By KEITH GILLOGLY, WIRED US

2021년 3월은 동일본 대지진이 원인이 돼, 심각한 피해를 초래한 쓰나미가 일본의 북동부 해안가를 휩쓴 쓰나미가 발생한 지 10년이 되는 때이다. 대규모 쓰나미는 역사적으로 드물게 발생했으나 종종 언제, 어디서 발생할지 예측하기 어렵다. 그러나 쓰나미 경고를 개선하기 위해 예상하지 못한 쓰나미와 관련, 전 세계 해양을 돌아다니는 수천 척의 화물선이 결정적인 도움일 줄 수 있다.

상업용 선박은 화물을 운반하면서 GPS 시스템을 최대한 활용해 센서의 분산 네트워크를 형성한다. 이때 사용되는 센서는 종종 해저에서 발생한 지진 때문에 일어나는 일련의 커다란 파도인 쓰나미 통과를 암시하는 미세한 해수면 상승을 감지할 수 있다. 미국과 일본 출신 연구원으로 구성된 연구팀이 최근 발표한 논문에 시뮬레이션을 한 것으로 명시된 화물선을 이용한 쓰나미 감지 접근방식은 단순히 기존의 배를 파도 감지를 위해 표류하는 선박 집합체로 바꾸어 쓰나미 감지 및 예측 능력을 크게 개선하고자 한다. 이러한 접근방식은 새로운 기반 시설을 위해 막대한 돈을 지출할 필요가 없다.

콜로라도대학교 볼더캠퍼스의 지질 과학부 교수이자 연구 논문의 저자인 앤 시한(Anne Sheehan)은 “배 한 척을 이용한다면, 감지한 신호가 단순한 잡음인지 쓰나미인지 말하기 어렵다. 그러나 배를 여러 척 둔다면, 해수면의 높낮이 변화 패턴을 감지하고, 쓰나미가 맞는지 판단할 수 있다”라고 설명했다.

배는 파도가 치는 상황에서도 빠른 속도로 움직인다. 그러나 쓰나미를 통과할 때, 해수면의 높이가 약간 달라지며 주기적인 높낮이 변화 사이클의 평균 높이도 변한다. 상업용 선박과 쓰나미 경보 관련 초기 연구 논문을 작성한 독일 슈투트가르트대학교의 지오데시연구소(Institute of Geodesy)의 제임스 포스터(James Foster) 교수는 “쓰나미 발생 시기와 파도가 배를 지나는 시간은 분, 20분, 혹은 30분 간격으로 이루어진다. 반대로 일반 파도는 15초 혹은 20초 간격으로 통과한다”라고 설명했다.

포스터 교수의 논문은 하와이대학교의 연구 선박이 괌으로 향하던 도중 해저에서 진도 8.8짜리 지진이 발생하면서 쓰나미가 생겨난 2010년에 수집한 데이터에 중점을 둔다. 당시 해당 선박은 정확도가 높은 GPS를 장착하고 있었다. 심해에서 쓰나미의 파도는 일반 파도보다 300마일 더 길었지만, 높이는 약 1m만 변화했다. 이 때문에 그 위의 해수면을 표류하는 선박의 탑승객이 쓰나미 발생 사실을 인지하지 못했다. 이는 쓰나미를 경계하는 과학자가 해양 선박의 쓰나미 감지 능력을 발견할 기회가 됐다.
 
지진계가 해저 지진을 감지한 뒤, 국가 혹은 지역 단위의 긴급 서비스를 통해 해안가에 쓰나미 경보가 울릴 수 있다. 파도가 커지면서 연안의 해저 압력 센서가 쓰나미 활동을 기록하면서 예측하는 데 도움이 된다. 그러나 쓰나미 감지에 사용하는 센서와 부표 설치 및 유지 비용 때문에 여러 국가가 이를 채택하기 쉽지 않았다. 장비 전력 공급과 센서 간 전력 공급 격차도 포스터 교수가 설명한 쓰나미 감지 방식을 채택하는 데 어려움으로 작용했다.

넓은 해양을 최대 시속 500마일의 속도로 떠돌아다니면서 쓰나미는 처음 발생한 지점에 따라 해안가로 도달하기까지 몇 시간이 걸릴 수 있다. 그러나 노스캐롤라이나부터 브리시시컬럼비아까지 길게 이어지는 미국 캐스케디아의 침입대와 같은 지역에서 쓰나미가 해안가까지 도달하는 데 걸리는 시간은 고작 30분이며, 쓰나미 경보를 내리기에는 시간이 부족하다. 콜로라도대학교 볼더캠퍼스의 환경 과학 연구 협동 연구소(CIRES)의 M. 자키르 호센(M. Jakir Hossen) 교수는 “자연재해가 발생할 때, 대비해야 한다. 그래야 주민에게 자연재해를 경고하며 대피하도록 할 수 있다”라고 설명했다.

호센 교수와 시한 교수는 동료와 함께 화물선 기반 쓰나미 감지가 실제로 얼마나 효과가 있는지 보여주기 시작했다. 2021년 2월에 게재된 ‘지구와 우주 과학(Earth and Space Science)’이라는 제목의 연구 논문의 제1 저자인 호센 교수는 캐스케디아의 침입대에서 컴퓨터 시뮬레이션으로 선박의 GPS 쓰나미 예측 경보를 평가했다. 캐스케디아의 침입대가 꾸준히 선박 이동이 이루어지는 영역임을 고려해, 연구팀은 글로벌 데이터 및 분석 정보 제공 업체 스파이어(Spire)의 협력으로 실제 선박을 이용했다. 해양 선박 이동은 주로 비슷한 경로를 따르지만, 선박의 수와 분포는 다양하므로 연구팀은 시뮬레이션 과정에서 이를 고려했다. 또한, 연구팀은 쓰나미가 일으킨 선박의 해수면 상승 및 속도 변화도 시뮬레이션했다. 연구팀은 가상 쓰나미 예측을 위해 다양한 모델의 관측 정보를 결합해 예측 정확도를 높이는 기법인 자료 동화를 활용했다.

각각의 선박에 해수면 높이를 정확히 측정할 수 있는 GPS 센서가 탑재돼 결과적으로 쓰나미가 통과하는 것을 감지한다고 가정했을 때, 연구팀의 시뮬레이션은 정확한 예측을 위해 선박 밀도가 높은 선박 영역과 정확한 예측 및 쓰나미 예측 간의 20km의 격차가 쓰나미가 시작하고 15분 이내로 이루어질 수 있다.

또, 과학자의 설명에 따르면, 이 사실이 중요한 이유는 태평양 해안이 압력 형성에 따른 지질학적 활동을 할 것이기 때문이다. 호센 교수는 “여러 연구가 캐스케디아 침입대에서 진도가 큰 지진이 발생하고 있다는 사실을 입증한다. 그러나 지진이 언제, 어디서 쓰나미를 일으킬지는 모른다”라고 설명했다.

그러나 연구팀이 말한 시스템은 당장 적용될 준비가 되지 않은 상태이다. 수많은 상업용 선박이 GPS를 사용하는 것이 일상적인 일이기는 하나 해수면 높이 데이터를 보고하지는 않는다. 정확히 말하자면, 갑작스럽게 얼마나 빠른 움직임을 보이는지 보고하지 않는다. 전 세계적으로 자동 선박 식별 장치(AIS)는 계속 위도와 경도를 추적하지만, 그 정보에 해수면 높이는 포함되지 않는다. 선박이 일반 해수면 수준에 머무른다는 가정 때문이다. 쓰나미 감지를 위해 선박 높이의 미세한 변화 감지가 실시간으로 이어져야 한다. 위성 내비게이션이 어디에나 분포한 사실을 고려하면, 선박 높이의 변화 정보를 포함하는 것이 쉬울 수도 있다.

콜로라도대학교 볼더캠퍼스의 연구에 관여하지 않은 컬럼비아대학교 래먼트 도허티 지구 관측소(Lamont-Doherty Earth Observatory) 소속 부교수인 앤 베첼(Anne Bécel)은 “개인적으로 저렴한 비용 때문에 선박을 이용한 쓰나미 예측 방법을 선호한다. 선박 기반 쓰나미 예측 방식이 완전히 발전한다면, 현지의 쓰나미 때문에 위협을 받는 여러 국가가 저렴한 비용을 투자하면서 쓰나미를 예측할 수 있을 것이다”라고 말했다.

상업용 선박은 기존의 쓰나미 감지 메커니즘을 대체하는 것이 아니라 보완하며, 신규 해저 압력 센서를 추가하는 것보다 비용적인 측면에서 훨씬 더 효율적인 접근 방식을 제공한다. GPS를 사용하는 선박이 파도의 높이를 기록하며 잠재적인 피해와 상호 관계를 지닌 쓰나미의 위협을 예측하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 포스터 교수의 설명에 따르면, 무조건 쓰나미 때문에 발생한 경고음을 울리지는 않는다. 포스터 교수는 “선박의 GPS를 이용한 쓰나미 예측 시스템이 경고음을 울릴 일은 절대로 없을 것으로 보인다. 경고음을 울리는 원인이 되는 대규모 지진이 발생하는 것이 사실이 될 것이다”라고 말했다.

여전히 해저 산사태와 화산 폭발 등 여러 지질학적 현상이 쓰나미의 원인이 될 수 있다. 시한 교수는 파도 관측만을 기반으로 한 경고 시스템이 도움이 될 것이라고 주장한다. 그는 “파도 관측을 이용한 경고 시스템으로 지진이나 산사태, 혹은 쓰나미를 유발하는 자연재해를 예측할 수 없을 것이다. 그저 선박에 기록되는 파도를 관측할 것이며, 우리는 실제 관측 결과를 활용하게 될 것이다”라고 말했다.

포스터 교수는 선박 기업이 쓰나미 예보에 선박을 활용한다는 의견을 매우 적극적으로 받아들였다고 설명한다. 그러나 실제로 선박으로 쓰나미를 예측하기 전 과학자들은 선박 기반 GPS 데이터의 정확도와 처리 과정은 물론이고, 쓰나미 예측에 필요한 유동 네트워크의 규모와 관련된 더 많은 연구를 진행해야 한다.

콜로라도대학교 볼더캠퍼스 연구팀의 연구가 시뮬레이션에 의존하지만, 베첼 교수는 실제 선박에서 얻은 데이터를 추가한다면 연구 결과를 향상할 수 있다고 주장한다. 그는 “다음 단계는 정밀도가 높은 GPS를 이용해, 연구팀이 높은 정확도와 함께 같은 결과를 얻는 것을 입증하는 것이다. 이는 지금 당장 보았을 때, 매우 유망하다”라고 말했다.

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

<기사원문>
How Cargo Ships Could Help Detect Tsunamis