By MATT SIMON, WIRED US

하늘에서 바다를 향해 내려다보면, 세상에서 가장 작으면서도 영향력이 큰 존재인 에어로졸과 식물성 플랑크톤이 비밀을 확고히 간직하고 있다. 2024년 2월 8일(현지 시각), 미국 항공우주국(NASA)이 에어로졸과 식물성 플랑크톤의 비밀을 파헤치고자 플랑크톤(Plankton), 에어로졸(Aerosol), 구름(Cloud), 해양 생태계(Ocean Ecosystem) 미션이라는 의미를 담은 PACE 우주 망원경을 발사했다. 이번 임무로 발견한 결과는 지구 온난화가 진행되면서 세계가 급변하는 모습을 파악할 핵심이 될 것이다.

에어로졸은 먼지 더미와 산불 연기, 대기 중 떠다니는 화석연료 오염원으로 구성되었다. 에어로졸은 태양 에너지 흡수, 반사 능력을 모두 갖추었으며, 구름을 형성하기도 한다. 기후 모델이 다루는 데 큰 어려움을 겪는 매우 복잡한 변수이기도 한 부분이다. 식물성 플랑크톤은 먹이사슬의 기본을 형성하는 미세한 식물과 같은 해양 유기체이다. 식물성 플랑크톤은 일시적으로 탄소를 점유하면서 기후 온난화가 추가로 진행된 상태를 유지한다. NASA 고다드 우주비행센터 소속 PACE 우주망원경 프로젝트 과학자 제레미 웨델(Jeremy Werdell)은 “식물성 플랑크톤은 기본적으로 탄소를 주변으로 이동시킨다. 따라서 시간에 따른 변화를 이해할 필요가 있다”라고 말했다.

PACE 우주망원경은 과학자에게 유례없는 관점에서 하늘과 바다의 매우 중요한 생물의 모습을 보여주면서 세계 진화 방식을 예측하는 데 도움을 주고자 한다. 웨델은 “대기와 해양 온도 상승 대가가 있다. 또한, 생물학적 관점의 대가는 먹이사슬 기본 단계가 변화할 것이라는 점은 분명하다”라고 말했다.

식물성 플랑크톤의 크기는 작지만, 개체 수는 거대한 초록색 줄무늬를 형성할 정도로 많다. 식물성 플랑크톤은 위성으로 관측하기 쉽지만, 지금까지 관측한 모습은 균일하게 형성된 거대한 초록색 줄무늬 형태뿐이다. PACE 우주망원경은 자외선부터 근적외선까지 전자기 스펙트럼 전체 영역을 고해상도로 볼 수 있는 극도로 민감도가 높은 장비를 장착했다. (눈에 보이는 전자기 스펙트럼은 자외선과 근적외선 사이에 존재한다.) 전자기 스펙트럼을 볼 수 있는 장치 효과 덕분에 PACE 우주 망원경을 이용하여 다양한 초록색 빛을 볼 수 있다.

숲속에서 무언가를 보는 상황을 상상해 보아라. 웨델은 “나무마다 핀 잎은 모두 초록색이지만, 나뭇잎마다 미세한 색상 차이가 있다. NASA는 PACE 우주망원경으로 식물성 플랑크톤의 매우 미세한 색상 차이를 찾고자 한다”라고 말했다.
 
과학계는 PACE 우주망원경을 이용하여 식물성 플랑크톤이 번식하는 곳과 이유는 물론이고, 식물성 플랑크톤이 번식할 만한 환경 조성 조건도 판단할 수 있을 것이다. 식물성 플랑크톤 종류는 수천 개에 이른다. 그중 일부는 동물성 플랑크톤이라는 이름으로 알려진 매우 작은 동물의 먹이 역할을, 간혹 다른 종류보다 탄소 격리 수준이 높은 위험한 종류도 있다. 현대 위성이 우주에서 관측하는 사항은 8가지 색상이 담긴 크레파스 박스 하나로 그린 그림처럼 보이지만, PACE 우주망원경으로 보는 생물 종은 다른 모습이다. 웨델은 “PACE 우주망원경의 관측 결과는 128가지 크레파스로 그린 그림에 비유할 수 있다”라고 말했다.

식물성 플랑크톤을 더 자세히 이해하는 일은 해양이 급속도로 변한다는 점에서 중요하다. 식물성 플랑크톤은 인류가 대기에 더하는 잉여 열의 90%를 흡수했다. 게다가 지난 1년여간 바다 표면 온도가 급격히 상승하여 역대 최고 기온을 유지하는 추세이다. 바다 온도 상승은 식물성 플랑크톤 성장 자체에 영향을 미칠 수 있다. 하지만 수은이 증가하면서 다른 생물종에는 이익이 될 수 있다.

게다가 더 미묘한 변화를 설명하자면, 높은 수온은 해양 표면의 뚜껑 역할을 하여 기온이 낮은 물이 아래에서만 이동하도록 한다. 웨델은 “가장 좋아하는 술집에서 두 가지 술을 반반 마시는 것과 같다. 맥주잔 위에는 기네스 맥주를, 아래에는 하프 맥주를 섞이지 않은 채로 따라서 마시는 것과 같다. 실제 해양 상층부에 긴 장벽을 형성하고, 심해의 수온이 낮은 층에 존재하는 영양분이 바다 표면으로 전달되지 못할 것이다”라고 설명했다.

식물성 플랑크톤이 성장하려면 영양분을 충분히 섭취해야 한다. 따라서 바다 표면의 따뜻한 수온이 특정 영역에만 존재한다면, 식물성 플랑크톤 생태계가 뒤바뀔 것이다. 만약, 동물성 플랑크톤의 먹이 역할을 하는 식물성 플랑크톤이 줄어든다면, 동물성 플랑크톤도 줄어들 것이다. 동물성 플랑크톤을 먹이로 삼는 어류와 같은 포식자에게도 영향을 미칠 것이다. 결국, 인류가 단백질 섭취를 위해 찾는 식품 종류에도 악영향을 미치게 될 것이다.

일부 식물성 플랑크톤은 바다사자를 비롯한 바다 포유류를 죽이는 독소를 생성하고, 인간이 먹는 어패류와 같은 해산물에 독소를 축적한다. 과학계는 PACE 우주망원경을 이용하여 특정 식물성 플랑크톤이 번식하는 영역에 특정 조류가 확산되는지, 그 조건이 무엇인지 더 자세히 이해하고자 한다. 매사추세츠 우주홀 해양 연구소(Woods Hole Oceanographic Institution)에서 위성 이미지로 식물성 플랑크톤을 연구하는 해양학자 톰 벨(Tom Bell)은 “항상 유해 조류가 번식한다. 하지만 해양 환경이 바뀐다면, 조류 번식 조건도 달라질 것이다. 시기에 따라 유해 조류 밀도가 유독 높거나 유해 조류 번식 주기나 주기가 달라진다”라고 전했다.

PACE 팀은 시기별 유해 조류 번식 데이터 자동 분석 알고리즘을 개발했다. PACE 우주망원경 발사 수석 조사관이자 PACE 우주망원경 알고리즘 개발 작업 참여자인 캘리포니아 스크립스 해양 연구소(Scripps Institution of Oceanography)인 다리우스 슈트람스키(Dariusz Stramski)는 “기본적으로 해양 색상 신호를 보내면서 변환하여 유해 조류 종류 밀집도와 같은 정보를 제공한다. 따라서 특정 조류 종류가 번식하기 시작한다면, 유해한 조류가 번식 중이라는 신호가 된다. 알고리즘의 데이터는 대부분 실시간으로 수집하므로 지금 당장 유해 조류가 번식 중이라고 볼 수도 있다”라고 말했다.

식물성 플랑크톤은 광합성과 함께 성장하면서 탄소를 흡수하기도 한다. 식물성 플랑크톤이 죽음을 맞이하여 바다 아래에 가라앉을 때는 동물성 플랑크톤의 먹이가 되고, 분립으로 묶인다. 죽음을 맞이한 식물성 플랑크톤 일부는 해저에 도달하여 최대 수천 년 동안 탄소를 심해에 가두어 둔다. 탄소 이야기를 더 자세히 하고자 한다. 2024년 1월, 과학계는 저층 보트가 해저로 생성하고 방출하는 이산화탄소양이 식물성 플랑크톤이 생성하는 것과 같은 수준이라고 계산했다. 게다가 저층 보트의 화석연료 방출량은 전 세계 400만 척에 육박하는 어선단의 두 배라고 계산했다.

과학계는 PACE 우주망원경으로 급격한 해양 환경 변화에서 살아남거나 번식이 어려워지는 식물성 플랑크톤 종류를 더 자세히 다루고, 탄소 순환에 미치는 영향도 파악하고자 한다. 햇빛에 노출되는 바다 표면을 순환하면서 바다 표면에만 갇힌 식물성 플랑크톤 종류와 심해에 탄소를 가두는 데 일조하는 플랑크톤 종류를 알아낼 수 있을 것이다.

그와 동시에 PACE 우주망원경은 다각도 편광계로 알려진 다른 장비 2종도 사용하여 여러 각도에서 대기권 사진을 촬영할 계획이다. 2D 에어로졸 사진을 촬영한 기존 기법과 3D 사진 촬영 기법을 생각해 보아라. 웨델은 “편광계는 양극화된 선글라스를 두고, 전혀 다른 각도에서 본 세계의 모습을 제공한다. 다른 각도에서 대기권의 모습을 보면서 연무 기둥이나 구름의 두께, 기둥 내 수직적 위치 등을 알 수 있다. 따라서 여러 각도에서 촬영한 사진을 함께 배치한다면, 이제 실제 양자 도약이 가능할 것이다”라고 말했다.

에어로졸은 기후의 주요 와일드카드와 같은 존재로 남아있다. 에어로졸은 성분에 따라 태양의 에너지를 흡수할 수도, 반사할 수도 있다. 따라서 냉각 효과나 가열 효과를 가져올 수도 있다. 현재 연구 중인 탈탄소화 측면에서 어려움을 가져다주는 부작용으로 화석 연료 소각 수준을 줄일 때 기후 냉각 효과를 가져올 에어로졸 방출량이 줄어들 수 있다는 점을 언급할 수 있다. 따라서 탄소를 대기에 방출하는 행위를 멈추어야 한다. 그렇다면, 에어로졸을 추가로 생성하지 않고, 기후 온난화 현상을 어느 정도 막을 수 있을 것이다. (기후 온난화는 인류 건강의 재앙과 같은 존재이자 탈탄소화를 신속하게 진행해야 하는 또 다른 이유이다.)

에어로졸이 확산하는 대기권의 복잡함 추가 수준 모델 구축 작업은 여전히 어려운 일이다. 게다가 에어로졸은 수증기의 핵 역할도 하므로 구름을 형성한다. 변수에 따라 구름은 지구의 열을 가두거나 태양 에너지를 우주로 돌려보내는 방식으로 냉각 효과를 가져오면서 복잡함을 더할 수 있다. 웨델은 “에어로졸과 구름, 오염, 사하라 사막 먼지, 화산 폭발, 해양 연무 사이에서 완벽한 상호작용이 이루어져 전체 생태계를 형성한다. 에어로졸과 관련된 구름의 밝기, 두께 등 구름 형성 과정을 더 자세히 파악한다면, 불확실성을 해결하는 데 도움이 될 것이다”라고 설명했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
NASA’s New PACE Observatory Searches for Clues to Humanity’s Future