원격탐사

해양원격탐사란 인공위성을 활용하여 해양현상을 지속적으로 관측하고 분석하는 것이다. 그 중에서도 해수의 색이 변하는 정도에 따라 그 광의 세기가 달라지며, 그 광의 세기를 인공위성에서 측정하고 분석하여, 해양의 현상을 연구하는 것을 해색원격탐사라고 한다.

해수 색의 변화에 따른 광 신호는 통상 무지개 색깔의 파장 영역(400~750nm)의 범위에서 측정되며, 해양의 엽록소 농도와 부유물 농도 등을 기본적으로 측정하고, 이러한 농도 값을 기반으로 해양의 일차 생산력 등을 산출한다.

해양광학적인 분류에 의하면 해수는 크게 CASE-I과 CASE-II의 2가지 타입이 있다. 먼저, CASE-I 해수는 해수의 광 특성이 해수 그 자체와 식물플랑크톤 등에 의해서 결정되는 해수로, 일반적으로 맑은 해수가 여기에 속한다. 그리고 CASE-II 해수는 해수의 광 특성이 식물플랑크톤을 제외한 나머지 부유물질 등에 의해서 결정되는 해수로, 일반적으로 탁한 해수가 여기에 속한다(그림 1).

그림 1. 케이스-1과 케이스-2 해수 모식도(Prieur and Sathyendranath (1981))

인공위성에서 측정된 해양의 신호는 산출하고자 하는 해당 알고리즘에 의해 입력하여 농도 값 등을 추정하며, 이때 사용되는 알고리즘은 해수 타입에 따라 달리 사용되는데, 독도 주변 해역은 대체적으로 CASE-I 해수에 속하므로 일반적으로 사용되고 있는 표준 알고리즘을 적용할 수 있다.

CASE-I 해수에 속하는 독도 주변 해역을 휴대용 분광기를 이용하여 해수의 반사도 스펙트럼을 측정해 보았더니, 파장 400~750nm의 측정 범위 사이에서는 파장 460nm 부근에서 반사도 값이 최대를 이루고, 파장 550nm 부근에서는 낮아지면서 신호의 세기가 감소하는 형태를 나타냈다(그림 2A). 이것은 해수가 태양광의 신호를 받아서 파란색 계열의 파장 영역만 산란시키고 나머지 영역은 흡수하는 현상과 식물플랑크톤이 가지고 있는 엽록소의 색소가 녹색 계열의 파장 영역에서 광 흡수가 발생되는 현상에 의한 것이다. 이러한 스펙트럼 형태는 CASE-I 해수가 가지는 전형적인 형태이다.

그림 2. 독도 주변 해역에서 관측된

• A. 식물플랑크톤
• B. 부유물질의 흡광(aph, aSS ) 스펙트럼
• C. 표층 원격반사도 (Rrs) 스펙트럼
• D. 현장측정 방법

해수가 지닌 고유의 광 특성에는 흡광, 산란, 감쇠의 3가지가 있다 이들을 계수화하여 현장조사 때 측정하는데, 해수에 함유된 성분별 흡광계수들 중에서 용존 유기물의 흡광계수는 파장이 증가할수록 지수 함수적으로 감소하는 형태를 보인다.

독도 연안 해역(수심이 20m 이하)에서 측정된 용존 유기물의 흡광계수는 독도 외해역(수심이 100m 이상)에서 측정된 용존 유기물의 흡광계수보다 높은 값을 보이는데, 그 이유는 용존 유기물의 기원이 다른 것에 원인이 있다. 즉, 독도 연안 해역의 용존 유기물은 해수에서 생성된 양보다 독도로부터 유입된 양이 많고, 독도 외해역의 용존 유기물은 그 반대로 섬 등 육지에서 유입된 양보다 해수에서 생성된 양이 많기 때문이다. 마찬가지로 부유물의 흡광계수도 용존 유기물과 유사한 분포와 스펙트럼 형태를 나타낸다.

식물플랑크톤의 흡광계수 스펙트럼은 일반적으로 파장 443nm 부근에서 최대 흡광 값을 나타나고, 파장 675nm 부근에서 최대 형광 값을 보인다. 독도 주변 해역에서 식물플랑크톤의 흡광계수 값은 파장 443nm 부근에서 평균 0.0120m^-1이고, 파장 675nm 부근에서는 평균 0.0049m^-1이다.

1978년 미국 NASA에서 세계 최초로 해색위성인 CZCS(Coastal Zone Color Scanner)를 발사한 이후, 1998년 발사되어 현재에도 운용되고 있는 SeaWiFS 해색위성(그림 3)과 2002년 발사된 최신 해색위성인 MODIS Aqua와 ENVISAT의 MERIS 등은 모두 극궤도 위성이며, 미국, EU 등의 선진국에서 운용하는 위성으로 한반도 영역을 하루에 한 번 관측한다.

그림 3. SeaWiFS 위성영상을 이용하여 분석한 독도 주변 해역 봄철 클로로필 분포도

• (a) 1998년 05월 14일
• (b) 1998년 05월 30일
• (c) 1999년 05월 21일
• (d) 1999년 05월 29일
• (e) 2000년 06월 13일
• (f) 2001년 06월 02일
• (g) 2002년 06월 27일
• (h) 2004년 05월 14일
• (i) 2004년 06월 03일
• (j) 2005년 03월 19일
• (k) 2005년 04월 26일
• (l) 2005년 05월 25일

이러한 위성들이 독도 주변 해역을 관측하여 전달받은 정보들만으로 우리의 해양원격탐사 연구에 활용하기에는 부족함과 불편함이 많았다. 그래서 우리나라도 2010년 6월에 GOCI(Geostationary Ocean Color Imager) 해색위성을 발사하게 되었다. 특히 우리의 GOCI는 앞서의 위성들과는 달리 세계 최초로 정지궤도에서 운용되는 해색위성이다.

정지궤도 위성은 특정 해역을 지속적으로 관측하는 위성으로, GOCI는 한반도 주변 해역만을 하루 8번 관측한다. 따라서 우리 기술과 인력으로 운용되는 해색위성을 이용하여 매일 하루에 8번 관측한다면 독도 주변 해역에서 발생되는 다양한 해양 현상을 연구하는데 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.

위성사진