특집해양물리학 해류와해양순환 김구 나한나 남성현 박종진 김윤배 박경애 머리말바다에해류와순환이없다면지구는어떤상태에있을까? 단순한호기심의차원을떠나 해류가인류의삶에어떤영향을주는가? 하는질문이사회적인문제로심각하게대두된것은오래되지않는다. 이제는일반인에게도비교적익숙한 엘니뇨 는태평양의날짜변경선의동쪽에위치한적도해역의표층수온이예년에비하여불과섭씨 2도정도높아지는현상이다. 그러나이와같이작은수온의변화가전지구적으로대기와해양의이상변동을일으켜어장이황폐하고, 예상하지않은가뭄과홍수를일으키며, 태풍과허리케인의발생과이동경로를바꾸어전세계적으로막대한인명과재산의피해를주는것을알게된것은 1990년대이다. 그렇다면태평양동적도해역에서수온이상승하는이유는무엇일까? 적도해역에설치한실시간해양관측망과인공위성을이용하여수집한자료를분석한결과에의하면, 평상시적도태평양을동에서서로흐르는표층해류가방향을바꾸어서에서동으로흐르면서서쪽에있던섭씨 28도이상의고온표층수가동쪽으로이동하여엘니뇨가시작된다. 해류와해류가이어져만드는해양순환을이해하는것이왜중요한가를보여주는좋은예이다. 해류의측정방법은크게두가지로나눌수있다. 오일러방식 (Eulerian) 은, 고정된위치에설치한장치를이용하여유속을측정하는방법으로, 유속계, 음파해류계, 고주파레이 더가이에포함된다. 라그랑지방식 (Lagrangian) 은부표와같이바다에띄워놓은물체가이동하는위치를측정함으로써유속을산출한다. [1] 표층뜰개, 연직관측용뜰개가이에속한다. 유속계 (Current Meter) 특정한수심에유속계를설치하고프로펠러의회전수로유속을, 나침반으로유향을측정한다. 측정간격은 1초 ~ 수시간등다양하게조절할수있다. 유속계를수심별로여러개설치하면 ( 그림 1), 수심별로해류의시간적변화를알수있다. 음파식해류계 (Acoustic Doppler Current Profiler) 1980 년대에이르러본격적으로개발되기시작한음파식해 수중부표 유속계 김구교수는미국 MIT 와 Woods Hole 해양연구소이학박사 (1975) 로서미국 Princeton 대학교 (1975-1976), 미국 Rhode Island 대학교 (1976-1978), 미국 NOAA(1983-1985) 에서연구원을지냈고, 1978 년부터서울대학교교수로재직중이다. (kuhkim@ocean.snu.ac.kr) 나한나는서울대학교대학원지구환경과학부석사과정에서연구중이다. 남성현, 박종진, 김윤배는서울대학교대학원의박사과정에서연구중이다. 박경애박사는서울대학교대학원이학박사 (1996) 로, 현재서울대학교지구환경과학부 BK21 사업단초빙연구원으로있다. 그림 1. 유속계의계류모식도. 수중부표유속계음향분리장치 ( 회수용 ) 계류추 2 물리학과첨단기술 November 2004
그림 3. 음파식해류계. 그림 4. 음파식해류계의해류측정모식도. 그림 2. 울릉도-독도해역의 1800 m 이상의수심에서유속계계류관측으로 2002년 11월 ~ 2004년 4월에측정한조류성분을제거한해류벡터. 울릉도쪽정점들의주로남향인흐름과다르게독도인근의 KT, ET에서 5 cm/s 이상의강한북향류가최초로관측되었다. 류계는고정된주파수의음파를수중에서송신하고음파산란물체로부터되돌아오는반향음을수신하면서발생한도플러효과를이용하여해수의이동속도를측정한다. 미세부유물질이나플랑크톤은수중에서좋은음파산란체역할을한다. 다양한음파식해류계 ( 그림 3) 는서로다른방향을가리키는여러개의원형으로된음원발생기를갖고있어, 삼차원유속을얻을수있다. 네개의음원발생기가있는음파식해류계는수직성분의유속을구하는데 2개를사용하여두값의차이를오차속도로처리함으로써자료의질을평가하는기준으로삼기도한다. [2] 음파식해류계의가장중요한특징은장치하나만으로유속의수직구조를측정할수있다는것이다. 그림 4에서보는것과같이유속의수직구조를수심셀 (depth cells) 이라는일정한조각으로나누면, 각각의수심셀이하나의유속계에의한측정수심에해당된다. 수심셀의크기는사용하는음파의주파수에따라수m에서수백 m로조절되어, 수직적으로일정한간격을유지한다. 유속계가단지한수심에서의유속을측정할수있는반면, 음파식해류계는각수심셀내에서의평균적인해류를측정하여, 유속계보다정확도가높다. 음파식해류계를설치하는방법은크게두가지이다. 위를향하여해저면에고정하거나, 부이에부착한후아래를향하도록계류할수있다. 또는, 배로끌고가면서관측하는이동식방법을통해해류의공간적구조도파악할수도있다. 37 o N 1998 1999 2000 2001 2002 4 4 5 6 7 8 9 101112 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1 2 3 4 5 4 36 o N 35 o N 34 o N Pusan Hamada (10 6 m 3 /s) 해수수송량 3 2 3 2 33 o N Hakata 128 o E 130 o E 132 o E 1 평균수송량 : 2.4 10 6 m 3 /s 1 그림 5. 대한해협의폐기된해저케이블 ( 위그림의검은실선 ) 에유도된전압차 ( 그림 13 참고 ) 를이용하여측정한해수수송량 ( 녹색선 ) 과다수의음파식해류계 ( 위그림의삼각형위치에설치 ) 를사용하여계산한월평균해수수송량 (18개의점 ) 이유효한오차범위 ( 점선 ) 내에서값이잘일치한다. 수송량이계절적으로변동할뿐만아니라, 해에따라크게변함을처음으로보여주는자료이다. 10 6 m 3 /s는 1초에잠실종합운동장을채울수있는수송량이다. 물리학과첨단기술 November 2004 3
바람(풍속, 풍향) 0 20 40 m/s 해류(수심별 유속, 유향) 0 25 50 cm/s 5m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m 80 m 90 m 100 m 그림 6. 강원도 동해시 동해항 앞바다에 설치된 실시간 해양 관측 부이(ESROB; East Sea Real-time Ocean Buoy)의 계류모식도(좌)와 수집된 바람과 해류 자료 예 (우 하단) 및 우측 상단의 사진들은 실제로 해상과 육상에서 실시간 해양 관측 부이의 모습을 담은 것으로 매 시간마다 표시한 막대들의 방향이 해류가 흘러가는 방 향이다.[4] 2001년 4월부터 7월까지 50 m 이상의 깊은 수심에서는 북한한류의 영향으로 대체로 남향류가 우세하고, 50 m 이내의 표층부근에서는 해류변화가 심하나 동한난류의 영향을 크게 받은 4월과 7월에는 북향류가 우세하다. 서울대학교 해양연구소는 난류(동한난류)와 한류(북한한 트류 등을 연구하는 데 잘 활용되고 있다. 류)가 만나 복잡한 해류 변동성이 예측되는 강원도 동해항 앞바다에 실시간 무인 해양 관측 모니터링 부이(ESROB; East Sea Real-time Ocean Buoy)를 설치하고 지속적으로 운 고주파 레이더 (High Frequency Radar) 용 실험 중이다. 수심 130 m에 설치된 이 부이에는 음파식 해류계 뿐만 아니라 기상이나 수온, 염분과 같은 해수 특성 두 지점 이상에 송신 안테나와 수신 안테나를 설치하면 을 측정하는 장비들도 함께 부착되어 종합적인 기상과 해양 해양 표층의 해류 관측이 가능하다. 송신 안테나에서 동심원 의 상태를 감시하고 있다(그림 6). 특히 수집된 자료들은 실 상의 전파를 발사하고, 해양 표면의 파도에 반사되어 돌아오 시간으로 이동전화 통신망(코드분할 다중접속 방식-CDMA) 는 전파를 수신 안테나에서 수신한다. 이렇게 수신된 자료를 을 이용하여 육상의 연구실 서버로 전송함으로써, 양방향으 처리하여 안테나로부터의 방사 방향 유속을 계산한다. 여기 로 해양 상태를 감시하고 필요에 따라 자료수집을 조정할 에 또 다른 장소에 설치된 레이더로부터 얻어진 자료를 합 수 있다. 그림 6의 우측하단에는 실시간 해양 모니터링 부이에서 측 정된 자료들 중에서 바람(풍향, 풍속)과 수심별 해류(유향, 유 속)의 시간에 따른 변화를 나타내었다. 매 시간마다 표시한 막대들의 방향이 해류가 흘러가는 방향이다. 2001년 4월부터 7월까지 50 m 이상의 깊은 수심에서는 북한한류의 영향으로 대체로 남향류가 우세하고, 50 m 이내의 표층부근에서는 해 류변화가 심하나 동한난류의 영향을 크게 받아 북향류가 우 세했다. 실시간 해양 관측 부이에 부착된 음파식 해류계로 측 정된 해류자료는 이 밖에도 해양의 내부파와 취송류, 연안 제 4 물리학과 첨단기술 November 2004 그림 7. 고주파 레이더의 표층 해류 측정 모식도.
그림 10. 서대서양에서의표층뜰개궤적들. 그림 8. 미국 North Carolina Shelf 에서고주파레이더를통해얻은해양표층유속분포. [5] 성하면, 영역이겹쳐지는부분에서이차원유향과유속벡터의공간적인분포를원하는시간마다얻어낼수있다 ( 그림 7). 고주파레이더를통해얻은자료는, 비록표층에국한되지만넓은지역의해류분포를동시에연속적으로관측할수있다. 이러한장점을살려해류의방향이수시로변하는연안지역의해양관측에효과적으로쓰이고있다. 공간적인분포를얻을수있지만고정된한지점에서관측하는방식이기때문에, 고주파레이더를이용한측정방법역시기본적으로오일러식방법에속한다고할수있다. 표층뜰개 (Surface Drifter) 표층뜰개는해류의흐름을따라이동하면서, 수시간간격으로자신의위치와수온을위성에전송하도록만들어진장 그림 11. 연직관측용뜰개의측정모식도. [7] 치이다 ( 그림 9). 일정한시간간격마다전송된위 경도위치자료를모으면해표면에서해류를따라움직이는궤적을그릴수있으며, 이자료는해류를이해하는데중요하게쓰인다. 그림 10은서대서양에띄운많은표층뜰개의궤적이다. 이지역의주요해류인 Gulf Stream 1) 를따라궤적이집중되어있음을알수있다. 연직관측용뜰개 (Profiling Float) 1990년대초반부터뜰개자체의밀도를변화시켜잠수와부상을반복하며자동으로해양의수온을연직적으로관측하는기기 ALACE(Autonomous LAgrangian Circulation Explorer) 가개발되었다. 그후에지속적으로수온이나염분을관측하는기능이보강된뜰개 APEX(Profiling Autonomous Lagrangian Circulation explorer; PALACE, Autonomous Profiling Explorer) 가개발되어널리쓰이고있다. [6] 그림 9. 표층뜰개가해수중에떠있는모양 ( 좌 ) 과투하될때의모습 ( 우 ). 1) 대서양의북서쪽에위치하며, 북동쪽으로흐른다. 고온, 고염분으로너비는 100 km 정도이고, 유속이 1 m/s 이상으로세고해류의깊이가 700-800 m 에달하며유량이방대한것이특징이다. 물리학과첨단기술 November 2004 5
그림 12. 동해에투하된연직관측용뜰개로부터추정한동해북부해역의여름 ( 상 ) 및겨울 ( 하 ) 800 m 수심의해류분포. 이러한뜰개의내부구조는센서, 통신부와전자시스템, 전지, 그리고부력조절을위한부레로이루어져있다. 해양에투하된뜰개는 10초당 0.5 m를하강하여 1000-2000 m의목표수심까지도달한후, 등수압면을따라표류하다가상승한다. 상승하는동안수온과염분을수압에따라관측하여해수면에도달하면이자료를위성으로송신하고다시지상의자료센터로보낸다. 해수면에서수시간동안표층의흐름을따라표류하고, 다시하강하는일을 200회까지반복할수있다 ( 그림 11). 2000년부터전세계 18개국이 ARGO(Array for Real-time Geostrophic Oceanography) 라는지구규모의수온, 염분, 및해류를실시간으로관측하는사업을진행하고있다. 이프로그램의일차적목적은 ARGO 뜰개 라불리는 3000개의중층뜰개를전세계의대양에약 300 km 간격으로투하하여, 표층에서 2000 m까지의수온과염분을관측하는것이다. 우리나라도이프로그램에적극적으로참가하여북서태평양과동해에 APEX 뜰개를투하하고있다. 그림 12는동해에투하된 APEX로부터추정한동해북부역의여름 ( 좌 ) 및겨울 ( 우 ) 철 800 m 수심의해류분포를나타낸다. 간접측정법해저에설치된통신케이블을이용하여간접적으로해류의 그림 13. 부산과하마다사이에설치된해저케이블을이용한해수수송량측정모식도 [8] ( 위 ) 와이로부터측정된자료예 ( 아래 ). 아래그림은동해의 Helmholtz resonance 현상에따라이론적으로구한해수수송량 ( 진한실선 ) 과측정된해수수송량 ( 옅은실선 ) 을함께나타내고있다. 동해의표면에작용하는대기압이변동하면서동해가이에공명함에따라대한해협을통하여유출입하는수송량에 3~5일주기가우세함이대한해협해수수송량자료에서처음으로밝혀졌다. 수송량을추산하는연구가 1940년대이후세계여러해협에서진행되고있다. 지구의자장속에서전기전도체인해수가해협사이를움직이면패러데이 (Faraday) 의법칙에의해해협을가로질러전압차가유도된다. 이전압차를측정함으로써해협을통과하는해수수송량을실시간으로모니터링할수있다. 이때얻은해수수송량은해협전체단면의해류를합한것이다. 이와같은방법으로추정한수송량의변동상 ( 그림 5) 은실제로해류를측정하여산출한수송량과오차범위내에서일치한다. 동해로유입하는수송량의시간적변화는 ( 그림 13) 동해내의순환을규명하는데있어핵심적인정보이다. 근래에는인공위성을이용한해류측정연구가급격히발전하고있다. 1978년 SEASAT 이후, 1992년 TOPEX/POSEIDON, 그리고 2001년 12월에발사된 JASON-1에이르기까지인공위성에장착된고도계 (altimeter) 는우리에게해류에관한정보를전달해주고있다. 고도계에서극초단파를바다로쏘아서되돌아오는시간을측정하여위성과해수표면까지의거리를구하고, 이거리와인공위성의정확한위치정보를고려하여 6 물리학과첨단기술 November 2004
그림 14. TOPEX/POSEIDON 고도계자료로구한전세계해양의해수면변동치 (Color) 와상대해류장 ( 벡터 ). [9] 다시해수면의높이를계산할수있다. 지구자전에의한전향력과압력경도력에의한힘이서로평행을이루며흐르는흐름인지형류는해수면높이와지오이드 (geoid) 면과의차이가공간적으로얼마나기울어져있느냐에의해서결정된다. 최근까지지오이드면에대한자료가부족하여, 인공위성으로얻은해류는해양의절대해류장이아닌평균흐름에대한상대속도장이었다. 그림 14는전대양의해수면변동치와상대해류장을나타낸것이다. 2002년 12 월에지오이드면을정확히관측할수있는 GRACE가발사되어서, 이제전세계대양의절대해류장을실시간으로얻을수있는단계에이르렀다. 따라서향후에는위성을활용한해류측정이더욱활발히활용될것으로기대된다. 맺음말 해류를관측하기위해표류병을띄웠던과거와는달리, 최근관측기술의비약적인발전으로이전보다정확하고정밀한해류측정이확대되고있다. 고정된위치에서해류를측정하는오일러식방법의유속계, 음파식해류계관측이갖고있는공간적인제약은고주파레이더나인공위성방법에의해보완되고있다. 라그랑지식방법의장비에는관측항목이추가되거나, 정확한측정이가능영역이보다깊은수심으로확대되고있다. 특히위성을이용한관측기술및자료전송기술의괄목할만한발전은무인관측장비들이표층부터심층까지자동적으로오르내리거나, 관측한자료를실시간으로전송함으로서누구나인터넷을통해자료를확인하는것을가능하게하였다. 그렇다면, 우리는지구상의해류를얼마나알고있을까? 주로바람에의해발생하는표층해류외에, 밀도차이에의해발생하는심층해류가존재한다는사실을인류가확인한것은불과 50년미만의일이다. 미국의동부연안을따라흐르다북유럽을향하여마치강과같이초속 1 m 정도의속 도로대서양을횡단하는 Gulf Stream과같이강한해류의존재는약 200년전에문헌에기록되었으나, 초속 1 cm 정도의해류를측정하기시작한것이 1970년대초이고, 복잡한해류의역학적해석이가능하게된것도이러한자료가체계적으로수집된후이다. 1970년대후반에수천 m의수심에존재하는초속수 cm 이상의심층해류가알려지면서바다에대한인류의생각은획기적으로바뀌었다. 표층뿐만아니라, 해저까지바다의전층은활발히운동하면서열, 산소및영양염등을이동시키고지구의적절한온도를유지하여다양한생명현상이가능함을인류는비로소알기시작하였다. 그러나지금진행되고있는지구의온난화로인하여이러한해양순환이극적으로바뀔수도있다는가능성이수년전제기되었다. 수온의증가로더가벼워진표층의물은심층으로가라앉지못하고, 심층해류순환의약화는표층순환의약화로이어져지구는점차급격한온도변화의환경에처하게될것임을과학자들은경고하고있다. 북대서양에서저위도와고위도의수온차가점차증가하고, 이상기후가전지구적으로확장되고있음은이러한경고가현실로다가올가능성이매우높음을보인다. 최근해류측정기술의비약적발달은바다에대한인류의이해를높여오는데중요한역할을하여왔다. 지구표면적의 70% 를차지하는평균수심 3800 m의바다는단순한흐름이지속되는고요한공간이아니라, 매우역동적으로움직인다. 다양한해류의정밀측정방법이개발됨에따라지구의마지막자원과생명의보고인해양이그동안수압및암흑의극한상황에숨기었던실제모습을조금씩드러내고있다. 참고문헌 [1] W. J. Emergy and R. E. Thomson, Data analysis methods in physical oceanography (Pergamon 1997). [2] RD Instruments, Principles of Operation: A Practical Primer, 2nd Edition for BroadBand ADCPs (1996). [3] 수중음향특화연구센터, 체계설치및운용을위한물리해양환경파라미터측정및분석, 국방과학연구소.(2004). [4] 해양순환계연구실 ( 국가지정연구실 ), 동해환경변동모니터링및예측연구, 과학기술부 (2004). [5] Miami University, http://storm.rsmas.miami.edu [6] 기상청, ARGO 자료활용도제고기반에관한연구, 한국해양학회 (2002). [7] Argo project, http://www.argo.ucsd.edu/index.html [8] K. Kim, S. J. Lyu, Y.-G. Ki, B. H. Choi, K. Taira, H. T. Perkins, W. J. Teague and J. W. Book, Monitoring volume transport through measurement of cable voltage across the Korea Strait, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, American Meteorological Society (2004). [9] JPL/NASA, http://jpl.nasa.gov 물리학과첨단기술 November 2004 7