천리안, 하늘에서 바다를 연구하다(미래를 꿈꾸는 해양문고 38)

위성이란 지구나 목성과 같은 행성 주변을 도는 행성보다 작은 천체를 뜻한다. 이 위성처럼 지구 주변을 돌도록 사람이 장치를 만들어 로켓으로 쏘아 올린 것을 인공위성이라고 한다. 대부분의 인공위성은 지표에서 200~36,000킬로미터 높이에 떠서 돌고 있다.

세계 최초로 인간이 쏘아올린 위성은 1957년 발사된 옛 소련에서 개발한 스푸트니크 1호이다. 우주개발의 불모지였던 우리나라는 한국과학기술원 인공위성연구센터에서 개발한 우리별 1호를 1992년 8월 11일에 발사함으로써 세계 22번째 인공위성 보유국이 되었다. 이를 토대로 1999년까지 우리별 시리즈 3기를 발사하기에 이르렀다. 이후로 한반도 관측과 지도 제작, 해양관측, 각종 과학 실험 등에 이용하기 위해 국내에서 처음으로 개발한 지구 관측용 다목적 실용위성 아리랑 1호(1999년 12월에 발사)를 시작으로 2013년 8월 아리랑 5호로 이어졌으며, 통신·방송위성으로 1995년에 쏘아 올린 무궁화 1호는 2006년 5호까지 발사되었으며, 과학 실험 위성도 지구 주위를 돌고 있다.

이처럼 지구 주위에는 세계 여러 나라에서 쏘아 올린 약 6,000여 개의 인공위성이 지구를 돌고 있는 것으로 추정되며, 그 목적에 따라 지구 관측위성, 우주 관측위성, 통신위성, 위치정보(GPS)위성 등이 각각 다른 높이의 궤도에서 임무를 수행하고 있다.

이러한 위성들 가운데 1980년대에서 1990년대에 이르는 약 20년 동안 해양과학자들에게 가장 놀라움을 안겨준 위성은 아마 해색위성일 것이다. 미국은 1978년 세계 최초의 해색위성인 CZCS(Coastal Zone Color Scanner)를 개발하여 남극과 북극의 상공을 통과하는 극궤도에 올렸다. 원래 목적은 연안 해양환경 감시였지만, CZCS 위성으로 전 지구 식물플랑크톤의 분포를 알게 되면서 해양의 식물플랑크톤이 기후에 미치는 영향에 관한 본격적인 연구가 시작되었으며, 기후변화 연구에 강력한 도구로 떠올랐다.

여기서 잠깐, '해색(ocean color)위성'이란 무엇인가? 간단히 말하면, 가시광선으로 바닷물 속의 구성 성분별로 미묘하게 달라지는 색을 분석하여 해양환경을 관측하는 위성을 뜻한다. 이 해색위성이 보낸 바닷속 환경 정보를 분석하여 식물플랑크톤의 양, 해양 수질과 탁도 변화와 적조나 유조선 사고 등에 따른 기름 유출과 확산 정도를 알 수 있다.

세계 최초의 해색위성인 CZCS 위성은 약 8년간 활동한 후 1986년 수명을 다했지만 이후 연구를 이어갈 후속 위성이 없었다. 그러다가 1997년 8월 미국항공우주국(NASA)에서 위성을 개발해 해색위성을 활용한 연구의 전성기가 다시 찾아왔다. 이 해색위성들은 전 지구를 관측하는 극궤도 위성이라 하루에 1회만 관측할 수 있다. 이에 따라 시시각각 변하는 해양환경에서 한 해역의 시간적인 변화를 좀 더 자주 관측할 수 있는 정지궤도 해색관측 위성이 필요하다는 의견이 제기되었다.

그러던 중, 2010년 6월 27일 남미 프랑스령 기아나 쿠르 우주센터에서 우리나라의 천리안 1호가 성공적으로 발사되었다는 소식이 알려지자 세계 위성 개발 전문가들과 해양관측위성 활용 전문가들에게 큰 화제가 되었다. 한국이 세계 최초로 지표에서 36,000킬로미터 높이에 정지궤도 해양관측위성을 쏘아 올렸기 때문이다.

지금까지 선진국에서는 바다를 관측하기 위해 정지궤도에서 위성을 활용한 사례가 없었다. 극궤도 위성보다 약 50배나 멀리 떨어져 있어 원하는 자료를 얻는 것이 힘들었기 때문이다. 정지궤도 해양관측위성이 꼭 필요한지 반신반의했던 많은 사람들도 운영 성과를 보고 나서야 그 필요성을 이해하게 되었다. 천리안 1호는 해양관측위성에 대한 기존의 생각을 한 번에 바꾸어 놓았다. 또한 우리나라가 선진국들을 제치고 세계 해양관측위성 개발 연구를 이끄는 결정적 계기가 되었다.



천리안 해양관측위성 자료는 해양영토 관리를 비롯해

모든 해양 연구에 꼭 필요한 자료!



해양수산부와 과학기술부의 후원으로 해양관측위성 천리안 1호는 2003년부터 2009년까지 당시 한국항공우주연구원, 한국해양과학기술원, 기상청 국가기상위성센터가 협력하여 개발했으며, 해양·기상·통신 3가지 기능을 갖춘 탑재체를 위성 본체에 장착해 각각의 임무를 수행하도록 했다. 기상관측위성은 기상청 국가기상위성센터, 해양관측위성은 한국해양과학기술원, 통신위성은 한국전자통신연구원에서 독립적으로 운영하고 있다. 천리안 1호의 해양관측 영역은 한반도 주변 해역을 중심으로 동북아 해역 2500킬로미터×2500킬로미터의 면적(대한민국의 약 60배)을 고정 관측하고 있다.

정지궤도 위성에 세계 최초로 해양관측센서 GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)를 탑재하여 한반도 주변 바다를 매시간 가시광선으로 관측하고 있는 해색위성 천리안 1호! 극궤도 위성이 목표 해역을 하루 한 번 사진을 찍는다면 천리안 1호는 해양관측 탑재체 GOCI로 하루 8번 촬영하여 동영상처럼 볼 수 있다. 이는 이전의 위성과 비교하여 아주 획기적인 발상이었다.

천리안 해양관측위성으로부터 온 첫 영상 자료는 원시적인 자료로 전문가 외에는 제대로 알아볼 수 없는 정보들로 가득하다. 이를 목적에 적합한 영상으로 바꾸려면 여러 가지 보정 과정이 필요하다. 이러한 보정 작업을 하는 곳이 바로 한국해양과학기술원의 해양위성센터이다.

해양위성센터는 국내에서 위성을 활용하여 해양을 실시간으로 감시하고, 해양관측위성과 관련한 특화 서비스를 하며, 현장 관측을 통한 자료 품질을 관리하며 대외적으로 협력하기도 한다. 해양관측위성을 전문적으로 운영하는 유일한 기관이라고 할 수 있다. 위성 자료에 어떠한 과정을 거쳐 과학적으로나 일상적으로 활용할 수 있는 자료로서의 가치를 부여하는지, 체계적이면서도 핵심적인 내용을 선별하여 알기 쉽게 이곳에서 연구 활동을 펼치고 있는 유주형, 안재현 연구원이 『천리안, 하늘에서 바다를 연구하다』를 펴냈다.



해양위성센터에서는 먼저 각각의 색(파장대wavelength band, 줄여서 밴드)에서 디지털 값으로 촬영된 빛의 세기 영상을 정확한 밝기 값으로 바꿔 주는 복사보정, 영상의 위치를 정확한 지구의 위도와 경도 위치로 맞춰 주는 기하보정, 16개 해역으로 나누어 촬영한 한반도 주변 영상을 하나의 영상으로 이어 붙이는 영상 붙이기(슬롯 합성), 바다와 천리안 해양관측위성 사이를 채운 대기(大氣)의 영향을 제거하여 정확한 바다 색을 찾아내는 대기보정, 마지막으로 각 파장대별 신호 값으로 바닷물 속의 다양한 물질 정보를 계산하는 과정으로 나뉜다.

저자들에 따르면, 천리안 해양관측위성으로 기존 극궤도 위성에서 관측할 수 없었던 바다의 많은 현상을 관측하게 되었다. 예를 들면, 하루 2회 발생하는 밀물과 썰물의 바다 흐름에 따른 해양환경의 변화, 해양오염에 큰 영향을 미치는 적조와 녹조/갈조의 이동을 실시간으로 볼 수 있었다. 해색 원격탐사의 기본 산출 자료라 할 수 있는 식물플랑크톤, 부유 물질, 용존 유기물 정보 등도 충실히 파악할 수 있었다.

그 밖에도 천리안 해양관측위성의 장점인 한 시간 간격의 빠른 촬영 주기는 바닷물의 이동 방향과 속력, 폐기물 투기 선박, 해빙, 해무 등의 관측에 활용되었고, 24시간 같은 지역을 관측하는 정지궤도의 특성에 따라 시시각각 변하는 해양환경을 포착하기도 했다. 또 육상과 대기 관측에 활용되어 폭설, 미세먼지와 황사, 화산 폭발, 산불, 유류 유출, 쓰나미와 같은 재해/재난 모니터링도 가능하다는 것이 밝혀졌다.

이러한 과정을 거친 천리안 해양관측위성 자료는 해양영토 관리뿐만 아니라 모든 해양 연구에 꼭 필요한 자료가 되고 있다. 특히 전 지구적인 변화나 넓은 지역에 걸친 해양 연구 등 우리 눈으로 한 번에 볼 수 없는 현상을 보여 주고 있다. 이와 동시에 매시간 촬영 기능으로 해양 연구뿐만 아니라, 육상과 대기 관측 분야에까지 실제로 활용될 수 있음이 증명되고 있다.

이 첫 번째 천리안 해양관측위성은 우리나라를 포함한 동북아시아 해양의 파수꾼이라는 막대한 임무를 성공적으로 수행했다. 원래 수명은 2018년에 끝날 것으로 예상했지만, 아직도 건강하게 살아 있고 그 활용성과를 인정받아 2021년까지 임무를 연장해 추가적으로 자료를 획득하고 있다.



하늘에서 이로움과 안전함을 가져다주는 천리안,

전 세계인들과 뛰어난 정보를 공유하다!



천 리 앞을 내다볼 수 있는 눈으로, 이후 먼 곳의 사정을 꿰뚫어볼 수 있는 능력을 뜻하는 천리안(千里眼)은 한반도 상공에서 24시간 내내 뛰어난 관측 능력을 발휘하여 정확한 정보를 적시에 제공함으로써 우리나라의 기상 및 해양 관측과 통신 서비스에 기여하고, 나아가 전 세계인들이 뛰어난 정보를 공유할 수 있도록 하여 '하늘(天)에서 이로움(利)과 안전함(安)을 가져다준다'는 의미도 내포하고 있다.

천리안 1호의 눈부신 활약에 힘입어 2020년 2월에 발사된 정지궤도 복합위성 천리안 2B호는 해양탑재체와 환경위성탑재체를 장착하여 동북아 해역을 하루에 10번 관측하는 것은 물론, 매일 한 번씩 우리나라를 중심으로 지구의 3분의 1을 관측한다. 관측 범위가 넓어지면 무엇이 좋아질까? 예를 들어 동남아시아 어딘가에서 쓰나미나 해양 재해가 발생하면, 그 구역을 집중적으로 관측하고 분석할 수 있어 우리에게 매우 중요한 정보를 더 빠르게 알려줄 수 있다.

또 천리안 1호에 비해 4배 더 선명하게 관측할 수 있고, 전체적인 관측 정확도 또한 향상되었다. 관측 범위가 우리나라 주변 해역뿐만 아니라 인도양에서 (남)태평양까지 크게 확대되었고, 자료의 공간해상도 역시 크게 향상되어 더욱 정밀하게 관측할 수 있는 능력이 있다. 동시에 2B호 위성의 자료가 필요한 국가가 늘어나게 되었고, 좀 더 넓은 범위에서 지구 온난화에 따른 기후변화와 해양생태계에 미치는 영향, 해수면 상승 등에 관한 과학적 정보 수집과 분석에서 그 역할을 톡톡히 해낼 것으로 기대하고 있다.



지구 주위를 돌고 있는 6,000개의 인공위성이 우리의 생활과 아주 밀접하게 연결된 정보를 제공하고 있다는 것은 어렴풋이 알고 있었지만, 이 수많은 위성들에서 보낸 정보가 어떤 과정을 거쳐 우리에게 전달되는지에 대해서는 그리 큰 관심이 없었다. 전문가만이 알 수 있는 수많은 디지털 부호들을 관련 연구원들의 노력으로 세계 곳곳의 기상 변화를 비롯해 지구를 둘러싼 대기와 해양환경을 접할 수 있다는 것은 무척 경이로운 일이다. 특히 위성 자료에 제대로 된 정보의 가치를 높이기 위해 정기적으로 해양과학자들은 직접 바다로 나가 위성 영상이 얼마나 정확하게 분석하는지 검증하고, 위성 자료의 정확도를 높이기 위해 끊임없이 자료를 수집하고 있다.

미지의 세계에 호기심과 궁금증이 많은 청소년 독자들에게 이러한 과정을 이해하기 쉽게 풀어쓰고, 다양한 관측 자료 영상을 곁들인 이 책의 가치는 그래서 더욱 소중하다.

여는글



01 우주에서 바다를 연구할 수 있다고?

인공위성과 바다/ 개성 넘치는 천리안 해양관측위성/ 위성은 왜 다양할까?



02 천리안 위성의 특별한 눈

본다는 것은 무엇일까?/ 바다 색의 비밀/ 바닷물에는 무엇이 있을까?/ 위성에서 얻을 수 있는 바닷물의 정보는?



03 천리안 위성으로 더 또렷하고 정확하게

영상 자료의 보정/ 해수 반사도를 정확하게: 복사보정/ 위도와 경도 정확하게 맞추기: 기하보정과 영상 이어 붙이기/

위성과 바다 사이의 방해 신호 제거하기: 대기보정/ 바다 색으로 바닷속 정보 알아내기/ 위성 자료가 잘 맞는지 확인하기



4 천리안과 사람들

해색위성의 역사와 천리안 해양관측위성/ 천리안을 만든 사람들과 해양위성센터/ 천리안 덕분에/ 해양관측위성 천리안 1호의 성공과 천리안 2B호의 개발



참고 문헌/ 그림에 도움 주신 분

유주형 1969년 서울에서 태어나 연세대학교 지구시스템과학과(전 지질학과)를 졸업했다. 같은 대학교에서 지구물리 분야로 석사를, 원격탐사 분야로 박사 학위를 받았다. 독일 Helmholtz?Zentrum Geesthacht 연구소(전 GKSS Research Centre)에서 박사후연구원을 거쳤으며, 미국 NASA Goddard Space Flight Center에서 방문과학자로 지냈다. 2003년부터 한국해양과학기술원(전 한국해양연구원) 해양위성센터에서 근무하고 있으며, 현재 과학기술연합대학원 대학교(UST)와 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원(OST) 교수로 재직하고 있다. 원격탐사를 이용하여 연안이나 해양에 대한 분석기술 개발과 활용 연구에 관심이 있으며, 약 120여 편의 국내외 논문을 발표했다.