1. 서론

극지 해역에서 해수가 결빙된 상태로 존재하는 해빙은 해양과 대기 간의 에너지 교환에 영향을 주어 거시적으로 지구 기후 조절자의 역할을 한다(Boeke and Taylor, 2018). 북반구에서는 해안을 제외하면 대부분의 해빙이 바다 위에 떠서 해류 및 바람에 의해 움직이는 부유빙의 형태로 존재하나, 남반구에서는 반대로 남극대륙의 해안에 붙어서 거의 움직임이 없는 정착빙의 형태가 대부분이다. 해빙은 얼음이기 때문에 기온 및 해수온에 따라 주기적으로 융빙과 결빙이 반복되나, 인공위성을 이용한 광역관측이 시작된 1979년 이래 40년 이상 북극 해빙은 분포 영역과 두께가 빠르게 감소하였으며, 반면 남극 해빙은 점진적으로 증가하였다고 알려졌다(Parkinson, 2019). 해빙 분포 및 두께의 변화는 해빙의 이동에 영향을 미치며, 종래의 관측이 주로 융빙/결빙의 열역학적 변화가 그 대상이었다면 근래에는 갈라짐/겹침의 동역학적 변화에도 초점을 기울여 해빙의 변화를 보다 복합적으로 분석하는 추세이다. 이러한 노력의 연장선상에서 본 논문에서는 2022년 여름에 북극 해빙에 GPS 추적기를 설치하여 그 이동을 3개월간 관측한 결과를 소개하고 자료를 제공한다.

2. 조사지역

쇄빙연구선 아라온호는 북반구의 여름인 7월부터 9월까지 척치해, 보퍼트해, 동시베리아해에서 극지 해양, 해빙, 대기, 지질 등에 대한 현장연구를 수행하였다. 2022년 8월 3일부터 5일까지 3일간, 아라온호는 직경 약 10 km, 두께 약 1.2 m의 다년빙(multiyear ice)에 정박하여 현장조사활동을 실시하였고, 이 과정에서 해빙내 두꺼운 빙맥(ice ridge)에 GPS 추적기를 설치하였다(Fig. 1). 설치시 기록한 위치는 76° 13' 26.232" N, 174° 35' 0.042" E로, 당시 해수-해빙 경계선으로부터 약 400 km 떨어진 곳이며 주변의 평균 해빙 농도는 약 70%였다.

3. 조사 방법

GPS 추적기는 WRG사(https://www.makerbuoy.com)의 Maker Buoy 제품을 사용하였다. 일반적인 상용제품과는 다르게 해당 제품은 아두이노(Arduino) 기반의 오픈소스 프로젝트 제품으로, Adafruit사의 Feather M0 마이크로 컨트롤러와 Ultimate GPS 모듈, Iridium 모뎀, 2,000 mAh 리튬폴리머 전지, 1 W 태양광 충전 패널 등을 갖추었다. Maker Buoy는 본래 해양 부이로 개발되었으나, 근래에는 그린란드 유빙 추적(Carlson et al., 2020)에도 성공적으로 활용된 바 있다.

Fig. 2는 사용한 GPS 추적기의 실물 사진과 해빙에의 설치 사진을 보인다. 해빙에 설치시, GPS 신호가 주변의 얼음 덩어리에 가려지거나 적설로 인한 파묻힘을 방지하기 위해 목재를 이용하여 거치대를 만들어서 해빙 표면으로부터 1 m 떨어진 높이에 설치하였다. 위치고정을 위해 얼음에 구멍을 파고 거치대를 심었으며, 밑으로 빠지지 않도록 바닥에 십자 형태로 구조물을 만들었다. 또한 해빙이 녹거나 붕괴되어 GPS 추적기가 해수면에 노출되면 더이상 해빙의 움직임을 반영하지 않으므로 이때는 물 속에 가라앉아 폐기되도록 거치대 하부에 쇠사슬을 달았다.

GPS 추적기는 전력 및 위성통신 사용량을 최소화하기 위해, 12회의 위치 정보 기록을 모아 한번에 전송한다. 설치 당시에는 위치 정보를 10분에 1회씩 기록하도록 설정하였으며, 최대한 오랜 기간 동작할 수 있도록 배터리 잔량에 따라 점차 기록 주기를 늘리도록 하였다.

4. 결과 및 토의

설치한 GPS 추적기는 UTC 기준 2022년 8월 3일 22시경부터 11월 4일 14시까지 약 94일간 총 2,192개의 위치 기록을 보내왔다. Fig. 3은 전체 위치 기록을 지도로 표시한 것이며, 색은 표류 속도를 나타낸다. 이동 궤적은 큰 규모에서 보면 해류와 바람에 의해 무작위적으로 보이나, 작은 규모의 해빙 움직임에서는 전형적인 해빙 진동(sea ice oscillation)의 형상을 나타내고 있다(Hibler et al., 2006).

총 이동 거리는 1,504 km에 달하며, 평균 속도는 17.9 cm/s로 이는 위성관측 기반으로 측정한 북극해 전체에서의 여름철 평균 해빙 이동 속도인 약 9.5 cm/s (Kimura et al., 2013)보다 거의 두 배 빨랐다. 그러나 이는 위치정보 샘플링 간격 차이에 의한 것으로, 수-수십 시간 간격의 위성영상에서 각각 관측한 해빙의 위치 간의 최단 거리를 관측시간의 차이로 나누는 위성관측 기반 방식은 훨씬 조밀한 시간 간격의 위치정보를 가진 GPS 추적기의 결과에 비해 속도 값이 작을 수 밖에 없다. Fig. 4는 GPS 추적기가 기록한 위치정보의 시간 간격을 나타낸 것이다. 초기 1주일간은 처음 설정 값인 10분을 유지하였으나 이후 단계적으로 15분, 30분을 거쳐 설치 후 약 2주일 후부터는 일부 구간을 제외하면 대부분 2시간(120분) 간격으로 관측되었다. Fig. 4에서 2시간 이상의 관측 간격을 가지는 데이터는 속도로 변환하기에 부적절한 값들이므로 Fig. 3에서 유채색이 아닌 회색으로 표현하였다. 위성 영상 기반 평균 해빙 이동 속도와의 비교를 위하여 GPS 추적기의 위치 정보를 1일 평균한 후 속도를 재계산한 결과는 11.9 cm/s로, 관측 대상 해빙이 비교적 해수-해빙 경계선에 가까운 곳에 위치하여 주변 해빙 농도가 낮아 상대적인 유동성이 높은 환경이었음을 고려하면 두 속도는 유의한 수준으로 보인다.

5. 결론

본 논문에서는 북극해 해빙의 이동을 정량적으로 관측하기 위해 사용한 GPS 추적기의 특성과 기록 자료에 대해 기술하였다. GPS 추적기 자료는 위성 자료로는 직접 관측이 어려운 해빙 진동에 따른 움직임을 잘 추적하였으며, 위성 자료 기반의 속도 산출물이 가지는 과소추정 편차의 보완 또는 검보정에 활용도가 높을 것으로 기대한다.

Notes

Conflict of Interest

Hyun-Cheol Kim has been an Editorial Board of GEO DATA; however, he was not involved in the peer reviewer selection, evaluation, or decision process of this paper. Otherwise, no other potential conflicts of interest relevant to this paper were reported.

Funding Information

This work was supported by the Korea Polar Research Institute, grant number PE23040.

Fig. 1.

A RADAR image of the sea ice floe (dashed line) where the GPS tracker (marker) was deployed.

Fig. 2.

Maker Buoy’s GPS Tracker used for sea ice drift tracking. (A) Battery charging by solar panel. (B) Installation on an ice floe in the Arctic Ocean.

Fig. 3.

Drift trajectories of the sea ice floe measured by the GPS tracker for 3 months.

Fig. 4.

Changes in log time interval of the GPS tracker.

References

• Boeke RC, Taylor PC (2018) Seasonal energy exchange in sea ice retreat regions contributes to differences in projected Arctic warming. Nat Commun 9(1):5017ArticlePubMedPMCPDF
• Carlson DF, Pavalko WJ, Petersen D, Olsen M, Hass AE (2020) Maker buoy variants for water level monitoring and tracking drifting objects in remote areas of Greenland. Sens 20(5):1254Article
• Hibler WD, Roberts A, Heil P, Proshutinsky AY, Simmons HL, Lovick J (2006) Modeling M2 tidal variability in Arctic sea-ice drift and deformation. Ann Glaciol 44:418–428Article
• Kimura N, Nishimura A, Tanaka Y, Yamaguchi H (2013) Influence of winter sea-ice motion on summer ice cover in the Arctic. Polar Res 32(1):20193Article
• Parkinson CL (2019) A 40-y record reveals gradual Antarctic sea ice increases followed by decreases at rates far exceeding the rates seen in the Arctic. Proc Natl Acad Sci 116(29):14414–14423ArticlePubMedPMC

Appendix

Figure & Data

References

Citations

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