중국의 유인우주선 발사, 미항공우주국(NASA)의 화성탐사 등 우주를 향한 인류의 도전은 계속되고 있다. 지금까지 인류의 우주도전사를 소개하는 고정란 "테마로 읽는 인공위성 이야기"를 마련했다. 이 기사를 통해 기상,방송, 첩보 등 다양한 임무를 수행하는 인공위성과 유인우주선들을 만날 수 있을 것이다. [편집자주]

 

  1992년 8월 11일은 무슨 날이었을까요?
이 날짜 신문을 찾아보면 우리나라 최초의 인공위성인 우리별 1호가 발사되었다는 기사가 실려 있을 것입니다. 우리나라 시각으로는 8월 11일 아침 8시였고 국제 표준시로는 8월 10일 밤 11시경이었습니다. 당시 국내 TV 방송국에서는 우리별 1호의 발사 장면을 생중계하기도 했습니다.

우리별 1호 위성은 유럽의 발사체인 아리안 4호 로켓에 실려 남미 기아나의 쿠루 우주센터에서 발사되었습니다. 애석하게도 당시 우리별 위성은 로켓의 주 화물, 즉 일등 손님은 아니었고 주 화물의 옆에 살짝 붙어서 올라가는 부차적인 화물이었습니다.

그렇다면 이날 발사된 아리안 로켓의 주 화물은 어떤 위성이었을까요. 바로 토펙스/포세이돈이라는 이름의 실험용 저궤도 인공위성 이었습니다. 토펙스/포세이돈은 두 대의 위성을 가리키는 말이 아니라 하나의 위성 이름인데 이를 공동 개발한 미국과 프랑스에서 각기 다르게 붙인 이름을 하나로 묶어서 그렇게 부르게 됐습니다.

토펙스/포세이돈 위성은 일반에게는 잘 알려지지 않은 위성이지만 기상학이나 지구물리, 궤도역학을 연구하는 사람들에게는 익히 알려진 위성입니다. 토펙스(TOPEX)라는 이름은 TOPography EXperiment의 약어인데 우리말로 하자면 지형학 실험이라는 뜻이 됩니다. 포세이돈은 잘 알려진 대로 그리이스 신화에 나오는 바다의 신의 이름입니다.

이 위성의 임무가 해수면의 높이를 측정하는 것이었기 때문에 이런 이름이 붙여지지 않았나 싶습니다. 토펙스/포세이돈 위성은 지구관측위성으로써 지형 관측 임무를 띠고 발사되었습니다. 그런데 육지의 지형은 아니고 바다, 그것도 해저 지형이 아니라 시간에 따른 해수면의 높이 변화를 측정하기 위해서 발사되었습니다.

자, 그러면 해수면의 높이를 왜 알아야 했을까요? 인공위성에서 측정한 해수면의 높이에서 어떤 사실을 알아낼 수 있을까요?

여러분은 기상 이변을 논할 때마다 등장하는 "엘니뇨(El Nio)" 또는"라니냐(La Nia)"라는 말을 들어 보았을 것입니다. "엘니뇨"는 바닷물의 평균 온도가 비정상적으로 높아지는 현상, "라니냐"는 반대로 해수 온도가 낮아지는 현상을 의미합니다.

이 말들은 중남미의 태평양 연안의 어부들이 바닷물이 이상하게 따듯해지거나 차가워지는 현상을 두고서 부르던 말이었습니다. 그런데 넓디넓은 태평양 바다에서 나타나는 "엘니뇨"와 "라니냐"의 실체를 처음으로 볼 수 있게 해준 것이 바로 토펙스/포세이돈 위성이었습니다.

액체 상태의 물을 가열하면 부피의 변화가 일어난다는 사실을 여러분은 기억하실 겁니다. 수온이 높아지면 부피가 늘어나고 수온이 낮아지면 부피가 줄어들기 때문에 4C의 물이 가장 부피가 작다는 사실을 어디에선가 배웠거나 들으셨을 것입니다. 바닷물의 경우에도 이 원리가 적용됩니다. 물컵 속의 물에서는 이 변화가 아주 미약하기 때문에 눈에 잘 보이지 않지만 바다에서는 해수면의 높이를 상승시키거나 하강시키는 효과를 가져 옵니다.

물론 그 변화가 그리 크지는 않고 수 센티미터의 해수면 높이 변화를 일으킵니다. 바닷물의 수온이 높아지면 해수면의 높이가 올라가고, 반대로 온도가 낮아지면 해수면의 높이도 낮아지게 되는 것입니다. 정확한 수치는 아니지만 바닷물의 온도가 약 1C 변화할 때 해수면의 높이는 약 4센티미터 정도 변하게 됩니다.

 

▲ (그림2) 토펙스/포세이돈 위성의 관측자료를 처리하여 얻은 1995년 9월과 1997년 9월의 해수의 수온 분포도  ⓒ http://www.sciencetimes.co.kr/

토펙스/포세이돈 위성은 바로 이 수 센티미터에 불과한 해수면의 높이 변화를 측정해서 <그림 2>와 같이 바닷물의 수온 분포를 볼 수 있게 해주었습니다. <그림 2>는 1995년 9월과 1997년 9월의 바닷물의 수온 분포를 나타낸 것입니다.

전체적으로 해수 온도가 일정한 1995년과 달리 1997년에는 남북 아메리카의 태평양 연안의 수온이 3C 이상 높아지는 것을 알 수 있습니다. 이렇게 수온이 높아지는 현상을 "엘니뇨", 낮아지는 현상을 "라니냐"라고 부르는 것입니다.

그러면 도대체 지구 상공 1,366킬로미터나 되는 곳에서 몇 센티에 불과한 해수면의 높이 변화를 어떻게 측정할 수 있을까요? 또 바다에는 계속 파도가 치고 있고 햇빛 때문에 바닷물이 가열되기도 하는데 그건 어떻게 처리하는 것일까요?

토펙스/포세이돈 위성은 아주 짧은 파장을 가진 전파, 즉 극초단파를 지구 표면으로 보낸 다음 그것이 되돌아 올 때까지 걸린 시간을 측정하여 위성과 해수면 사이의 거리를 알아냅니다.

물론 이것을 가능하게 하려면 먼저 위성의 고도가 정확히 얼마인지를 알아야 하겠지요. 수 센티미터의 해수면 높이 변화를 측정하려면 그 높이 변화보다 더 정확하게 위성의 고도를 알 수 있어야 할 것입니다. 토펙스/포세이돈 위성은 1,366킬로미터 상공에서 3센티미터의 미세한 고도 변화까지 감지할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 약 4천 5백만분의 1에 해당하는 정밀도입니다.

잠깐. 고도가 변한다구요? 1,366 킬로미터 상공에 그대로 떠 있는 것 아닌가요? 그럼 위성이 위, 아래로 움직인다는 것인가요?
그렇습니다. 주기적으로 조정을 해주지 않으면 위성의 고도는 원래의 높이에서 위나 아래로 계속 변하게 됩니다. 그 이유는 여러가지가 있는데 고도 약 20,000 킬로미터 이하의 위성에서는 지표면 높이의 불규칙성이 가장 큰 원인입니다.

 

▲ (그림 3) 지구 표면 높이의 불규칙성을 과장해서 나타낸 그림  ⓒ http://www.sciencetimes.co.kr/

 

<그림 3>을 보시기 바랍니다. <그림 3>은 지표면의 불규칙한 높이 변화를 과장해서 그린 것입니다. 항상 둥그런 지구만을 생각했던 분들께는 색다른 그림이 될 것입니다. 이 그림에서 녹색으로 나타난 부분이 지표면의 평균 높이에 해당하고 붉고 진한 분홍색으로 갈수록 지표면이 높아지는 곳입니다.

반대로 파랗고 보라색으로 표시된 부분은 평균 지표면 보다 높이가 낮은 곳입니다. 이렇게 지표면의 높이가 높은 곳과 낮은 곳이 있기 때문에 지구 중력의 차이가 생겨서 위성의 고도 변화를 유발하게 되는 것입니다. 지상에서는 이런 특징을 이미 알고 있기 때문에 측정한 데이터를 지상에서 처리할 때 이로 인한 오차를 보정할 수가 있습니다.

4천 5백만분의 1이라는 아주 정확한 위치 정밀도를 얻기 위해서 토펙스/포세이돈 위성은 우주용 GPS수신기와 DORIS (도리스)라는 이름의 항법신호 수신기를 탑재하고 있습니다. GPS 수신기는 항법신호 위성인 GPS위성의 신호를 받아 현재 위치를 알 수 있도록 하는 장치입니다.

GPS 위성에 대해서는 다음 기회에 좀더 자세히 다루어 보도록 하겠습니다. DORIS 역시 GPS위성과 유사한 항법신호를 발생하는 장치인데, GPS 위성을 지상에 고정시켰다고 생각하면 됩니다. 위성의 DORIS 수신기는 전 세계 수십 곳에 퍼져있는 DORIS 송신기의 항법신호를 수신하여 위성의 위치를 파악하게 됩니다.

DORIS 가 GPS와 다른 점이 두 가지 있습니다. 하나는 DORIS에서는 항법 신호 송신기가 지상에 설치되어 하늘을 향해 전파를 송신하기 때문에 지상에서는 신호를 수신할 수 없다는 점입니다. 또 하나는GPS에서는 전파의 왕복 거리를 직접 측정하는 반면에 DORIS에서는 위성에서 수신하는 전파의 도플러 효과를 측정해서 위성의 궤도를 계산한다는 점입니다.

위성의 위치를 파악하는 방법에는 여러 가지가 있는데 전파나 레이저 광선을 보내서 그 왕복 시간을 측정하는 방법, 레이더로 추적하는 방법, 광학 망원경으로 촬영하는 방법 그리고 DORIS처럼 도플러 효과를 이용하는 방법 등이 있습니다. 

 

▲ (그림 4) DORIS 시스템의 지상 비콘 송신소  ⓒ http://www.sciencetimes.co.kr/

이 처럼 여러가지 방법들이 사용되고는 있지만 공통적인 것은 위성 추적의 기준이 되는 지상 추적소나 전파 송신소의 위치를 먼저 정확히 알고 있어야 한다는 점입니다. 정지궤도 위성의 경우에는 한 곳의 추적소만으로도 24시간 동안 추적할 수 있지만 토펙스/포세이돈 같은 저궤도 위성들은 전 지구 표면을 돌아다니고 있기 때문에 이들의 궤도를 정확히 추적하기 위해서는 지상 추적소가 전 지구 곳곳에 넓게 분포되어 있어야 합니다. <그림 4>에 표시된 붉은 점들이 바로 전 세계에 퍼져 있는 DORIS 전파 송신소를 나타냅니다.

GPS와 DORIS 수신기를 사용하여 항법 신호를 수신한 다음에는 더욱 정밀한 위치 결정을 위해 후처리 보정 작업을 거치게 됩니다. 후처리 보정 작업은 대개는 소프트웨어로 처리하게 되는데, 여러 개의 측정 데이터를 모아서 유난히 오차가 큰 데이터는 버리고 측정이 잘 된 것들만을 골라서 복잡한 컴퓨터 처리 과정을 거쳐 최종 측정 결과를 뽑아냅니다.

앞 서 언급한 파도에 의한 높이 변화나 태양 빛에 의한 변화 역시 이 과정에서 소프트웨어적으로 보정하게 됩니다. 즉, 동일한 지역을 측정한 여러 데이터를 비교하여 파도에 의한 것이라고 판단되는 것들은 제거하고 잔잔할 때라고 생각되는 자료만을 사용하게 됩니다.

또 한 매일 같은 시간대의 측정값들을 비교하면 햇빛에 의한 높이 변화 효과도 역시 제거할 수 있기 때문에 순수하게 해수면의 온도 변화에 의한 높이 변화만을 뽑아낼 수가 있습니다. 게다가 햇빛에 의한 온도 상승은 바닷물의 아주 얕은 곳까지만 영향을 주기 때문에 전체적인 해수면의 높이 변화를 유발할 정도에는 못 미치게 됩니다.

2003년 12월 현재, 예상 운용 수명의 두 배를 넘긴 토펙스/포세이돈 위성은 그 임무를 후속 위성인 JASON-1(제이슨-1)에게 넘겨주고 서서히 퇴역을 준비하고 있습니다. 토펙스/포세이돈 위성은 우리에게 "엘니뇨"와 "라니냐"를 보여주기는 했지만 그것이 발생하는 원인까지 가르쳐 준 것은 아닙니다.

그 발생 원인을 밝혀내는 것은 어디까지나 기상학과 지구물리를 연구하는 과학자들의 몫이겠지요. 인공위성은 우주에서지구를 바라보는 새로운 창문을 제공하는 것으로 그 역할을 묵묵히 수행할 뿐입니다.

[김방엽 항공우주연구원 선임연구원]

2004.03.31 17:10


※ 출처 - http://www.sciencetimes.co.kr/ (사이언스타임즈)