오션 컬러

Ocean color
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왼쪽 위에서 시계방향: 짙은 청색 물, 청록색 물, 셸로스의 모래와 암초에서 햇빛이 반사되는 바하마의 위성 이미지, 남해에 피토플랑크톤이 피어나는 위성 이미지, 다른 식물성 플랑크톤과 다른 색조를 보이는 프리빌로프 제도의 위성 이미지, 발트해의 위성 이미지. 식물성 플랑크톤이 피다

오션컬러(Ocean color)는 물의 색과 색의 변화를 보고 얻을 수 있는 정보를 구체적으로 연구하는 오션광학의 한 분야다. 주로 파란색을 띠는 반면, 바다의 색은 실제로 파란색에서 초록색 또는 심지어 노란색, 갈색, 빨간색까지 다양하다.[1] 이 연구 분야는 물 원격 감지와 함께 개발되었기 때문에 주로 색상을 계측기(위성과 비행기의 센서 등)로 측정하는 방법에 초점을 맞추고 있다.

대부분의 바다는 파란색이지만, 어떤 곳에서는 초록색, 초록색, 심지어 노란색에서 갈색까지 있다.[2] 블루오션 컬러는 몇 가지 요인의 결과물이다. 첫째, 물은 우선 붉은 빛을 흡수하는데, 이것은 푸른 빛이 남아 있다가 물 밖으로 반사된다는 것을 의미한다. 적색 빛은 가장 쉽게 흡수되기 때문에 보통 50미터(164피트) 미만으로 큰 깊이에 도달하지 않는다. 이에 비해 푸른 빛은 200m(656ft)[3]까지 침투할 수 있다. 둘째로, 바닷물의 물 분자와 아주 작은 입자들은 다른 색깔의 빛보다 푸른 빛을 우선적으로 산란시킨다. 물에 의해 산란되는 푸른 빛과 작은 입자는 아주 맑은 바닷물에서도 발생하며,[4] 하늘에서 산란하는 푸른 빛과 비슷하다.

해양의 색깔에 영향을 미치는 주요 물질은 용해된 유기물, 엽록소 색소를 함유한 살아있는 식물성 플랑크톤, 해양 눈이나 미네랄 퇴적물 같은 무생물 입자 등이다.[5] 엽록소는 위성 관측에 의해 측정될 수 있으며, 지표수에서 해양 생산성(해양 1차 생산성)을 대신하는 역할을 한다. 장기 합성 위성 이미지에서 해양 생산성이 높은 지역은 (녹색) 식물성 플랑크톤을 더 많이 함유하고 있기 때문에 노란색과 녹색으로 나타나는 반면, 생산성이 낮은 지역은 파란색으로 나타난다.

개요

바다 색깔은 빛이 물속의 물질과 어떻게 상호작용을 하느냐에 따라 다르다. 빛이 물에 들어가면 흡수되거나(빛은 점점 더 어두워진다),[6] 흩어진다(빛은 다른 방향으로 튀어오른다, 물은 밝은 상태를 유지한다)[7] 또는 둘의 조합이 된다. 수중 흡수 및 산란이 얼마나 시각적으로 변화하는지, 또는 적외선 빛 에너지(약 400nm~2000nm 파장)에 보이는 스펙트럼 전체에 걸쳐 어떻게 변화하는지, 물이 센서에 어떤 "색상"으로 나타날지를 결정한다.

색상별 물 종류

세계의 대부분의 바다는 물을 떠나는 빛이 가시광선 스펙트럼의 푸른 부분에서 가장 밝기 때문에 파란색으로 나타난다(반사도가 가장 높다). 육지에 가까워지면 해안가 바다가 자주 푸르게 보인다. 녹수는 녹조와 용해된 물질이 스펙트럼의 청색과 적색 부분에서 빛을 흡수하고 있기 때문에 이렇게 나타난다.

블루오션

미국 캘리포니아주 엔키니타스 인근 수면에서 바라본 짙푸른 색의 물결. 태평양은 세계에서 가장 짙은 푸른색의 물들을 포함하고 있다.

오픈오션 물이 푸른색으로 보이는 이유는 매우 맑고, 다소 순수한 물과 비슷하며, 물질이 거의 없거나 매우 작은 입자만 존재하기 때문이다. 순수한 물은 붉은 빛을 깊이 흡수한다.[8] 붉은 빛이 흡수되면서 푸른 빛이 남는다. 많은 양의 순수한 물은 파란색으로 나타난다(하얀 바닥의 수영장이나 흰 페인트로 칠한 양동이에[9] 조차도). 푸른빛의 열린 바닷물에 존재하는 물질은 종종 빛을 산란시키는 아주 작은 입자로, 특히 푸른 파장에 강한 빛을 산란시킨다.[10] 푸른 물에 비산하는 빛은 대기의 산란과 비슷하여 하늘을 파랗게 보이게 한다(레이리 산란이라고 한다).[11] 미국의 타호 호수처럼 어떤 푸른 색의 맑은 물 호수는 이와 같은 이유로 푸른색으로 보인다.[12]

녹색대양

식물성 플랑크톤이라고 불리는 미세한 해양 조류는 엽록소-a와 같은 특정한 색소 때문에 파란색과 빨간색 파장에서 빛을 흡수한다. 이에 따라 점점 더 많은 식물성 플랑크톤이 물에 들어가면서 물의 색은 스펙트럼의 녹색 부분을 향해 이동한다.[13][14]

바다에 가장 널리 퍼져 있는 빛 흡수 물질은 엽록소 색소인데, 식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 탄소를 생산하기 위해 사용한다. 녹색 색소인 엽록소는 식물성 플랑크톤을 빛 스펙트럼의 빨강과 파랑 부분을 우선 흡수하게 하고, 파랑과 빨강 빛이 흡수되면서 녹색 빛이 남는다. 식물성 플랑크톤이 고농도인 해양 지역은 식물성 플랑크톤의 양과 종류에 따라 청록색에서 녹색까지 차양이 있다.[15][16]

녹수는 또한 녹색으로 보이면서도 식물성 플랑크톤, 용해 물질, 퇴적물의 조합을 가질 수 있다. 이는 여러 가지 서로 다른 물질이 센서가 보는 초록색을 만들어내기 때문에 "optical complex" 수역이라고 불리는 하구, 해안, 내해에서 자주 발생한다.

잠비아의 초록색 바닷물.
서퍼 한 마리가 아일랜드 스트랜드힐에서 초록색 물결을 헤치고 있다.

황색에서 갈색 바다까지

브라질 리우 네그로와 솔리메스 강의 합류 모습을 담은 센티넬-2 위성사진. 영상 왼쪽 상단의 리오 네그로는 고농도의 착색 용해 유기물(CDOM)으로 인해 어둡다. 이미지의 하단부와 우측에 있는 솔리메스 강은 퇴적물이 많아 더욱 밝다.

바닷물은 다량의 용해 물질, 퇴적물 또는 두 종류의 물질이 있을 때 황색 또는 갈색으로 나타난다.

많은 양의 용해 물질 때문에 물은 노란색이나 갈색으로 보일 수 있다.[17][18] 용해된 물질 또는 겔스톱(노란 물질을 의미)은 차와 같이 어둡지만 비교적 투명해 보인다. 용해된 물질은 다른 색깔의 빛보다 더 강하게 푸른 빛을 흡수한다. 착색된 용해 유기물(CDOM)은 종종 육지나 습지, 또는 해양 식물성 플랑크톤으로부터 그들의 세포에서 용해된 물질을 배출하는 탁 트인 해양에서 부패하는 식물 물질에서 나온다.[19]

해안 지역에서는 강에서 유출되고 바닥에서 모래와 실트의 재지원은 지표수에 퇴적물을 더한다. 퇴적물 입자가 모든 색깔에 빛 에너지를 흩뿌리기 때문에 더 많은 퇴적물이 물을 녹색, 노란색 또는 갈색으로 보이게 할 수 있다.[20] 다량으로 보면 침전물과 같은 광물질 입자는 거대한 침전물 적재 사건이 일어나면 물이 갈색으로 변하게 되는데,[21] 초콜릿 우유와 같이 밝고 불투명하게 나타난다(투명하지 않음).

호주의 부만진 호수에서는 인근 나무의 타닌 때문에 물이 강하게 물들고 있다.
MODIS 위성사진은 2018년 2월 일련의 폭풍우에 이은 멕시코만의 미시시피강 침전물 플룸이다(2018년 3월 4일 이미지).

붉은 바다

참고 항목: 적조
미국 캘리포니아 주 라 졸라의 스크립스 해양학 부두에서 적조.

바다 표면의 변색을 유발하는 특정 종류의 식물성 플랑크톤이 피어나면 바닷물이 붉게 보일 수 있다.[22] 이 사건들을 "적조"라고 부른다. 그러나 적조가 모두 해로운 것은 아니며, 관련된 플랑크톤의 종류가 유해한 독소를 함유하고 있는 경우에만 유해한 녹조로 간주된다.[23] 붉은 색은 꽃을 일으키는 식물성 플랑크톤의 특정한 종류의 색소에서 나온다. 멕시코만의 카레니아 브레비스,[24] 메인만의 알렉산드리움 펀디엔스,[25] 체사피케 만의 마르갈레파디늄 폴리크로이드와 알렉산드리움 모닐라툼,[26] 롱아일랜드 사운드의 메소디늄 루브럼 등이 대표적이다.[27]

오션 컬러 원격 감지

참고 항목: 워터 리모트 센싱

해양색 원격 감지는 해양색 방사선 측정이라고도 한다. 위성, 비행기, 드론의 원격 센서는 수면에서 나오는 빛 에너지의 스펙트럼을 측정한다. 물에서 나오는 빛 에너지를 측정하는 데 사용되는 센서를 방사선계(또는 분광기 또는 분광기)라고 한다. 일부 방사선계는 배의 지표면 또는 물속에서 직접 지표면의 현장에서 사용된다. 다른 방사선계는 비행기나 지구 궤도를 도는 위성 임무를 위해 특별히 설계된다. 방사선계를 사용하여, 과학자들은 자외선으로부터 근적외선에 이르는 전자기 스펙트럼의 모든 색상에서 물에서 나오는 빛 에너지의 양을 측정한다.[28] 이 반사된 빛 에너지 스펙트럼, 즉 겉으로 보이는 "색상"으로부터, 연구자들은 바다의 물리학과 생물학을 이해하기 위해 다른 변수를 도출한다.

해양 색 측정은 식물성 플랑크톤 바이오매스 또는 기타 생물 및 무생물 물질의 농도와 같은 중요한 정보를 유추하는 데 사용될 수 있다. 시간이 지남에 따라 위성으로 부터, 넓은 지역에 걸쳐, 지구 해양의 규모에 이르는 녹조 패턴은 해양 생태계의 가변성을 특징짓는 데 도움이 되었다. 해양 색 데이터는 해양 생태계가 기후 변화와 인공적인 동요에 어떻게 반응하는지를 연구하기 위한 핵심 도구다.[29]

해양 색 원격 감지의 가장 큰 난제 중 하나는 대기 보정, 즉 대기 중의 안개와 구름의 색 신호를 제거하여 해양 물의 색 신호에 초점을 맞추는 것이다.[30] 물 자체로부터의 신호는 지구 표면을 떠나는 빛의 총 신호의 10% 미만이다.[31][32]

역사

생물학자 엘렌 위버를 포함한 과학자들은 비행기에 장착된 센서부터 시작하여 위에서부터 해양 생산성을 측정하는 최초의 센서를 개발하는 것을 도왔다.

사람들은 고대 그리스 시인 호머의 유명한 "와인어둠의 바다"를 포함하여 수세기 동안 바다의 색에 대해 썼다. 해양의 색에 대한 과학적 측정은 1800년대 중반의 이탈리아 세키 원반이 바다의 투명성과 선명성을 연구하기 위해 발명된 것으로 거슬러 올라간다.[33][34]

1960년대와 1970년대에 주요 업적이 이루어져 현대 해양색 원격 감지 캠페인이 시작되었다. 1968년에 출판된 닐스 군나르 저로프의 저서 광학 해양학은 다음 수십 년 동안 많은 연구자들의 출발점이 되었다.[35] 1970년대에 과학자인 하워드 고든과 그의 대학원생 조지 마울은 첫 번째 랜드샛 미션에서 해양 색깔로 이미지를 연결했다.[36][37] 비슷한 시기에 존 아르베센, 엘렌 위버 박사, 탐험가 자크 쿠스토 등 연구진은 공중 센서로 시작해 해양 생산성을 측정하는 센서 개발에 착수했다.[38][39]

우주에서 바다색을 원격으로 감지하는 것은 1978년 나사의 해안지역 색상 스캐너(CZCS)가 님버스-7 위성에 성공적으로 발사되면서 시작되었다. CZCS가 개념 증명으로서 1년만 지속할 수 있도록 의도된 실험 임무임에도 불구하고, 센서는 1986년 초까지 선택된 시험장에 걸쳐 값진 일련의 데이터를 계속 생성하였다. 다른 센서의 출시로 다른 해양 색 데이터 출처를 이용할 수 있게 된 지 10년이 흘렀고, 특히 1997년 NASA SeaStar 위성에 탑재된 SeaWiFS(Sea-Viewing Wide-of-View 센서)가 이용 가능하게 되었다.[40] 후속 센서에는 아쿠아 및 테라 위성에 탑재된 NASA의 중간 해상도 이미징 스펙트럼 분석계(MODIS), 환경 위성 엔비사트에 탑재된 ESA의 MEIS(Medium Resolution Imaging Spectradiometer)가 탑재됐다. Several new ocean-colour sensors have recently been launched, including the Indian Ocean Colour Monitor (OCM-2) on-board ISRO's Oceansat-2 satellite and the Korean Geostationary Ocean Color Imager (GOCI), which is the first ocean colour sensor to be launched on a geostationary satellite, and Visible Infrared Imager Radiometer Suite (VIIRS) aboard NASA의 Suomi NPP. 더 많은 해양 색 센서들이 과대망상 영상을 포함한 다양한 우주 기관들에 의해 향후 10년 동안 계획되어 있다.[41]

적용들

Ocean Color Radiometry와 그 파생 제품들은 또한 Global Climate Warning System에 의해 정의된 기본적인 필수 기후 변수로 간주된다.[42] 해양 색 데이터 집합은 해양에서 1차 생산에 대한 유일한 글로벌 시냅스적 관점을 제공함으로써, 지구 탄소 순환에서 세계 해양의 역할에 대한 통찰력을 제공한다. 해양 색 데이터는 연구자들이 상업적으로 중요한 어업에 영향을 미치는 1차 생산과 서식지 유형, 예를 들어 수질, 유해한 녹조, 목욕 측정과 같은 인간 건강에 대한 위험과 같은 사회와 관련된 정보를 지도화하는 데 도움을 준다.[43]

식물성 플랑크톤 대용 엽록소

해양 엽록소 농도의 계절별 합성물. 보라색과 파란색은 낮은 엽록소 농도를 나타낸다. 오렌지와 빨강은 더 높은 엽록소 농도를 나타낸다. 이러한 차이는 식물성 플랑크톤 바이오매스가 적거나 더 큰 영역을 나타낸다.
위성에서 유래한 엽록소-a 농도(mg m−3) 2002년 7월부터 2017년 3월까지. 이 시각화는 NASA의 아쿠아 위성에 탑재된 MODIS(Medium Resolution Imaging Spectroadiometer)의 데이터를 사용하여 도출되었다. 엽록소-a 농도는 식물성 플랑크톤 풍부함의 대용물이다. 녹색의 어두운 색조는 엽록소와 식물성 플랑크톤을 더 많이 나타내며, 푸른 색조는 엽록소와 식물 플랑크톤을 더 적게 나타낸다.[44]

해양 색 원격 감지에서 가장 널리 사용되는 정보는 위성에서 파생된 엽록소-a 농도다. 연구자들은 인공위성에서 유래한 엽록소-물 속에 식물성 플랑크톤이 많을수록 녹색이 된다는 중심 전제를 바탕으로 우주에서 나온 농도-를 계산한다.[45]

식물성 플랑크톤은 햇빛을 해양 먹이 그물을 지탱하는 화학 에너지로 바꾸는 미세한 해조류, 해양 1차 생산국이다. 육지의 식물처럼 식물성 플랑크톤은 지구상의 다른 생명체를 위한 산소를 만들어낸다. 1997년 SeaWiFS가 출시된 이후 줄곧 해양 색 원격 감지는 과학자들이 수십 년 동안 전 세계 해양에서 식물성 플랑크톤(즉, 일차 생산의 모델)을 매핑할 수 있게 하여 지구 시스템에 대한 지식의 큰 발전을 이루었다.[46]

기타 응용 프로그램

부유 퇴적물은 유카탄 반도 서부의 이 모습처럼 강풍으로 인해 파도가 해저를 뒤흔드는 사건 이후 위성사진에서 볼 수 있다. 짙은 갈색 물은 퇴적물이 강을 통해 육지에서 나오는 것을 보여주고, 밝은 색상은 해저의 분필 칼슘 탄산염 모래에서 퇴적물이 나오는 것을 보여준다.

엽록소를 넘어, 해양 색 데이터가 사용되는 몇 가지 방법의 몇 가지 예는 다음과 같다.

유해한 녹조

연구자들은 해조류의 발생과 이동을 예측하기 위해 기상 데이터 및 현장 샘플링과 함께 해양 색 데이터를 사용한다(일반적으로 "적조"라고 불리며, 두 용어는 정확히 동일하지는 않다). 예를 들어, MODIS 데이터는 멕시코만의 카레니아 브레비스를 지도화하는 데 사용되었다.[47]

부유 퇴적물

연구자들은 해저에서 부는 바람으로 인한 침전물의 재유속을 기록하기 위해 해양색 데이터를 사용한다. 예를 들어, 허리케인 카트리나와 멕시코만의 리타 이후, 해양색 원격 감지는 연안에서의 효과를 매핑하기 위해 사용되었다.[48]

센서스

해양색을 측정하는 데 사용되는 센서는 여러 파장(다중 스펙트럼)이나 색의 연속 스펙트럼(초광 스펙트럼)에서 빛을 측정하는 기기로, 대개 분광다이오드(spectadiometer)나 광방사선계(operspectral)가 있다. 해양 색 센서들은 위성이나 비행기에 탑재되거나 지구 표면에서 사용될 수 있다.

위성 센서

아래의 센서는 지구 궤도를 도는 위성 센서 입니다. 동일한 센서를 여러 위성에 장착하여 시간이 지남에 따라 더 많은 커버리지(일명 더 높은 시간 분해능)를 제공할 수 있다. 예를 들어 MODIS 센서는 아쿠아 위성과 테라 위성에 모두 탑재된다. 또한 VIRS 센서는 Suomi NPP(Sumi-National Polar-Orbiting Partnership 또는 SNPP)와 JPSS-1(Joint Polar Satellite System, 현재 NOAA-20) 위성에 모두 장착된다.

  • 연안 구역 색상 스캐너(CZCS)
  • ObvView-2(일명 SeaStar)에서 SeaWiFS(SeaWiFS)를 통한 바다 보기 와이드 필드-뷰 센서(SeaWiFS)
  • 아쿠아 및 테라 위성의 중간 해상도 영상 스펙트럼 분석계(MODIS)
  • MERIS(Medium Resolution Imaging Spectrometer)
  • 지구반사율의 양극화와 방향성
  • 통신, 해양 및 기상 위성에서의 정지궤도 해양색상 이미저(GOCI)
  • OCM(Ocean Color Monitor) on Oceansat-2
  • 첨단 지구 관측 위성(ADEOS)의 해양 색 및 온도 스캐너(OTS)
  • Sentinel-2A 및 Sentinel-2B의 멀티 스펙트럼 계측기(MSI)
  • Sentinel-3A 및 Sentinel-3B의 OLCI(Ocean and Land Color Instrument)
  • SNPP(Seeomi-NPP) 및 NOAA-20(JPSS1) 위성에 VIRS(Visible Adaptive Imaging Radiometer Suite)
  • Landsat-8의 OLI(Operating Land Imager) 운영
  • 국제우주정거장의[49][50] 해양과외선 이미저
  • 프리커소어 IperSpettrale 델라 미션 수행(PRISMA)
  • 호크 온 더 씨호크 큐빗[51]
  • 계획된 플랑크톤, 에어로졸, 구름, 해양생태계 위성의 OCI(Ocean Color Instrument, Ocean Color Instrument)와 2개의 극지방계

공기중 센서

다음 센서는 공중 원격 감지를 위해 비행기에서 해양 색상을 측정하도록 설계되었다.

  • 공기 중 해양 색 이미저(AOCI)[52]
  • Tempus Applied Solutions G-IV(Gulfstream-IV) 항공기에서[53][54] COALS 프로젝트를 위해 비행한 휴대용 원격 영상 분광계
  • HIS(Headwall Hyperspectral Imaging System)
  • C-AIR(Canal Pair In Sitiat Radiometer) 바이오 광학 방사선계 패키지

상황 센서

한 연구원이 2011년 여름 추크치 해의 얼음 녹은 연못에서 방출되는 빛 에너지를 측정하기 위해 분광다이오드(spectradiometer)를 사용한다.

연구용 선박이나 부표를 이용한 물속, 교각과 탑 위와 같은 지구 표면에서 해양 색 감지기는 위성 센서 데이터를 보정하고 검증하는 데 사용되는 측정을 한다. 교정 및 검증은 독립적으로 이루어지는 두 가지 유형의 "접지 추적"이다. 교정은 달의 밝기 또는 지구 표면의 알려진 반사 값과 같은 알려진 값과 일치하도록 센서의 원시 데이터를 튜닝하는 것이다. 센서의 수명 동안 수행되는 보정은 센서가 개발, 발사 및 첫 번째 원시 데이터 수집을 시작할 때 특히 위성 임무의 초기 부분에 중요하다. 검증은 위성 또는 공중 센서에서 측정한 값과 현장에서 측정한 값을 독립적으로 비교하는 것이다.[56] 위성 보정 및 검증은 해양 색상의 위성 데이터의 품질을 유지한다.[57][58] 상황 센서에는 많은 종류가 있으며, 다른 종류들은 "원형 로빈"이라고 불리는 전용 현장 캠페인이나 실험실 실험에 종종 비교된다. 현장 데이터는 SeaBASS 데이터 아카이브와 같은 데이터 라이브러리에 보관된다. 위성 데이터를 보정하거나 검증하는 데 사용되는 상황 센서(또는 많은 센서의 네트워크)의 예는 다음과 같다.

  • 해양 광학 부표(MOBY)
  • 애어로졸 로보틱 네트워크(에어로넷)
  • 판시러 계기[59]
  • 트리오스-램시스
  • 소형 광학 프로파일링 시스템(C-OPS)[61]
  • HyperSAS 및 HyperPro 기기[62]

참고 항목

참조

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외부 링크