<사진. 웨델 해 LA 카운티 크기인 약 25*40 km의 빙산
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

융해하는 극빙의 연구를 도와줄 로봇 해양 글라이더

서부 남극 대륙 빙하의 급속한 융해는 전 세계적인 해수면 상승에 기여할 가능성이 있다. 비록 해안 인근의 온난한 해수가 얼음을 융해시키는 주요 원인이라고 하더라도, 차가운 대륙 인근에서 생을 마감하는 온난한 해수에 의해 유발되는 공정은 잘 규명되지 않았다.

로봇 해양 글라이더(robotic ocean glider)를 이용하여, 미국 캘리포니아 공과대학(Caltech) 소속의 연구진은 대기 폭풍우와 유사하게 소용돌이치는 해양 회오리(ocean eddies)가 남극 해안에서 이러한 온난한 해수를 이동시키는데 중요한 역할을 한다는 것을 발견했다. 이러한 발견은 과학 단체가 빙하가 얼마나 급속하게 녹는지 결정할 수 있게 해주고, 그 결과 해수면(ocean levels)이 얼마나 빠르게 상승할 것인지를 결정하게 해줄 것이다. 연구 결과는 2014년 11월 10일 Nature Geoscience 저널에 발표됐다.

주저자인 환경 과학 및 공학부 조교수인 Andrew Thompson은 얼음판이 대기가 더 온난할 경우 상층부터 녹고, 해양이 온난할 때는 하층부터 녹을 수 있다고 설명했다. 모든 증거가 이러한 빙붕(ice shelves)에 영향을 끼치는 가장 중요한 요인으로 해양 온난화(ocean warming)를 지목하고 있기 때문에, 연구진은 열이 어떻게 도달하는지에 대한 물리학을 이해하기를 원했다고 Thompson은 밝혔다.

일반적으로 해양 학자들이 이러한 문제를 조사할 때, 그들은 물을 통과하는 더 낮은 도구를 탑재한 배를 이용하거나 인공위성으로부터 해양 온도 자료를 수집한다. 이러한 기술들은 남부 해양에서 문제를 일으킨다. 관측에 따르면, 남부 해양은 선박이 도달하기 매우 어려운 장소이다. 온난한 물이 표면에 있는 것이 아니기 때문에, 인공위성 관측 역시 효과적이지 못하다.

글라이더가 약 6피트 길이로 작고 매우 에너지 효율적이기 때문에, 글라이더는 거대한 선박보다 더 장기간 해양에서 시료를 채집할 수 있다. 글라이더가 몇 시간마다 수면으로 올라올 때, 글라이더는 휴대용 전화와 같은 장치를 통하여 연구진에게 위치를 알려줄 수 있다. 이러한 통신은 연구진이 글라이더가 수집한 정보에 즉시 접근할 수 있게 해준다.

대기 글라이더와 마찬가지로, 총알 형태의 해양 글라이더에는 프로펠러가 없다. 대신 해양 글라이더는 글라이더의 부표를 변화시키는 펌프에 동력을 제공하기 위하여 배터리를 사용한다. 펌프가 글라이더 내부 구획으로 유체를 추진할 때, 글라이더는 해수보다 더 밀도가 높아지고, 부표보다는 밀도가 낮아져서 가라앉게 된다. 만약 유체가 글라이더의 외부에 있는 블라더(bladder)가 펌프로 추진된다면, 글라이더는 해수보다 밀도가 낮아지고 부표는 더 높아져 표면으로 상승하게 된다. 대기 글라이더와 유사하게, 날개는 수직 양력을 수평 움직임으로 전환시킨다.

Thompson과 영국 이스트 앵글리아 대학(University of East Anglia) 소속의 동료 연구진은 2012년 1월 남극 반도 연안의 해수로 글라이더를 진수시켰다. 이후 로봇 글라이더는 남극 해안의 웨델 해(Weddell Sea)를 조사하기 위하여 향후 2개월에 걸쳐 수체를 위 아래로 이동한다. 글라이더가 이동할 때, 글라이더는 다른 위치와 해수의 깊이에서 온도와 염도 자료를 수집했다.

글라이더의 위 아래로 이동하는 역량은 해양 성층(ocean stratification) 또는 깊이에 따른 변화, 밀도 등과 같은 해수 특성을 연구하는데 중요하다. 만약 온도가 밀도를 결정하는 유일한 요인이라면, 항상 따뜻한 물은 상층에 차가운 물은 하층에 분포해야 한다. 그러나 해양에서 염도 역시 중요한 요인이다. 염도가 더 높을수록 해수의 밀도도 더 높아지고, 더 밀도가 높은 해수는 바닥으로 가라앉는다고 그는 밝혔다.

남극에서 온도(temperature)와 염도(salinity)의 결합된 효과는 흥미로운 상황을 만들어 내고, 가장 온난한 해수가 상층에 있는 것이 아니라 실제로 수체의 중간층에 끼워져 존재한다. 이것은 이 지역에서 열 이동(heat transport)을 이해하는 데 부가적인 문제라고 Thompson은 덧붙였다.

글라이더로부터 얻은 결과는 열이 덜 예측 가능한 공급원, 즉 해류에서 유발되어 소용돌이치는 수중 폭풍우인 회오리(eddies)로부터 유래한다는 것을 규명했다. 회오리는 해류로부터 유발되고 불안정하다. 우리는 종종 해양에 대한 회오리의 효과를 커피에 수저를 넣는 것에 비교한다고 Thompson은 밝혔다. 만약 당신이 커피에 밀크를 넣고, 수저로 젓는다면, 수저는 우유가 커피와 혼합되는 능력을 강화시킬 것이다. 이러한 공정을 회오리가 수행한다. 회오리는 열과 다른 특성을 매우 잘 혼합한다.

글라이더가 몇 시간 마다 잠수와 표면으로 상승할 수 있고, 수개월 동안 해양에 남아 있을 수 있기 때문에, 글라이더는 선박이나 인공위성이 포착할 수 없는 이러한 회오리를 확인할 수 있다. 해류는 변하기 쉽고, 해류의 온도가 하루하루 어떻게 변화하는지 이해할 수 없다면, 장기적인 열 이동을 이해할 수 없다고 Thompson은 지적했다.

향후 연구에서, Thompson은 글라이더로부터 수집한 자료와 기상학적 자료를 결합할 계획이다. 2014년 12월에 연구팀은 드레이크 해협(Drake Passage)이라고 불리는 남아메리카의 남쪽 끝과 남극 사이의 거친 해양을 연구하는데 웨이브글라이더(Waveglider)라고 명명하는 해양 글라이더를 사용할 예정이다. 웨이브글라이더는 물의 표면으로부터 정보를 수집한다. 웨이브글라이더를 이용하여, 해양 특성뿐 아니라 풍속과 풍향 같은 대기 특성 역시 측정할 수 있다. 따라서 대기-해양 경계면에서 어떤 작용이 일어나는지 실제로 관찰할 수 있을 것이다.

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