<사진. 쇼와기지에 건설된 PANSY 레이더 안테나군
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

남극 최대 대기 레이더에 의한 남극 대기의 정밀 연구

도쿄대학, 국립극지연구소, 교토대학 연구팀은 2012년 1월 6일부터 1개월간 PANSY 레이더의 1군 19개 안테나를 이용하여 PMSE의 연속관측을 실시하였다. 이 관측에 의해 PMSE가 쇼와기지 시간 아침(7시 경)과 오후(14시~18시)에 출현하기 쉽다는 것과 전파를 내는 방향에 의해 에코 반사강도가 다르다는 것을 알았다. 후자의 결과는 PMSE를 일으키는 전파 반사층이 기울어져 있다는 것을 시사하고 있으며, PMSE의 발생에 어떤 대기파동이 관계하고 있을 가능성이 있다. 앞으로 1,045개의 안테나를 이용한 전체 시스템 관측에 의해 보다 상세한 점이 밝혀질 것으로 기대된다.

또한 연구팀은 쇼와기지에서 최대 평균풍속 20m/s를 넘는 강풍을 기록한 2012년 6월 15일~19일에 PANSY 레이더의 관측 데이터를 해석하고, 고도 8km 이하의 대류권 거의 전층에서 주기가 수시간, 진폭이 1m/s를 넘는 격렬한 연직풍을 관측하였다. 이 발생 메커니즘을 규명하기 위해 전 지구구름시스템 해상 모델(NICAM)을 처음으로 남극지역에 적용하여 쇼와기지 부근의 기상상황의 재현실험을 수행한 결과, 관측과 동일한 정도의 주기와 진폭을 가진 대류권 내의 연직풍을 재현하는데 성공하였다.

NICAM의 데이터를 이용하여 역학적인 해석을 수행한 결과, 관측된 연직풍은 하이드롤릭 점프(hydraulic jump)라는 역학현상에 의해 발생했을 가능성이 높다는 것을 알았다. 하이드롤릭 점프는 강풍이 산기슭 등의 장애물에 부딪힐 경우 그 장애물의 풍하측에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 쇼와기지에서는 남극대륙에서 부는 강풍에 의해 하이드롤릭 점프가 발생하는 경우가 있지만, 이번 PANSY 레이더 관측에서 하이드롤릭 점프에 따른 대기의 흐름이 고도 9km 부근까지의 대류권 전층에 미치고 있다는 것을 처음으로 밝혀내었다.

2013년 4월~5월에 대류권과 성층권의 경계인 대류권계면 즉, 복수의 고도에서 나타나는 다중 대류권계면이 쇼와기지에서의 라디오존대에 의해 관측되었다. 연구팀은 다중 대류권계면이 나타났을 때의 고도 10~15km 하부 성층권에서, 시간과 함께 하강하는 동서풍, 남북풍의 혼란을 PANSY 레이더로 관측하였다. 그리고 NICAM을 이용하여 이 시간의 쇼와기지 부근의 기상상황 재현실험을 수행한 결과, 관성중력파라는 대기파동이 쇼와기지 상공에 온도의 파상구조를 만들어내어 다중 대류권 계면을 일으킨다는 것을 알았다.

그리고 이러한 관성중력파는 쇼와기지의 서쪽에서 고저기압 파동이 발달할 경우 자발적 조절과정이라는 역학과정에 의해 방사되어 쇼와기지에 도착할 가능성이 높다는 것을 알았다. 세계 중에서 사용되고 있는 대부분의 기후예측모델은 겨울의 극역 성층권이 실제보다도 추워진다는 문제(성층권 저온 바이어스)를 안고 있지만, 본 연구에서 밝혀진 자발적 조절과정에서 방사되는 중력파는 이 문제를 해결하는 중요한 열쇠가 된다고 생각되며, 앞으로 관측 데이터의 축적과 연구의 발전이 기대된다.

PANSY 레이더는 지금까지 228개의 안테나를 이용한 거의 1/4시스템에 의한 정상관측을 수행하였지만 2015년 2월에 1,045개의 안테나를 이용한 전체 시스템 관측조정이 종료되어 3월부터 관측이 개시되었다. 앞으로 남극지역에서는 처음이 되는 중간권 난류관측 및 전리권 비간섭 산란관측도 실시할 예정이다. 또한 지금까지 실시한 대류권, 성층권, 중간권 관측의 고도범위도 넓혀 보다 고정도, 고해상도가 된다. 이러한 관측 데이터는 남극 특유의 남극오존홀, 극중간권 구름, 활강풍(katabatic wind) 순환 등 실태해명 및 지구 전체의 대순환 구동 메커니즘의 해명에 필수이며, 지구온난화 및 남극 오존홀 등의 장래 예측에 사용되고 있는 각종 기후 모델의 개선에도 기여할 것으로 기대된다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr