SMAP 위성 염분(Salinity) 지도 데이터 소개

안녕하세요? 이번 글은 SMAP 위성으로 관측한 염분(Salinity) 지도 데이터를 소개해 보겠습니다. 공식 웹페이지에 정리된 내용들을 한국어 번역 및 재정리했습니다.

염분(Salinity)이란?

NASA Salinity: Salinity Explained

바다에서 수영을 해본 사람이라면 누구나 바닷물이 짜다는 것을 알고 있습니다. 그 짠맛의 주성분은 주로 나트륨(Na⁺, Sodium)과 염화물(Cl⁻, chloride) 이온입니다. 사실, 자연계에 존재하는 92가지 원소 모두가 바닷물에 어느 정도 포함되어 있으며, 대부분은 아주 미량으로 존재합니다.

 

아래 표에는 해수에 존재하는 주요 이온 약 10가지 정도가 나와 있습니다. 나트륨과 염화물은 해수 속에 녹아 있는 물질 전체 무게의 약 85%를 차지하지만, 그 외에도 다양한 이온들이 존재합니다.

 

우리가 염분(salinity)이라고 할 때, 이는 단순히 나트륨과 염화물만을 의미하는 것이 아니라, 이 모든 이온들을 포함한 전체를 의미합니다. 바닷물의 염분은 장소에 따라 농도는 달라도 이온들의 비율은 거의 일정합니다. 즉, 바닷물의 농도가 실제로 얼마나 높든 특정 한 이온만 측정하면, 다른 모든 이온의 농도도 유추할 수 있습니다.

 

1킬로그램의 바닷물에는 약 34.482그램의 염분(용존 염류)이 포함되어 있고, 나머지 약 965그램은 담수(물)입니다. 우리가 염분을 말할 때는, 34.482를 지칭하는 것입니다.

 

이렇게 녹아 있는 물질은 대부분 염화나트륨(NaCl)이지만, 그 외에도 해양 내부 화학 반응, 생물학적 물질의 분해, 해저 퇴적물, 그리고 육지에서 바다로 유입되는 유출수(runoff)에 의해 공급되는 다양한 이온들이 있습니다. 이런 과정을 통해 염류들이 바닷물에 들어오게 됩니다.

 

위 그림은 표에 제시된 것과 유사한 정보를 보여줍니다. 왼쪽에는 1킬로그램의 해수가 묘사되어 있습니다. 연두색 부분은 그 1킬로그램에서 물(water)에 해당하는 양을 나타냅니다. 주황색 조각인 34.4그램은 대부분 나트륨과 염화물 이온으로 구성된 염류(이온)를 나타냅니다. 하지만 이 외에도 다양한 물질이 존재합니다. 이 모든 것들이 해수의 주요 구성 성분입니다.

지난 100여 년간의 해양 관측 자료를 살펴보면, 해수 온도에 대한 측정 기록이 얼마나 많은지 놀라울 정도입니다. 실제로 18세기에는 벤저민 프랭클린조차도 걸프 스트림(Gulf Stream)에서 해수 온도를 측정한 바 있습니다. 그 당시에도 온도계만 있으면 해수의 온도는 정확히 측정할 수 있었던 것입니다.

 

하지만 염분은 바다의 기본적인 특성 중 하나임에도 불구하고, 측정하기는 훨씬 더 어렵습니다. 실제로 해수 속에 무엇이 녹아 있는지를 측정해야 하기 때문입니다. 전통적으로는 해수 샘플을 적정(titration)하여 얼마나 많은 용존 물질(dissolved stuff)이 들어 있는지를 알아내야 했습니다. 파도가 거센 날 출렁이는 배 위에서 이런 작업을 한다고 상상해 본다면, 과거의 염분 측정 기록이 온도 측정 기록보다 훨씬 적은 이유를 이해할 수 있습니다.

최근에는 해수의 전기전도도(electrical conductivity)를 측정하여 염분을 파악하는 방식이 사용되고 있습니다. 이 기술이 보편화되면서, 신뢰할 수 있는 염분 측정값의 수가 크게 증가했습니다.

그리고 우리가 수천 개의 아르고(Argo) 플로트에 온도와 염분 센서를 장착하기 시작하자마자, 염분 데이터의 양은 단숨에 10배 이상 증가했습니다. 이제는 NASA 위성과 아르고 플로트 덕분에, 우리는 염분에 대해 정량적으로 분석하고, 염분이 왜 중요한지, 그리고 그것이 해양 순환에 대해 무엇을 알려줄 수 있는지 말할 수 있는 단계에 이르렀습니다.

복사율(Emissivity)

복사율(emissivity)은 동일한 온도, 파장, 관측 조건에서 어떤 물질의 표면에서 방출되는 에너지량이 흑체(완전 복사체)에서 방출되는 에너지량에 대해 갖는 비율로 정의됩니다.

복사율은 밝기 온도(brightness temperature)라는 물리량으로 측정되며, 단위는 켈빈(K)입니다. 이는 관측 장비의 관측 각도, 주파수, 해수의 온도를 기반으로 계산됩니다. 밝기 온도가 높을수록 염분은 낮으며, 반대로 밝기 온도가 낮을수록 바닷물의 염분은 더 높습니다.

NASA의 위성들

NASA Salinity: NASA Satellites

NASA의 목표는 매달 0.2 PSS(Practical Salinity Scale)의 염분 변화(1갤런의 물에 약 1/8 티스푼의 소금, 즉 10,000분의 2에 해당)를 측정하는 것입니다. 이러한 정밀도로 염분을 측정하는 것은 매우 어려운 일이며, 염분 신호의 탐지를 극대화하기 위한 특정 전략이 필요합니다.

 

염분 신호는 해수면의 상위 1센티미터(0.4인치)에서 발생합니다. 이 신호는 바다의 자연 복사율(emissivity)의 일부이며, 밝기 온도(brightness temperature)로 측정됩니다. 복사율은 해수의 전기전도도에 의해 조절되며, 전기전도도는 염분과 직접적으로 관련되어 있습니다.

 

SMAP 위성은 2015년 4월부터 염분을 측정해 왔으며, 2011년 8월부터 염분 데이터를 수집해 온 Aquarius 위성과는 몇 주간 데이터를 동시에 수집했습니다. 두 위성은 태양동기 근극궤도(sun-synchronous, near-polar orbit)를 따라 움직이며, 서로의 위치는 12시간 차이가 나기 때문에 지구의 반대편을 번갈아 관측합니다.

 

방사계와 저해상도 레이더 스와스(분홍색 영역)를 보여주는 SMAP 측정 기하구조.

 

Aquarius와 SMAP에 탑재된 방사계(radiometer)는 1.413 GHz의 주파수에서 해양의 밝기 온도를 측정하도록 설계되었습니다. 이 주파수는 전파천문학 용도로 보호받는 전자기 스펙트럼의 L-밴드 영역에 해당합니다. 그럼에도 불구하고, NASA의 염분 관측 위성은 전파 간섭(RFI, Radio Frequency Interference)을 탐지한 바 있습니다. 따라서 NASA 위성의 염분 데이터에는 RFI가 발생했을 가능성이 있는 시점을 나타내는 플래그가 표시됩니다.

 

아래 표는 Aquarius와 SMAP의 다양한 특성을 비교한 것입니다.

 

SMAP 위성의 안테나는 방사율이 1%로, 태양식에서 들어가거나 나올 때 안테나 온도가 급격히 변하면서 오차 신호가 발생합니다.

SMAP의 관측 지점 면적(footprint)은 Aquarius보다 작아 공간 해상도는 더 우수합니다(약 40km). 하지만 SMAP의 40km 해상도 자료는 Aquarius에 비해 잡음이 많습니다. 그 결과, 일부 SMAP 자료는 자료의 잡음을 줄이기 위해 공간적으로 평균화되어 더 큰 면적(예: 60km, 70km) 단위로 제공되기도 합니다.

SMAP 위성 염분 지도 (RSS 제공)

NASA Salinity: SMAP RSS Maps

 

NASA의 SMAP(Soil Moisture Active Passive, 토양 수분 능동/수동 관측) 임무는 2015년 4월부터 해수면 염분 데이터를 수집하기 시작했으며, 약 3개월 동안 Aquarius 위성과 관측 기간이 겹쳤습니다. SMAP은 Aquarius와 동일한 주파수(L-밴드, 1.41 GHz)를 사용하여, 2011년 8월 Aquarius로 시작된 염분 시계열 데이터를 이어가고 있습니다.

 

이 지도들은 PSS(Practical Salinity Scale, 실용 염분 척도; Lewis, 1980)를 사용하여 염분의 범위를 시각적으로 보여줍니다. PSS는 대략적으로 천분율(parts per thousand)에 해당하며, PSS와 PSU(Practical Salinity Units, 실용 염분 단위)는 같은 개념을 지칭하는 다른 이름입니다. 지도에서 붉은 색은 염분이 높은 지역(38 psu)을, 보라색은 상대적으로 염분이 낮은 지역(33 psu)을 나타냅니다.

 

SMAP 월별 해수면 염분 지도 (버전 6)는 아래에서 확인할 수 있으며, 몰바이데(Mollweide) 투영(전 지구), 북반구, 남반구 투영으로 제공됩니다. 월간 데이터 및 8일 평균 해수면 염분 데이터는 PO.DAAC(포대악)에서 확인하실 수 있습니다.

SMAP 위성 염분 지도 데이터 다운로드

Soil Moisture Active Passive (SMAP) | PO.DAAC / JPL / NASA

PO.DAAC(Physical Oceanography Distributed Active Archive Center, 물리 해양학 분산형 능동 아카이브 센터)는 NASA의 EOSDIS(Earth Observing System Data and Information System, 지구관측시스템 데이터 및 정보 시스템) 산하의 데이터 센터로, ESDIS(Earth Science Data and Information System, 지구과학 데이터 및 정보 시스템) 프로젝트에 의해 관리됩니다. PO.DAAC는 캘리포니아 패서디나에 위치한 JPL(Jet Propulsion Laboratory, 제트추진연구소)에서 운영됩니다.

 

여기서는 RSS SMAP Level 3 Sea Surface Salinity Standard Mapped Image 8-Day Running Mean V6.0 Validated Dataset(RSS SMAP 레벨 3 해수면 염분 표준 매핑 이미지 8일 평균 V6.0 검증 완료 데이터셋)을 다운로드 받아보겠습니다.

RSS SMAP Level 3 Sea Surface Salinity Standard Mapped Image 8-Day Running Mean V6.0 Validated Dataset| Physical Oceanography Dis

아래와 같이 "Data Access" 탭을 클릭하면, "DIRECT ACCESS" 또는 "DIRECT S3-ACCESS"에서 원하는 접속 방식을 선택할 수 있습니다. 예를 들면, "DIRECT ACCESS"에서 "Search Granules" 링크를 클릭해 보겠습니다.

 

시작일을 4월 8일로 선택하면, 3월 31일부터 4월 8일까지 해수면 염분 표준 매핑 이미지 8일 평균 V6.0 검증 완료 데이터셋이 선택됩니다. 이제 데이터를 다운로드 받으시면 되겠습니다! 다운로드 받은 데이터의 시각화는 별개의 글로 정리해 보겠습니다.