김성중

극지연구소

seongjkim@kopri.re.kr

 

 

  대한민국의 극지연구는 1988년 2월 남극 반도의 킹조지섬에 세종기지가 준공되면서 부터 본격적으로 시작되었다. 기지를 건립한 이듬해에는 남극조약협의당사국 지위를 얻으며 국제적인 위상을 조금씩 높여 갈 수 있었다. 남극에 기지 건설을 위해 현지 조사단이 파견되었고, 세종기지를 바탕으로 남극을 체계적으로 연구할 조직이 필요해짐에 따라 1987년 한국해양과학기술원의 전신인 해양연구소에 극지연구실이 신설되었다.

 

  남극 연구 뿐 아니라 기후변화가 가파르게 일어나는 북극 연구의 필요성도 대두됨에 따라 1994년 5월 북극포럼에 참여했으며, 2001년 4월에는 국제 북극과학위원회에 옵서버 자격으로 참석해 북극 관련 국제기구에 참여하기 시작하였다. 그리고 2002년 4월에는 노르웨이령인 스발바르(Svalbard)군도 스피츠베르겐섬 니알슨 과학기지촌에서 북극다산과학기지를 개소하면서 본격적인 북극 연구가 시작되었다.

 

  하지만 남북극 기지만으로는 해빙과 빙붕으로 덮여있는 극지역 해양의 연구에 상당한 제약이 있었기 때문에 얼음을 깨며 항해 할 수 있는 쇄빙연구선 건조의 필요성이 증대되었다. 이에 2004년 12월 기본설계가 완료되고, 2005~2006년까지 실시설계가 진행됐으며, 약 1년간의 생산설계를 통해 건조가 진행돼 마침내 2009년 11월에 쇄빙연구선 아라온호가 건조됐다.

 

그림 1. 쇄빙연구선 아라온호

 

  남북극 연구 기지의 준공에 따른 남북극 기지의 관리 및 운영의 필요성과 극지연구의 활성화를 위해 2004년 4월 16일 극지연구소는 해양연구소의 부설기관으로 출범하였다. 극지연구의 중요성이 커지면서 극지연구소의 청사 건립 또한 주요 과제로 떠올랐다. 쇄빙연구선과 남극기지 등 나날이 늘어가는 국가 대형 인프라를 체계적으로 관리하고 연구활동을 효과적으로 수행하기 위해서는 연구기반시설 마련이 무엇보다 시급했기 때문이다. 극지연구 특성상 과학기지·극한지 현장 방문과 함께 극지연구 장비와 물자의 효율적인 보급이 필수적인데, 인천은 항만과 국제공항으로의 접근성이 좋기 때문에 인천 송도경제자유구역이 청사 후보지로 선택되었다. 나아가 송도 경제자유구역을 조성한 궁극적 목적인 산·학·연 공동연구 플랫폼 조성에 극지연구가 중요한 역할을 할 수 있을 것이라는 점도 장점으로 작용하였다. 2013년 4월 29일 독립 청사가 송도에 문을 열었으며, 마침내 극지연구소의 새로운 도약과 성장의 발판이 마련되었다.

 

그림 2. 극지연구소 인천청사 전경

 

  남극세종과학기지는 남극반도 끝단의 킹조지섬에 위치해 있다. 그렇기 때문에 남극 고위도에서 나타나는 남극 성층권 오존층 파괴, 육상 빙하의 융빙과 해수면 상승 등과 같은 국제적으로 주목을 받는 연구를 하는데 많은 제약이 있다. 이런 이유를 바탕으로 남극 고위도에 위치한 남극기지의 건설이 필요하게 되었다. 다행히 남극 고위도 탐사 및 물자 보급이 가능해진 쇄빙선 아라온호가 진수되었기 때문에 대륙기지 건설도 본격적으로 추진될 수 있었다. 아라온호를 이용하여 제2 기지의 후보지를 탐색하여 2014년 2월 동남극 테라노바만에 한국의 제2 기지인 남극 장보고과학기지가 준공되었다.

 

그림 3. 남극 장보고 과학기지

 

 

  앞에 열거한 극지연구소 청사 및 남북극 과학기지와 쇄빙연구선을 바탕으로 본격적인 극지 연구가 이루어 졌다. 극지역은 태양복사에너지의 반사율이 높은 눈과 얼음으로 덮여 있기 때문에 온실가스 증가에 민감하게 반응한다. 그렇기 때문에 기후 변화를 감지하는데 가장 좋은 지역이기도 하다. 남극 대륙을 둘러싸고 있는 남극해는 남극의 낮은 온도 때문에 바다의 얼음이 얼었다 녹았다를 반복한다. 남극내륙 빙하의 두께는 평균 2100미터 정도로 알려져 있고, 남극 빙하가 모두 녹으면 전지구 해수면이 약 60미터 정도 상승 할 것으로 보고되고 있다. 지난 30년간 한반도 연안 해수면은 연간 전지구 평균해수면 상승률을 크게 상회하고 있지만 빙하의 감소를 고려하지 않았기 때문에 빙하가 녹아서 해수면이 오르면 더욱 심각해 질 수 있다. 특히 최근 지구 온난화의 영향에 의해 서남극의 빙하가 빠르게 녹고 있다. 급격한 해수면 변동에 따른 대형 재해 대응 방안 마련이 중요하기 때문에 다학제 국제협력 빙권 감시 네트워크를 구축하여 남극 빙상 붕괴의 주요 원인을 파악하고, 근 미래 해수면 상승 예측 시나리오를 구축하여 미래 글로벌 기후 변화에 대한 남극의 역할을 규명하는 연구를 수행하고 있다.

 

  남극해는 표층에 남극표층수가 있고 중층에는 환남극심층수(Circumpolar Deep Water)가 있는데 환남극심층수는 북대서양에서 침강하여 대서양 연안을 따라 남하한 물이 남극의 강한 서풍제트기류에 의해 심층에서 중층까지 올라온 물로서, 남극의 일부 연안(아문젠해와 벨링스하우젠해)에서는 대륙붕까지 올라와 빙붕 하부를 녹이는데 중요한 역할을 한다. 남극 빙하는 서남극을 중심으로 많은 양의 융빙이 일어나는데, 이는 환남극심층수가 빙하 하부를 녹이기 때문이며, 이렇게 녹은 물은 장기적으로는 전지구 해수면을 올리는데 기여할 것으로 여겨진다.

 

그림 4. 서남극 빙항 융빙에 영향을 주는 해류순환도

 

  극지연구소에서는 서남극 빙상 주변 퇴적물 연구를 통해 미래 온난기와 비슷한 환경의 과거 온난기의 환경 변화 및 그 원인 규명 연구를 수행하고 있고, 또한 국제공동 빙붕 시추 프로그램 참여를 통해 과거 온난기의 서남극 빙상 안정도를 이해하기 위한 연구를 수행 중이다. 극지방의 얼음은 지구 환경에 큰 영향을 주고 있으며 극저온 상태의 구조와 물질을 분석하여 물과는 다른 얼음의 특이성 및 역할을 연구하고, 이를 바탕으로 극지방 얼음과 기후변화 사이의 관계를 규명하고자 한다. 얼음의 화학적인 특성을 파악하는 연구 뿐 아니라 저온 정화기술 및 환경/에너지 신소재 개발도 추진 중에 있다.

 

  수천 미터 두께의 남극 빙하 아래에는 얼지 않은 상태의 호수(빙저호)가 존재하는데, 빙저호는 생물 진화와 과거 기후변화의 중요한 단서를 품고 있다. 극지연구소에서는 남극 내륙 2,000m급 심부 빙저호와 퇴적물 청정시료를 확보하기 위한 탐사기술 개발을 진행중이며 국제 공동 청정열수시추 프로그램에 참여하고 있다. 극지 빙하는 지구의 변화를 시간의 흐름에 따라 차곡차곡 기록하고 있기 때문에 빙하를 시추와 분석을 통해 과거 기후를 복원하면 지구의 기후와 환경이 과거에 어떻게 변해 왔는지 그리고 우리가 살고 있는 현재의 지구시스템과 어떻게 다른지에 대한 과학적 이해를 높일 수 있다.

 

  쇄빙선 아라온호를 활용한 해양탐사를 통해 미답의 지역이었던 남극권 중앙해령의 새로운 연구결과를 창출하였다. 아울러 남극권 최초의 열수 분출구와 새로운 종의 열수 생물들을 발견하였고, 중앙해령의 해저 지형과 빙하 주기 및 해수면 변동 간의 연관성을 밝히기도 하였다. 또한 새로운 타입의 맨틀인 ‘질란디아-남극 맨틀’의 존재를 세계 최초로 밝혀 국제적으로 저명한 사이언스지에 보고하였으며, 2019년 1월에는 극지연구소가 아라온호를 이용해 남극-뉴질랜드-호주 동편 영역 아래에 ‘질란디아-남극 맨틀’로 명명된 새로운 타입의 맨틀을 세계 처음으로 발견하는 쾌거를 이뤄내기도 하였다. 이는 과학계에서 30년 동안 통용되던 학설인 ‘맨틀 대류 표준모형’을 깨뜨리는 새로운 성과여서 세계적인 주목을 받은 바 있다.

 

  북극은 남극과 달리 대륙으로 둘러싸인 해양으로 구성되어 있고, 육지에는 동토와 그린란드 빙하로 이루어져 있다. 북극해의 경우, 태평양에서 베링해협을 통해 북극으로 들어가는 저염의 여름 해수의 수온이 점차적으로 증가하면서 북극 해빙 감소에 영향을 주고 있으며, 동시에 대서양에서는 프람 해협을 통해 고염의 해수 유입이 강해져 북극해 내부적으로 열·염순환이 변화하고 있다. 극지해역은 대기 온도 상승, 해빙 및 그린란드 빙붕의 감소 등 지구온난화에 따른 급격한 해양환경변화를 겪고 있는데, 온난화에 따라 북극으로 흘러 들어가는 하천수의 유입량이 증가하고 있으며, 해양 탄소 흡수력의 변화, 해양의 산성화, 생지화학적 물질 순환 변화 등으로 이어져 기후 환경 변화에 영향을 주고 있다. 극지 해양의 변화는 해양-대기 기체 교환량에도 영향을 주고, 해양에서 만들어지는 에어로졸, 그리고 해양과 대기의 생지화학적 순환에도 영향을 미치고 있어 극지 해양 환경의 변화를 진단하고, 피드백 기작을 규명할 필요가 있다.

 

그림 5. 극지 해양생태계 상호작용 모식도

 

  북극의 기온은 다른 지역에 비해 4배 이상 빠르게 올라가고 있다. 북극의 빠른 온난화는 북극에만 영향을 미치는 것이 아니라 한반도를 포함한 북반구 중위도에 한파와 같은 이상기후를 유발하여 많은 사회 경제적 피해를 입히고 있다. 즉, 북극의 온난화에 의해 늦가을과 초겨울 북극의 카라-바렌츠해빙의 결빙이 늦어지면 대기는 이미 냉각되어 있기 때문에 많은 양의 열과 수증기가 해양에서 대기로 빠져나가며 대기의 기압을 높이고 이는 중위도와의 기압차이를 줄여 북극의 한기를 북극에 가두는 폴라보텍스의 세기를 약화시킨다. 그로 인해 한반도를 포함한 동아시아와 북미로 북극의 한기가 남하하여 한파를 유발한다. 이 연구결과는 북극과 중위도의 원경상관의 중요성을 인정받아 우수한 저널에 게재되었고, 기상청의 계절 예측에도 활용되고 있다.

 

그림 6. 북극의 온난화로 인한 중위도 한파 모식도

 

  극지역의 기후변화는 대기 및 해양의 물리화학적 특성 뿐 아니라 생태계에도 지대한 영향을 미치고 있다. 극지역의 생물은 특히 기후변화에 취약하기 때문에 기후변화에 따른 생물의 변화를 이해할 필요가 있다. 기후변화에 대한 생태계 반응 연구는 남극과 북극의 해양과 동토 지역에서 수행 중인데, 북극은 다산기지가 있는 니알슨, 알래스카 카운실, 캐나다 캠브리지베이 등에서 남극은 세종기지 주변 킹조지섬과, 장보고기지 주변에서 장기모니터링이 진행 중이며 관련 자료를 수집 중에 있다. 특히 남극의 생태계 변화 자료를 국제공동 연구자 네트워크인 ANTOS에 제공하고 있으며, 또한 단일세포 유전체 분석과 같은 생태계 분석 첨단 기술도 개발 중이다.

 

  극지연구소는 급격한 지구온난화와 인간의 간섭으로 다양한 도전에 직면하고 있는 극지의 생태계를 보호하기 위해 남극 세종기지 주변과 남극 장보고 기지 인근 인익스프레시블 섬에 남극특별보호구역을 지정하여 운영 중이며, 로스해 해양보호구역과 남극과학기지 주변의 육상과 해양 생태계 변화 조사를 매년 수행하고 있다. 극지생물은 오랜 기간 고립된 극한의 환경에 적응하면서 고유한 유전학적·생리학적 특성을 갖도록 진화했기 때문에 극지생물만이 가지고 있는 환경적응 기작과 대사 과정의 특징을 가지고 있다. 그래서 저온에 특화된 약리 효능이나 상온에서 활성화 되는 생의학 소재를 가지고 있을 수 있기 때문에 극지생물들이 극한의 환경에서 살아갈 수 기작을 밝혀 바이오신소재 및 약품을 개발하는 연구도 수행하고 있다. 극지생물에서 분리한 대사체의 기능 파악을 통해 유용한 대사산물의 효능을 찾고, 신규 단백질의 구조를 파악해서 고부가가치 생물 소재를 개발도 병행하고 있다.

 

  극지 저층/고층-근우주 물리특성 및 대기구성물질 변화 연구그룹에서는 남북극과학기지를 기반으로 기상/기후요소, 온실기체, 에어로졸, 성층권 오존등을 정밀 관측하고, 위성자료 및 모델결과와 결합하여 대기 물리 과정 이해 및 기후변화 추이 분석을 수행 중이다. 극지 고층대기는 지구 자기장을 통해 외부 우주와 직접 연결되어 있고, 따라서 태양 및 우주환경 변화는 오로라 발생과 동시에 극지 고층대기 변동성을 일으켜 다양한 우주기상 현상을 발생시키고, 또한 저층대기와 다양한 화학적, 동역학적 상호작용을 하고 있기 때문에 극지에서의 다양한 지상관측활동을 통해 오로라 발생과 자기권 및 극지 고층대기/저층대기 변동성의 상관관계를 밝히며 미래 우주개발을 위한 우주기상 예측 연구에 대비하고 있다.

 

  접근이 용이하지 않은 극지의 자연환경 때문에 극지연구소 원격탐사 빙권정보센터에서는 인공위성 및 유무인기를 이용한 원격탐사 기술을 개발하여 빙권의 변화를 감시하고, 대용량 자료처리를 바탕으로 극지역의 기후변화를 이해하는데 활용하고 있다. 

 

그림 7. 극지빙권 변화 감시

 

  과학연구 뿐 아니라 극한지 기술 개발 및 탐사 기술도 개발 중에 있다. 다부처 사업의 일환으로 기상, 지진, 빙하 유동, 천문, 생태 모니터링이 가능한 극한지 스마트 관측소를 개발하고 관측소 자료수집과 로봇 운영이 가능한 관제거점을 구축하고 실증하는 연구를 수행 중이다. 각 관측소와 관제거점들은 신재생에너지를 활용한 에너지 자립형으로 운용될 수 있도록 개발하고 있으며 로봇을 통해 유지보수 되며 장거리 통신과 IoET(Internet of Extreme Things)를 서로 연결 하는 인터페이스를 개발 중이다. 또한 남극 내륙에서 심부빙하를 찾기 위해 4,000m 깊이의 빙하를 투과할 수 있는 빙하레이더를 항공기에 장착하여 탐사를 수행하고 있으며, 극지 환경이나 쇄빙선에서 자동으로 이착륙하며 탐사 임무를 수행할 수 있는 수직 이착륙무인기, 크레바스를 탐지할 수 있는 무인 육상 로봇 등을 개발하여 극지 연구에 활용하고 있다.

 

 

  극지연구소는 남극에 2개의 과학 기지와 북극의 기지, 그리고 쇄빙선을 운영하며 많은 연구결과를 생산하고 있다. 하지만 남극의 기지는 연안에 치우쳐 있기 때문에 남극 내륙기지의 필요성은 더욱 높아지고 있다. 내륙기지를 통해 세종기지와 장보고기지에서 수행이 제한되었던 과거 수십만년의 기후변화 기록 복원이 가능한 심부빙하를 채취할 수 있고 2,000~3,000m 빙하 밑에 자리한 빙저호에 접근할 수 있어 빙저호의 물을 탐사하여 빙저호 속의 미생물 파악을 통해 수월성 있는 기초과학 연구를 수행할 수 있는 기회를 얻을 수 있다. 심도 있는 우주관측도 가능하고 최저기온이 영하 80도 밑으로 내려가기 때문에 달탐사를 대비한 우주 등 극한지 탐사기술 연구 유망지로도 활용될 것이다.

 

  하지만 내륙 기지 건설을 위해서는 내륙으로 진출 할 수 있는 루트의 개척이 선결되어야 한다. 비행기를 통한 항공 보급은 기상의 변수가 크고 비용도 많이 들기 때문이다. 극지연구소는 2017년부터 내륙의 진출 루트 개척을 위해 소위 K-루트(Korean Route) 사업을 추진해왔고, 지난해 말 총 2,215km의 빙원 루트를 개척하였다. 이로써 우리나라는 세계에서 6번째로 남극 내륙 육상루트 확보에 성공했고 향후 남극 내륙기지 건설 및 연구를 위한 연구·보급 활동 등이 가능해졌다. 현재 남극 내륙기지 후보지를 탐색 중인데, 남극 내륙 진출 루트를 확보하는 것은 극지연구에서 중요한 이정표가 될 것이다.

 

  2009년 아라온호가 건조된 지 올해 15년을 맞이한다. 아라온호는 국내 최초의 쇄빙선으로서 7월부터 9월까지는 북극해 탐사에, 10월부터 이듬해 4월까지는 남극 탐사를 지원하며 매우 바쁜 극지 인프라로서의 역할을 수행해 오고 있다. 너무 빽빽한 일정 때문에 급격한 기후변화가 일어나고 있는 북극해 탐사에 제한이 있어 왔다. 또한 아라온호는 1미터의 해빙을 깨며 시속 5미터의 속도로 나아갈 수 있는 능력을 가지고 있기 때문에 해빙이 두꺼운 북위 80도 이상의 고위도 북극해까지 진출은 쉽지 않다. 이와 같이 아라온 만으로는 남북극의 바쁜 일정을 소화하기 어렵고, 북극의 빠른 기후변화에 대한 대응에도 한계가 있기 때문에 제 2 쇄빙선의 건설에 대한 필요성 높아지고 있다. 다행히 두 번째 쇄빙선 건조의 필요성을 인정받아 지난 2021년 정부로부터 제2 쇄빙선 건조에 대한 예비타당성이 통과되어 현재 차세대 쇄빙선 건조를 추진 중이다.  제2 쇄빙선을 활용해 북극해 관측이 더욱 용이해 지면 북극의 온난화가 전지구에 미치는 영향을 파악하고 예측의 정확성을 높이는데 일조할 것으로 여겨진다. 즉, 기후변화의 최전선인 극지환경 변화를 관측하고 이것이 전 지구적으로 미치는 영향을 밝힘으로써 기후위기 시대 인류의 미래에 대비하는 것이다. 관측 자료를 바탕으로 대기·해양·해빙 통합모델을 개발하여 궁극적으로는 북극발 한반도 재해 기상을 예측하며, 더 나아가 국제 네트워크를 활용해 미래의 융빙에 따른 남극 해수면 상승 예측 시나리오 제시도 가능해 질 것이다.

 

  극지연구소는 선진국보다 늦게 극지 연구활동을 시작했지만 남북극과학기지 뿐 아니라 쇄빙연구선을 운영하며 매년 2백편 이상의 논문을 발표하고 나아가 수월성 있는 연구결과를 지속적으로 생산하며 선진국을 따라가기보다는 극지연구의 선도 국가로 거듭나고 있다. 또한 2013년 북극이사회 옵서버 국가가 되었고, 2021년 아시아 최초로 남극연구과학위원회 의장을 배출하는 등 국제사회서 확실한 입지를 다지고 있다. 향후 제2 쇄빙선과 내륙기지가 건설된다면 아시아 최초로 북극점 공동연구 탐사를 시작하고, 인류가 당면한 최대 난제인 기후변화 대응에 중요한 역할을 할 것으로 여겨진다. 나아가 귀중한 극지의 관측 자료는 극지의 빠른 변화가 극지역 뿐 아니라 우리의 일상생활에 어떤 영향을 미칠지를 더욱 정확히 예측하는데 이용되어 경제적인 피해 저감에도 기여할 것이다. 그리고 4차 산업 혁명 시대에 맞게 다년간 축적된 극지 자료를 바탕으로 한 빅데이터 기술과 인공 지능 기술을 응용하여 부가가치를 창출 할 수 있을 것으로 기대되며, 극한지 탐사 기술 개발을 통해 쉽게 접근하기 어려운 극한지의 관측을 가능하게 하고 또한 극한 환경의 모사를 통해 우주 개발의 전초기지로서의 역할도 할 수 있을 것으로 여겨진다.