<사진. 나사의 QuikScat 스캐터로미터에서 관측된 로부터 멕시코 만에서 발생한 허리케인 카트리나 자료로 ISS-RapidScat가 제공하게 될 해양-바람 자료의 종류를 보여주고 있다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

해풍의 숨겨진 순환을 규명한 나사의 RapidScat

파랑(ocean waves), 뜨거운 태양, 해양 미풍 등의 적절한 조합은 해변에서 멋진 하루를 만든다. 다른 조합은 치명적인 허리케인을 만든다. 해양과 다양한 결과를 생성할 수 있는 대기의 복잡한 상호 작용은 아직까지 완전하게 규명되지 않았다. 과학자들은 일주성 열(daily heat)이 바람을 생성하는데 기여하는 역할을 이해할 수 있을 것으로 기대된다.

나사는 국제 우주 기지에 정박시키기 위하여 해양 바람(ocean wind)을 모니터링하는 도구를 몇 달 이내에 발사할 계획이다. 독특한 유리한 위치는 ISS-RapidScat(International Space Station Rapid Scatterometer)에 태양열에 의해 생성되는 일주풍(diurnal wind)이라고 부르는 바람의 일일 주기를 관찰하는 능력을 추가했다.

바람은 개별적인 파도에서 수천 마일로 확대되는 해류에 이르는 모든 규모에 대하여 해양의 움직임에 기여한다. 바람은 엘니뇨와 같은 대규모이며 장기적인 기후 유형뿐 아니라 지역적인 기후에 영향을 끼친다. 열대 태평양 전역에서 바람은 용승을 차단하거나 해양 어업에 이득을 제공하여 해양 생물을 번성시키고, 영양분이 풍부한 물이 해양 깊은 곳으로부터 솟아오르게 함으로써 지역 경제를 도와주거나 방해한다.

몇 시간의 일광은 전체적으로 예측될 수 있기 때문에, 바람에 대한 일광의 영향이 동등하게 분명할 것이라고 기대할 것이다. 그러나 미국 샌디에이고에 위치한 스크립스 해양 연구소(Scripps Institution of Oceanography) 소속의 해양학자인 Sarah Gille은 적도 남부와 북위 30도 사이에 상당한 양의 일주풍 가변성이 존재하고, 우리가 그 시기를 이해하지 못하고 있다고 밝혔다. 바람이 일광이 최조고인 정오에 매일 촉진되지 않는다는 것은 분명하다.

인공위성에서 스캐터로미터(scatterometer)의 관측은 해양 바람에 대한 귀중한 이해를 입증했다. 스캐터로미터는 지구 표면의 극초단파(microwave)를 산란시키는 레이더의 유형으로, 복귀 신호(return signal)의 방향과 강도를 측정한다. 표면이 울퉁불퉁할수록, 복귀 신호는 더 강력하다. 해양에서 더 높은 바람은 더 큰 바다를 만들고 따라서 복귀 신호 역시 더 강력하다. 또 바람이 파도와 같은 방향에서 불기 때문에, 복귀 신호는 과학자들에게 바람의 방향을 알려준다.

지구 궤도를 선회하는 스캐터로미터는 일주풍 순환의 특별한 의문을 해결하는데 많은 도움을 주지 못한다. 모든 현대 장치는 인공위성이 항상 일광에 대하여 동일한 각도에서 선회하는 태양 동기 궤도(sun-synchronous orbits)에 있다. 이러한 유형의 궤도에서 인공위성은 예를 들면, 적도에 대하여 오전 6시와 오후 6시 등 동일한 고정된 시간에서 모든 위치를 통과한다. 결과적으로 얻어진 자료는 바람이 하루 동안 어떻게 발달하는지에 대한 의문에 충분한 답을 제공하지 못한다.

2003년에 6개월 동안 우주에 동일한 유형의 두 개의 스캐터로미터가 배치되어 하루의 다른 시간에 대한 자료를 수집했다. 자료로부터 Gille과 그녀의 동료 연구진은 동일한 유형을 인식할 수 있었다. 예를 들면, 연구진은 해풍이 지중해와 사해 같은 거대한 수체에 대하여 어떻게 집중되는지를 볼 수 있었다. 해풍은 일주풍 가변성에 대한 우수한 관측이 될 수 있지만, 연구진은 6개월에 대한 자료만을 확보했다. 이것은 여름과 겨울 유형 사이의 차이를 관찰하기에는 부적합하다.

우주 기지 상에서, 나사 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)에 의해 구축되고 관리되는 2년에 걸친 RapidScat 임무는 태양 동기 궤도에 제한되지 않는 최초의 현대적인 지구 궤도를 도는 스캐터로미터가 될 것으로 전망되고 있다. 매 시간 우주 기지는 지구 위 일정한 지점을 통과하고, 이전에 통과했을 때와는 다른 시간에 동일한 지점을 통과한다.

2009년 QuikScat 인공위성에 배치된 SeaWinds라고 불리는 도구인 나사의 과거 스캐터로미터 임무는 10년 이상 충실한 서비스를 수행하였으며, 해양 바람 자료를 수집하기 위하여 정지된 상태로 있는 것이다. 이 장치의 안테나 회전 메커니즘은 마모되어 작동이 멈춘다. SeaWinds 도구 자체가 아직 기능을 수행하지만, SeaWinds에서 얻은 자료는 매우 좁은 빔에 국한된다.

QuikScat의 10년 전체 운영 동안, 미국 국립 기상국(National Weather Service), 국립 허리케인 연구소(National Hurricane Center), 미국 해군 및 다른 사용자들은 엘니뇨에서 허리케인과 빙산의 이동에 이르는 모든 경고와 예보를 생성하기 위하여 자체적인 자료에 의존했다. QuikScat이 회전이 멈췄을 때, 사용자 집단은 스캐터로미터를 얻을 수 있는 방안을 다시 찾기 시작했다고 JPL 소속의 RapidScat 프로젝트 시스템 공학자인 Stacey Boland는 밝혔다.

2012년 나사의 우주 기지 프로그램 책임자는 JPL 과학자들에게 스캐터로미터의 재배치를 제공했으며, 2014년 우주에서 자유로운 운행을 하도록 계획된 우주 기지를 다시 공급했다.

이후 전체 도구가 2년 내 고안 및 구축됐으며, 신속한(Rapid)이라는 형용사는 여기서 유래한다. RapidScat의 도구는 QuikScat에 탑재된 내구성을 갖춘 SeaWinds 도구와 필수적으로 동일하다. RapidScat은 QuikScat 사용자 집단에 동일한 중요한 자료를 제공할 것이며, 일주풍에 대한 해답을 제공할 것으로 기대된다.

Boland는 RapidScat 자료가 이러한 해답을 제공하기 위하여 자료를 어떻게 축적할 것인가를 설명했다. 연구진이 우주 기지로부터 관측할 수 있는 위도 범위에 걸쳐 2일마다 거의 완벽한 공간적 범위를 확보할 것이라고 Boland는 밝혔다. 기지 궤도는 북위 51.6도에서 남위 51.6의 범위에 있다. 특정 위치에서 범위는 각 궤도에 대한 날의 약간 다른 지역 시간에 있으며, 약 2개월에 걸쳐, 연구진은 각 지역에서 24시간 지역 시간에 대한 자료를 얻게 될 것이라고 Boland는 설명했다.

일단 RapidScat이 관측 주기를 충분히 수집한 후, 연구진은 자료의 평균을 구하여 어떤 조건이 평균적인 조건인자, 관측된 바람이 어떻게 일주 유형과 유사한지에 대한 정보를 제공하게 될 것이라고 Gille은 밝혔다. 이러한 공정에 대한 가변성을 이해하는 것이 기후를 이해하는 데 중요한 부분이라고 Gille은 밝혔다.

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