로봇, 기후 변화의 단서를 찾다!
남극해 해양 탄소와 기후 관측 및 모델링(SOCCOM) 프로젝트의 사명은 기후 변화와 생물지구화학 분야에서 광대한 남극해(Southern Ocean)의 역할에 대한 과학적, 대중적 이해를 변화시키는 것입니다. 일반적으로 남극해는 남위 60°의 남쪽에 위치하는 것으로 간주되면서, 남극 대륙을 둘러싼 전 세계 바다의 최남단 수역들로 구성됩니다. 남극해 안팎에서는 중요하고 독특한 현상이 발생합니다.
-
로봇, 기후 변화의 단서를 찾다! (출처: demamiel62/Shutterstock.com)
-
주요한 특징은 다음과 같습니다:
▶ 남극해는 지구의 전체 해양 면적에서 차지하는 비중은 약 30%이지만, 인위적 탄소 흡수 비중은 거의 절반, 해양 인위적 열 흡수 비중은 대부분을 차지합니다.
▶ 모델에 따르면 남극해의 용승(upwelling: 해양에서 영양이 풍부한 저온의 하층수가 표층수를 제치고 올라오는 현상)은 전 세계 해양 생태계에 중요한 저위도 지역의 표층수에 영양분을 공급합니다.
▶ 이산화탄소 증가로 인한 해양 산성화의 영향은 수십 년 내에 생태계 전환점에 도달하면서 남극해에서 가장 심각한 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.
남극해는 세계 인구가 밀집한 북반구 대륙은 물론이고 남반구 지역들과도 멀리 떨어져 있어 남극해를 연구하려면 정교한 로봇 센서 어레이가 많이 필요합니다. 미국 프린스턴 대학에 위치하고 프린스턴 환경 연구소에서 관리하는 SOCCOM은 약 200개의 자율 부표들로 구성된 로봇 관측 시스템을 운용 중입니다. 이 로봇 관측 시스템은 남극해 전체에 걸쳐 시간적, 공간적(수평)으로 거의 연속적인 관측값을 제공하며, 부표 아래 물속 깊숙한 곳까지 수직 공간에 대한 관측값도 제공합니다(그림 1).
그림 1: SOCCOM 프로젝트에 사용되는 자율 부표는 탄소 시스템에 대한 직접적인 링크를 제공하며, 이는 남극해의 탄소 순환을 이해하는 데 중요합니다. (출처: Maria T Hoffman/Shutterstock.com)
-
이들 부표와 그 작동에는 다음과 같은 4가지 특성이 필수적입니다.
▣ 센서 제품군: SOCCOM의 주요 목표는 남극해의 탄소 순환을 더 잘 이해하는 것입니다. SOCCOM의 부표에는 전도도, 온도, 깊이 측정용 센서 외에도 용존 산소, 산성도(pH) 및 질산염 측정을 위한 센서가 포함되어 있습니다. 각 부표마다 이 세 가지 센서 중 적어도 두 개 이상을 싣고 있습니다.
▶ 용존 산소 센서: 용존 산소는 탄소와 관련이 있습니다. 용존 산소를 측정하면 물의 탄소 함량을 추정할 수 있습니다.
▶ pH 센서: 용해된 이산화탄소가 물과 반응하여 탄산을 형성하기 때문에 pH 측정은 해양 산성화의 변화를 모니터링하는 데 유용합니다.
▶ 질산염 센서: 질산염은 식물성 플랑크톤에게 몇 안 되는 중요한 영양소입니다. 질산염이 얼마나 풍부한지를 알면 식물성 플랑크톤 바이오매스의 한계를 파악할 수 있습니다.
센서 출력을 해수의 질량당 몰(mole)로 변환화면 장기적인 변화와 추세를 이해하는 데 필요한 정량적 분석이 가능합니다. 다중 센서는 데이터 품질에 대한 이중화와 교차 점검이 가능하게 합니다.
일부 부표는 엽록소 형광체, 후방 산란, 광 투과 또는 광 강도를 위한 생체 광학 센서를 포함하고 있습니다. 새로운 센서가 출시되면 핵심 센서 제품군의 구성이 달라질 수 있습니다. 그러나 그에 앞서 신제품 센서는 우선 SOCCOM과 같은 대규모 어레이에서 수년 동안 안정적으로 작동이 가능하다는 것을 입증할 수 있어야 합니다. 또한 사용되는 모든 센서는 일관되고 신뢰할 수 있는 데이터를 보장하기 위해 현장에서 캘리브레이션이 가능해야 합니다.
▣ 부표는 거시적이고 장기적인 경향을 식별하는 데 유용: 한 예로, 시험 부표는 점점 녹고 있는 해빙과 같은 일반적인 영양 공급원으로부터 멀리 떨어진 곳에서 거대한 식물성 플랑크톤이 번성하고 있는 모습을 발견했습니다. 남극 해저의 열수 분출구가 영양분을 공급하고 있었을 가능성이 있는 것으로 추정할 수 있습니다. 허리케인의 격변 후 산소가 손실되거나, 늦겨울에 표층수의 급락으로 인해 최대 1,000미터 아래로 영양분이 주입되는 등 단기적인 이벤트도 모니터링됩니다.
▣ 작동 수명: SOCCOM 부표의 작동 수명은 최소 3년 이상이어야 합니다.
▣ 부표 데이터: SOCCOM 부표 데이터는 실시간으로 디지털 형태로 활용할 수 있어야 합니다.
SOCCOM은 차세대 고해상도 지구 시스템 모델을 분석 및 개선하는 데 필요한 관측 데이터를 제공함으로써, 남극해의 현 상태에 대한 이해를 높이고 지구의 미래 기후 및 생물지구화학을 더 잘 예측할 수 있도록 할 것입니다.