해빙 측정

섬네일|클레어 파킨슨 박사가 NASA가 북극해 해빙을 어떻게, 왜 연구하는지 설명한다.
섬네일|1979년부터 2012년까지 북극의 연간 최소 해빙 면적 애니메이션.
섬네일|이 애니메이션은 2013년 5월 16일부터 2013년 9월 12일까지 해빙이 2013년 최소 면적에 도달할 때까지 매일 북극 해빙과 계절별 지표면 변화를 보여준다.

해빙 측정()은 항법의 안전과 자연 환경, 특히 기후를 모니터링하는 데 중요하다. 해빙 면적은 북대서양 진동과 대서양 다중십년 진동과 같은 거대한 기후 패턴과 상호작용하며 지구의 나머지 지역 기후에 영향을 미친다.

북극의 해빙 면적은 수세기 동안 관심의 대상이었는데, 북서항로가 무역과 항해에 매우 중요했기 때문이다. 해빙 면적의 일부 효과에 대한 기록과 측정은 오랜 역사를 가지고 있지만, 1950년대까지는 포괄적인 측정이 드물었고 1970년대 후반 인공위성 시대에 시작되었다. 현대의 직접적인 기록에는 얼음 면적, 얼음 넓이, 농도, 두께, 얼음의 나이에 대한 데이터가 포함된다. 현재 기록의 추세는 북반구 해빙의 상당한 감소와 겨울 남반구 해빙의 작지만 통계적으로 유의미한 증가를 보여준다.

또한, 현재 연구는 북극과 아북극 해빙에 대한 다세대 역사적 기록의 광범위한 집합을 포함하고 확립하며, 그 중에서도 고해상도 고환경 해빙 기록을 사용한다. 북극 해빙은 역동적인 기후 시스템 구성 요소이며 대서양 다중십년 변동성과 수십 년간의 역사적 기후와 연결되어 있다. 해빙 패턴에는 순환적인 변화가 있지만, 모델링 예측에 기반한 명확한 패턴은 아직 없다.

 해빙 측정 방법 
초기 관측
바이킹이 아이슬란드 북부 해안을 따라 얼음이 발생한 연간 주수를 기록한 자료는 서기 870년으로 거슬러 올라가지만, 더 완전한 기록은 1600년부터 존재한다. 북극 해빙에 대한 더 광범위한 기록은 18세기 중반으로 거슬러 올라간다. 이들 기록 중 가장 초기 기록은 북반구 항로와 관련이 있지만, 그 시기의 기록은 드물다. 1880년대 이후의 기온 기록은 북극 해빙의 대리 지표 역할을 할 수 있지만, 이러한 기온 기록은 처음에는 11개 지역에서만 수집되었다. 러시아의 북극 및 남극 연구소는 1933년 이후의 얼음 지도를 작성했다. 오늘날 북극 해빙 추세를 연구하는 과학자들은 위성 기록, 선박 기록, 여러 나라의 얼음 지도를 조합하여 1953년 이후의 상당히 포괄적인 기록에 의존할 수 있다.

남극에서는 위성 기록 이전의 직접적인 데이터가 더욱 드물다. 남반구 해빙 면적의 역사적 기록을 더 과거로 확장하기 위해 과학자들은 해빙 면적의 다양한 대리 지표를 연구해 왔다. 하나는 남극 포경선이 포획된 모든 고래의 위치를 기록하고 해빙 관측과 직접 관련시키는 기록이다. 포경 기록에 따르면 20세기 중반 남극 해빙 면적이 급격히 감소한 것으로 보이지만, 1970년대 이후 위성 관측을 통한 남극 해빙 범위의 직접적인 전지구적 추정치는 명확한 추세를 보여주지 않는다. 고래는 먹이를 찾기 위해 해빙 가장자리 근처에 모이는 경향이 있으므로, 그들의 위치는 얼음 면적의 대리 지표가 될 수 있다. 다른 대리 지표는 남극 빙하 코어와 퇴적물에서 식물성 플랑크톤 유래 유기 화합물과 기타 극한 생물의 흔적을 사용한다. 식물성 플랑크톤은 얼음 팩 가장자리에서 가장 풍부하게 자라기 때문에, 이 황 함유 유기 화합물의 농도와 그 지구화학적 특성은 얼음 가장자리가 대륙에서 얼마나 멀리 뻗어 나갔는지를 나타내는 지표를 제공한다. 그 외에도 북극 및 아북극 해빙의 다세대 역사적 기록과 고해상도 고환경 해빙 기록을 포함한 광범위한 자료가 있다.

 인공위성 
섬네일|DMSP 위성
해빙에 관한 유용한 위성 데이터는 1972년 12월 전기 스캐닝 마이크로파 복사계 (ESMR) 장비로 시작되었다. 그러나 이는 이후의 SMMR/SSMI와 직접 비교할 수 없었기 때문에, 실제 기록은 1978년 후반 NASA의 스캐닝 다채널 마이크로파 복사계 (SMMR) 위성 발사와 함께 시작되었으며, 특수 센서 마이크로파/이미저 (SSMI)로 계속되었다. 고급 마이크로파 스캐닝 복사계 (AMSR)와 Cryosat-2는 별도의 기록을 제공한다.

1979년 이래로 위성은 해빙에 대한 일관되고 지속적인 기록을 제공해 왔다.
그러나 이 기록은 일련의 서로 다른 위성 탑재 장비로부터 얻은 측정값을 엮어 만든 것으로, 센서 변경 간의 상호 보정에 따른 오류가 발생할 수 있다.
해빙 위성 이미지는 지구 표면에서 방사되는 마이크로파 에너지 관측으로 만들어진다. 바닷물은 해빙과 다르게 마이크로파를 방출하므로, 위성 센서에 얼음은 물과 다르게 보인다. (해빙 방사율 모델링 참조). 관측값은 디지털 화소 또는 픽셀로 처리된다. 각 픽셀은 지구상의 정사각형 표면적을 나타낸다. 초기 장비는 약 25킬로미터 x 25킬로미터 해상도를 제공했으며, 이후 장비는 더 높은 해상도를 제공했다. 알고리즘은 마이크로파 방출과 수직 및 수평 편광을 분석하고 얼음 면적을 추정한다.

해빙은 총 부피 또는 면적 범위 측면에서 고려될 수 있다. 얼음 부피 추정치는 얼음 두께에 대한 지식을 필요로 하기 때문에 얻기 더 어려운데, 얼음 두께는 직접 측정하기 복잡하다. PIOMAS와 같은 노력은 관측과 모델링을 조합하여 총 부피를 추정한다.

총 극지 얼음 덮개를 표현하는 두 가지 방법은 얼음 면적과 얼음 범위이다. 얼음 면적을 추정하기 위해 과학자들은 각 픽셀의 해빙 비율을 계산하고, 픽셀 면적을 곱한 다음 총량을 합산한다. 얼음 범위를 추정하기 위해 과학자들은 임계값 비율을 설정하고, 이 임계값에 도달하거나 초과하는 모든 픽셀을 "얼음으로 덮인" 것으로 간주한다. 일반적인 임계값은 15%이다.

임계값 기반 접근 방식은 덜 정확해 보일 수 있지만, 더 일관성 있다는 장점이 있다. 과학자들이 위성 데이터를 분석할 때, 예를 들어 얼음 덮개가 70%인지 75%인지 말하는 것보다 픽셀에 최소 15%의 얼음 덮개가 있는지 없는지 말하는 것이 더 쉽다. 얼음 양의 불확실성을 줄임으로써 과학자들은 시간 경과에 따른 해빙 덮개의 변화가 실제라는 것을 더 확신할 수 있다.

위성 전파 고도계 반향을 주의 깊게 분석하면 개방 해수, 새로운 얼음 또는 다년생 얼음에서 산란된 신호를 구별할 수 있다. 눈/해빙과 개방 해수에서 나오는 반향의 고도 차이는 해수면 위 얼음의 고도를 제공하며, 이를 통해 얼음 두께를 계산할 수 있다. 이 기술은 수직 해상도가 제한적이며, 소량의 개방 해수가 있어도 쉽게 혼란을 겪는다. 따라서 얼음이 더 두껍고 연속적인 북극에서 주로 사용되었다. 최근 발전으로 북극 해빙 융해기 동안 위성 레이더 고도계에서 새로운 실험적 해빙 두께 제품이 개발되었다.

 잠수함 
1958년부터 미국 해군 잠수함은 항해 및 방어를 위해 상향 소나 프로필을 수집하고 그 정보를 얼음 두께 추정치로 변환했다. NSIDC에서 제공하는 미국 및 영국 해군 잠수함 데이터에는 잠수함 항로를 보여주는 지도가 포함되어 있다. 데이터는 얼음 흘수 프로필 및 프로필 데이터에서 파생된 통계로 제공된다. 통계 파일에는 얼음 흘수 특성, 용골, 평탄한 얼음, 리드, 변형되지 않은 얼음 및 변형된 얼음에 대한 정보가 포함되어 있다.

 부이 
국제 북극 부이 프로그램과 그 자매 기관인 남극 부이 국제 프로그램의 참가자들은 얼음 위에 부이를 설치하여 얼음 특성과 기상 조건을 측정한다. 부이에는 기온, 대기압, 눈과 얼음 두께, 눈과 얼음 온도, 해류, 해빙 운동, 해수면 기압, 해수의 온도와 염분, 표면 온도, 지표풍, 수온, 장파 및 단파 방사선을 측정하는 센서가 있을 수 있다. 해빙 질량 균형(IMB) 부이는 기온, 눈, 얼음 및 해수 현장 온도와 내부 가열 주기 후 온도를 측정한다. 이러한 가열 주기는 눈-얼음 및 얼음-물 계면을 더 정확하게 식별할 수 있도록 한다. 온도 부이는 변형되지 않은 얼음과 압력 능선에 대한 전도성, 잠열 및 해양 열 플럭스를 추정할 수 있다.

 상향 소나 

상향 소나 (ULS) 장치는 극지 얼음 아래에 몇 달 또는 심지어 몇 년 동안 배치될 수 있으며, 단일 지점에 대한 얼음 두께의 완전한 프로필을 제공할 수 있다. 소나는 해빙 흘수를 직접 측정하므로, 해빙 두께를 정확하게 추정하려면 눈 두께, 눈 및 해빙 밀도에 대한 지식이 필요하다. 소나 측정의 정확도는 소나와 해빙 사이의 해수 염도에도 달려 있으며, 많은 소나 설치물에는 CTD 및 ADCP도 포함된다. 상향 또는 다중 빔 소나는 원격 조종 수중 이동체 (ROV)에 장착되어 수백 미터 직경과 몇 달 동안 해빙 흘수를 조사할 수도 있다.

 보조 관측 
해빙에 대한 보조 관측은 해안 기지, 선박, 항공기에서 이루어진다.

최근 몇 년 동안 원격 감지 데이터가 해빙 분석에서 중요한 역할을 하게 되었지만, 이 데이터원만으로는 해빙 상태에 대한 완전하고 정확한 그림을 구성하는 것은 아직 불가능하다. 보조 해빙 관측은 원격 감지된 얼음 정보를 확인하거나 얼음 상태의 전반적인 그림에 중요한 수정을 제공하는 데 중요한 역할을 한다.

가장 중요한 보조 해빙 관측은 얼음 가장자리의 위치이다. 그 가치는 일반적으로 얼음 가장자리 위치의 중요성과 원격 감지 데이터로 얼음 가장자리를 정확하게 찾는 어려움을 모두 반영한다. 또한 얼음 가장자리를 얼거나 녹는 징후, 바람에 의한 전진 또는 후퇴, 그리고 밀도 또는 확산성 측면에서 설명하는 것이 유용하다. 다른 중요한 보조 정보에는 빙산, 부빙, 빙섬, 오래된 얼음, 능선 및 험악한 지형의 위치가 포함된다. 이러한 얼음 특징은 원격 감지 기술로는 잘 모니터링되지 않지만 얼음 덮개의 매우 중요한 측면이다.

 측정 유형 
 해빙 면적 

섬네일|북극해의 해빙은 계절에 따라 변동한다.
해빙 면적은 특정 양의 얼음, 보통 15%의 얼음이 있는 해수면을 말한다. 위성 마이크로파 센서에는 표면 융해가 해빙 위에 있는 물이 아닌 개방 해수로 나타난다. 따라서 대부분의 기간 동안 면적 측정에는 신뢰할 수 있지만, 표면이 녹을 때 마이크로파 센서는 실제 얼음 농도와 면적을 과소평가하는 경향이 있다.

 해빙 면적 
얼음 면적을 추정하기 위해 과학자들은 각 픽셀의 해빙 비율을 계산하고, 픽셀 면적을 곱한 다음 총량을 합산한다. 얼음 범위를 추정하기 위해 과학자들은 임계값 비율을 설정하고, 이 임계값에 도달하거나 초과하는 모든 픽셀을 "얼음으로 덮인" 것으로 간주한다. NASA의 분산 활성 아카이브 센터 중 하나인 국립 설빙 자료 센터는 15%의 임계값을 사용하여 해빙 면적을 모니터링한다.

 해빙 농도 

해빙 농도는 해빙으로 덮인 면적의 비율이다.

 해빙 두께 

해빙 두께는 시간이 지남에 따라 감소하며, 바람과 해류가 얼음을 밀어붙일 때 증가한다. 유럽 우주국의 Cryosat-2 위성은 지구 극지 얼음 덮개의 두께와 형태를 매핑하기 위해 2010년 4월에 발사되었다. 이 위성의 단일 장비인 SAR/간섭 레이더 고도계는 해빙 프리보드를 측정할 수 있다.

 해빙 연령 
얼음의 나이는 해빙 덮개 상태를 나타내는 또 다른 핵심 지표인데, 오래된 얼음은 어린 얼음보다 두껍고 탄력적이기 때문이다. 해빙은 시간이 지남에 따라 염분을 배출하고 염도가 낮아져 녹는점이 높아진다. 간단한 2단계 접근 방식은 해빙을 1년생 얼음과 다년생 얼음으로 분류한다. 1년생 얼음은 여름 융해기를 아직 견뎌내지 못한 얼음인 반면, 다년생 얼음은 최소 한 번의 여름을 견뎌냈으며 여러 해가 될 수 있다.
해빙 성장 과정을 참조하라.

 해빙 질량 평형 
섬네일|해빙 질량 평형 측정
해빙 질량 평형은 겨울에 얼음이 자라고 여름에 녹는 양의 균형이다. 북극 해빙의 경우 거의 모든 성장은 얼음 바닥에서 발생한다. 녹는 것은 얼음의 위와 아래 모두에서 발생한다. 대부분의 경우 모든 눈은 여름 동안, 일반적으로 단 몇 주 만에 녹는다. 질량 평형은 열 예산의 위대한 통합자이므로 강력한 개념이다. 열이 순증가하면 얼음이 얇아진다. 순냉각은 얼음을 더 두껍게 만든다.

질량 평형을 직접 측정하는 것은 간단하다. 말뚝과 두께 측정기 배열이 얼음 덮개의 위와 아래에서 얼음과 눈의 침식 및 축적을 측정하는 데 사용된다. 질량 평형 측정의 중요성과 관련된 비교적 간단한 장비에도 불구하고, 관측 결과는 거의 없다. 이는 주로 이러한 연구의 기반이 되는 장기 현장 캠프를 운영하는 데 드는 비용 때문이다.

 해빙 부피 
섬네일|right|파란색: 측정 기반 수치 모델링으로 결정된 북극 해빙 부피의 계절적 변화 및 장기적 감소.
북극 전체 또는 남극 전체의 해빙 부피 측정은 없지만, 북극 해빙 부피는 워싱턴 대학교 응용 물리학 연구소/극지 과학 센터에서 개발한 범북극 얼음 해양 모델링 및 동화 시스템 (PIOMAS)을 사용하여 계산된다. PIOMAS는 위성 관측 해빙 농도를 모델 계산에 통합하여 해빙 두께와 부피를 추정한다. 잠수함, 계류, 위성 관측과의 비교는 모델 결과의 신뢰도를 높이는 데 도움이 된다.

ICESat은 얼음 유동의 프리보드를 측정할 수 있는 레이저 고도계 장착 위성이었다. 활동 기간은 2003년 2월부터 2009년 10월까지였다. 얼음 밀도, 눈 덮개 두께, 기압, 해수 염도와 같은 보조 데이터와 함께 유동 두께를 계산할 수 있으며, 따라서 그 부피를 알 수 있다. 그 데이터는 해당 PIOMAS 데이터와 비교되었으며 합리적인 일치가 발견되었다.

2010년 4월에 발사된 Cryosat-2는 ICESat과 마찬가지로 얼음 유동의 프리보드를 측정할 수 있지만, 레이저 펄스 대신 레이더를 사용한다. 데이터는 PIOMAS 모델로 계산된다.

 데이터 추세 
모든 계절에 대한 신뢰할 수 있고 일관된 기록은 1979년부터 위성 시대에만 제공된다.

 북반구 

섬네일|right|1870–2000년 북반구 해빙 면적 백만 제곱킬로미터. 파란색 음영은 위성 이전 시대를 나타내며, 이 시기의 데이터는 신뢰도가 낮다. 특히 1940년까지 가을철 거의 일정한 면적은 실제 변동성 부족보다는 데이터 부족을 반영한다.
과학적 측정에 따르면, 지난 30년 동안 북극 여름 해빙의 두께와 면적 모두 극적인 감소를 보였다.

 남반구 
위성 시대 이전의 기록은 드물다. 윌리엄 K. 드 라 마레(William K. de la Mare)는 1997년에 '포경 기록을 통한 20세기 중반 남극 해빙 면적의 급격한 감소'에서 포경 기록을 바탕으로 얼음 가장자리의 남쪽 이동을 발견했다. 이 발견은 의문이 제기되었지만, 이후 드 라 마레와 코테의 논문은 동일한 결론을 지지한다.

위성에서 파생된 남극 해빙 추세는 중앙 태평양 부문에서 10년당 약 4-10%의 뚜렷한 증가를 보였고, 벨링스하우젠/서 웨델 부문에서는 유사한 비율이지만 더 낮은 범위로 감소를 보였다. 이는 남극 진동 및 엘니뇨-남방 진동(ENSO)의 양극성 영향과 밀접한 관련이 있다. AAO 및 ENSO와 관련된 얼음 변화의 크기는 지역 얼음 추세보다 작으며, 완전한 설명을 위해서는 지역적(또는 덜 이해된 대규모) 과정에 대한 조사가 여전히 필요하다.

1981년 ~ 2010년을 기준선으로 사용
과학자들은 1981년부터 2010년까지의 평균을 사용하는데, 이는 해빙 면적의 연간 비교를 위한 일관된 기준선을 제공하기 때문이다. 30년은 날씨와 기후의 표준 기준 기간으로 간주되며, 위성 기록은 이제 30년 기준 기간을 제공할 만큼 충분히 길다.

 같이 보기 

 극 증폭
 극소용돌이

 각주 

 외부 링크 
 National Snow and Ice Data Center Arctic Sea Ice News & Analysis

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