얼음의 땅 ‘남극’은 흔히 ‘미지의 대륙’이라 불린다. 인류의 손길이 제대로 미치지 못하고 있기 때문이다. 이 ‘세상의 끝’ 남극에서 지구의 미래를 준비하는 이들이 있다. 남극세종과학기지의 월동연구대와 하계연구대가 그들이다. 거대한 빙하, 바다를 떠도는 유빙, 몸을 가눌 수 없을 정도의 강한 블리자드(눈보라). 어떤 위험에도 그들은 남극을 지킨다. 우리는 이들을 ‘국가대표 극지인’라 부르기로 했다. 시사위크 남극특별취재팀이 남극세종과학기지를 찾아 그들을 만나봤다. [남극특별취재팀=김두완 기자, 박설민 기자]
시사위크|남극=남극특별취재팀 ‘남극(Antarctica)’은 세상에서 가장 큰 하얀색 도화지다. 눈과 얼음으로 덮인 순백의 풍경, 인간의 흔적이 없는 완전무결한 순수성을 갖는다. 그런 의미에서 남극의 밤하늘은 저 멀리 우주과학의 비밀을 담은 지식의 창고라 볼 수 있다.
특히 남극은 우주의 변화를 관찰하는데 최적화된 공간이다. 인간 산업 활동의 영향을 받지 않은 밤하늘을 볼 수 있는 거의 유일한 곳이기 때문이다. 전 세계 수많은 연구자들이 극한의 땅 남극에서 밤새 몇억 광년 떨어진 우주를 관찰하는 것도 이 때문이다.
남극세종과학기지도 ‘고층대기’ 분야 연구에 많은 노력을 기울이고 있다. 그 중심엔 김정한 박사가 있다. 김정한 박사는 극지연구소 해양대기연구본부 책임연구원(이하 ‘책임’)으로 근무하며 극지 우주, 그중에서도 ‘고층대기’를 연구하고 있다. 그에게 우리 삶에 가장 ‘가까운 우주’인 고층대기와 극지과학에 대한 이야기를 들어봤다.
◇ 우주공간, “인간에게 직접적인 영향을 미치는 곳”
“극지라는 환경은 너무나 매력적인 곳이다. 극지는 일평생 다시 얻기 힘든 소중한 경험을 할 수 있다. 동시에 그 어디서도 본 적 없는, 희귀한 연구데이터를 얻을 수 있는 ‘일석이조(一石二鳥)’의 공간이다.”
남극세종과학기지에서 만난 김정한 책임의 말엔 남극에 대한 애정이 묻어났다. 그는 극지 경험이 많은 배테랑 극지인이다. 2004년 세종과학기지 제17차 월동연구대 고층대기 연구대원을 시작으로 남극과 인연을 맺었다. 이후 극지연구소에 입사해 지금까지 극지 고층대기 연구를 진행 중이다.
김정한 책임의 주요 연구 분야는 ‘고층대기’다. 지구를 둘러싼 공기층은 크게 △대류권 △성층권 △중간권 △열권의 4개층으로 이뤄지는데, 이때 중간권과 열권으로 이뤄진 60~1,000km 상공의 영역을 고층대기라 부른다. 사실상 지구 하늘이 아닌 ‘우주’의 영역이다.
극지 고층대기 연구가 중요한 이유는 ‘지구환경과 인간 활동에 직접적 영향을 미치는 우주공간’이라는 데 있다. 고층대기는 지구의 기후변화에 매우 민감하게 반응하는 영역이다. 때문에 고층대기에서 발생하는 현상은 인공위성 기반의 우주시대에 살고 있는 인간에게도 직접적인 영향을 미칠 수 있다.
이때 고층대기는 ‘플라즈마(Plasma)’ 상태인 ‘전리권(Ionosphere)’이 전기적으로 중성 상태인 중간권과 열권에 중첩되어 있는 영역이다. 플라즈마란 기체가 이온화되어 양이온과 전자로 분리된 상태를 말한다. 높은 전기전도도를 가지고 있어 전자기장에 반응성이 높다. 때문에 지구에 영향을 줄 수 있는 우주현상 대부분 이 고층대기 영역에서 발생한다.
김정한 책임은 “고층대기는 굉장히 광범위한 연구 분야를 가지고 있고, 특히 극지방의 고층대기에서는 다른 곳보다 특색있는 현상들이 매우 다양하게 발생한다”며 “남극의 고충대기 연구는 플라즈마와 중성대기들이 상호작용을 많이 해 지구에 영향을 주는 우주현상 연구에 특화돼 있다”고 설명했다.
극지 고층대기 현상 중 대중들에게 가장 많이 알려진 것은 ‘오로라(Aurora)’다. 태양에서 방출된 플라즈마 입자는 지구 자기장에 붙잡혀 양 극쪽으로 이동하게 한다. 그 다음, 극지 고층대기의 기체들과 충돌하면 빛을 내뿜게 되는데 이것이 바로 오로라 현상이다. 형형색색으로 빛나는 오로라는 극지에서 가장 아름다운 우주현상 중 하나로 손꼽힌다. 이름도 그 아름다움에서 착안한 로마신화 속 새벽의 여신 ‘아우로라(Avrora)’에서 따왔다.
아쉽게도 세종과학기지에서는 오로라 현상이 자주 관측되지 않는다. ‘지자기 위도(Geomagnetic latitude)’가 낮아서다. 지구는 일종의 큰 자석이라 볼 수 있다. 이때 지구에 흐르는 자기장의 방향을 기준으로 한 위도가 지자기 위도다. 북극점과 남극점의 지자기 위도는 각각 90°N, 90°S로 높아 오로라 현상이 관측된다. 하지만 세종과학기지의 위도는 62°S로 낮아 관측이 어려운 것이다. 다만 지난해 5월처럼 극심한 지자기폭풍이 발생하는 경우에는 세종기지 상공에 오로라가 나타나기도 한다.
김정한 책임은 “오로라를 처음 봤을 때 그 감동을 아직도 잊지 못하고 있다”며 “오로라뿐만 아니라 극지 고층대기에선 다양한 우주 현상이 존재하고 있고, 현재는 대류권이나 성층권의 저층대기에서 발생하는 대기 파동이 극기 고층대기에 미치는 영향에 대해 연구하고 있다”고 말했다.
◇ 남극에서 찾은 우주의 비밀, ‘우주산업’ 청사진 그릴 물감
모든 극지활동이 마찬가지겠지만 고층대기연구도 쉬운 일이 아니다. 초속 15m에 육박하는 강풍, 끊임없이 휘몰아치는 눈보라는 고층대기 연구를 위해 설치한 레이다(RADAR)와 안테나, 통신장비들에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 때문에 극지의 고층대기 연구원은 이를 하루도 빠짐없이 점검·관리해야 한다.
실제 기자가 남극세종기지를 방문했을 당시, 고층대기 관측동 근처에 설치된 ‘레이다’에 문제가 생긴 일이 있었다. 관측 신호 수신 불량이 발생한 것이다. 이럴 경우 레이다의 수리도 연구자들의 몫이다. 고층대기 연구자인 김정한 책임과 제38차 월동연구대의 고층대기 담당인 안승민 대원이 수리에 나섰다. 기자도 함께 동행했다.
고층대기 관측동은 세종기지 내 연구동(연구자들이 근무하는 곳)에서 그리 멀지 않다. 하지만 빙하가 녹아 질척이는 땅과, 칼처럼 날카롭게 쪼개진 자갈로 가득한 길을 거쳐야만 갈 수 있다. 휑한 벌판에 우뚝 솟은 레이다를 수리하는 작업은 여간 힘든 일이 아니었다. 특히 초속 10m/s 이상의 칼바람은 온몸이 얼어붙다 못해 타들어가는 듯한 추위를 선사했다.
김정한 책임이 수리하던 기기는 ‘유성 레이다(Meteor Radar)’였다. 지상에서 유성 관측을 위해 전파를 송출하고 반사돼 오는 신호를 분석하는 장비다. 이 장비를 사용하면 간접적으로 유성이 타 없어지는 고도의 바람과 온도를 알아낼 수 있다.
지구 고층대기에 진입한 유성은 대부분 대기 성분들과의 충돌에 의해 불타 사라진다. 이 과정에서 지구 대기로 진입한 ‘유성체(Meteoroid)’는 짧은 시간 동안 고온으로 인해 전자가 분리돼 플라즈마 상태가 된다. 이때 플라즈마 상태가 된 유성체는 하늘에서 1~2초 가량 잔상이 남아 빛난다. 이것이 ‘유성흔(Meteor trail)’이다.
이때 유성레이다의 송신안테나는 연중 쉬지 않고 24시간 내내 규칙적인 전파를 송출한다. 송출된 전파는 플라즈마 상태인 유성흔에 부딪혀 반사된다. 이렇게 반사된 전파를 다시 유성레이다 수신안테나가 수신, 데이터를 연구자들에게 전송하는 것이다.
유성레이다로 수집한 데이터를 이용, 연구자들은 유성흔 발생 위치와 소멸시간 등 여러 가지 정보를 알아낼 수 있다. 또한 유성흔이 발생한 주변 대기와의 상관관계를 이용하면 대기의 바람과 온도도 알 수 있다. 김정한 책임은 이렇게 알아낸 대기 바람과 온도의 변화를 추가 분석, 저층대기에서 올라오는 대기 파동에 대한 연구를 수행 중이다.
추위와 고통으로 발을 동동 구르는 기자와 달리, 레이다 수리 작업을 진행하는 김정한 책임은 평온한 표정이었다. ‘베테랑 극지 연구인’이란 별명이 괜히 붙은 게 아니구나 싶었다. 약 5시간이 넘는 작업을 마친 김정한 책임은 “앞으로 1년 동안 월동연구대가 사용해야 할 장비인 만큼 철저히 점검할 필요가 있었다”고 말했다.
극지 고층대기 연구활동은 사실 기초과학, 순수과학에 가까운 분야다. 즉, 일반인들의 삶에 직접적으로 연관되는 연구는 아니라는 얘기다. 하지만 그 가치는 단순 값으로 매길 수 없다는 것이 김정한 책임의 말이다. 간접적으로 여러 산업에 큰 영향을 미치기 때문이다. 최근 미래 핵심 산업으로 떠오르는 ‘우주항공산업’은 극지 고층대기 연구가 탄탄하게 뒷받침돼야 하는 예다.
우주항공산업은 인공위성과 발사체, GPS 등이 주요 핵심 기술이다. 하지만 태양풍이 발생하면 큰 피해를 입는다. 태양풍은 태양에서 방출되는 고에너지 하전입자의 흐름이다. 초당 200~700km의 속도로 지구로 날아온다. 무게는 약 100만톤에 이른다. 거대한 규모의 태양풍은 전 지구적으로 막대한 피해를 유발한다. △전파 교란 △위성통신장애 △전자기기 및 항공기 GPS 고장 등이 대표적 예다.
특히 치명적 피해를 받는 것은 ‘인공위성’이다. 대부분의 위성들은 고층대기 밀도에서 궤도 운동을 하는데, 강력한 태양풍은 이곳의 밀도를 변화시킨다. 이 경우 위성 운용에 문제가 발생할 수 있다. 때문에 안정적 우주기술개발 성과 달성을 위해선 우주에서 유입되는 고에너지 입자에 의한 영향과 저층대기로부터 전파되는 대기 파동에 의한 영향을 동시에 받고 있는 고층대기 변화 연구가 필수적이다.
김정한 책임은 “과거와 달리 요즘은 일반인들에게도 위성항법시스템(GPS) 등은 생활의 일부가 돼 안정적 위성 신호 수신은 상당히 중요해졌다”며 “고층대기에서 갑작스러운 변화가 생긴다면 이런 신호 수신에 문제가 생기거나 오차가 커져 우리 생활에도 직간접적으로 적잖은 영향을 미칠 것”이라고 설명했다.
이어 “일상생활에선 그렇게 큰 영향이 아닌 것처럼 보일지는 몰라도 항공기, 군사, 선박 운항 등 특수 목적 분야에서는 상당히 중요하게 작용한다”며 “스페이스X가 쏘아올린 스타링크 로켓도 고층대기 밀도변화로 추락한 것처럼 고층대기 이상현상은 자주 발생하진 않지만 대비를 하지 않는다면 막대한 피해를 보게 된다”고 말했다.
◇ “기초과학, 응용과학을 뒷받침하는 대들보”
누구보다 극지를 사랑하는 김정한 책임이지만 최근 남극과 북극을 방문할 때마다 걱정이 커지고 있다. 피부로 직접 와닿는 ‘기후변화’ 때문이다. 김정한 책임은 씁쓸한 표정으로 세종과학기지 주변에 위치한 ‘빙벽(마리안소만)’을 바라봤다. 그러면서 2004년 월동대원으로 근무했을 당시보다 빙벽 크기도 훨씬 작아졌고 얼음이 무너지며 암반까지 드러났다고 한탄했다.
김정한 책임은 “나뿐만 아니라 극지연구소 다른 분들, 과거부터 남북극 다닌 분들은 모두 기후변화가 너무 심각해 우려하고 있다”며 “특히 2003년 말 월동을 왔을 때 마리안소만 빙벽은 지금보다 훨씬 더 두껍고 컸지만, 지금은 뒤로 수백미터 넘게 후퇴했다”고 말했다. 기후변화로 인해 빙하가 녹으면서 기지 가까이에 있던 빙벽이 이젠 저만치 멀어졌다는 뜻이다.
해외 국가들과의 연구 경쟁도 김정한 책임이 신경쓰는 부분이다. 세종과학기지의 경우 남극 킹조지섬 인근에서는 가장 뛰어난 연구 성과를 내고 있다. 하지만 유럽, 중국, 남미 국가들의 추격이 만만찮은 상황이다. 특히 김정한 책임의 주요 연구 분야인 극지 우주·고층대기 분야에서 중국은 막대한 투자를 진행 중이다.
중국의 대표적 극지 고층대기 연구 프로젝트로는 ‘IMCP(International Meridian Circle Program, 국제 자오선 원 프로그램)’를 꼽을 수 있다. 전지구적으로 저층대기와 고층대기를 동시 관측하는 중국 주도 대형 국제 프로젝트다. 중국을 지나가는 일정 경도 범위에 저층·고층대기 관측 지상 장비들을 설치하는 방식이다.
김정한 책임에 따르면 현재 해당 프로젝트는 1단계 추진이 거의 완료된 것으로 알려졌다. 추진을 목전에 둔 2단계는 또 다른 경도 범위에 대해 동일하게 장비들을 구축하는 것이다. 2단계까지 프로젝트가 마무리된다면 어떤 우주환경 현상이 고층대기에서 발생했을 때 지구의 거의 모든 위도, 경도 위치에서 동시에 관측하는 것이 가능해진다. 이를 통해 얻는 데이터는 매우 희소성이 높아 선도 연구 수행에 중요한 역할을 하게 될 것으로 예상된다.
김정한 책임은 “중국 정부는 우주 굴기 언급 후 우리와는 규모가 다른 투자를 지속하고 있다”며 “이는 극지 우주분야 역시 마찬가지로 현재 우리나라 연구기관이 이를 따라가는 게 어려울 정도로 큰 규모”라고 말했다.
아울러 기초과학에 대해 ‘돈이 안 된다’는 대중적 인식에 대한 우려도 나타냈다. 우리가 사용하는 모든 생활 속 도구와 기술은 기초과학 연구에서 나온 것들이다. 즉, 기초과학 연구라 함은 원리를 규명하는 것이기에 응용과학 발전을 뒷받침하는 대들보와 같은 존재인 셈이다. 하지만 단기간 성과를 낼 수 없다는 이유에서 등한시되는 경우가 많다.
김정한 책임은 “응용과학을 뒷받침하는 기초과학 연구가 발전하지 못하면 결국 해당 기술을 외국에서 사오는 방법밖에 없다”며 “하지만 우주항공분야에 적용되는 고급 기술은 해외 국가들이 돈을 준다고 해도 절대 팔거나 공유하지 않는다”고 지적했다.
이어 “최근 인구 감소와 경제적 문제로 대학원에 지원하는 인재가 감소하고 있다”며 “그럼에도 불구하고 젊은 과학자들이 극지 연구에 대한 관심을 가지고 지원해주길 바란다”고 극지와 기초과학 인재 양성 중요성에 대한 조언도 전했다.
/ 박설민 기자, 김두완 기자
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