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[과린이를 부탁해] 과학소년 2월호, 이상기후에 빠진 지구 이야기!

2021년은 전 세계적으로 유례없는 자연재해가 잇따랐던 한 해였습니다. 미국의 겨울 토네이도부터 서유럽의 기록적인 폭우, 그리고 캐나다의 살인적인 폭염까지 이상 기후 현상은 이제 더 이상 남의 일이 아닙니다. 우리나라도 예외는 아니어서 최근 20년 동안 여름철 기온이 꾸준히 상승하는 추세를 보이고 있습니다. 이러한 기후 위기 속에서 지구를 구하기 위한 과학적 노력의 중요성이 그 어느 때보다 강조되고 있습니다. NASA는 열대 저기압의 징후를 포착하기 위해 'TROPICS'라는 관측 계획을 세웠습니다. 열대 저기압은 발생 지역에 따라 태풍, 허리케인, 사이클론 등 다양한 이름으로 불리며 엄청난 인명 피해를 입힙니다. 이를 감시하기 위해 큐브샛들을 우주로 쏘아 올려 저기압의 발달 과정을 주기적으로 관측합니다. 위험을 미리 감지하여 육지에 상륙하기 전 대피를 돕는 이 임무는 수많은 생명을 구하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 극한의 자연재해를 예측하는 'JPSS' 위성은 지구의 모든 곳을 샅샅이 훑어내는 역할을 합니다. 남극과 북극을 잇는 저궤도를 돌며 바다와 육지의 상태, 식물 분포, 대기 중 수증기 농도 등 방대한 데이터를 수집합니다. 수집된 정보는 기상학자들이 폭우나 산불을 정확하게 예측하도록 돕습니다. 특히 야간에도 산불의 진행 방향을 파악할 수 있어 대형 재난 대응 시스템을 구축하는 데 결정적인 정보를 제공합니다. 대기 중을 떠도는 광물 먼지를 분석하는 'EMIT' 미션도 주목해야 합니다. 광물 먼지는 바람을 타고 수천 킬로미터를 이동하며 아주 넓은 지역에 영향을 미칩니다. 특히 먼지가 눈이나 얼음 위에 쌓이면 빛 반사율을 낮추고 열 흡수를 도와 빙하가 녹는 속도를 가속화하기도 합니다. NASA는 국제 우주 정거장에 설치된 장비를 통해 이러한 먼지의 성분을 분석하고, 건조해지는 기후 변화 속에서 먼지가 생태계에 미치는 영향을 조사하고 있습니다. 마지막으로 'SWOT' 미션은 전 세계 물의 양을 측정하여 기후 변화와의 상관관계를 밝힙니다. 지구 온난화로 빙하가 녹으면 해수면이 상승할 뿐만 아니라, 우리가 사용할 수 있는 소중한 담수 자원도 줄어들게 됩니다. 물은 온실가스를 흡수하는 저장고 역할도 하기에 그 능력을 확인하는 것은 매우 중요합니다. 이러한 과학적 미션들과 더불어 우리 개개인도 분리수거와 같은 작은 실천을 통해 지구를 구하는 일에 동참해야 합니다.

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지구환경과학

[강연] 우주 레이다로 만든 지구그림과 이웃행성 탐사(1) | 윤상호 Nasa-JPL scientist | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 10강 | 10강 ①

미국 항공우주국(NASA)은 흔히 먼 우주를 탐사하는 기관으로 알려져 있지만, 실제로는 우리가 살고 있는 지구를 관측하고 연구하는 데 가장 많은 예산과 노력을 투입하고 있습니다. 우주 탐사의 궁극적인 목적 중 하나는 행성으로서의 지구를 더 깊이 이해하는 것이며, 이를 위해 다양한 인공위성과 첨단 장비가 동원됩니다. 특히 지구의 변화를 정밀하게 추적하기 위해 우주에서 지구를 바라보는 시각은 현대 과학에서 필수적인 요소가 되었습니다. 이러한 관측 기술은 단순히 지표면의 모습을 찍는 것을 넘어, 보이지 않는 변화까지 감지하는 수준으로 발전하고 있습니다. 레이더(RADAR)는 전자기파를 발사하여 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 분석함으로써 거리와 위치를 파악하는 기술입니다. 제2차 세계대전 당시 적의 항공기나 배를 탐지하기 위해 급격히 발전한 이 기술은 오늘날 지구와 행성 표면을 정밀하게 형상화하는 데 사용됩니다. 레이더는 우리가 흔히 사용하는 카메라와 같은 광학계와는 근본적으로 다른 원리로 작동합니다. 빛의 방향이 아닌 신호가 도달하는 시간을 측정하여 거리를 계산하기 때문에, 전 방향으로 에너지를 방출하기보다는 특정 방향을 훑으며 데이터를 수집하는 방식을 취하게 됩니다. 고해상도의 지표면 영상을 얻기 위해서는 레이더 안테나의 길이를 수 킬로미터까지 늘려야 하는 물리적 한계가 존재합니다. 과학자들은 이를 해결하기 위해 '합성 개구 레이더(SAR)'라는 혁신적인 기술을 고안해냈습니다. 이는 인공위성이 이동하면서 발생하는 도플러 효과를 이용해, 작은 안테나로도 마치 거대한 안테나를 사용한 것과 같은 효과를 내는 방식입니다. 움직이는 물체에서 발생하는 주파수의 변화를 정밀하게 처리함으로써, 우주라는 먼 거리에서도 지표면의 세밀한 구조를 선명한 영상으로 구현할 수 있게 된 것입니다. 레이더 기술의 가장 큰 장점은 기상 조건이나 일조량에 구애받지 않는다는 점입니다. 일반적인 광학 위성은 구름이 끼거나 밤이 되면 지표면을 관측하기 어렵지만, 레이더가 사용하는 마이크로파는 대기층과 구름을 그대로 투과합니다. 통계적으로 지구의 약 70%가 항상 구름에 덮여 있다는 점을 고려할 때, 스스로 신호를 쏘고 받는 능동형 센서인 레이더는 전천후 관측을 가능하게 하는 핵심 도구입니다. 이러한 특성 덕분에 재난 상황이나 접근이 어려운 지역의 변화를 실시간으로 파악하는 데 매우 유용하게 활용됩니다. 이러한 우주 레이더 기술은 지구를 넘어 다른 행성 탐사에서도 빛을 발합니다. 대표적인 사례가 두꺼운 이산화탄소 구름으로 덮여 있어 내부를 들여다보기 힘든 금성입니다. 과거의 광학 탐사로는 금성의 표면을 확인하기 어려웠으나, 마젤란 미션과 같은 레이더 탐사를 통해 비로소 금성의 지형도가 완성될 수 있었습니다. 지구의 화산 활동을 정밀하게 모니터링하는 것부터 미지의 행성 지표면을 밝혀내는 것까지, 레이더는 인류의 시야를 우주 전체로 확장하며 과학적 발견의 지평을 넓히고 있습니다.

윤상호

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지구환경과학

[강연] 우주 레이다로 만든 지구그림과 이웃행성 탐사(4) | 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 10강 | 10강 ④

레이더 위성은 인류가 직접 도달하기 어려운 남극과 북극, 그리고 광활한 바다의 변화를 관측하는 데 핵심적인 역할을 수행합니다. 지표 변위를 탐지하고 자동으로 분석하는 알고리즘을 통해 우리는 지구 환경의 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있게 되었습니다. 특히 빙하의 흐름이나 얼음이 깨져 나가는 양상을 관측함으로써 기후 변화가 지구에 미치는 영향을 정밀하게 파악하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 기술은 단순한 관측을 넘어 지구의 미래를 예측하는 중요한 지표가 됩니다. 1957년 스푸트니크 1호가 발사된 이후, 인류는 수천 개의 인공위성을 우주로 쏘아 올리며 본격적인 우주 시대를 열었습니다. 현재 지구 궤도에는 레이더 위성뿐만 아니라 지도를 제작하는 광학 위성, 위치 정보를 제공하는 GPS 위성, 그리고 중력 변화 측정 위성 등 다양한 목적을 가진 장치들이 활동하고 있습니다. 각 위성은 고유의 센서를 탑재하여 기상 예보, 미세먼지 추적, 해양 생태계 관측 등 우리 실생활과 밀접한 분야에서 방대한 데이터를 수집하며 과학 기술의 향연을 펼치고 있습니다. 우리가 흔히 사용하는 GPS 위성과 레이더 위성은 작동 원리에서 뚜렷한 차이를 보입니다. GPS는 최소 4대 이상의 위성으로부터 신호를 받아 사용자의 정밀한 위치를 계산하는 1차원적 신호 체계를 기반으로 합니다. 반면 레이더 위성은 스스로 전파를 쏘아 돌아오는 신호를 분석하여 2차원 영상을 생성하며, 데이터 가공을 통해 3차원 수치 표고 모델(DEM)까지 구현할 수 있습니다. 이러한 차이 덕분에 레이더는 단순한 위치 파악을 넘어 지형의 높낮이나 구조물의 형태를 정밀하게 시각화하는 독보적인 능력을 갖추게 되었습니다. 우주 탐사 분야에서 레이더 기술의 가치는 더욱 빛을 발합니다. 카시니-호이겐스 미션은 토성의 위성인 타이탄에서 액체 메탄 호수의 존재를 증명하며 지구 밖 행성에도 액체 순환 체계가 있음을 확인시켜 주었습니다. 영하 180도의 극한 환경에서도 메탄이 기체, 액체, 고체로 변하며 비가 내리고 강이 흐르는 모습은 지구의 물 순환과 매우 흡사합니다. 이는 생명체 존재 가능성에 대한 새로운 가설을 제시하며, 우리가 직접 가보지 못한 먼 우주의 신비를 밝혀내는 데 결정적인 단서를 제공하고 있습니다. 레이더는 기후 변화 대응과 재난 감시 분야에서도 탁월한 성능을 발휘합니다. 남극 빙하의 이동 속도를 계산하여 해수면 상승이 도서 국가에 미치는 영향을 예측하거나, 광학 카메라로는 식별하기 어려운 습지대의 수위 변화를 정확하게 지도화할 수 있습니다. 또한 구름이 짙게 낀 상황에서도 바다 위의 선박을 탐지하여 조난 구조를 돕거나, 지하 핵실험으로 인한 지표 변위를 찾아내는 등 보이지 않는 곳에서 일어나는 변화를 포착하여 인류의 안전을 지키는 파수꾼 역할을 수행합니다. 인공위성 기술은 특정 국가의 자산을 넘어 전 지구적인 협력의 도구로 활용되고 있습니다. '인터내셔널 차터'와 같은 국제 기구를 통해 재난 발생 시 각국의 위성 데이터를 신속하게 공유함으로써 피해를 최소화하려는 노력이 이어지고 있습니다. 네팔 지진이나 이탈리아 지진 당시에도 여러 국가의 우주 기구들이 긴밀하게 협력하여 지진 모델링과 변위 지도를 제작해 공유한 사례가 대표적입니다. 우리나라도 아리랑 위성 시리즈를 통해 이러한 국제적 인도주의 활동에 적극적으로 참여하며 우주 기술의 가치를 실현하고 있습니다. 레이더 영상이 정밀한 입체감을 가질 수 있는 비결은 전파를 비스듬하게 쏘아 물체와의 거리 차이를 이용하는 기술에 있습니다. 마이크로웨이브를 사용하는 레이더는 구름이나 모래를 투과할 수 있어 기상 조건에 상관없이 지표면 아래의 옛 강줄기나 다른 행성의 지형까지 선명하게 보여줍니다. 많은 이들이 전자파의 유해성을 우려하기도 하지만, 수백 킬로미터 상공에서 전달되는 신호는 지상의 전자레인지보다 훨씬 약한 수준입니다. 이처럼 안전하면서도 강력한 투과력을 가진 레이더는 인류의 시야를 우주 끝까지 확장하고 있습니다.

김덕진, 윤상호, 홍상훈

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지구환경과학

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[강연] 우주 레이다로 만든 지구그림과 이웃행성 탐사(1) | 윤상호 Nasa-JPL scientist | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 10강 | 10강 ①

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[강연] 우주 레이다로 만든 지구그림과 이웃행성 탐사(4) | 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 10강 | 10강 ④

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