2010 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 6 월 3 일 ( 목 )~4 일 ( 금 ) 제주국제컨벤션센터 상선수중소음규제에관한국제동향분석 박철수, 설한신, 문일성 ( 한국해양연구원 ) Abstract 상선수중소음규제에관한국제동향분석최근 10 년간전세계에서운용되고있는상선의크기및대수의증가와더불어상선에의해발생하는수중소음이해양생태계에미치는영향에대한관심이커지고있다. 일부지역에서는상선소음 ( 주로캐비테이션소음 ) 이해양생물 ( 포유류및어류 ) 의생존을위협할수있다는사실이보고되었고, 이와맞물려특정해역을운항하는선박들의수중소음크기를규제하려는움직임을보이고있다. 이러한움직임에대해선박의설계 / 건조를담당하는조선소의적극적인대책이필요하다고판단된다. 본논문에서는상선수중소음에대한국제동향을최근연구결과및논의를중심으로분석하였고, 이에대한기술적 ( 조선공학적 ) 대응에대해살펴보았다. 1. 서론 선박을위시한수중에서발생된인위적인소음이해양생태계에미치는영향에대한문제는 1990 년대이후유럽및미국을중심으로관련학계및기구 ( 단체 ) 등에서활발히제기되어왔다. 이러한문제제기의배경으로는해상물동량의급격한증가에따른상선의대형화와운용대수의증가를들수있다. 실제로 1960 년대중반이후로특정지역의수중배경소음크기가선박의소음이주요한원인으로주목되는저주파대역 (~ 300Hz) 에서 10년에약두배씩증가하였다고보고된바있다 (Andrew et al.2002, McDonald et al.2006). 선박의주요소음주파수대역은상당부분여러종류의해양생물의의사소통, 방향탐지, 정보수집, 먹이활동, 번식활동등에사용되는음향신호주파수대역과겹치는것으로알려져있다 (Fig.1). 따라서선박에의한수중소음의증가가해양생태계에미치는직 / 간접적인영향이충분히예상될수있다. 특히 2000 년대에들어와서는각분야의전문가들이참석한국제회의를통해당면문제및향후대책등의논의가활발하게진행되었다. 그중대 표적인것으로는미국의 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) 가주축이된 NOAA Internal Symposium 을들수있는데, 본심포지엄은 Shipping Noise and Marine Mammals: A Forum for Science, Management, and Technology (Southall 2005) 와 Potential Application of Vessel-Quieting Technology on Large Commercial Vessels (Southall and Scholik-Schlomer 2008) 의주제로 2004년도와 2007 년도에각각개최되었다. 한편유럽에서는 2008년도에 Okeanos (Foundation for the Sea) 가동일한주제로 'International Workshop on Shipping Noise and Marine Mammals'(Wright 2008) 를개최하였다. 또한세계적인동물보호단체인 IFAW (International Fund for Animal Welfare) 에서도수중소음을공해로규정하고이에대한보고서로서 Ocean Noise: Turn it down (IFAG 2008) 을발간한바있다. 이상의국제회의및보고서에서는공히상선특히대형선박에대한수중소음규제에대한필요성을역설하였다. 이에발맞추어 2008 년도부터국제해사기구 (IMO : International Maritime Organization) 의 MEPC(Marine Environment Protection Committee) 에서는선박소음에대한
논의가본격적으로시작되었다. 이러한일련의과정들을통해향후선박소음에대한규제제정가능성이충분히예상되며, 우리나라의조선및해운업계와관련정부기관에서는이러한움직임에주목할필요성이있다. 이에본글에서는기존의연구및국제회의에서논의된내용을중심으로선박소음의문제점을식별하고조선공학적인대책에대해간략히살펴보고자한다. 2. 선박소음개요 (1) 선박에의한수중소음본글에들어가기에앞서해양배경소음으로서의선박소음의특성에대해간략히살펴본다. 소리 (sound) 는매질을통해전파하는파동에너지를일컫는용어이다. 소리는편의상음향신호 (acoustic signal) 와소음 (noise) 으로분류될수있으며, 본글에서음향신호는어떠한형태로든생물학적으로의미가있는소리를의미하며소음은그렇지않은경우를지칭한다. 예를들면특정해양생물의의사소통에사용되는소리는음향신호로분류되며선박에의해발생된소리는소음에해당한다. 수중에는해양환경에의해생성된자연스러운소음과인간에의해인위적으로생성된소음이늘혼재되어있다. 이러한소음을배경소음 (ambient noise) 이라하며, 자연적인배경소음은파도, 조류, 지진, 해양생물, 난류유동및열잡음등에의해생성되며주로바람의세기에따라그크기가증가하는특성을보인다. 반면에인위적배경소음은선박및항공기등의수송수단, 석유 / 가스시추및해상건설작업, 지질조사용음파사용, 학술및군사적목적의소나 (SONAR) 운용등에기인하며 (Richardson et al. 1995), 그중선박에의한배경소음의증가가주목할만하다. 이러한선박에기인하는배경소음성분을선박배경소음이라한다. (2) 해운물동량및선복량증가특성최근전세계해상물동량의증가로인한선박의대형화와운용대수의증가는배경소음으로서의선박소음이차지하는비율을높이는주된원인이 되었다. 전세계해운물동량통계치를살펴보면 1985년부터 1999년까지해운물동량은 50% 증가하여약 5천만톤에달하였다 (Westwood 2002). 또한 MARAD(U.S. Department of Transportation Maritime Administration) 에의하면미국의경우 1981년부터 2001년까지해외해운물동량이약 7 억이천만톤에서약 11억 6천만톤으로증가하였다고한다 (Southall 2005). 이에발맞추어전세계상용선박의수또한증가하였는데, 미국 National Research Council에의하면유조선 (tanker), 살물선 (bulk carrier), 컨테이너선및기타상선은 1950 년대약 30,000 척 (~85,000,000 gross tons) 에서 1998년에는 85,000척 (~525,000,000 gross tons) 으로증가하였다 (NRC 2003). 이때절대척수에비해총톤수의큰증가는기간중선박의대형화를반증한다. 향후세계경제의동향과관련이있겠지만이러한증가추세는계속유지될것으로보이며, 앞으로 20~30 년내에는선박의수가두배정도증가할것으로예상되고있다 (Southall 2004). (3) 선박배경소음의특징 Ross(1976) 는 2차세계대전중운항한선박에대해선박의소음계측결과를바탕으로선박의배수량, 길이, 엔진마력, 선속등의주요특성에따른다양한경험식을개발하였다. 그러나최근의연구결과에따르면 Ross 의경험식이맞지않는경우가빈번히발생하였다 (Heitmeyer et al. 2004). 이의원인으로는그당시와비교하여이후에건조된선박의선형, 추진기, 엔진특성등의변화를우선들수있다. 또한선박의특성상소음원이해수면가까이에존재하는데이에따른해수면으로부터의반사현상 (Lloyd mirror effect) 의고려여부와수심등의환경요인도원거리에서계측된결과로부터전달손실 (transmission loss) 을이용해음원레벨 (source level : 소음원을전방향 (omni-directional) 음원으로가정했을때음원으로부터 1m 거리에서의소음의크기 ) 을추정할때그결과의차이를줄수있다. 이렇듯개별선박의소음특성을정량적으로단정짓기에는어려움이있다. 그러나정성적으로볼때, 대형선박의소
음중대부분은추진기의캐비테이션에기인하는사실에는변함이없다. 대형선박의소음중배경소음에영향을주는것은원거리전파가가능한저주파대역 (~ 300 Hz) 의소음성분이다 (Ross 1976). 실제로태평양북동지역깊은바다에서의계측결과에의하면 1960 년대중반이후로 40 년동안특정지역의수중배경소음크기가저주파대역에서 10년에약두배씩증가하였다고보고된바있다 (Andrew et al.2002, McDonald et al.2006). 이러한예이외에도비슷한양상의선박에의한배경소음의증가가여러문헌을통해보고되고있다 (Zakarauskas et al.1990, Cato and McCauley 2002) 그림 2는기존의미해군에서 60년대개발된배경소음곡선과최근의선박에의한배경소음을비교한곡선이다. 그림에서저주파대역에서는선박에의한인위적인배경소음이자연적인배경소음을이미초과하고있음을알수있다. 그런데선박에의한배경소음의증가는지역에따라편차가있다. 이는해당해역에서의교통량및환경 ( 지형, 수심등 ) 과밀접한관계가있다. 따라서기존의교통량밀집지역뿐만아니라새로운항구및항로의개발등에선박통행량의변화가예상되는지역에대한배경소음의증가에대한예의주시가요구된다. 특히, 지구온난화로인해새롭게주목받고있는북극항로의경우북극권의해양생태계와맞물려많은관찰과연구를필요로하는지역으로관심이집중되고있다. 3. 인위적수중소음이해양생태계에미치는영향 고있고 2) 그림 1에서와같이소음주파수대역이많은수의생물들의음향신호주파수대역과겹친다는데에있다. 선박소음을포함한과도한혹은지속적인인위적인소음은해양생물 ( 특히포유류 ) 에다음과같은영향을줄수있다 (IFAW 2008). 1) 과도한소음은직접적인상해또는죽음의원인이되며, 정도가약한소음일지라도지속적으로노출되면스트레스로인한면역체계의저하및번식율저하를유발할수있다. 2) 해양생물들은상호간의의사소통및위치파악, 정보수집, 먹이활동, 번식활동등을특정주파수대역의음향신호에의존하여수행하므로이러한주파수대역과겹치는인위적소음에의한마스킹효과 (masking effect: 큰레벨의신호에의해작은레벨의신호가가려져없어진것처럼보이는효과 ) 로인해생존의어려움을유발할수있다. 3) 전통적인생활본거지를버리고다른지역또는해역으로이주하거나전통적인회유경로를바꾸는등해양생물의행동양식의변화를초래할수있다. 해양생물이인위적소음에대응 ( 반응 ) 하는정도및방식또한다양하나본글에서는현재까지보고된대표적사례를표 1에서정리하는것으로서선박소음이해양생태계에미치는영향에대한고찰을대신하고자한다. 4. 선박소음규제국제적동향 전세계약 125 종의해양포유류와 25,000 종의어류 ( 대부분은담수성어종 ) 중청각에대해연구가진행된사례 (2004 년기준 ) 는 20여종의포유류와 100여종의어류가있다 (Southall 2005). 그러나샘플의한계등으로인해그결과가제한적이고아직까지는선박소음이해양생물에미치는영향또한명확히규명되지는않은상태이다. 그럼에도불구하고해양생태계에서선박배경소음이주목받는이유는 1) 소음레벨이지속적으로증가하 인간이직접적인피해의당사자인항공기, 자동차등의수송수단과건설소음등공기중소음에대한규제는이미시행되고있다. 이에반해수중소음에의한해양동물에대한피해는최근에알려지기시작하였고현재까지선박소음에대한구체적인법적규제는마련되지않았다. 그러나환경및동물보호단체를중심으로관련문제제기및규제제정을위한조직적인움직임이꾸준히포착되고있고, 선박에대한실질적규제권한을
가지고있는국제해사기구 (IMO) 에서도 1991 년이후로선박소음이해양환경에악영향을끼칠수있음을인식하기시작하였고 (IFAW 2008), 2008 년에는해양환경보호위원회 (MEPC) 에서이에대한본격적인논의를시작한것으로알려져있다. 이러한국제사회의움직임을표 2에정리하였다. 5. 결론 현재인간에게해를끼칠수있는인위적소음은공해로규정되어각종법적규제등을통해관리되고있다. 그러나인간이만들어낸해양소음은그피해의당사자가인간이아니라는이유로그동안주목받지못하다가최근에들어와서해양생태계에위협이되는원인으로국제사회에서인식되기시작하였다. 즉, 소음공해의개념이해양으로확장된것이다. 따라서이에대해시급한규제제정이국제사회에서촉구되고있는실정이다. 규제와는별도로해양생태계보호의중요함을생각할때, 해양소음을점차줄여나가야함이타당할것이다. 이에현재기술적으로적용가능한선박수중소음을줄일수있는방안을표 3에서살펴봄으로서결론을대신하고자한다. 후기 본연구는지식경제부의 추진기및방향타성능시험평가기반기술 (PNS132B) 연구과제의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 Andrew, R.K., Howe, B.M. & Mercer, J.A. 2002. "Ocean ambient sound: comparing the 1960s with the 1990s for a receiver off the California coast," Acoustics Research Letters Online, Vol. 3, pp.65-70. Cato, D.H. & McCauley, R.D. 2002. "Australian research in ambient noise," Acoustic Australia, Vol. 30, pp. 13-20. Heitmeyer, R.M., S.C. Wales and L.A. Pflug. 2004. "Shipping noise predictions: capabilities and limitations," Marine Technology Society Journal, Vol. 37, pp. 54-65. International Fund for Animal Welfare(IFAW) 2008. Ocean Noise : Turn it down, IFAW, Yarmouth Port, MA, U.S.A McDonald, M.A., Hildebrand, J.A. & Wiggins, S.M. 2006. "Increases in deep ocean ambient noise in the Northeast Pacific west of San Nicolas Island, California," Journal Acoustical Society of America, Vol. 120(2), pp. 711-718. National Research Council (NRC). 2003. Ocean Noise and Marine Mammals. (National Academies Press). Ross, D. 1976. Mechanics of underwater noise (Pergamon Press, New York). Southall, B. L. and A. Scholik-Schlomer. 2008. Final report of the NOAA International Conference: Potential Application of Vessel-Quieting Technology on Large Commercial Vessels, 1-2 May, 2007, Silver Spring, MD, U.S.A. Southall, B. L. 2005. Final report of the NOAA International Conference: Shipping Noise and Marine Mammals: A Forum for Science, Management, and Technology, 18-19 May, 2004, Arlington, VA, U.S.A. Westwood, J., B. Parsons, and W. Rowley. 2002. Global Ocean Markets. Douglas-Westwood Associates, Canterbury, UK. Wright, A.J. (ed) 2008. International Workshop on Shipping Noise and Marine Mammals, Okeanos-Foundation for the sea, Hamburg, Germany, 21-24 Apr 2008. Zakarauskas, P., Chapman, D.M.F. & Staal, P.R. 1990. "Underwater acoustic ambient noise levels on the eastern Canadian
continental shelf," Journal Acoustical Society of America, Vol. 87, pp. 2064-2071. Fig. 1 Frequency of primary shipping noise and marine animals. Figure courtesy of B. Southall, NMFS/NOAA 표 1. 인위적수중소음이해양생태계에미친영향사례 (IFAW 2008) 사례원인 2000년 3월부리고래 (beaked whale) 14마리, 밍크고래 (mink whale) 2 미해군의중주파전술마리, 돌고래 (dolphin) 1마리가 Bahama Island 해안으로밀려와바다로소나훈련에의한청각돌려보낸 8마리의부리고래를제외하고전부죽음. 사고이후근처의부기관손상리고래가완전히사라짐. 연안에서흔히관찰되는쥐돌고래 (harbor porpoise) 의기존의서식지를선박, 지질, 해양건설버리는현상이덴마크와독일의연구진에의해관찰됨. 등인위적수중소음사할린동부오오츠크해의좁은해역은멸종위기에처한서태평양쇠고 래 (West Pacific Gray Whale) 의현재까지알려진유일한먹이활동지역 임. 이해역은석유개발을위한지질탐사활동이빈번한지역이며, 서태 평양쇠고래가탐사활동이진행될때에는지역을떠났다가탐사활동이 멈추면돌아와서먹이활동을하는것으로알려짐. 또한탐사기간중먹 Fig. 2 Ocean ambient noise and shipping noise. Figure courtesy of J. Hilderbrand, SIO/UCSD 지질탐사용 air gun 사용에의한과도한소음 이포획능률이현저히저하되어심각한영양실조가우려됨. 혹등고래 (Humpback whale) 가번식및먹이활동시내는소리는노래 (song) 로불릴만큼복잡하고다양하며, 언어로서의요소를가지고있는소나등의저주파소음것으로알려짐. 혹등고래는번식시인위적수중소음에반응하여소음의간섭을최소화하기위해노래 ( 소리 ) 를변경하는것으로알려짐. 범고래 (killer whale) 는다양한소리로서동족간의대화를함. 레져및관광 (whale watching) 을목적으로범고래의서식지에접근한선박들의소레져또는관광용선박음에의한범고래소리의마스킹거리는 10km 이상에달하며, 특정크소음기이상의소음에반응하여평소보다긴소리를내는등의사소통을위해노력하는것으로알려짐.
표 2. 수중소음에대한국제사회 / 기구동향정리 UNICPOLOS(UN Informal Consultative Process on Ocean and the Law of the Sea) 해양소음공해를 UN General Assembly(UNGA) 가다뤄야할주제로규정함.(2004) 수중소음이해양생태계에미치는영향에대한연구의수행을요청하도록 UNGA에촉구함.(2005, 2006) UN Secretary-General Reports on Oceans and the Law of the Sea 인위적소음을고래류에생존에위협을주는 5대원인의하나로파악하고, 해양생물다양성 (marine biodiversity) 에영향을주는 10대요소중하나로지목함. 소음감소방안에대한고려와수중소음이어류와고래류를포함한해양생태에미치는영향에대한평가를요구함. 또한현재수중소음을규제할국제적수단이마땅히존재하지않음을지적함. (2005) 수중소음공해가해양생태계를위협하는주요한원인이라는학계및보호단체의우려가증가하고있음을인식함. (2006) 수중소음에대한우려가증가하고있음을재차확인하고이에대한연구, 모니터링및생태계에미치는영향을최소화할방안마련에대한국제사회의요구또한계속되고있다고밝힘. (2007, 2008) UNGA에서요청에따라이주제에대한학술연구결과를 DOALOS(UN Division on Ocean Affairs and the Law of the Sea) 웹사이트에공개하기로함. (2008) (http://www.un.org/depts/los/general_assembly/noise/noise.htm) UN Informal Working Group on Marine Biodiversity beyond National Jurisdiction 두차례회의 (2006, 2008) 를통해인위적해양소음을국제기구를통한조속한규제가필요한항목으로규정함. UNGA Omnibus Resolutions on Oceans and the Law of the Sea 2005년이후수중소음이해양생태계에미치는영향에대한고려및연구를지속적으로요청함. 이주제에대한학술연구결과를수집및정리하고웹사이트에공개하도록 DOALOS에요청함.(2006,2007) IWC(International Whaling Commision) 결의안채택 : Resolution 1998-6 on "Undersea Noise Pollution" 학술위원회 (Scientific Committee) (2004, 2007) CMS(UN Convention on the Conservation of Migratory Species of Wild Animals) 결의안채택 : Resolution 7.5(2002) on "Potential Impacts to Marine Mammals freom Emissions of Noise and Vibrations into the Waters from Wind Turbines" Resolution 8.22(2005) on "Adverse Human Induced Impacts on Cetaceans" ACCOBAMS(Agreement on the Conservation of Cetaceans of the Black Sea, Mediterraneans Sea and contiguous Atlantic Area) 학술위원회권고안채택 : Scientific Committee Recommendation 2.7(2003) on "Man Made Noise" 결의안채택 Resolution 2.16(2004) on "Assessment and Impact Assessment of Man Made Noise" Resolution 3.10(2007) on "Impact of Anthropogenic Noise on Marine Mammals in the ACCOBAMS Area" ASCOBANS(Agreement on the Conservation of Small Cetaceans of the Baltic and North Seas)
결의안채택 Resolution 5(2003) on "Effects of Noise and of Vessels" Resolution 5.4(2006) on "Adverse Effects of Sound, Vessels and Other Forms of Disturbance on Small Cetaceans" OSPAR(Convention for the Protection of the Marine Environment of the North-East Atlantic) OSPAR 해역에서멸종위기종과서식지지정 (2003) OSPAR 해역에서해양보호지역의관리에대한가이드라인마련 (2003) 수중소음이해양환경에미치는영향에대한보고서발간 (Biodiversity Committee, 2008) EU(European Union) EU 의회결의 : Resolution B6-0018/2004 on the Environmental Effects of High=Intensity Active Naval Sonar. 지침 : Guidelines for the Establshment of the Natura 2000 Network in the Marine Environment (2007) EU Marine Strategy Directive 에수중소음을공해로규정하는항목채택 (2008) IUCN(The World Conservation Union) IUCN Special Survival Commission (SSC) Cetacean Specialist Group "Action Plan for Dolphins" (2003) 결의안채택 : Resolution 3.068 on "Underwater Noise Pollution" (2004) IMO(International Maritime Organization) 결의안 IMO Resolution A.720(7) on "Guidelines for the Designation of Special Areas and the Identification of Particularly Sensitive Sea Areas" (1991) IMO Resolution A.982(24) 로개정 (2005) MEPC(Marine Environmental Protection Committee) MEPC 57(2008) 에서미국, IFAW, FOEI에의해안건제출 MEPC 58(2008) 에서 "Noise from commercial shipping and its adverse impact on marine life" 를새로운최우선안건 (high priority item) 으로채택
표 3. 대형상선수중소음감소를위한기술적대응방안 대상추진기선형 ( 반류장 ) 기계류운항 방안 프로펠러캐비테이션의최소화를통한 저소음프로펠러 의개발및적용이목적 - 대형상선의경우캐비테이션이수중소음발생의가장큰원인임 - 일반적으로무리한캐비테이션감소설계는추진효율의저감을초래할수있음 - 추진효율및캐비테이션성능이공히좋은프로펠러의적용검토가필요함예 )High skew propeller, CLT(Contracted and Loaded Tip) propeller, Kappel propeller, NBS(New Blade Section) propeller 등 - 허브보오텍스를줄이기위한방안의적용검토가필요함 예 )Propeller Boss Cap Fins, Propeller Cap Turbine 등 - 추진방식대한고려가필요함. 예를들어 POD 추진방식은반류장의개선에의한 캐비테이션의감소및소음감소의가능성있음. 그러나파워의한계, 고비용및효율의 측면에서검토가필요함. 고속이필요한경우물분사추진방식을고려할수있음. - 프로펠러형식및수에대한고려가필요함. 기존상선에서주로쓰이는 FPP 외에 CPP의사용을고려할수있음. CPP의경우설계피치에서는소음성능을개선할수있으나, 그외의피치상태에서는소음성능의저하를유발할수있음. 기존상선에서는단일프로펠러가주종을이루나트윈프로펠러의사용을고려할수있음. - 함정에서캐비테이션소음을줄이기위해사용되는 air injection 기술을고려할수있음. 그러나이기술은제작및유지보수의측면에서일반상선에적용하기는어려움. 설계단계에서프로펠러의소음특성평가가필요하며, 일반적인추진기성능평가외에저소음캐비테이션터널을활용한소음특성평가의고려가요구됨. 프로펠러의캐비테이션특성에큰영향을끼치는반류성능이좋은선형및반류개선기술의개발및적용이목적. - 반류개선을위한기술은일반적으로추진효율을높이기위해적용됨. 예 )Schneekluth duct, Simplified compensative nozzle, Grothues spoilers 등 - 반류가캐비테이션에미치는영향을고려할때반류개선은상선의소음성능개선으로이어질수있음. 따라서선형설계단계에서반류개선을위한검토가필요함. 반류개선의측면에서설계단계에서의다수의모형시험평가가요구됨. 기계류에의해발생한진동및소음은선체를통해수중으로방사됨. 따라서기계로 부터발생된진동및소음을저감혹은차단하는기술의개발및적용이목적 - 엔진및발전기등대형회전기기에방진마운트적용의검토가필요함. -펌프와파이프등에서발생하는소음을차단하기위한기술의적용검토가필요함. -공기중으로전파되는소음을차단하기위한방음기술의적용검토가필요함. -선체로부터방사되는소음을줄이기위한내부및외부음향코팅재활용을고려할수있음. 일반적으로음향코팅재는고주파대역에서성능이좋은것으로알려져있고, 외부코팅재의경우유지보수의측면에서불리함. 대형선박의기계적소음은캐비테이션소음에비해크기가작은 2차적소음원임. 일반적으로선박소음은선속등운항조건에따라달라짐. 따라서합리적인운항상태를유지하는것이유리함. 주변선박의통행량에따라배경소음의크기가달라짐. 따라서보호되어야될해양생물의서식지를우회하는항로의변경을고려할수있음.