[항공기상학] 기상위성

기상을 관측하기 위해선 위성을 사용한 관측이 정확하며 자주 쓰인다. 동시다발적으로 넓은 범위의 기상을 한눈에 볼 수 있고 기상의 흐름 또한 예측할 수 있기 때문이다. 위성은 레이더를 사용하는데 레이더란 장비에서 보낸 전자파가 특정 목표물에 부딪혀 다시 돌아오는 에너지를 시각화 한 것이다. 보내고 돌아오는 에너지를 backscattered energy, 후방산란 에너지라고 하는데 반사도는 이 후방산란 에너지양을 측정한 것이다. 레이더 기초에는 출력, 파장 그리고 감쇠가 있는데 출력이 높을수록 돌아오는 에너지 또한 높다. 파장은 파장이 짧을수록 작은 목표물 탐지에 유리하나 많은 감쇠가 발생해 멀리까지 탐지하기는 쉽지 않다. 항공기탑재용 기상레이더는 50kw 미만의 최대출력을 가지고 있으며 보통 기수 앞쪽에만 레이더가 달려있다. 이 이유는 앞의 기상 외 탐지할 필요가 없기 때문이다. 파장은 항공기탑재용 레이더의 경우 X 밴드인 3cm 정도이다. 감쇠는 가장 신경을 써야 하는 게 강수에 의한 감쇠인데 강수가 강할 경우 멀리 떨어진 목표물이 레이다 영상에 나타나지 않을 수 있다. 보통 레이더란 정말 그 쓰임새가 많지만 항공에서는 대부분 지형지물 그리고 구름 등의 기상현상을 파악하기 위해 사용된다. 그렇다면 이번 글에는 기상위성의 종류와 위성 영상의 종류에 대해 알아보도록 하겠다. 

 

기상위성의 종류로는 첫 번째로 정지 기상위성 (geostationary satellites)이 있다. 해당 위성은 35,800km 적도 상공에 위치하며 이는 위성에 대한 만유인력과 원심력이 같은 고도이다. 정지 기상위성은 나머지 한 종류인 극궤도 위성 대비 장단점이 있다. 장점은 관측 주기가 짧아 분 단위로 관측이 가능하고 매일 같은 시간에 같은 위치에서 관측할 수 있다는 점이다. 매일 같은 위치에서 관측하니 변화에 대해 더욱 자세히 파악할 수 있다. 하지만 단점으로는 고도가 높다 보니 관측 해상도가 낮고 위도 50도 이상에서 자료의 왜곡이 클 수밖에 없다. 이는 적도 위에 있으니 둥근 지구를 모두 관측하기엔 한계가 있는 것이다. 현재는 총 5개의 정지 기상위성이 존재하며 국가는 미국, 유럽, 일본, 러시아, 인도이다.

 

두 번째로는 극궤도 위성이다. 고도는 약 850km 상공에 있으며 북극과 남극을 축으로 회전한다. 회전주기는 1시간 40분 정도이며 이 또한 장단점이 존재한다. 장점은 고도가 그렇게 높지 않기 때문에 관측 해상도가 높으며 전 지구를 순차적으로 관측해 왜곡되는 자료가 없다. 하지만 단점은 일 2~3회밖에 관측하지 못하기에 시간이 맞지 않으면 원하는 시간대의 관측을 할 수 없다. 현재 6대의 극궤도 위성이 존재한다. 한국은 아직 극궤도 위성이 없으며 다른 국가의 위성 데이터를 빌려 사용하고 있다. 누리호 발사가 성공한 만큼 조만간 우리도 우리만의 극궤도 위성을 가질 날이 올 것이라 굳게 믿는다.

 

그럼 다음으로는 위성 영상의 종류를 알아보도록 하겠다고 하지만 그 전에 위성 관측의 원리부터 간략하게 알아보도록 하자. 위성 관측은 지구로부터 우주로 나가는 태양 반사광과 지구 표면과 대기에서 방출되는 적외선 등의 전자기파를 관측하는 것이다. 복사에너지는 대기 중에서 구름 등의 방해물로 인해 산란 및 흡수된다. 가시, 적외, 단파적외 영상을 대기에 의한 흡수율이 적기 떄문에 대기의 창을 관측할 수 있다. 우리가 흔히 볼 수 있는 또는 사용하는 영상을 적외영상, 가시영상 그리고 수증기 영상이다. 말로는 어렵게 들릴 수 있지만 쉽게 풀어쓰면 온도, 투기율, 수증기 정도에 따라 그 강도를 색으로 표시한 것이며 이는 한눈에 기상현상 및 지형을 알아볼 수 있다는 장점이 있다. 물론 각 영상에 따라 그 쓰임새와 목적이 다를 수 있다. 고도에 따라 더욱 효과적으로 볼 수 있는 영상이 있고, 어떤 종류의 기상을 보느냐에 따라 더욱 표현이 잘 되어 있는 영상이 있기 때문이다. 여러 가지 종류의 영상이 궁금하다면 항공기상청 홈페이지에 들어가면 위 언급되는 모든 종류의 영상을 접할 수 있다.

 

먼저 적외영상에 대해 알아보자. 적외영상은 온도에 따라 영상이 변하는데 온도가 내려가면 하얗게 그리고 올라가면 검게 변한다. 이는 물질에서 온도에 따라 복사되는 복사파를 감지하기 때문이다. 고도가 높은 구름일수록 하얗게 표시되는 것은 고고도 구름의 수증기 및 공기는 온도가 낮기 때문이다. 두 번째는 가시영상인데 가시영상은 지표, 구름 중의 미립자들에서 반사되는 태양광을 감지해 영상을 나타내며, 그렇기에 주간에만 사용할 수 있다. 반사광이 강할수록 희게 나타나는데 이는 두꺼울수록 하얗게 나타난다는 의미이며 대부분의 경우 구름을 의미한다. 두꺼움 구름은 희게 나타나고 육지는 회색, 호수나 바다는 검은색으로 나타난다. 마지막으로는 수증기 영상인데 중고고도 대류권의 수증기량을 표시한다. 수증기라는 것은 결국 구름을 의미하는데 습할수록 하얗게 그리고 건조할수록 어둡게 표시되어서 기상현상을 쉽게 파악할 수 있다. 특히 전선경계나 제트기류 등을 파악하는 데 용이하다. 제트기류를 횡단하는 선을 transverse line이라 언급하는데 이 line은 일반적으로 80노트 이상의 풍속을 동반하며 제트권운 속에 자주 나타난다. 구름열의 극측 가장자리를 따라서 최대풍이 위치하며 난기류와 청천 난기류가 발생할 가능성이 매우 높으며 항공 운항에 주의가 필요하다. 제트기류는 속 풍속은 매우 빠르기에 먼 거리 비행할 시 제트기류가 정풍이냐 배풍이냐에 따라 시간이 5시간 넘게 차이가 나기도 한다.