기초과학 중심 해양 산성화(Ocean Acidification) 변화율을 위성 간접지표로 추정하는 방법— 표면 관측이 불가능한 해양 화학 변화를 우주에서 읽어내는 최신 원격탐사 기술

기초과학 중심 해양 산성화(Ocean Acidification) 변화율을 위성 간접지표로 추정하는 방법 해양 산성화는 위성으로 직접 측정할 수 없어, 해색·수온(SST)·염분(SSS) 같은 간접지표를 이용해 변화율을 추정한다. 위성 자료와 탄산화학 모델, AI 기반 재구성 기술을 결합하면 전 지구적 pH 변화를 고해상도로 파악할 수 있으며, 기존 현장 관측의 한계를 보완하는 핵심 기후 감시 방법으로 활용된다.

 

 

1. 해양 산성화는 왜 위성으로 직접 측정할 수 없는가

기초과학 중심 해양 산성화(Ocean Acidification) 변화율을 위성 간접지표로 추정하는 방법 해양 산성화(Ocean Acidification)는 대기 중 CO₂ 농도 증가로 인해 바다의 pH가 낮아지고 탄산염 이온 농도가 감소하는 현상이다. 육상 대기나 빙하처럼 표면 반사나 스펙트럼 변화로 직접 화학 성분을 읽어낼 수 있는 매질과 달리, 해양 표면은 가시광선·적외선 파장에서 정보를 강하게 흡수하거나 산란시킨다. 또한 pH·알칼리도·DIC(용존무기탄소) 같은 화학적 변수는 광학적으로 직접 검출되는 특이 신호가 없기 때문에, 위성 센서만으로 ‘바로 측정’하는 것이 원천적으로 불가능하다. 이 때문에 그동안 해양 산성화 연구는 선박·부표·ARGO 플로트 등 현장 관측에 의존해 왔고, 전 지구적 변화를 추적하는 데에는 구조적 한계가 있었다.

그러나 최근 10년간 원격탐사·해양 물리 모델·생지화학(BGC) 데이터 결합 기술이 급속히 발전하면서, 위성에서 관측 가능한 ‘간접지표(Proxy Indicators)’를 활용해 해양 산성화 변화를 고해상도로 추정하는 방법이 구축되고 있다. 특히 표면 해수의 색(Chlorophyll-a), SST(Sea Surface Temperature), SSS(Sea Surface Salinity), 그리고 대기 중 CO₂ 플럭스 데이터는 해양 표면의 생물·물리·탄산화학 시스템 변화를 반영하는 종합적 단서로 활용된다. 위성 기반 간접추정은 여전히 현장 측정을 대체하지는 못하지만, 시간적·공간적 범위가 극도로 넓어 기후 변화에 따른 산성화의 ‘전 지구적 패턴’을 이해하는 데 결정적 역할을 한다.

 

2. 위성 간접지표①: 해색(Chlorophyll-a)과 1차 생산의 변화

해양 산성화는 표면 해양 생태계 구성과 생산성에 큰 변화를 일으키는데, 이는 해수 색에 직접적인 영향을 미친다. 위성 해색 센서(SeaWiFS, MODIS, OLCI 등)는 엽록소 농도를 고해상도로 관측할 수 있으며, 이는 해양 생물의 광합성·탄소 고정률·수층 내 탄산염 균형 변화와 밀접하게 연결된다.

산성화가 진행되면 특정 플랑크톤 종은 성장률이 감소하고 다른 종은 증가하면서 전체 군집 구성이 바뀌는데, 이러한 변화는 엽록소-a 농도의 지역적 패턴 변화를 통해 감지된다. 또한 플랑크톤의 생산성 감소는 CO₂ 흡수 능력을 약화시키며, 이는 다시 표면 대기-해양 CO₂ 플럭스를 변화시킨다. 이렇게 “플랑크톤 생물학적 펌프 → CO₂ 흡수율 → 표면 화학 변화”의 연쇄반응이 나타나기 때문에, 해색자료는 해양 산성화의 간접지표로 지속적으로 활용되고 있다.

또한 해양 투명도 지표(Kd490), 플랑크톤 기능군(PFT), 색도 지수(CDOM) 같은 2차 지표들은 해수 광학 특성을 정밀하게 반영하여 표층의 탄소동역학 및 미세한 산성화 진행 신호까지 추정할 수 있게 해준다. 이는 특히 현장 접근이 어려운 남극해·북극해에서 강력한 역할을 한다.

3. 위성 간접지표②: SST·SSS로 표층 탄산화학 변수(PH·DIC·TA) 추정

기초과학 중심 해양 산성화(Ocean Acidification) 변화율을 위성 간접지표로 추정하는 방법 해양의 pH 변화는 단순히 CO₂ 용해만으로 결정되지 않는다. 온도(SST), 염분(SSS), 혼합층 깊이(MLD), 용존무기탄소(DIC), 전알칼리도(TA)가 복합적으로 조절한다. 이 중 SST와 SSS는 전 지구적 위성 관측이 가능하며, 탄산화학 모델과 결합하면 pH 변화를 높은 신뢰도로 추정할 수 있다.

● SST(Sea Surface Temperature)

• 표층 온도가 1°C 상승하면 CO₂ 용해도가 감소
• 이는 pH를 낮추고 해수의 탄산염 농도 균형을 변화
• 위성 SST 데이터는 산성화의 ‘열 기반 변화율’을 추정하는 핵심 요소

● SSS(Sea Surface Salinity)

• 염분은 TA(전알칼리도) 변화와 직접 연동
• 강수·증발·빙하 융해 등의 변화가 SSS에 반영
• TA 감소는 해수 완충 능력을 약화시키고 pH를 더욱 빠르게 변화시킴

위성 SST·SSS·풍속 등 물리 자료를 탄산화학 모델과 머신러닝 알고리즘에 결합하면, pH·DIC·TA 같은 화학 변수를 10~50km 해상도로 재구성할 수 있다. 이는 기존 선박 측정으로 얻을 수 없던 ‘광역적 산성화 변화 지도’를 생산하는 핵심 기술이 되었다.

 

4. 간접지표 기반 해양 산성화 변화율 추정의 미래: AI·빅데이터 융합

기초과학 중심 해양 산성화(Ocean Acidification) 변화율을 위성 간접지표로 추정하는 방법 최근에는 위성 자료와 현장 관측(OceanSITES, Argo-BGC, GLODAP), 그리고 대기 CO₂ 자료를 통합하여 AI 기반 “해양 화학 지도(Ocean Carbon Mapping)”를 구축하는 연구가 활발하다. 특히 딥러닝 모델은 다양한 위성 변수를 입력값으로 사용해 과거에는 불가능했던 정밀한 pH 변화 추정이 가능해지고 있다.

● 핵심 기술 발전 방향

• 물리·화학·생물 복합모델(P-BGC 모델)로 산성화 예측 정확도 향상
• AI 기반 pH 재구성으로 미측정 지역(극지, 외해 등)의 공백 해소
• 위성 라만 분광·광자산란 기술로 해수 광학 신호 정밀분리
• 초고해상도 해색 위성(해양 전용 분광기) 상용화

특히 NASA·ESA·유럽 지구관측프로그램(Copernicus)은 “전 지구 해양 산성화 변화율 지도(Global OA Trend Map)” 구축을 기후감시 핵심 목표로 설정했다. 이는 해양 생태계 붕괴, 어자원 감소, 탄소흡수 능력 약화 등 지구 시스템의 근본적 변화와 직결되기 때문이다.

위성 기반 간접추정은 표층 해양 화학을 완전히 대체할 수는 없지만, 기존 현장 자료로는 절대 구현할 수 없던 장기·전 지구·연속적 산성화 모니터링을 가능하게 하는 혁신적 기술로 자리 잡고 있다. 앞으로 AI와 결합하면 지구 해양의 미래 pH 변화를 사전에 예측하는 “조기경보 시스템”으로까지 발전할 것으로 전망된다.