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❖ 기상위성 고우즈(GOES)가 없다면 일기예보는 엉터리
▣ 테마가 있는 인공위성 이야기 (5)
▲ (그림 1) GOES-9호에서 찍은 한반도 영상 ⓒ
옆에 있는 사진은 텔레비전 방송의 일기 예보 시간에 가끔 보는 위성사진입니다. 왼쪽 아래에 구름이 많이 있는 것이 보이지요? 이렇게 위성에서 찍은 구름 사진은 일기 예보에 있어서 필수적인 자료가 됩니다. 이런 사진을 주로 찍는 위성들을 기상위성이라고 합니다.
그러면 기상위성은 어떻게 생겼고 어떤 원리로 구름 사진을 찍으며 또 어떤 과정을 거쳐 텔레비전이나 신문의 일기 예보에 등장하는 것일까요? 오늘은 기상위성에 대해서 알아보기로 합니다.
기상위성에는 저궤도 위성도 있고 정지궤도 위성도 있지만 흔히 기상위성이라 하면 GOES(고우즈)나 GMS(지엠에스)같은 정지위성을 먼저 떠올리곤 합니다. 그래서 오늘은 정지궤도 기상위성, 그중에서도 GOES 위성을 예로 들어서 어떻게 구름과 태풍 사진을 찍는지 알아보기로 합니다.
GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite, 고우즈)라는 이름은 하나의 위성이 아니라 미국 해양대기국(NOAA)의 정지궤도 기상 관측위성 시리즈를 부르는 이름입니다. 고우즈 위성 시리즈는 1975년 10월에 첫 번째 위성이 발사되었고 2001년 6월에 발사된 12호까지 총 12기의 위성이 발사되었습니다.
지금은 8호부터 12호까지 5기의 위성이 운용 중에 있습니다. 1호부터 7호까지는 흔히 원통형 위성이라고 말하는 회전 안정화 방식의 위성이었고 8호부터 12호까지는 무궁화 위성처럼 상자 형으로 생긴 3축 안정화 방식의 위성입니다. 1호부터 3호까지는 지금은 사라진 포드 에어로스페이스사에서 제작했었고, 4호부터 7호까지는 휴즈사, 8호부터 12호까지는 스페이스시스템 로럴이라는 회사에서 위성을 만들었습니다. 휴즈사의 위성 부문은 후에 보잉사에 통합되었습니다.
그러면 기상위성은 어떻게 생겼고 어떤 원리로 구름 사진을 찍으며 또 어떤 과정을 거쳐 텔레비전이나 신문의 일기 예보에 등장하는 것일까요? 오늘은 기상위성에 대해서 알아보기로 합니다.
기상위성에는 저궤도 위성도 있고 정지궤도 위성도 있지만 흔히 기상위성이라 하면 GOES(고우즈)나 GMS(지엠에스)같은 정지위성을 먼저 떠올리곤 합니다. 그래서 오늘은 정지궤도 기상위성, 그중에서도 GOES 위성을 예로 들어서 어떻게 구름과 태풍 사진을 찍는지 알아보기로 합니다.
GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite, 고우즈)라는 이름은 하나의 위성이 아니라 미국 해양대기국(NOAA)의 정지궤도 기상 관측위성 시리즈를 부르는 이름입니다. 고우즈 위성 시리즈는 1975년 10월에 첫 번째 위성이 발사되었고 2001년 6월에 발사된 12호까지 총 12기의 위성이 발사되었습니다.
지금은 8호부터 12호까지 5기의 위성이 운용 중에 있습니다. 1호부터 7호까지는 흔히 원통형 위성이라고 말하는 회전 안정화 방식의 위성이었고 8호부터 12호까지는 무궁화 위성처럼 상자 형으로 생긴 3축 안정화 방식의 위성입니다. 1호부터 3호까지는 지금은 사라진 포드 에어로스페이스사에서 제작했었고, 4호부터 7호까지는 휴즈사, 8호부터 12호까지는 스페이스시스템 로럴이라는 회사에서 위성을 만들었습니다. 휴즈사의 위성 부문은 후에 보잉사에 통합되었습니다.
▲ (그림 2) GOES 위성의 발전 모습 (a) 1~3호 (b) 4~7호 (c) 8~12호 (d) 13~15호 ⓒ
고우즈와 같은 정지궤도 위성은 그 공전 주기가 지구의 자전 주기와 같습니다. 그래서 지구 표면의 특정 지역을 하루 24시간 동안 언제든지 관측할 수가 있습니다. 기상 관측 위성이라고는 하지만 사실 지상의 구름 사진을 찍는 것이 임무이고 위성에 탑재된 장비도 카메라이므로 엄밀히 말한다면 ‘촬영’이라고 하는 것이 더 올바른 용어가 아닐까 싶습니다. (그림 3)에 있는 그림이 고우즈 8~12호 위성에 탑재된 기상 관측용 카메라입니다.
▲ (그림 3) GOES 위성의 기상 관측용 카메라 ⓒ
이 카메라는 어떤 원리로 지상의 사진을 찍게 되는 것일까요? 그리고 촬영된 영상 자료는 어떻게 지상으로 보내지는 것일까요? (그림 4)에 있는 위성 카메라는 고우즈 것은 아니고 일반적인 위성의 카메라 구조를 나타낸 것입니다. 위성 카메라는 일반적으로 스캔 미러, 렌즈, 필터 또는 분광기, CCD 등으로 구성되어 있습니다. 그리고 렌즈는 보통 하나가 아니고 경통이라는 특수한 통 안에 십여 장 안팎의 렌즈가 세트로 구성이 되어 있습니다.
▲ (그림 4) 위성 카메라의 내부 구조 ⓒ
기상위성에서 사용하는 카메라는 주위에서 흔히 볼 수 있는 디지털 카메라와 기본적인 원리는 동일합니다. 우선 지구의 영상은 기상 관측용 카메라의 렌즈를 통해 입사됩니다. 이때 빛은 스캔 미러라는 거울에 한번 반사된 다음에 렌즈에 들어오게 됩니다.
▲ (그림 5) 기상 관측 카메라가 지구를 찍는 순서 ⓒ
위성에서는 사진을 찍을 때, 전체를 한꺼번에 찍는 것이 아니고 스캔 미러를 움직여서 전체 화면을 비로 쓸 듯이 나누어서 촬영합니다. 그 이유는 사진의 해상도를 좋게 하기 위해서인데 (그림 5)처럼 전체 사진을 한 순간에 찍는 것이 아니고 위에서 아래로 한 줄씩 카메라의 스캔 미러를 움직이면서 사진을 찍게 됩니다.
단, 이렇게 하면 사진의 해상도는 좋아지지만 사진의 처음 부분과 끝 부분 사이에는 약 20분 정도의 시간 차이가 생기게 됩니다. 따라서 만약에 여러분이 12시 정각에 찍은 구름 사진을 보았다면 그것은 위성의 스캔 미러가 지구 중심을 지나갈 때의 시각이 12시라는 의미입니다.
스캔 미러를 거쳐서 렌즈에 들어온 빛은 분광기 또는 필터를 거치면서 여러 색깔의 빛으로 분해 됩니다. 여러분은 과학 시간에 ‘프리즘’과 ‘스펙트럼’에 대해서 배우셨을 것입니다. 태양 빛은 스펙트럼이라는 여러 가지 색깔의 빛이 혼합된 것이고 그것을 분해해서 보려면 프리즘이 필요하다고 배웠을 것입니다.
하늘의 무지개를 보면 일곱 가지 색깔로 태양 빛이 분해 되는 것을 볼 수 있습니다. 기상 관측 카메라의 분광기 또는 필터가 하는 작용이 바로 태양 빛을 분해해서 보고 싶은 파장 대역의 빛만을 걸러내는 것입니다.
필터를 통과한 각각의 빛 하나하나를 ‘채널’이라고 합니다. 고우즈 위성의 기상 관측 카메라는 다섯 개의 ‘채널’을 관측하고 있는데, 이 말은 태양 빛을 분해해서 그 중에 다섯 종류의 파장 영역만을 촬영한다는 의미입니다.
그런데 태양 빛에는 빨주노초파남보 일곱 가지 색깔만 있는 것은 아닙니다. 우리 눈에 보이는 이 일곱 가지 색깔 외에도 적외선, 자외선, 전파 등이 혼합되어 있습니다.
일곱 가지 색의 빛은 우리 눈에 보이기 때문에 가시광선이라고 하고, 붉은 색보다 파장이 긴 빛을 붉은 색 밖이라는 의미에서 적외선, 보라색보다 파장이 짧은 빛을 보라색 밖이라는 의미에서 자외선이라고 합니다.
보통 저궤도이건 정지궤도이건 관측 위성의 카메라에서는 분광기나 필터를 이용해서 원하는 파장 대역만을 관측하게 됩니다. 기상 위성에서도 필요한 파장 영역만을 관측하는데, GOES 위성에서는 한 개의 가시광선 영역과 네 개의 적외선 영역을 관측하고 있습니다. 이것을 좀 어렵게 표현해서 한 개의 VI (Visual) 채널과 네 개의 IR (Infrared) 채널을 가지고 있다고 말하는 것입니다.
그러면 VI 채널과 IR 채널로 지구 사진을 찍으면 어떻게 다르고 각각 무엇을 알 수 있는 것일까요? (그림 6)은 고우즈 위성과 같은 정지궤도 기상위성인 일본의 GMS 위성에서 찍은 사진입니다.
가장 왼쪽이 가시광선 영역의 사진이고 나머지는 적외선 채널 사진입니다. 같은 지역을 찍은 사진이라도 관측하는 채널에 따라 이렇게 조금씩 다른 모습의 사진이 나오게 됩니다.
단, 이렇게 하면 사진의 해상도는 좋아지지만 사진의 처음 부분과 끝 부분 사이에는 약 20분 정도의 시간 차이가 생기게 됩니다. 따라서 만약에 여러분이 12시 정각에 찍은 구름 사진을 보았다면 그것은 위성의 스캔 미러가 지구 중심을 지나갈 때의 시각이 12시라는 의미입니다.
스캔 미러를 거쳐서 렌즈에 들어온 빛은 분광기 또는 필터를 거치면서 여러 색깔의 빛으로 분해 됩니다. 여러분은 과학 시간에 ‘프리즘’과 ‘스펙트럼’에 대해서 배우셨을 것입니다. 태양 빛은 스펙트럼이라는 여러 가지 색깔의 빛이 혼합된 것이고 그것을 분해해서 보려면 프리즘이 필요하다고 배웠을 것입니다.
하늘의 무지개를 보면 일곱 가지 색깔로 태양 빛이 분해 되는 것을 볼 수 있습니다. 기상 관측 카메라의 분광기 또는 필터가 하는 작용이 바로 태양 빛을 분해해서 보고 싶은 파장 대역의 빛만을 걸러내는 것입니다.
필터를 통과한 각각의 빛 하나하나를 ‘채널’이라고 합니다. 고우즈 위성의 기상 관측 카메라는 다섯 개의 ‘채널’을 관측하고 있는데, 이 말은 태양 빛을 분해해서 그 중에 다섯 종류의 파장 영역만을 촬영한다는 의미입니다.
그런데 태양 빛에는 빨주노초파남보 일곱 가지 색깔만 있는 것은 아닙니다. 우리 눈에 보이는 이 일곱 가지 색깔 외에도 적외선, 자외선, 전파 등이 혼합되어 있습니다.
일곱 가지 색의 빛은 우리 눈에 보이기 때문에 가시광선이라고 하고, 붉은 색보다 파장이 긴 빛을 붉은 색 밖이라는 의미에서 적외선, 보라색보다 파장이 짧은 빛을 보라색 밖이라는 의미에서 자외선이라고 합니다.
보통 저궤도이건 정지궤도이건 관측 위성의 카메라에서는 분광기나 필터를 이용해서 원하는 파장 대역만을 관측하게 됩니다. 기상 위성에서도 필요한 파장 영역만을 관측하는데, GOES 위성에서는 한 개의 가시광선 영역과 네 개의 적외선 영역을 관측하고 있습니다. 이것을 좀 어렵게 표현해서 한 개의 VI (Visual) 채널과 네 개의 IR (Infrared) 채널을 가지고 있다고 말하는 것입니다.
그러면 VI 채널과 IR 채널로 지구 사진을 찍으면 어떻게 다르고 각각 무엇을 알 수 있는 것일까요? (그림 6)은 고우즈 위성과 같은 정지궤도 기상위성인 일본의 GMS 위성에서 찍은 사진입니다.
가장 왼쪽이 가시광선 영역의 사진이고 나머지는 적외선 채널 사진입니다. 같은 지역을 찍은 사진이라도 관측하는 채널에 따라 이렇게 조금씩 다른 모습의 사진이 나오게 됩니다.
▲ (그림 6) GMS 위성에서 찍은 가시광선과 적외선 채널 사진 ⓒ
우선 가시광선 채널로 사진을 찍게 되면 사람의 눈으로 보는 구름의 형상이나 움직임과 동일한 영상이 찍히게 됩니다. 그러면 지상에 있는 사용자들은 이 사진을 보고 구름의 생성과 소멸 이동 상황을 알 수가 있게 되지요.
고우즈 기상위성이 가지고 있는 네 개의 적외선 영역 채널 중에서 촬영하는 빛의 파장 대역이 3.7~4.0μm (마이크로미터, 백만분의 일 미터)인 채널은 주로 야간의 하층운이나 안개, 화재 탐지, 해수면과 지표면의 온도 추정에 사용됩니다.
또 파장 대역이 6.5~7.0μm인 채널은 대기 상층의 수증기량 측정, 대류권 상층의 흐름과 바람 방향 측정에 사용됩니다. 그리고 파장 대역이 각각 10.2~11.2μm, 11.5~12.5μm인 두 개의 채널은 황사나 화산 구름의 이동 같은 기타 특정한 용도에 사용됩니다.
▲ (그림 7) 선형(일자형) CCD 소자 ⓒ
이 처럼 몇 가지 파장 대역을 걸러내는 필터를 통과한 빛은 필름 대신에 CCD(Charged Coupled Device)라는 전자 부품에 닿아서 상을 맺게 됩니다. 이 CCD라는 부품은 빛 신호를 전기 신호로 바꾸어 주는 기능을 하는데, 우리가 사용하는 디지털 카메라에서도 필름 대신에 CCD가 영상을 전자 파일로 바꾸어 줍니다.
CCD 소자는 사진에 보는 것처럼 일자형과 평면형이 있는데, 일자형이 구형이기는 하지만 아직까지 인공위성에서는 일자형이 많이 사용되고 있습니다. 왜냐하면 인공위성에서는 부품이 고장 나도 수리를 할 수가 없기 때문에 첨단 부품보다는 고장이 잘 나지 않는 단순한 부품을 많이 사용합니다.
CCD 소자는 사진에 보는 것처럼 일자형과 평면형이 있는데, 일자형이 구형이기는 하지만 아직까지 인공위성에서는 일자형이 많이 사용되고 있습니다. 왜냐하면 인공위성에서는 부품이 고장 나도 수리를 할 수가 없기 때문에 첨단 부품보다는 고장이 잘 나지 않는 단순한 부품을 많이 사용합니다.
▲ (그림 8) 2차원(평면형) CCD 소자 ⓒ
물론 기술이 발전되면서 평면형 CCD의 사용도 점점 늘어가고 있습니다. 또 한 가지 이유. 기상 관측 카메라에서는 영상을 스캔하면서 찍기 때문에 일자형 CCD를 장착하는 것이 데이터 처리할 때에 더 편리한 점도 있습니다.
이렇게 CCD에서 영상이 전기 신호로 바뀌면 위성의 원격 송신기가 이 신호를 지상으로 송신합니다. 그런데 이 때 지상으로 내려오는 영상 신호는 지상 관제소만이 알 수 있는 특별한 형태로 되어 있어서 일반 사용자들은 신호를 수신해도 어떤 내용인지 알 수가 없습니다.
그래서 일반 사용자들도 그 내용을 알 수 있도록 처리 과정을 거치게 되는데 이를 가리켜 ‘관측 데이터 처리(Observed Data Processing)'라고 합니다. 이 과정을 거치고 나온 영상 신호를 GVAR (GOES Variables의 약어, ‘지-바’ 라고 읽습니다.)라고 하는데, 이 신호는 위성으로 다시 송신되어 각 사용자에게 중계가 됩니다.
이를 ‘데이터를 배포한다.’고 합니다. 각 사용자(방송사, 신문사, 학교, 연구소 등등)들은 인터넷에 공개된 GVAR 신호 해석 방법을 숙지하고 있다가 GVAR 신호를 받아서 지구 영상 사진을 만들어 내게 됩니다. 이 과정을 ‘영상을 복원한다.’고 합니다. 결국 이 단계에 이르러서야 우리가 방송에서 보는 구름 사진이 완성되는 것입니다. 여기까지의 경로를 그림으로 그려보면 (그림 9)과 같이 요약할 수 있습니다.
이렇게 CCD에서 영상이 전기 신호로 바뀌면 위성의 원격 송신기가 이 신호를 지상으로 송신합니다. 그런데 이 때 지상으로 내려오는 영상 신호는 지상 관제소만이 알 수 있는 특별한 형태로 되어 있어서 일반 사용자들은 신호를 수신해도 어떤 내용인지 알 수가 없습니다.
그래서 일반 사용자들도 그 내용을 알 수 있도록 처리 과정을 거치게 되는데 이를 가리켜 ‘관측 데이터 처리(Observed Data Processing)'라고 합니다. 이 과정을 거치고 나온 영상 신호를 GVAR (GOES Variables의 약어, ‘지-바’ 라고 읽습니다.)라고 하는데, 이 신호는 위성으로 다시 송신되어 각 사용자에게 중계가 됩니다.
이를 ‘데이터를 배포한다.’고 합니다. 각 사용자(방송사, 신문사, 학교, 연구소 등등)들은 인터넷에 공개된 GVAR 신호 해석 방법을 숙지하고 있다가 GVAR 신호를 받아서 지구 영상 사진을 만들어 내게 됩니다. 이 과정을 ‘영상을 복원한다.’고 합니다. 결국 이 단계에 이르러서야 우리가 방송에서 보는 구름 사진이 완성되는 것입니다. 여기까지의 경로를 그림으로 그려보면 (그림 9)과 같이 요약할 수 있습니다.
▲ (그림 9) 영상 촬영부터 사진을 보기까지의 경로 ⓒ
지금까지 고우즈 기상위성의 구름 사진이 어떤 경로로 만들어 지는지 살펴보았습니다. 앞서 말한 대로 GOES는 미국 해양대기국 소유의 기상위성입니다. 미국 외에도 유럽 연합은 MSG와 Meteosat, 일본은 GMS와 MTsat, 중국은 FY-1, 인도는 INSAT이라는 기상위성을 가지고 있습니다. 러시아도 자체 기상위성을 보유하고 있습니다.
기상위성 개발에서는 상업위성과는 달리 경제적인 이익보다는 공공성이 우선시됩니다. 즉, 기상위성 관측 자료는 이웃 국가들에게 무료로 배포하고 데이터 형식도 공개하여 국가나 소속에 관계없이 누구나 사용할 수 있도록 하는 것이 관례입니다. 즉, 기상위성 자료는 자국의 이익도 위함이지만 근처의 국가들에 대한 봉사의 의미도 포함하고 있습니다.
지금까지 우리나라도 미국과 일본의 기상 데이터를 받아서 써오고 있습니다만, 다행히 우리나라도 곧 그런 기여를 할 수 있는 기회가 다가오고 있습니다. 2008년 말 발사를 목표로 하여 우리나라에서도 정지궤도 기상위성 개발에 착수하였고 현재 진행 중에 있습니다. 2009년부터는 우리 위성의 관측 데이터를 아시아 지역의 여러 나라들이 공유하여 사용하는 모습을 볼 수 있을 것입니다.
[김방엽 항공우주연구원 선임연구원]
(참고 사이트)
http://www.oso.noaa.gov/goes/index.htm
http://www.goes.noaa.gov
http://www.kma.go.kr/weather/picture/sat_data.jsp
http://www.ssd.noaa.gov/
http://www.oso.noaa.gov/operation/goes-satellite.htm
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