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Korea Institute of Ocean Science & Technology

해양의 움직임을 보는 새로운 국제 동향

  • 조회 : 4656
  • 등록일 : 2015-10-02
해양의 움직임을 보는 새로운 국제동향.pdf 바로보기
해양의 움직임을 보는 새로운 국제 동향
 

대양에서 서로 다른 물이 섞일 때 경계면에서 미세구조(fine structure)가 생겨난다. 이 미세구조는 지구의 기후를 변화시키는 중요한 요인인 대규모의 열염순환을 이해하는 데 있어 매우 중요하므로, 그 2차원 및 3차원적 영상화는 해양물리분야에서 중요한 연구과제다.
Seismic Oceanography(SO)는 탐사지진학(혹은 탄성파탐사)과 해양물리학을 융합한 새로운 분야로, 해저면 아래 석유 부존구조를 탐사하는 등을 목적으로 지하의 지질구조를 영상화하고 그 특성을 파악하기 위해 이용했던 해양 다중채널 탄성파(MCS) 반사법 탐사를 해양의 미세한 열염구조를 파악하는 데에 응용하는 것이다. 탄성파 탐사방법으로 지하의 음속구조를 영상화하는 것은 굴절되어 되돌아오는 탄성파 신호를 이용하는 ‘탄성파 토모그래피’로써 가능하며 널리 사용되고 있다. 하지만 바닷물의 경우 혼합층 아래에 수온약층이 존재하는데, 수온약층에서는 음속이 위의 혼합층에서보다 감소하므로 굴절파 토모그래피를 적용하기 어렵다. 따라서 SO에서는 탄성파 굴절자료 대신 MCS자료를 이용하게 된다. MCS 탐사 시에는 바닷물 속에서 에어 건을 이용해 고압의 공기를 방출한다. 방출된 공기가 물속에서 팽창과 수축을 반복하면서 그 진동으로 음파가 만들어지는데, 이것이 해저면 아래로 전파되어 음향 임피던스(지층의 밀도와 속도의 곱으로 표현되는)가 변하는 경계면에서 반사되어 되돌아온다. 이 되돌아온 반사파를 기록하여 처리하면 지하의 구조를 단면으로 볼 수 있게 된다. 
지난 수십 년 동안 MCS 탐사는 해저면 아래의 지질만이 관심의 대상이었으므로 그 위의 바닷물에서 반사된 신호에 대해서는 관심을 갖지 않았다. 하지만 미국 와이오밍대학의 홀브룩은 MCS탐사법으로 얻은 자료로부터 바닷물 내의 구조가 나타나는 것을 우연히 발견하고 이를 영상화할 수 있음을 보임으로써 새로운 해양과학분야를 제시했다.
바닷물의 온도변화는 음향임피던스를 변화시키므로 탄성파 단면에서 영상화된 반사면은 바닷물의 열구조를 나타내며, 반사된 탄성파를 이용하여 바닷물의 구조를 매우 정밀하게 영상화할 수 있다. 일반적으로 탄성파 단면에서 신호를 그리는 수평범위는 10m 이내이며, 탄성파의 파장과 자료처리 기술을 고려하면 수 백km 측선을 따라 수평 및 수직 방향으로 바닷물을 10m 이내의 간격으로 관측하는 셈이 되므로, 그 분해능은 제한된 수의 정점에서 수행되는 기계적 관측결과에 비해 월등하다고 할 수 있다. 부연하면, SO는 지구물리와 해양물리를 융합한 연구분야로서 해양물리장비만을 사용하여 온도와 염도 등을 관측하는 것이 아니라, 음파가 전파하는 넓은 영역에서 해양의 구조를 자세히 영상화하여 파악하는 기술로 제시되어 활용되고 있다.

SO 적용사례
SO를 주도하는 연구자 대부분은 주로 대서양과 지중해 그리고 북미 해역을 대상으로 연구하는 북미와 유럽의 과학자들이다. 있다. 대서양의 경우, 북극과 고위도에서 만들어진 차가운 수괴와 멕시코만에서 만들어진 따뜻한 바닷물의 움직임에서 알 수 있듯이 온도와 염도가 다른 바닷물이 혼재되어 일으키는 열염순환이 매우 활발하다. 홀브룩 등이 SO를 연구한 초기에는 탄성파자료의 처리 분야에서 가장 기본적인 방법만 적용하여 바닷물의 구조를 파악하였으나, 최근에는 탄성파자료의 디컨볼루션과 파동방정식을 이용하는 구조보정 등, 처리기술을 적용하여 바닷물의 구조를 더욱 자세하고 정확히 영상화하고 있다. 나아가 SO는 온도와 염도구조 그리고 저탁류 등을 파악함으로써 해양 모니터링 기술로 발전하고 있다. 
발전된 SO의 가장 인상적인 성과 중 하나는 지중해에서 만들어져 대서양으로 혼입된 바닷물을 영상화한 것이다. 지중해에서 만들어진 따뜻한 고염수는 이베리아 반도의 남단을 따라 지브롤터 해협 밖으로 빠져 나와 대서양에서 소용돌이를 만드는데, 파펜베르크는 상용 탄성파 자료처리 소프트웨어에서 제공하는 고도의 기술을 적용하여 이것을 영상화하였다. 탄성파 단면에서 지중해의 고염수 소용돌이는 렌즈모양으로 잘 나타나고 있으며(그림 2a), XBT로 측정한 온도를 탄성파 단면에 겹쳐 그려보면 고온 이상대와 이 소용돌이가 정확히 일치함을 볼 수 있다(그림 2b). 그는 여기서 더 발전하여 실험적으로 구한 음속-온도-염도의 관계식을 이용하여 온도와 염도구조를 계산함으로써 미세구조를 한층 자세히 볼 수 있게 했다. 그림 3a와 3b는 이렇게 구한 온도와 염도로서 소용돌이 안과 밖의 자세한 구조를 보여주는데 특히, 소용돌이 위에 고염수가 매우 가는 선 모양으로 확산되는 것을 알 수 있다.

 

그림 1. 대서양에서 얻은 탄성파 단면으로서 수층 내에서 보이는 반사면이 대서양 바닷물 (Atlantic water)과  그 아래에 북극지방에서 남하한 차가운 노르웨이 해 심층수(NSDW)간의 경계면을 표현한 것이다.

그림 1. 대서양에서 얻은 탄성파 단면으로서 수층 내에서 보이는 반사면이 대서양 바닷물 (Atlantic water)과 
그 아래에 북극지방에서 남하한 차가운 노르웨이 해 심층수(NSDW)간의 경계면을 표현한 것이다. 
(출처: Holbrook의 자료, http://www.unols.org/sites/default/files/S.Holbrook.3DMCSW.pdf)


아시아권에서는 중국과 일본에서 SO를 적용하는 사례가 증가하고 있다. 중국에서는 중국본토의 주변 바다 중 심해환경을 지닌 남중국해를 중심으로 SO를 수행하여 남중국해 내에도 250 ~ 600m 깊이에 해류가 렌즈모양의 수괴를 이루고 있으며, 그 직경이 무려 60km에 달한다는는 것을 파악하였다. 일본에서는 일본 근해에서 따뜻한 쿠로시오 해류가 찬 바닷물과 만날 때 일어나는 움직임을 연구하고 있다.
 앞의 예에서 보듯이 SO의 주요 장점 중 하나는 빠른 시간 내에 넓은 범위에서(수 백km 이상) 매우 작은 간격으로 음향반사자료를 얻을 수 있으므로, 연속적인 구조로서 바닷물의 영상을 얻을 수 있는 것이다. 또한, 소용돌이와 같은 중규모의 구조와 미세구조간의 상호작용과 발달과정 등을 구명함으로써 수괴들이 섞이는 원인과 결과를 자세히 설명하는 것이 가능하다. 즉, 에너지가 소용돌이 형태로 중규모구조로부터 미세구조를 거쳐 순차적으로 확산되는 과정을 볼 수 있게 한다.  

 

그림 2. (a) 대서양에서 지중해 기원의 바닷물이 만든 소용돌이를 보여주는 다중채널 탄성파 단면.  (b) 탄성파자료 획득 시 XBT로 관측한 수온을 탄성파 단면에 겹친 그림.

림 2. (a) 대서양에서 지중해 기원의 바닷물이 만든 소용돌이를 보여주는 다중채널 탄성파 단면. 
(b) 탄성파자료 획득 시 XBT로 관측한 수온을 탄성파 단면에 겹친 그림.
(출처 http://seismicatlas.org/entity?id=a3ef5db4-5d07-4bb8-9924-b8bbbd446595)

 

그림 3. 대서양에서 다중채널 탄성파자료를 처리하여 계산한 온도(a)와 염도(b)를 이용하여 영상화한  지중해에서 만들어진 고염수.

그림 3. 대서양에서 다중채널 탄성파자료를 처리하여 계산한 온도(a)와 염도(b)를 이용하여 영상화한 
지중해에서 만들어진 고염수.
(출처: Pepenberg et al., 2010 혹은 http://seismicatlas.org/entity?id=a3ef5db4-5d07-4bb8-9924-b8bbbd446595)


SO가 극복할 점과 발전시킬 분야 
해양물리분야에서 SO가 유용한 과제가 되기 위하여 해결해야 할 네 가지 문제는 다음과 같다. 첫째, SO로 구한 영상들은 등고선으로 표현한 영상과 3차원 축을 이용한 영상과는 달라 익숙하지 않다. 둘째, SO 영상으로부터 얻는 현상들이 XBT나 CTD로 관측하는 것에 어떻게 관련되는지를 정량적으로 파악하는 것이 완전하지 않다. 셋째, 탄성파 반사면은 불연속 경계면으로 인식되지만 해양은 전이구조를 가진다. 넷째, 해양물리학자들이 SO를 탄성파 수층 탐사라고도 부를 수 있듯이 탄성파탐사 방법으로 얻는 바닷물 구조를 지질분야가 아닌 해양물리분야로 설명하는 것이 제한적일 수 있다. 
그럼에도 불구하고, 유체 내에서 밀도의 전이적 변화를 광학적으로 감지함으로써 유체역학분야를 혁명적으로 발전시킨 슐리렌 방법처럼 SO도 물리해양학 분야를 발전시킬 수 있다고 제시하였다. 그 외, SO가 해양물리 혹은 운용해양학 분야에서 표준적으로 사용되는 방법이 되기 위해서는 에어 건의 특성, 다중채널 수신기의 길이와 채널간격, 에어 건과 수신기의 작업 심도, 그리고 발생시키는 음파의 주파수 등 자료획득 변수에 대한 연구가 더 필요하다. 
최근에는 탄성파 자료처리 분야에서 중합전 탄성파 자료 내에 기록된 모든 신호파형들을 이용하는 완전파형역산(FWI: full-waveform inversion)을 이용하는 SO가 연구되고 있다. 이 방법을 이용하면 음속과 밀도로 표현되는 파동방정식을 이용하여 인위적으로 만든 탄성파 자료가 관측된 탄성파자료와 가장 일치할 때까지 바닷물의 음속과 밀도를 반복적으로 구하는 것이 가능할 것이다. 탄성파 중합단면에서 경계면이 수평이 아닐 경우, 그 모양과 위치가 왜곡되는데 경계면을 원래의 위치로 환원시키기 위해 구조보정을 수행한다. 하지만 앞의 그림들에서 보듯이 수괴들의 경계면은 기하학적으로 매우 복잡하다. 탄성파 자료처리 분야에서는 복잡한 경계면을 원래의 모양으로 정확히 영상화하기 위해서 역시간 구조보정(RTM: reverse-time migration)을 사용한다. FWI와 RTM은 상용으로 구입해서 널리 사용하는 탄성파 자료처리 소프트웨어에서 지원하지 않으므로 SO를 위해서는 이 방법들을 개발하여 적용하는 것이 필수적이다. 이러한 기법의 개발은 국제적으로 SO를 선도하는 역량에 직결되므로 연구 인력의 수가 적은 우리나라로서는 지속적으로 지원하여 발전시키는 것이 중요하다고 하겠다.

 

KIOST의 연구사업화 
북미와 유럽의 해양과학선진국들은 대서양을 중심으로 SO를 활발히 진행하고 있으며 홈페이지 운영, 워크샵 등을 통한 정보교류와 공동연구를 진행하고 있다. 아시아에서는 중국과 일본이 남중국해와 홋카이도 해역에서 SO를 수행하고 있다. 이에 비해 우리나라는 해저면 아래를 탐사하기 위한 탄성파자료처리 기술은 뛰어 나지만 SO를 해양과학의 선진국 수준으로 수행한 예가 없다.
한반도를 둘러싼 동해, 서해, 그리고 남해도 바닷물의 움직임이 매우 활발하다. 쿠로시오 해류는 대서양의 멕시코만류 다음으로 규모가 큰 난류로서 제주도 남쪽에서 동서로 갈라지는데 오른쪽 가지는 대한해협을 거쳐 동해로 그리고 왼쪽 가지는 서해로 들어간다. 따라서 동해에서는 서로 다른 성질을 갖는 난류와 한류가 섞여 해수면 온도 변화가 매우 뚜렷이 나타나고(그림 4) 심층수의 형성과 순환, 용승, 그리고 소용돌이 등이 나타나는데, 이런 현상들은 해양과학분야에서 중요한 대상이다. 더욱이 동해는 대양에 비해 해수의 순환주기가 훨씬 빠르므로 지구온난화에 따른 바닷물의 온도 상승 등 해양환경의 변화가 증폭되어 그 바닷물의 움직임은 흥미로운 연구대상이 된다. 
1994년 이후 KIOST에서는 온누리호에 다중채널 탄성파 탐사장비를 탑재하여 동해, 남해, 그리고 서해에서 많은 양의 자료를 획득하고 있다. 지금까지는 해저면 아래의 지질에만 관심이 있었으므로 해수층에서 반사되어 기록된 신호가 있는지조차 관심을 가지지 않았으나, 이후로는 탄성파자료를 검토하여 해수층 반사 신호가 있는지를 먼저 검토한 후 SO의 적용성을 판별해야 할 것이다.
KIOST에는 탄성파탐사와 해양물리를 연구하는 인력이 있으므로 두 연구 분야 간 시너지 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다. 또한 국내 대학에는 탄성파자료의 FWI를 국제적으로 이끌고 있는 수준의 연구진이 있으므로 KIOST와 국내 대학이 협력하여 SO를 성공적으로 수행할 수 있을 것으로 기대한다. EU와 북미가 많은 전문연구인력이 국제적으로 협력하여 SO를 수행하고 있음에 비해 우리나라는 해양 탄성파탐사 인력과 장비가 부족할 뿐만 아니라 중국 혹은 일본과의 공동연구과제를 통한 연구도 현실적으로 어렵다. 따라서 우리나라에 SO를 수행할 경우 제한된 인력과 장비로써 가장 효율적으로 수행하는 방안을 찾아야 할 것이다. 

 

그림 4. 동해의 해수면 온도

그림 4. 동해의 해수면 온도
(출처: www7320.nrlssc.navy.mil/global_ncom/glb8_3b/html/soj.html)


 

글 | 관할해역지질연구센터 김한준 책임연구원
 



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최종수정일 :
2021-02-17