최근 전 세계 해양 관측의 주류는 점차 선박에서 무인 시스템으로 바뀌고 있으며, 무인관측에 있어서 다양한 고정형 및 이동형 플랫폼들이 운용되고 있다. 고정형 무인관측의 대표적인 예로 계류 부이(총 플랫폼 개수의 약 16% 차지, 관측 자료 개수의 약 20% 차지)를 들 수 있는데, 이는 대체불가한 현장 관측 자료를 제공한다는 장점이 있지만, 설치비용과 유지보수 비용이 높고, 배터리 수명이 약 4년 이하로 짧다는 것이 단점으로 지적된다. 또한 해상 상태에 따라 안정도가 달라져 약 70% 이하의 데이터 획득률을 나타낸다. 이 밖에도 대부분 연안 주변에 집중되어 있거나, 엘니뇨 감시와 같이 특정 목적에 맞는 지역에 집중 설치되어 있어 공간 분포가 조밀하지 못하다는 단점이 있다. 이러한 고정형 무인관측과 달리, 이동형 무인관측의 대표적인 예라 할 수 있는 Argo 플로트(총 플랫폼 개수의 약 8% 차지)는 5년 정도의 배터리 수명을 가지고 중층 해류와 함께 이동하며 그 순환 패턴을 관측하고 수직 수온/염분 프로파일 자료를 생산함으로써, 전 지구적인 해양 순환을 연구하는 데에 핵심적인 역할을 하고 있다. 이러한 Argo 플로트는 계류 부이에 비해 운용 비용이 적게 들지만, 심층 및 해빙 지역을 관측할 수 없고, 공간 분포가 아직까지는 충분히 조밀하지 못한 실정이다.

따라서 새로운 무인 해양관측 플랫폼으로 주목받는 것이 전 세계 해양에 분포된 해저 통신케 이블이다(그림 1). 특히 태평양을 가로질러 아시아와 미국 대륙을 연결하는 케이블과 대서양을 가로질러 미국과 유럽을 연결하는 케이블이 많이 설치되어 있는데, 총 길이는 약 1.5 Gm(지구 둘레의 약 60배)이며, 리피터는 총 2만 3천개에 달한다. 케이블의 수명은 약 25년이며, 시스템 개선 및 확장 주기는 10년 이하로 보고되고 있다.

■ 국내 활용 예를 중심으로 본 해저 통신케이블을 이용한 해양관측

해저케이블을 이용하여 바다를 관측하고자 하는 연구는 오래 전부터 있었는데, 우리나라에서도 대한해협을 가로질러 부산과 일본의 하마다 사이에 매설된 해저 통신케이블을 이용하여 대한해협을 통과하는 대마난류의 수송량과 해저수온을 관측한 예가 있다. 한국 부산과 일본 하마다 사이의 대한해협 약 265 km의 해저에 설치되어 통신용으로 쓰이던 국제 해저케이블은 1997년 7월, 사용이 중단되면서 서울대 해양연구소와 동경대 해양연구소에 학술목적으로 양도되었다. 그 후 1998년 3월 1일부터 부산 송정 해저중계국에서 한국과 일본의 해저 지각 사이의 전압을 측정하고 있으며, 현재 매 5분마다 측정된 유도전압 자료는 이전에는 서울대 해양순환연구실 홈페이지(http://eastsea.snu.ac.kr), 현재는 서울대 해류역학연구실 홈페이지(http://www.curl.snu.ac.kr/home/ccable)를 통해 실시간으로 공개되고 있다(그림 2).

전해질용액인 바닷물이 지구 자기장 속을 움직이면 부산과 하마다 사이의 해저 지각에 패러데이 법칙에 따라 자기장의 세기와 바닷물의 속도에 비례하는 전압이 유도된다. 지구 자기장의 변화가 크지 않다면 부산과 하마다 사이 지각에 유도된 전압은 대한해협을 통과한 해수의 총량(수송량)과 비례하게 된다. 대한해협 해저케이블로부터 측정된 전압차와 ADCP(Acoustic Doppler Current Profile - 1999년 5월부터 2000년 3월까지 미국 해군 해양연구소에서 설치)로부터 측정된 해류 수송량 사이에 선형적인 관계가 있음이 밝혀지면서 전압차와 수송량 사이에 높은 상관성과 이를 계산하는 변환식을 얻을 수 있었고(Kim et al., 2004), 대한해협 수송량의 실시간 모니터링도 가능하게 되었다.

이 해저케이블에는 약 4 km 간격으로 전기신호를 증폭시켜주기위한 리피터 50개가 설치되어 있다. 이 리피터들의 상태를 점검하기 위하여 중계국은 각 리피터들과 매달 한 차례씩 전기신호를 주고 받는다. 리피터의 온도에 따라 전기신호의 주파수가 바뀌는데, 주파수의 변화로부터 리피터의 온도, 즉 리피터가 위치한 해저의 수온을 추정할 수 있다. 대한해협에 대한 해양조사는 격월로만 이루어져 현장조사 자료만으로 대한해협 저층냉수의 세밀한 변동을 파악하기는 어려웠다. 하지만 이 리피터를 이용하여 추정한 월별 수온자료로부터 대한해협 저층냉수의 시간적 변동과 남하하는 영역에 대한 세밀한 정보를 얻어, 대한해협 저층냉수가 여름철 뿐 아니라 겨울철에도 남하한다는 것이 밝혀졌다. 이처럼 대한해협 해저케이블은 대한해협의 해양 특성을 파악하는데 큰 기여를 하였다.

경제적인 면에서도 선박을 이용한다거나 해저에 장비를 매설하는 등의 전통적 관측 방법은 많은 비용을 필요로 하는 반면, 해저케이블은 이미 설치된 기간망을 사용함으로써 최소한의 경비로 관측할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 대한해협 해저케이블로 관측되는 수송량 자료는 실시간 관측으로 동해 순환예측 모델에 입력 자료로 활용이 가능하며, 실제로 이를 모델에 입력하여 동해의 순환을 현실에 가깝게 모의할 수 있었고 향후 실시간 예보모델의 입력 자료로도 활용이 가능할 것으로 기대한다.

■ SMART 케이블 설치 제안

해저 통신케이블을 해양/기후 모니터링 및 재난 예고에 활용하자는 국제적인 움직임에 따라, ITU(International Telecommunication Union), WMO(World Meteorological Organization), IOC(UNESCO Intergovernmental Oceanographic Commission)에서 2012년에 “SMART SubSea Cable System” 이라는 Joint Task Force가 수립되었다. 여기에서 논의된 주요 내용은, 앞으로 설치되는 해저 케이블의 리피터에 수온, 압력, 가속 센서를 부착하자는 것이다 (그림 3). 65 km 정도의 간격으로 설치되는 리피터는 실시간 통신이 가능하므로, 여기에 해양 관측 센서를 부착한다면 케이블이 설치된 해역에서 실시간 자료를 얻을 수 있을 것이다.

태평양을 가로지르는 약 10,000 km 길이의 해저 케이블 시스템 기본 설치 비용은 약 $250M 로 추정되며, 여기에는 리피터가 152개 설치된다. SMART 센서를 부착함으로써 생기는 추가 비용은 약 $40M로, 총 비용의 16%에 해당한다. 10,000 km의 SMART 케이블 시스템을 10개 설치하는 비용인 약 $400M는 5년 동안의 인공위성 1개의 관측 비용과 맞먹지만, 수명은 약 25년으로 다른 관측 장비들과 비교했을 때 훨씬 긴 시간 동안 유지될 수 있다. 10,000 km의 SMART 케이블 시스템을 일년에 2개씩 25년 동안 설치한다면 해저에 약 7,600개의 SMART 센서가 설치되는 것이고, 전 세계 해양의 해저케이블 분포가 증가한다면 현존하는 많은 무인 관측 플랫폼들을 대체할만한 전 지구 해양 관측 시스템으로 자리 잡을 수 있을 것이다.

■ SMART 케이블을 통한 기대 효과

전 지구적으로 수 년에서 부터 수십 년, 수십 미터 내지는 수십 킬로미터, 수 분에서 수십 시간에 이르기까지, 다양한 해양학적 과정들이 여러 시공간 규모로 해양환경의 변화를 만들어 낸다. 각각의 관측 플랫폼들은 그 접근 방법에 따라 특정 시공간 규모의 현상들을 감지할 수 있는데, 표층 뜰개나 플로트 같은 경우 100 km 이상의 해양 변동을 감지하는데 쓰이지만, 수 일 시간 규모로 일어나는 현상을 감지하는 데에는 그 효용가치가 떨어질 수 밖에 없다. 한편 인공위성은 전 지구적인 공간 관측이 가능하지만, 역시 수 일 시간 규모보다 짧은 주기의 현상을 관측하기에는 적절하지 않다. 하지만 SMART 케이블을 이용한다면 mesoscale부터 대양 규모의 현상을 충분히 조밀한 시간 간격으로 관측할 수 있게 된다. 즉, SMART 케이블은 기존에 존재하는 위성 및 현장 관측 시스템을 보완 및 향상시킴으로써, 해양 역학 및 기후변화, 해수면 상승과 같은 기후 변동성의 이해에 기여할 것이며, 매우 안정적이고 수명이 긴 해양 관측 시스템이 될 것으로 기대된다. 또한, 실시간 관측이라는 장점을 살려 향후 실시간 예보모델의 입력 자료나 검증 자료로도 활용이 가능할 것으로 기대한다.

| 해양순환기후연구센터 김영호 책임연구원,
나한나 선임연구원,
박영규 센터장