지구를 이해하기 위한 유럽 우주국의 노력

지구계란 지구의 구성요소들이 서로 독립된 상태로 영향을 주고받는 체계를 일컫는다. 예를 들면 지구에 사는 모든 생물을 일컫는 생물권, 지표면에서 약 1,000km 높이까지 분포하는 대기권, 지구상의 모든 물을 일컫는 수권, 그리고 지구의 지각과 내부를 포함하고 있는 지권 등은 서로 영향을 주고받으며 순환하고 있다. 상호 의존성이 높은 이 순환 과정들은 매우 역동적이며 복잡하다. 따라서 지구계의 복잡성과 인간 활동이 지구에 미치는 영향을 이해하는 것은 엄청난 과학적 도전이다.

하지만 지구 온난화로 대표되는 인류가 직면하게 될 문제에 관해서 효과적으로 대응하며 앞으로 지구가 어떻게 변화할지를 더 잘 예측하려면 지구에 관해서 더 많이 배우는 것이 중요하다. 이러한 요구에 부응하기 위해서 유럽 우주국(ESA)은 이미 1966년 지구 관측 관리국 (ESA Centre for Earth Observation)를 설립한 후 수많은 지구 관측 임무들을 성공적으로 수행하며 지구에 관해서 한 발짝씩 더 나아가고 있다. 대표적으로, Living Planet Programme의 일환으로 진행되고 있는 지구 탐험가 임무(Earth Explorers)와 지구 관측 임무(Earth Watch)들을 들 수 있다.

지구 탐험가 임무들은 최신 기술들을 도입하면서 현재 인간이 당면하고 있는 지구 관련 과학적 과제를 해결하기 위해서 고안된 임무들이다. 위 과학적인 과제를 해결하고 이에 관한 해답을 제공함으로써 지구의 식량, 물, 에너지 및 자원의 가용성, 건강 및 기후 변화와 같은 향후 수십 년 동안 인류가 직면하게 될 문제들을 해결하고 있다. 이미 진행된 임무들의 경우 계속해서 과학적 결과들을 제공하고 있으며 모두 예외 없이 애초 예상했던 목표를 뛰어넘었다.

11번째 지구 탐험가 임무의 주인공은?

2021년 현재 GOCE, SMOS, CryoSat-2, Swarm, 그리고 Aeolus등의 5개 임무를 수행하였거나 수행 중이며, EarthCARE, BIOMASS, FLEX, FORUM, 그리고 Harmony등의 5개 임무가 승인을 받아서 가까운 미래에 발사를 준비하고 있다. 2020년 5월 유럽 우주국은 11번째 지구 탐험가 임무에 관한 제안서를 받기 시작했으며, 총 15개의 임무가 제출되었다. 유럽 우주국의 지구 관측 자문위원회(ESA’s Advisory Committee for Earth Observation)은 깊이 있는 자체 조사를 거친 후 Cairt, Nitrosat, Seastar 및 Wivern등의 총 4개의 새로운 임무들이 최종 임무에 포함되어야 한다고 권고했으며 유럽 우주국이 이를 수락함으로써 이들의 본격적인 경쟁이 시작되었다.

이중 첫 번째로 후보에 포함된 Cairt (changing-atmosphere infrared tomography: 대기 변화에 관한 적외선 단층 촬영) 임무는 약 5 ~ 120km의 고도 높이에서 기후 변화, 대기 화학 그리고 역학 등의 관계를 밝히며 이를 이해하기 위한 미션이다. 기존의 위성에서는 불가능했던 대기 순환, 대기 구성 그리고 지역의 기후 변화 등을 한꺼번에 관측하는 데에 초점을 맞추고 있으며 위 임무는 우주에서 첫 번째로 푸리에 변환 적외선 촬영을 이용하는 limb-sounder가 될 것이다.

두 번째로 후보에 포함된 Nitrosat은 지구 대기에서 가장 중요한 두 가지 질소 화합물인 이산화질소(NO2)와 암모니아(NH3)를 측정할 예정이다. 이산화질소는 해로운 대기 오염 물질이며 오존 및 미립자 물질의 전구체가 된다. 또한, 암모니아는 미세한 에어로졸 입자들을 오염시킬 수 있는 물질이다. 두 화합물 모두 탄소와 질소 순환 사이의 상호 작용을 통해서 기후 변화에 큰 영향을 미치고 있다. 따라서 위 임무는 앞으로 인류가 나아가야 할 환경 정책과 관련이 있으며 사회적으로도 중요한 임무가 될 것이다.

세 번째로 후보에 포함된 Wivern (Wind velocity radar nephoscope: 풍속 레이다 측운기)미션은 구름 속의 바람 속도와 구름의 이동속도를 측정하며 비, 눈, 및 얼음 등의 분포 단면도를 제공하게 될 세계 최초 구름 관측 미션이다. 따라서 위 미션의 주요 목표는 일기 예보의 개선에 있으며 수치 기상 예측 (Numerical weather prediction) 모델에 적용할 수 있는 결과를 얻을 수 있으리라 기대된다. 세계 기상기구(WMO: World Meteorological Organization)에 따르면, 폭풍 등의 기상 현상은 날씨 관련 위험 중 가장 큰 경제적 손실을 입히고 있으며 지난 10년 동안 대략 5천억 달러 이상의 피해를 초래했다고 한다. 위 임무가 최종 선택된다면 2018년 8월에 발사된 바람 관련 관측 미션 Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission)과 함께 지구의 바람에 관해서 관측할 수 있으리라 여겨진다.

마지막으로 후보에 포함된 Seastar임무는 11번째 지구탐험가 미션의 후보들 중 유일하게 해양 관련 미션이다. 위 임무는 높은 해상도와 정확도로 해안과 대륙붕 지대에서의 국소적인 해양 표면 역학에 관한 관측을 수행할 예정이며 해양의 먹이 사슬을 지원하는 1차 생산성과 관련된 대기와 해양 간의 상호작용을 자세히 이해하고자 하는 미션이다. 관측을 위해서 각 채널에 수신된 신호의 위상을 이용하며 두 개의 안테나가 포함된 squinted along-track interferometry가 이용될 예정이다.

각각의 미션들은 이미 과학적인 준비 수준을 더욱 높이기 위한 ‘단계 0’에 진입하였다. 위 네가지 미션들이 유럽 우주국의 첫 관문을 통과함과 동시에 사전 타당성 조사가 시작되었으며, 대략 2023년에서 2025년 사이에 한 차례 더 경쟁이 이루어질 전망이다. 위 경쟁에서 승리하게 되면 ‘단계 A’에 진입하게 되며 이를 통과하면 최종 미션으로 선정이 되어 대략 2031년에 발사될 전망이다.