기상 관측 기구

섬네일
기상 관측 기구 또는 웨더 볼룬(weather balloon), 사운딩 볼룬(sounding balloon)은 라디오존데라고 불리는 소모성 측정 기구를 성층권으로 운반하여 대기압, 온도, 습도 및 풍속에 대한 정보를 작은 방법으로 보내는 풍선(구체적으로는 고고도 풍선의 일종)이다. 바람 데이터를 얻으려면 레이더, 무선 방향 찾기 또는 내비게이션 시스템(예: 위성 기반 GPS)을 사용하여 추적할 수 있다. 오랜 시간 동안 일정한 고도에 머물도록 고안된 풍선은 트랜스소존데(transosonde)로 알려져 있다. 계측기 팩을 운반하지 않는 기상 관측 기구는 상층의 바람과 구름층의 높이를 결정하는 데 사용된다. 이러한 풍선의 경우 경위의 위치나 토탈 스테이션을 사용하여 풍선의 방위각과 고도를 추적한 다음 해당되는 경우 예상 풍속과 방향 및 구름 높이로 변환한다.

기상 관측 기구는 현재 상태를 진단하는 데 사용되는 관찰뿐만 아니라 일기 예보를 위한 인간 예측가 및 컴퓨터 모델에 의해 전 세계적으로 발사된다. 전 세계 900~1,300개 위치에서 매일 2~4회 정기적으로 기구를 날린다.

기상 관측 기구의 효율성은 일부 국가의 관측 범위 부족뿐만 아니라 다른 대기 및 기구적 요인에 의해 제한된다. 미국에서만 연간 약 76,600개의 풍선을 방출하는 등 기상 관측 기구의 빈번한 사용에 따른 환경적 우려가 제기되어 왔다. 이 풍선들 중 매주 최대 300개에 달하는 많은 양이 결국 바다로 흘러 들어가 수질을 오염시키고 주변 해양 생물을 위협한다.

 역사 

기상 관측 기구를 처음 사용한 사람 중 한 명은 프랑스의 기상학자 레옹 테이세랑 드 보르였다. 1896년부터 그는 프랑스 트라프에 있는 자신의 관측소에서 수백 개의 기상 관측 기구를 띄웠다. 이러한 실험은 그가 대류권계면과 성층권을 발견하는 계기가 되었다.
이 초기 기상 관측 기구들은 착륙 시 회수되는 자동 기록 장치를 탑재하여, 연구자들이 이전보다 더 높은 고도에서 대기 프로파일을 얻을 수 있게 해주었다.

20세기 초, 기상 관측 기구는 오존, 우주선, 성층권 순환을 조사하는 등 더 넓은 상층 대기 연구로 확장되었다. 기상 관측 기구 관측소는 유럽, 북미, 아시아 전역에 걸쳐 전 세계적으로 설립되었다. 이 기술은 1920년대에 무선 신호를 통해 온도, 기압, 습도의 실시간 측정값을 전달할 수 있는 장치인 라디오존데의 발명으로 더욱 발전했다. 이러한 혁신은 오늘날 일기예보와 기후 연구에 필수적인 조정된 글로벌 관측 네트워크의 구축을 가능하게 했다.

원자력 낙진으로 인한 방사성 파편을 진단하는 데 도움을 주기 위해 장기간 일정한 고도에 머물도록 설계된 장비를 갖춘 기상 관측 기구인 트랜소존데(Transosondes)가 1958년에 실험되었다.
드론 기술의 폭발적 성장은 1990년대 후반부터 기상 드론의 개발로 이어졌다.
이 드론들은 풍선으로는 불가능한 지역과 날씨에서 정밀하고 목표화된 측정을 수행할 수 있는 잠재력을 제공했다. 이들은 라디오존데를 운반하는 더 구체적인 수단으로서 풍선을 대체하기 시작할 수 있다.

 재료 및 장비 
풍선 자체는 선화 가스를 통해 부력을 생성하며, 대개 매우 유연한 라텍스 재질로 만들어지지만 클로로프렌이 사용되기도 한다. 실제 측정과 무선 전송을 수행하는 장치는 줄의 하단에 매달려 있으며, 이를 라디오존데라고 부른다. 오존층 농도 결정과 같은 특정 매개변수를 측정하기 위해 특수 라디오존데가 사용된다.

데이터 품질을 개선하기 위해 센서 노출과 공기 흐름에 특별한 주의를 기울여야 한다. 센서의 과열을 최소화하기 위해 복사 차폐막이 사용된다. 최근 연구에 따르면 풍선의 상승 및 하강 속도를 제어하면 센서에 대한 바람 관련 방해를 줄여 더 정확한 측정을 제공할 수 있다. 더 매끄러운 하강을 위해 일부 풍선은 이중 풍선 구성을 사용하거나 밸브 제어 풍선을 사용하여 하강 시 더 나은 데이터 수집을 도모한다.

풍선은 보통 수소로 채워지지만, 더 비싸지만 실행 가능한 옵션인 헬륨도 자주 사용된다. 상승 속도는 풍선에 채워진 가스의 양으로 조절할 수 있으며, 보통 약  정도이다. 기상 관측 기구는  이상의 고도에 도달할 수 있으나, 기압 감소로 인해 풍선이 붕괴될 정도(보통 100:1 비율)로 팽창하여 제한을 받는다. 이 경우 기구 뭉치는 보통 소실되지만, 기구 회수를 돕기 위해 낙하산이 사용될 수도 있다. 그 이상의 고도에서는 기구를 높이 운반하기 위해 관측 로켓이 사용되며, 더 높은 고도에서는 위성이 사용된다.

 발사 시간, 장소 및 용도 
섬네일|left|캐나다 누나부트주 케임브리지베이 상층 기상 관측소의 수소 충전 풍선
섬네일|성층권으로 위키 탑재체를 발사하는 모습
기상 관측 기구는 현재 상태를 진단하고 예보관과 컴퓨터 모델이 일기예보에 사용하는 관측을 위해 전 세계에서 발사된다. 전 세계 약 900개에서 1,300개 지점에서 매일 2회 또는 4회, 보통 UTC 0000시와 1200시에 정기적으로 방출한다. 일부 시설에서는 12시간 간격의 정기 발사 사이에 대기 상태가 많이 변할 수 있어 추가 데이터가 필요하다고 기상학자가 판단할 때 가끔 보충적인 특별 방출을 하기도 한다. 미국의 미국 국립기상청과 같은 군 및 민간 정부 기상 기관이 일반적으로 풍선을 발사하며, 국제 협약에 따라 거의 모든 데이터는 모든 국가와 공유된다.

 상호 보완적인 시스템으로서의 기상 관측 기구와 위성 
위성은 전 지구적인 대기 범위를 제공하지만, 그 측정값은 해상도가 거칠고 구름의 덮임, 지표면 방사율, 보정 드리프트와 같은 요소의 영향을 받을 수 있다. 기상 관측 기구는 특정 지역의 온도, 기압, 습도에 대한 직접적인 현장(in situ) 측정값을 제공하여 위성 데이터의 오류를 식별하고 데이터의 정확도를 높이는 데 도움을 준다. 이러한 이유로 현대의 기후 모니터링 시스템에서는 위성 측정과 기상 관측 기구 관측이 종종 나란히 사용된다.

 항공우주 및 로켓 발사 지원 
기상 관측 기구는 로켓 발사를 돕기 위한 대기 관측 시스템으로도 사용된다. 루카시에비치 연구 네트워크 - 항공 연구소(Lukasiewicz Research Network - Institute of Aviation)가 수행한 테스트에서 풍선 관측 시스템은 ILR-33 앰버(Amber) 준궤도 로켓을 지원하는 데 사용되었다. 2019년 일련의 시험 발사에서 이 시스템은 실시간 수직 풍속 프로파일 정보와 같은 대기 데이터를 획득했으며, 이는 로켓의 발사 전 절차에 사용되었다.

 특수 용도 
항공 관련 이해관계, 오염 모니터링, 사진 또는 영상 촬영, 연구와 같은 특수 용도도 존재한다. 예로는 파일럿 풍선(Pibal)이 있다. 현장 연구 프로그램에서는 선박과 항공기뿐만 아니라 지상 차량의 이동식 발사대를 자주 사용한다(이 경우 보통 낙하존데가 사용됨). 최근 몇 년 동안 기상 관측 기구는 고고도에서 사람의 유골을 뿌리는 데 사용되기도 했다.
기상 관측 기구는 1966년 9월 영국 북웨일스 귀네드 포트메이리온에서 제작된 1960년대 TV 시리즈 더 프리즈너의 가상 존재 '로버(Rover)'를 만드는 데에도 사용되었다. 이는 1966년부터 1967년까지 영국 MGM 보어햄우드에서 촬영된 추가 장면에서도 유지되었다.

 잠재적 문제 
 항공 
1970년, 에어로플로트 1661편을 운항하던 안토노프 24 기가 비행 중 라디오존데와 충돌한 후 조종 능력을 상실하여 탑승자 45명 전원이 사망했다.

2025년 10월 16일, 한 유나이티드 항공 여객기가 유타주 상공 순항 고도에서 기상 관측 기구와 충돌하여 앞유리가 파손되었다. 이로 인해 조종석으로 유리 파편이 튀어 들어가 기장의 오른팔이 부상을 입었고, 비상 하강 및 회항이 발생했다. NTSB는 조사를 시작했으며, 해당 기상 관측 기구 업체는 향후 위험을 줄이기 위한 조치를 취했다.

기상 관측 기구가 피토 정압 계통을 방해하는 등 항공기에 위험을 초래할 수 있는 다른 방식들도 존재한다.

 관측 범위 및 공백 
아프리카, 남미, 남빙양, 남극과 같은 지역은 기상 관측 기구 관측이 특히 부족하다. 이는 상당한 데이터 공백과 기후 정보의 왜곡을 초래하여 남반구의 기후 및 대기 프로파일에 대한 이해를 제한할 수 있다. 이러한 관측 범위의 불균형은 기상 관측 기구 발사의 비싼 가격(발사당 약 500달러)에 기인하며, 이는 제3세계 국가의 접근성을 제한하고 전 세계적인 관측 수를 제약한다.

 운영 및 기구적 제약 
기상 관측 기구의 성능은 선화 가스의 부피, 탑재체 질량뿐만 아니라 기상 조건의 영향을 크게 받는다. 풍선이 발사되는 장소와 사용자의 숙련도 또한 임무 성공에 영향을 미칠 수 있어 일관된 결과를 얻기 어렵게 만든다. 상층 대기 관측의 완전성은 풍선이 도달하는 최대 고도에 달려 있다. 즉, 풍선이 너무 일찍 터지거나 충분한 상승 고도에 도달하지 못하면 온도와 습도 측정의 상향 범위가 제한되며, 이는 이러한 정보에 의존하는 GRUAN과 같은 기후 네트워크에 큰 문제가 된다.

 환경 문제 
일기예보가 점점 더 위성과 레이더 기술에 의존하고 있음에도 불구하고 여전히 기상 관측 기구를 사용한다. 전 세계 수천 개의 관측소에서 발사되는 이 장치들은 대기로 상승하여 기상 데이터를 수집한다. 예를 들어 미국은 연간 약 76,600개의 풍선을 방출하며(하루 평균 약 210개), 캐나다는 22,000개를 발사한다.
섬네일|성층권 도달 후 폭발하여 지구 전역에 라텍스 파편을 흩뿌리는 기상 관측 기구
기상 관측 기구는 약 35km 고도에 도달한 후 터지면서 측정 기구와 이를 구성하던 라텍스 재질을 방출한다. 측정 기구는 종종 회수되지만, 라텍스는 환경에 남아 해양 생태계에 심각한 위협을 가한다. 연구에 따르면 상당 부분의 기상 관측 기구가 결국 바다로 흘러 들어간다. 예를 들어, 한 호주 연구원은 그레이트배리어리프에서 2,460개 이상의 기상 관측 기구 파편을 수거했으며, 매주 최대 300개의 풍선이 해양 환경으로 방출될 수 있다고 추정했다. 이러한 환경적 영향은 기상 데이터 수집에 있어 지속 가능한 대안의 필요성을 강조한다.

과학자들과 환경 운동가들은 기상 관측 기구의 환경적 영향에 대해 우려를 제기해 왔다. 바다에서 장기간 남아 있을 수 있는 라텍스 재질은 바다거북, 조류, 물고기를 포함한 해양 생물에 해를 끼칠 수 있다. 기상 관측 기구의 환경적 영향을 최소화하려는 노력에는 생분해성 재료의 개발과 개선된 회수 방법이 포함된다. 그러나 기상 데이터에 대한 기상 관측 기구의 지속적인 의존은 정확한 일기예보의 필요성과 환경적 지속 가능성 사이의 균형을 맞추는 데 어려움을 주고 있다.

 같이 보기 
 미확인비행체

 각주 

분류:기상 계측기
분류:프랑스의 발명품