으로 단 몇 년간만 관측한 것만으로는 지구의 환경이 어떻게 변화하는지 정확히 알 수 없다. 장기 지속적으로 관측하고 그것을 분석해야 비로소 의미가 생기기 때문이다. 그 영향은 ‘시즈쿠’와 ‘시키사이’이 예전에는 ‘GCOM-W1’과 ‘GCOM-C1’으로 불렸던 것에서도 나타난다. 첫 번째가 있다는 것은 두 번째, 세 번째도 있다는 것이다.

그러나 2008년 우주 기본법이 통과하고 일본의 우주 계획의 입안, 추진 주체가 총리실에 전달된 이후 일본의 우주 계획은 ‘우주 기본 계획’의 공정표에 따라서 진행되게 됐다. 그리고 이 공정표 중에서 GCOM위성은 각각 1대만 즉‘시즈쿠’와 ‘시키사이’만을 발사하라고만 기재되어 있다.

물론 내각이 기후 변화에 대한 회의주의자라는 것은 아니다. 다만 필요성이나 일본 우주 개발 예산, 다른 계획과의 균형 등을 고려했을 때 GCOM을 2호기, 3호기와 발사하고 지속적으로 관측하겠다는 당초 계획은 현 시점에서는 명확히 하지 않아 보류된 것이다.

후계기 현황에 대해서 모쿠노씨는 이렇게 언급했다. "후계기에 대해서 뚜렷한 계획은 없지만 ‘시즈쿠’과 ‘시키사이’의 활약으로 그 데이터가 예측이나 우리의 생활에 도움이 되었기에 다음으로 이어질 것으로 생각하고 있습니다." 또 안도씨는 "JAXA에서 (후계기를) 검토, 연구는 하고 있지만 현재 위성을 개발하겠다는 구체적인 계획은 없습니다."라고 말했다.

그러나 이미 ‘시즈쿠’는 설계 수명이 5년을 넘었고, 조만간 고장 날 가능성도 있다. 위성의 개발에는 수년이 걸린다는 점을 고려하면 ‘시즈쿠’은 물론 ‘시키사이’도 이미 후계기 개발이 시작되고 있어야 한다. 덧붙여서 ‘시즈쿠’에 관해서는 ‘이부키’의 후계기인 ‘GOSAT-3’에 동종의 센서를 탑재한다는 말은 있지만 GOSAT-3발사는 현재 2022년도 이후로 요원한 이야기이다.

 

우리와 지구의 미래를 지키고 더 잘 되도록

물론 ‘시즈쿠’, ‘시키사이’의 후계기가 없으면, 기후 변동의 정확한 예측이 불가능하게 된다는 것은 지나친 말이다. 유럽과 미국 중국 등에서도 차세대의 지구 관측 위성 계획이 있으며, 이러한 타국의 위성의 데이터를 사용하고 연구할 수는 있다.

그러나 위성의 수가 많을수록 고빈도의 많은 데이터를 받을 수 있고 예측을 보다 정확하게 할 수 있다. 게다가 일본은 지구 관측, 환경 관측 분야에서 많은 실적과 높은 기술을 가지며, 앞으로도 그것을 살리는 것은 국제 사회에 큰 공헌을 하는 것이다.

특히 미국의 도널드 트럼프 대통령은 올해 6월 파리 협정에서 탈퇴를 발표하고 NOAA의 지구 관측 위성 프로그램의 예산 등 기후 변화에 관계하는 연구 예산도 대폭 삭감하겠다고 밝혔다. 그 와중에서 일본이 변함없이, 혹은 지금까지 이상으로 이 분야에 기여하는 것에는 큰 의의가 있을 것이다. GCOM후계기는 물론 다른 지구 관측 위성이나 센서에 대해서도 앞으로 10년, 20년 동안 무엇을 해야 하는지 명확한 계획을 세워야 할 것이다.

그 노력은 머지않아 기후 변화를 제어해 둘도 없는 이 지구와 생명들을 구한다는, 더없이 큰 성과로 되돌아오게 된다. 더 장래의 일을 생각하면 지구 기후의 체제에 대해서 아는 것은 다른 천체의 기후를 알게 되는 것이다. 그리고 언젠가 화성 등으로 이주할 날이 오면 그 기후를 인류에게 살기 좋은 것으로 바꾸는 것조차 가능할 것이다.

언젠가 구스코 부도리의 희생 없는 ‘구스코 부도리의 전기’를 현실 세계에서 묘사할 날이 올지도 모른다.

 

 

주보라

지속가능저널 csr@csrjournal.kr

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