해양 산란·흡수 광학계(OPTICS)의 변동과 생물·비생물 입자 특성의 해석

■ 1. 해양 광학계의 기본 변수와 해수 광전달의 물리적 원리

해양에서 빛이 전달되는 과정은 흡수(absorption)와 산란(scattering)이라는 두 가지 기본 광학적 상호작용에 의해 결정된다. 흡수계수(a(λ))는 특정 파장(λ)의 빛이 수중 물질에 의해 열에너지로 전환되어 사라지는 정도를 나타내며, 산란계수(b(λ))는 빛이 수중 입자 또는 분자와 충돌하여 방향이 바뀌는 정도를 의미한다. 이 두 요소의 합인 감쇠계수(c(λ)=a(λ)+b(λ))는 해수 내 빛의 감쇠 속도를 나타내고, 이는 수중 광환경과 1차 생산성, 수온구조, 생태계 패턴에 직접적으로 영향을 준다. 해양은 ‘이상적인 투명 매질’이 아니며, 빛은 해수 자체의 분자 산란뿐 아니라 용존 유기물(CDOM), 부유입자, 식물플랑크톤, 미세플라스틱 등 다양한 광학적 물질에 의해 변형된다. 특히 표층에서의 광 환경은 광합성 생물군의 성장에 결정적이며, 광흡수·산란 특성은 수층별 광 도달심도, 유광층 깊이, 색소 집적 등 광생리학적 변수를 결정하는 핵심 요인이다. 따라서 해양 광학계는 단순한 빛의 감소 과정이 아니라, 광-물질 상호작용의 복합적 결과로 해석해야 한다.

■ 2. 생물입자(식물플랑크톤)의 흡수·산란 특성과 색소 조성

해양 광학에서 가장 중요한 생물학적 구성요소는 식물플랑크톤과 이들이 보유한 색소다. 엽록소-a를 포함한 색소는 430 nm(청색), 675 nm(적색) 주변에서 강한 흡수특성을 보이며, 이 스펙트럼 패턴은 위성 기반 Ocean Color 알고리즘의 핵심 근거가 된다. 각 식물플랑크톤 그룹(규조류, 와편모류, 남세균, 코콜리토포어 등)은 색소 조성, 세포 구조, 크기 스펙트럼이 다르기 때문에 흡수·산란 특성도 차별적으로 나타난다. 예를 들어 크기가 큰 규조류는 산란이 강해 광경로가 길어지고, 남세균(Prochlorococcus, Synechococcus)은 단일색소 기반 흡수 스펙트럼이 뚜렷하여 파장별 광학신호가 예민하게 변한다. 또한 세포 내 색소 패키징(pigment packaging) 효과는 실제 색소 농도와 흡수계수 사이의 비선형 관계를 만든다. 즉, 세포 내 색소가 고농도로 집적되면 빛의 투과 경로가 줄어들어 흡수율이 포화되는 현상이 발생한다. 이러한 생물학적 광학 특성은 생산성 변화뿐 아니라 종조성 변화의 해석에도 활용되며, 현대 해양 광학 연구에서 매우 중요한 분야이다.

■ 3. 비생물입자·용존물질의 광학적 기여와 탁도 변화

해양 광학계는 생물입자뿐 아니라 비생물입자(detritus, 무기입자, 부유퇴적물)와 용존 유기물(CDOM)에 의해 크게 영향을 받는다. CDOM은 주로 300~450 nm의 자외·청색 파장에서 강한 흡수를 보이며, 강우·하천수 유입·생물 분해 과정에서 증가한다. CDOM 농도가 높아지면 청색광이 급격히 흡수되어 물색은 녹색·갈색으로 변하며, 위성 Ocean Color 알고리즘의 오차 요인이 된다. 무기입자(규사, 점토)는 산란을 강화하여 탁도를 증가시키고, 특히 얕은 연안 및 하구 지역에서 광학 혼재효과(mixed optical signal)를 만든다. 이러한 산란은 빛의 직진성을 약화하여 광환경을 복잡하게 만들고, 적조 발생이나 혼탁한 해역의 광합성 효율 저하 등 생태적 변화를 유도할 수 있다. 비생물입자는 또한 와류·폭풍·저층 재부유(resuspension) 등에 의해 단기적으로 급변하는 특성을 가진다. 특히 강한 내부파나 해저 혼합이 발생하면 저층 퇴적물의 일시적 부유가 증가해 광환경이 크게 변할 수 있다. 이러한 비생물학적 광학 기여는 생물 신호와 혼재되기 때문에, 해양 광학 알고리즘에서는 항상 분리·정정(correction) 과정이 필요하다.

■ 4. 해양 광학계 연구의 최신 기술과 기후 변화 연계

해양 광학계 연구는 위성 기술, 센서, 수중 스펙트럼 측정 장비의 발전으로 빠르게 정교해지고 있다. 다중 스펙트럼·초분광(hyperspectral) 센서는 파장별 반사·흡수 특성을 더 세밀하게 분해하여 생물종 구성·광학적 물질의 상대 비율·생태계 변동까지 분석할 수 있게 한다. 자율 글라이더(glider)와 Argo Probes(광학 센서 탑재 모델)는 실시간으로 b(λ)·a(λ)·bb(backscattering) 등의 세부 광학 데이터를 전송하며, 이를 통해 광환경의 세로 구조와 미세 변동까지 정밀 관측할 수 있다. 머신러닝 기반 광학 분해 모델은 다양한 광학 신호를 학습해 CDOM·suspended particles·색소별 흡수 특성을 독립적으로 추정하여 복잡한 연안환경에서도 정확도를 높이고 있다. 기후 변화는 성층 강화·광투과도 변화·폭풍 빈도 변화 등을 통해 광학계를 장기적으로 변형시키고 있으며, 이는 생산성·산성화·탄소순환과 연계된 중요한 피드백 요소다. 광학계 변화는 해양 열흡수, 광합성 분포, 적조 발생 패턴 등에 영향을 줄 수 있고, 미래에는 초분광 위성과 장기 수중 관측 네트워크가 이러한 변화를 정밀하게 추적하는 주력 기술이 될 것이다.