기상학자인 존 헤인스(John Haynes)가 20년 전, 워싱턴DC로 이사를 왔을 당시 미국 항공우주국(NASA) 본사 옥상에 서서 간선 고속도로 인근에서 대기오염 흔적을 보았다. 오염 수준이 심각한 것을 볼 수 있었다. 헤인스는 “스모그 안개가 고속도로를 따라 형성돼, 버지니아주까지 들어왔다”라고 말했다.
10년 뒤 NASA는 도시 대기질과 대기 오염이 건강에 미치는 영향 관측이라는 전 세계적인 노력의 씨앗을 뿌리기 시작했다. 당시 NASA의 노력은 현재 전 세계 곳곳으로 확산되었다. 4월 7일(현지 시각), NASA는 도시 오염을 감시할 목적으로 북미 상공을 떠돌아다닐 수 있는 첫 번째 장비를 발사했다. 2023년 여름, NASA 연구팀은 대기오염 측정 장비로 측정한 수치를 포함한 데이터를 강화할 것이다. 또한, NASA는 복수 보건 전문가와의 협력으로 진행할 첫 번째 위성 미션을 발표했다. 해당 미션은 특정 건강 상태와 전 세계 일부 대도시 상공에 오래 존재하는 유해 공중 미립자 간의 관계를 밝혀내는 역할을 할 것이다.
NASA는 전반적으로 하늘의 정확한 모습을 담은 미립자의 모습과 현재와 같은 하늘의 모습이 형성된 과정을 제작하고자 한다. 지상 오염 관측 작업만으로는 대기 상태를 상세히 표현할 수 없다. 미국 전체 지방 중 79%는 환경보호청(Environmental Protection Agency)의 지상 관측 작업이 없다. 따라서 환경보호청의 정보는 대다수 미국 시민이 호흡하는 대기 상황을 나타내지 않는다. 다른 국가의 관측 데이터는 더 적다.
NASA가 환경 감시에 나선 것은 이번이 처음이 아니다. NASA는 대기 성층권인 오존층도 수십 년 동안 관측했다. 1990년대에는 해양과 삼림, 아시아 및 아프리카 일부 지역을 떠돌아다니는 소형 항공기로 지구와 더 가까운 곳을 관측했다. 오존층 아래 대기권에 존재하는 오염원의 화학 구성 성분을 집중적으로 관측하는 NASA 대기권 구성 프로그램(Tropospheric Composition Program) 관리자이자 지구 과학자인 배리 레퍼(Barry Lefer)는 “일종의 탐사의 날이라고 칭했다. 하지만 도시 대기질로 연구 대상을 전환하는 것은 비교적 새로운 일이다”라고 말했다.
다음과 같이 현실적인 상황을 직시해야 한다. 하늘처럼 거대한 영역에서 도시처럼 작은 지역, 특히 동네 단위의 배출량을 관측하기 어렵다. NASA의 대기 이산화탄소 연구 전용 첫 번째 위성인 OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)는 2014년 발사돼 지금도 관측 활동을 이어가고 있다. 그 뒤를 이어 등장한 OCO-3는 국제우주정거장(ISS)에 고정되었다. OCO-2와 OCO-3 모두 LA 분지와 유럽의 최대 전력 발전소 지도를 구축했다. OCO-는 지구의 거의 모든 도시를 관측하지만, 어떠한 지역이든 장기간 꾸준히 관측하지 않는 탓에 정보가 제한되었다.
2023년 4월 시작된 NASA의 대기질 관측 임무인 기후 배출량 오염 관측(TEMPO)을 살펴보자. 이전의 지구 관측 위성과 달리 첫 번째 장비는 정지궤도에만 국한되었다. 지구와 같은 속도, 방향으로 이동하면서 지구의 한 영역만 떠돌아다닌다는 의미이다. NASA는 최초로 카리브해 섬, 캐나다와 멕시코 대부분을 포함한 북미 전역에서 이산화질소, 오존, 포름알데히드 등을 매시간 낮에 관측할 수 있을 것이다. 레퍼는 “출퇴근 시간대 교통량이 급증하는 때도 데이터를 자주 수집하면서 일출부터 일몰까지 관측할 예정”이라고 밝혔다.
TEMPO는 지역 단위로 다양한 오염원도 관측할 것이다. 레퍼는 지역 단위 오염원 관측이 환경 불평등을 드러내는 데 특히 유용할 것으로 예측한다. 저소득층 인구 밀집 지역과 인종을 기준으로 주민이 분리된 지역이 항구, 정제 시설 등 각종 배출량 발생 원천과 가까울 확률이 높기 때문이다. 레퍼는 “위성 데이터가 지역별 환경 불평등 상황을 보여줄 것이다”라고 말했다. 일기예보에도 도움이 될 것으로 예상된다. 북미 대륙 전역에서 꾸준히 수집한 정보를 활용하여 미래 날씨 조건을 더 정확히 추론할 수 있을 것이다. 특히, 현재 데이터가 특정 시간대에만 존재하는 곳에 유용할 것이다.
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그러나 지역 단위 오염원 측정 임무에는 다음과 같은 한계가 있다. 위성은 지상에서 위를 올려다보기만 하는 원격 감지 지상 모니터와 달리 아래에서 내려다보기만 한다. 이와 같은 측정 방식은 국립해양대기국(National Oceanic and Atmospheric Administration, 이하 NOAA) 소속 화학자 그레고리 프로스트(Gregory Frost)가 지적한 바와 같이 다른 고도의 오염원 종류와 같은 상세 정보를 놓치기 쉽다. NASA가 2023년 여름, NOAA와 국립과학재단(National Science Foundation)을 포함한 일부 기관과 협력 관계를 체결해 우주와 지상 오염 관측 결과의 격차를 채우려는 이유이다. NASA의 DC-8, 걸프스트림 III(Gulfstream III), 걸프스트림 V(Gulfstream V) 등 기타 제트기 등에 탑재된 장비는 뉴욕, LA, 워싱턴 DC을 비롯한 해안 지역 도시 상공의 가스와 에어로졸 극소량을 구분하여 관측할 것이다.
측정 결과는 TEMPO의 우주 데이터를 측정하고, 훌륭한 위성 장비나 지상 측정 결과가 없는 곳의 오염원 관찰 결과를 보완한다. 모든 데이터를 환경보호청의 모니터 정보, 날씨 모델과 결합한 뒤 과학자는 다양한 관점에서 측정한 대기를 분석할 수 있다. 프로스트는 “모든 곳의 대기오염 관측 내용을 보유한 것과 같은 결과를 얻게 될 것이다”라고 말했다.
특히, 과학자는 지름 2.5마이크로미터 미만의 미립자인 PM 2.5라는 오염원을 추적하는 데 관심이 있다. PM 2.5와 같은 에어로졸이 대기에서 차지하는 비중은 1% 미만이다. 프로스트는 PM 2.5의 대기 비중이 적지만, 모든 대기질 문제가 극소량의 구성 요소와 관련이 있다고 지적한다. 농작물 피해와 시야 악화 원인이 되는 데다가 인간의 폐에 들어갈 정도로 매우 작아 심혈관 및 호흡기 질환을 유발할 수도 있다. 1마이크로미터보다 더 작은 입자는 혈류로 들어갈 수도 있다.
NASA 행성 과학자 데이비드 다이너(David Diner)는 “대기 중 미세먼지는 전 세계적으로 가장 큰 환경 보건 위험 요소이다”라고 경고했다. 그러나 인간에게 가장 해로운 PM 2.5의 종류는 확실히 알려진 바가 없다. 다이너는 “인체가 PM 2.5와 같은 입자 크기나 화학 성분에 더 민감한지는 항상 의문점이 남는 부분이다”라고 말했다.
다이너는 답을 찾기 위해 질병통제 예방 센터(CDC), 미국 국립보건원(National Institutes of Health) 등 주요 보건 기관과 NASA의 첫 번째 협력을 기대 중이다. 또, 이탈리아 우주국과의 협력으로 2024년, 다각도 에어로졸 이미지(MAIA)라는 관측소 출범을 목표로 한다. MAIA는 보스턴, 요하네스버그, 텔아비브 등 인구가 가장 많은 11개 대도시의 공기 샘플을 확보할 예정이다. 이미지는 에어로졸에서 흩어진 햇빛을 측정하여 에어로졸의 크기와 화학적 구성을 파악할 것이다. 이후 역학 전문가는 데이터를 받고, 지상 모니터 결과와 결합하고 공중 보건 기록과 비교해, 입자 크기와 혼합물과 폐기종, 임신 합병증, 조기 사망과 같은 특정 건강 문제의 상관관계를 파악한다.
다이너는 보건 전문가와의 협력이 핵심이라고 말한다. 환자의 프라이버시를 존중하면서 출산, 사망, 병원 입원 기록을 확보한 뒤 제대로 분석하도록 교육을 받았기 때문이다. 연구팀이 가장 해로운 유해 화학 물질이나 혼합 구성요소 정보를 파악한 뒤 그 출처를 추적한다면, 사회는 인간의 건강에 가장 해로운 입자를 효과적으로 제한할 수 있을 것이다.
NASA 이외에 다른 기관도 대기 중 오염원을 추적한다. TEMPO에 앞서 한국 장비인 천리안 2B호 환경탑재체(GEMS)는 2020년부터 아시아 전역의 오염원 형태를 관측했다. 유럽 우주국은 앞으로 수년간 코페르니쿠스 센티넬-4(Copernicus Sentinel-4) 위성을 발사하여 유럽과 북아프리카 일대의 오염원을 관측할 예정이다. 위성 배치는 처음으로 북반구 전역의 대기질의 종합적인 관점을 제공하여 과학계가 오염원이 우주선 한 곳의 관측 범위를 벗어나 다른 우주선의 관측 범위에 등장할 때 장거리 이동 상황을 추적하도록 한다.
남반구에는 아직 오염원을 전반적으로 관측할 네트워크 확보 계획이 없다. 그러나 레퍼는 NOAA와의 협력이 기존 위성 측정 결과를 지상 기반의 모니터가 없는 PM 2.5 측정값으로 변환하는 연구가 진행 중이라고 전했다. 헤인스는 NASA의 보건 및 대기질 응용 프로그램(Health and Air Quality Applications)과 응용 원격 감지 훈련 프로그램(Applied Remote Sensing Training Program)을 이끌고 있으며, 대기질과 화재 위험, 보존과 관련하여 NASA 데이터를 사용할 방법을 대중에게 가르치는 무료 워크숍을 운영한다. 레퍼와 헤인스 모두 위성과 항공기, 지상 감지 장비를 운영하는 국제 팀을 꾸리면서 역학 전문가와 사회경제 전문가, 정책 입안자, 시민 과학자와 협력하는 미래를 구상한다. 헤인스는 “모든 것이 모여 대기질과 건강을 이해하기 위해 지구 관측을 활용할 황금기를 형성하고 있다”라고 말했다.
위성 데이터는 이미 대기가 맑아지고 있음을 보여준다. 헤인스는 황 수치가 너무 낮은 탓에 갈수록 우주에서 오염원 측정이 어려워지고 있다고 말한다. 일부 지역의 질산화탄소 수치가 50% 감소했다. 헤인스는 간선 고속도로에서 스모그를 관측할 수 없게 되었다. 헤인스는 “현재 미국의 대기질은 현대 산업화 시대보다 개선되었다. 이제는 더 깨끗한 환경과 탄탄한 경제, 건강한 인구를 동시에 가질 수 있다”라고 말했다.
** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
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