해양 탐사 기술

 

해양탐사기술

 

바다를 알고자 하는 소박한 의구심에서 출발한 해양과학은 이제 바다를 보다 완벽하게 이해함으로써 인류의 미래를 위한 생활의 장으로서 확장시켜 가고 있다.

그러나 바다 속에는 내우주라 불리우는 정복되지 않은 심연의 해양저가 있고, 아직까지 밝혀지지 않은 수많은 신비가 숨겨져 있다.

 

해수라는 독특한 매질로 인한 정보전달과 탐사의 어려움,

그리고 10m에 1기압씩 증가하는 엄청난 수압 등 크고 많은 장벽들이 해양의 정체를 밝히려는 노력을 가로막고 있다.

그러나 현대의 해양학자들은 이러한 장벽을 뛰어넘기 위하여 각종 탐사·관측기술을 더욱 발전시켜 나가고 있으며,

인공위성에 의한 원격탐사기술 등 첨단 탐사기술을 연구에 활용하고 있다.

 

 

해양조사선

 

해양을 관측, 조사하는 동적인 주체는 조사선이다.

항해 자체가 해양조사라고 할 수 있었던 과거에 비해 그 비중이 많이 낮아지긴 했지만,

아직도 해양조사에 있어서 조사선의 위치는 확고하다.

해양의 근대적인 연구탐험은 19세기 이후부터 시작되었는데,

영국의 챌린저(Challenger)호에 의한 항해(1872∼1876)가 그 분기점이 되었다.

챌린저 탐사이후 보다 조직적이고 정밀한 탐사가 계속되었는데,

조사선의 기능이 매우 다양해지고 보유장비가 현대화됨에 따라 탐사기술에도 엄청난 변화가 일어나게 되었다.

조사선은 일반 항로를 벗어날 뿐만 아니라 해역이나 계절과 관계없이 항해를 계속해야 하므로,

기후나 파도에 잘 견딜 수 있도록 설계되어야 하며,

선박의 항속거리도 일반선박에 비해 길어야 한다.
   

특히 음향기기, 정밀관측기 등 첨단장비를 손쉽게, 효율적으로 운용할 수 있어야 하며,

선상에서의 실험이나 조사작업을 수행하는 승선연구자들을 위해 안정성이 높고, 동요, 소음, 진동 또한 적어야 한다.

해양관측은 크게 해양연구 분야의 기초자료를 얻는 학술관측과 해상기상 파악, 자원탐사, 항로조사, 오염물질 모니터링 등의 실용관측으로 나눌 수 있다.

관측선, 탐사선, 연구선 등으로 다양하게 불리우는 해양조사선은 목적별로 기상관측선, 수로측정선, 지질조사선, 어업조사선, 쇄빙선(극지관측선)으로 나눠지기도 한다.

해양개발의 필요성이 증대되기 시작한 1960년대 이후 해양의 종합적인 조사기능을 갖춘 다목적 연구조사선이 건조되어 왔으며,

기능이 전문화된 비자기선, 반잠수조사선, 지구물리탐사선 등이 건조되어 활약 중에 있다.

종합해양조사선은 해양물리, 화학, 생물, 지질, 환경 등 각 연구 분야별로, 또는 동시에 각 분야의 해양조사를 할 수 있도록 설계·건조된 조사선으로서, 전문적인 해양조사선의 기능을 고루 갖추고 있다.

우리나라의 경우 한국해양연구소의 종합해양조사선 온누리호(1,422톤)와 이어도호(546톤)가 지난 1992년 초 취항함으로써 주변연안 해역은 물론 심해까지도 해양조사가 가능해져 해양 조사능력이 크게 향상되었다.  

 

 관측장비

 

해양과학은 다방면의 연구분야를 포함한 종합과학이므로, 각 연구분야를 뒷받침하는 자료나 정보수집 방법도 다양할 수밖에 없다.
해양관측 기기나 장비는 종류가 매우 많기 때문에 간단히 분류하기 힘들지만, 조사 목적에 따라 크게 채집장비, 측정장비, 분석장비로 나눌 수 있다.

  채집장비

연구재료를 바다로부터 수집하는데 사용되며, 해양생물, 지질, 화학분야에서 많이 이용된다.

생물용으로는 트롤망(Trawl Net), 플랑크톤 네트(Plankton Net) 등이 있으며,

지질, 생물 겸용으로는 채니기(Grab), 코어러(Corer), 드레지(Dredge)등이 있음.

물리 및 화학분야는 해수의 특성에 관한 연구가 많으므로 목적에 따라 여러 가지 형태의 채수기가 사용된다.

  측정장비

수온이나 수심, 용존산소를 측정하는 간단한 기기에서부터 음파나 레이저빔을 이용하여 측정하는 시스템화된 장비들도 있음.

부이에 장착하여 측정하는 경우, 현장의 연속적 자료를 내장된 기록장치에 자체 기록하는 방식과 실시간으로 전송하여 육상이나 선상에서 자료를 직접 획득, 처리하는 방식이 사용되고 있음.

해수특성 측정장비중 가장 많이 이용되는 측정장비는 CTD( Conductivity: 전기전도도, Temperature: 수온, Depth: 수심) 시스템인데,

해수특성 분석의 기본이 되는 염분, 수온, 수심을 현장에서 측정하여 기기 내부의 컴퓨터에 저장,

즉시 그 결과를 분석할 수 있게 해준다.

  분석기기

 

각종 현미경이나 소형 이동 분석장비, 영양염분석기 등이 있으며,

전자공학의 발달에 힘입어 조사선내에서 즉시 자료를 분석하고 결과를 처리할 수 있는 기기들이 많이 개발되어 있다.

해양조사에서 사용되는 기·장비들은 해양의 특수한 환경으로 인해 개발, 보수, 유지에 큰 어려움이 따르며 자료수집 장소, 기상상태나 관측장비의 종류에 따라 자료의 결과가 부실해 질 수도 있다.

따라서 측정값과 참값을 서로 비교 측정하여 그 기·장비의 오차범위를 사전에 분석, 보정하여 줌으로써 "오차제로"를 실현하고자 하는 검·교정 과정이 반드시 필요하다.

검·교정 과정은 정밀도가 높은 기준치와 기·장비의 측정값을 상호 비교측정하여 그 오차의 범위를 수식화 함으로써 각 측정점의 값을 보정하는 것이다.

따라서 해양기·장비는 사용빈도와 안정도에 맞는 적절한 교정주기를 설정하여 교정검사를 실시함으로써 측장값의 오차를 극소화시키고,

기·장비의 수명도 연장시킬 수 있다.

  

 

인공위성

 

지구관찰을 목적으로 하는 과학용 위성의 효시는 1960년 4월 쏘아 올린 TIROS(Television and Infrared Observation Satellite)라고 명명한 미국의 인공위성이다.
지구 전체를 외계의 시각에서 관찰한다는 사실은 자연과학 중 특히 해양학과 기상학 분야에서 새시대를 열어 놓은 획기적 사건이었다.

TIROS이후 30년이 지난 지금,

우리는 인공위성이 보내오는 구름사진을 매일 밤 일기예보에서 접할 수 있으며,

과학자들은 광범위한 분야에서 위성영상을 이용하고 있다.

그러나 인공위성이 보내오는 정보는 궤도를 날고 있는 위성에 장착된 장비로부터 얻은 어떤 종류의 정보에 불과한 것이지 실제적인 물리요소의 관측은 아니다.

그러므로 인공위성을 응용하는 연구가 활성화되기 위해서는 인공위성 자체의 개발 뿐만 아니라 인공위성에 장착되는 장비를 개발하고, 위성정보를 실제적인 물리요소로 처리, 분석하는 연구가 필요하다.

인공위성에 의한 탐사분야는 미항공우주국(NASA)이 중심이 되어 많은 발전을 이룩하였다.

특히, 연속적인 구름사진은 기상분석과 기상예보의 정확도를 향상시키는데 획기적인 기여를 하였다.

해양학 분야에서는 미항공우주국(NASA)의 Nimbus, GEOS-3와 Seasat 등 연구용 위성으로부터 수신된 자료를 통해 해양의 변화를 파악함으로써 기상예보나 해난예보, 어업예보 등에 활용하여 왔으며,

해양오염분야에서는 오염의 범위를 추적하거나 확산을 예측하는데 유용하게 사용되어 왔다.

또한 인공위성은 항해중인 군함이나 잠수함을 탐지하는 역할까지 담당하는 등 다방면에 폭넓게 이용할 수 있어 군사적 목적과 국가의 해양정책 수립 등에 매우 중요하게 취급되고 있다.

해양탐사분에서의 인공위성의 무한한 가능성은 각종 장착 장비의 개발과 아울러 자료 처리, 분석기법의 개선에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.

인공위성의 영상을 통하여 우리는 광범위한 해역의 수온과 생물의 생산력을 추정할 수 있게 되었으며,

대양을 항해하기 위한 항로 선택에 필수적인 광역파고관측이나 위치측정을 할 수 있게 되었다.
또한 해양순환의 역학과정에서 큰 역할을 하는 해면의 바람을 정확하게 추정하거나 바다 표면의 높이를 측정하여 개략적인 해류의 분포를 파악하고 해저면의 형태를 파악하는데 사용될 수도 있다.

인공위성은 이제 어느 초강대국만의 전유물이 아니며, 프랑스, 캐나다, 유럽, 일본, 인도 등 여러나라에서 위성을 통한 해양조사를 실시하고 있다.

우리나라는 인공위성 그 자체의 장착장비의 개량에 대해서는 아직 초보단계에 머물고 있으나,

각 해양 관련 연구기관에서는 외국의 탐사위성이 보내오는 자료를 통해 우리나라 주변 해역을 연구하고 있다.

 

 

 수중음향기술

 

음향학에 관한 연구는 제 1, 2차 세계대전을 통해 그 중요성이 인식되면서 급속히 발전되기 시작하였으며,

전후에도 수중통신, 항해, 대잠수함 방어, 석유탐사, 어군탐지, 해저지형조사 등 여러분야에서 경제적 가치가 인정되어 계속 빠른 속도로 기술이 개발되고 있다.

넓은 의미에서 음향현상은 탄성 매질의 복원력에 의해 입자들이 왕복 운동을 할 때 나타나는 진동 현상을 말한다.

대지중의 음향현상을 소리라고 부르고, 고체에서는 진동, 물에서는 수중음향이라 부르지만 이들 모두에 수반되는 물리적 과정은 본질적으로 유사하다.

 

소나(Sound Navigation and Ranging, SONAR)는 약 50년전 프랑스의 랑그뱅(Langevin)이 맨 처음 실용화한 것으로 알려져 있는데,

그의 형식에는 수동방식과 능동방식의 두 가지가 있다.

수동방식은 배가 내는 원동기나 추진기 및 그 외의 수중음을 수신기로 받아 이를 통하여 음원의 방향과 종류를 탐지 할 수 있다.

능동방식은 연속파 또는 펄스파를 수중에 발사, 목적물에서 반사되어 되돌아오는 음을 수신하여, 음파의 왕복시간과 수신방향에 의해 목표물의 거리 및 방향을 탐지하는 방식이다.

해양관측에 있어서 음파를 이용하는 분야는 상당히 다양하다.

예를 들면 음파의 도플러 효과를 이용한 유속 측정기, 초음파 조석 및 파고계, 음향 측심기(Echosounder), 음향 해저지형판독기(Side Scan Sonar), 음파지층탐사기(Sonic Subbottom Profiler), 어군 탐지기, 수중자료전송 및 통신, 음향분리 시스템(Acoustic Release System)등 많은 장비들이 해양물리, 지질, 생물, 화학, 공학 등 거의 모든 분야에서 이용되어 왔다.

최근 개발된 각종 음향탐사기기중 다중반사 음향측심기(Multibeam Echosounder)와 해저면 영상시스템(Seafloor Imaging System)은 해저지형 및 해저면 상태를 2차원 또는 3차원적으로 일목요연하게 파악할 수 있도록 설계되어 있다.

이러한 장비를 이용하게 됨으로써 재래식 탐사방법으로는 도저히 불가능했던 해저의 자세한 자료들을 얻을 수 있게 되었다.

국내에서는 지금까지 해저지형탐사시스템(Seafloor Mapping System, SBS)을 주축으로 한 음향 해저지형 측면주사 소나(Side Scan Sonar)를 이용하여 해저면 상태 연구를 수행하여 왔으며,

이를 해저케이블 매설을 위한 해저면조사, 해저음향연구 등에 활용하여 왔다.

한국해양연구소의 종합해양조사선 온누리호에는 3차원적 지형 탐사를 할 수 있는 다중반사 음향측심기(Multibeam Echosounder)가 장착되어 현재 활발한 연구가 진행되고 있다.

 

자료 : 한국해양연구원 http://www.kordi.re.kr