1. 서론

남극 대륙 내부에서 성장한 빙상(ice sheet)은 매우 두껍게 발달하며 기저 지형의 기복을 무시하고 중력에 따라 사방으로 흘러내린다. 해양에 도달한 빙하가 기저 지형과 맞닿은 마지막 경계인 빙하 접지선(grounding line)을 지나면 빙붕(ice shelf)이나 빙설(ice tongue)이 되어 바다 위에 떠 흐르게 된다. 기저 지형과의 마찰을 잃은 빙하는 수면을 미끄러지며 흐르기 때문에 유속이 급격히 증가하며, 빙체의 형태는 수평적으로 확장되고 수직적인 두께가 급격히 감소한다. 따라서 빙하 접지선 전후의 얇아지고 가벼워진 빙하의 흐름 방향과 속도는 기저 지형에 의해 영향을 받기 시작하며, 급격한 형태 변화로 인해 크레바스와 같은 균열이 집중적으로 발달하는 등 불안정한 환경에 노출된다(Pattyn, 2018).

해양 빙상 불안정성(MISI: Marine Ice Sheet Instability)은 빙상의 말단부에 나타나는 빙하 접지선의 위치에 따라 기저 지형과 해양이 복합적으로 영향을 미치며 발생한다(Fig. 1A; Gomez et al., 2010; Jamieson et al., 2012). 내륙으로 갈수록 깊어지는 역방향 사면(reversed bed/retrograde slope)을 따라 빙하 접지선이 후퇴할 경우, 빙하 접지선은 점점 더 두꺼운 빙체의 하부에 위치하게 되며 유출시키는 빙하의 질량이 증가하게 된다. 또한 온난한 남극순환심층수(CDW: Circumpolar Deep Water)는 빙하의 하부로 침투해 용융을 유발하는데, 질량이 손실된 빙하는 해수의 부력에 의해 들어올려지면서 해수가 침투할 공간을 증가시킨다. 빙하 하부에서 발생한 융빙수는 밀도가 낮아 빙붕의 바닥을 따라 흐르며 추가적으로 빙하 기저를 녹이게 된다(Dow et al., 2018). 따라서 빙하의 기저 사면이 해수면보다 낮은 고도에 존재할 경우, 역방향 사면과 사면의 경사 크기는 빙하 접지선의 불안정성을 증가시키며 배후 빙하의 소모를 가속시키는 요인이 된다.

해양 빙벽 불안정성(MICI: Marine Ice Cliff Instability)은 빙하의 표면에 발생하는 균열과 균열의 성장에 의한 빙벽 붕괴에 의해 발생한다(Fig. 1B; Pollard et al., 2015; Dow et al., 2018). 빙하의 흐름 방향이나 속도가 급격하게 변하여 빙하의 두께가 급격히 달라지는 곳은 빙하의 전단력이 집중되거나 분산되며 측면과 표면에 크레바스를 형성한다. 또한 빙하 표면에서의 용융 역시 균열을 형성하며, 융빙수는 이러한 균열들에 침투해 수압파쇄 작용을 일으키며 균열을 성장시킨다. 균열의 성장으로 빙하가 자체 무게를 지탱하는 임계값을 넘어서면 빙벽이 무너져 빙하 접지선의 후퇴를 유발하고, 배후의 빙하 소모를 가속시키며 해수면의 상승을 야기한다. 상승한 해수면은 해양으로 분출되어 있는 빙붕이나 빙설을 들어올림으로써 균열 성장, 빙하 소모, 해수면 상승의 연쇄 반응을 반복하게 된다. 특히 해양 빙벽 불안정성은 해양 빙상 불안정성과 달리 기저 지형의 영향을 받지 않아 어디서든 발생할 수 있다는 위험이 있다.

Fig. 1.

Conceptual models of Marine Ice Sheet Instability (MISI) and Marine Ice Cliff Instability (MICI) modified from Pattyn (2018). (A) Ice below sea level would be subglacially melted by warm seawater (CDW: Circumpolar Deep Water), resulting in thinning and retreat. Thinned and mass-decreased ice would be lifted from the grounding position by decreased buttressing, and warm seawater would penetrate underneath, accelerating the subglacial melting. Reversed bed (retrograde slope) is vulnerable to the penetration of seawater, unstable grounding, and ice mass loss leading to accelerated glacial retreat. (B) Cracks on the ice are developed by hydrofracturing, and subglacial melting and sea level rise stress beneath the ice causing structurally ice cliff failure. Repeated calving of the ice would result in successive ice margin retreats

지구의 수많은 환경 변화에 따라 빙하가 소모되며 해수면이 상승하고 있지만, 현재의 상황 파악 수준과 미래를 예측하기 위한 기본 정보는 여전히 부족하다. 기존에는 주로 온실가스 농도변화를 이용하여 기후변화를 파악하거나 빙하의 용융을 추적해 해수면 상승을 예측하는 등, 기후변화의 결과가 가장 뚜렷하게 드러나는 현상들에 주목했다. 하지만 계속해서 새로운 인자들이 발견됨에 따라 해수면 상승의 속도는 예상보다 더욱 가속될 수밖에 없는 위기에 처해 있다. 이에 대한 대비로 빙권의 소모를 예상하기 위한 모델링 연구들은 수많은 역학적 요인을 고려하여 개발되고 있지만, 신뢰도는 여전히 낮으며 모델 별로 결과가 매우 상이하게 나타난다(Zekollari et al., 2022). 또한 모델링의 기반이 되는 다수의 자료는 극지역의 접근 조사가 필수적인데 반해 접근성이 매우 떨어져 시간과 비용이 매우 크게 요구된다.

본 연구는 지형적·해양적 요인에 의해 발생하는 빙하 소모의 위험인자를 파악하기 위해 원격탐사를 통해 기획득 된 수치고도자료를 활용하여 남극 해양 빙상의 불안정성을 분석하고 위험도 평가를 시도하였다. 위와 같은 지형과 빙하의 형태적 분석은 수많은 외력과 빙하의 내부 성질을 반영하지 않아 정확한 빙하의 붕괴 시기나 소모의 규모를 예측하기는 어렵지만, 어떤 빙하에서 불안정성이 가장 높게 나타나 붕괴의 위험성이 높은지를 평가하고 빙하의 어느 지점을 관찰하고 감시해야 할지 판단하는데 기반자료를 제공할 수 있다. 차후 연구 방법의 개선과 더불어 연구 지역을 확장해 나가 남극 빙상 전역을 분석함으로써, 전 지구적인 해수면 상승과 환경 변화 위기를 예측하는 중요한 기반 자료를 구축하고자 한다.

2. 연구 지역

남극대륙은 남극횡단산맥을 기준으로 서남극과 동남극으로 구분되며, 수 km 두께의 두꺼운 빙상(ice sheet)이 그 위를 덮어 막대한 양의 담수를 저장하고 있다. 동남극 빙상은 서남극 빙상과 달리 기저의 대부분이 해수면 고도보다 높게 위치해 상대적으로 안정적이지만, 빙권의 규모가 매우 크기 때문에 빙하의 소모대에서 일어나는 작은 변화도 주변 환경의 큰 변화로 이어질 수 있다(Bamber et al., 2009; Jun et al., 2020). 특히 지난 홀로세 중기의 기후 최적기에는 서남극 빙상뿐만이 아닌 동남극 빙상 역시 두께가 급격히 소모된 사실이 밝혀졌기 때문에, 미래의 더 큰 온난기에 일어날 빙하 소모에 대한 지속적인 추적과 감시는 동남극 빙상에서도 필요하다(성영배 등, 2006; Jones et al., 2015; Rhee et al., 2020; Stutz et al., 2021).

테라노바 만으로 유출되는 분출빙하(outlet glacier)는 크게 4개로 동남극 빙상의 빅토리아 랜드를 거쳐 서로스해로 흘러들고 있다(Fig. 2). 캠벨 빙하(Campbell glacier)는 테라노바 만의 북쪽에서 캠벨 빙설(ice tongue)로 흘러들고, 프리슬리 빙하(Priestley glacier)의 빙설과 리브 빙하(Reeves glacier)의 빙설은 만의 서쪽 중앙에서 합류해 난센 빙붕(Nansen ice shelf)을 형성하고 있다. 데이빗 빙하(David glacier)는 드라이갈스키 빙설(Drygalski ice tongue)로 흘러나오며 가장 큰 규모로 만의 남쪽 해역을 채우고 있다. 과거 빙하기에 전진한 빙설과 빙붕은 모두 하나로 합류해 거대한 빙붕의 형태로 만의 북동쪽으로 흘러 나갔으나, 현재는 빙하가 후퇴하면서 난센 빙붕을 제외하고 각각의 빙설로 분리되어 있다(Rhee et al., 2020).

Fig. 2.

Drainage area of ice tongues and ice shelf. (A) Satellite image between Victoria Land (East Antarctic Ice Sheet) and Terra Nova Bay (Western Ross Sea). (B) Outlet glaciers on Terra Nova Bay drain the East Antarctic Ice Sheet flowing into the Western Ross Sea

3. 연구 방법

해양 빙상 불안정성(MISI: Marine Ice Sheet Instability)에 영향을 주는 구간을 찾기 위해 고려해야 할 요소는 총 3가지로, 1. 해양의 영향에 노출되는 해수면보다 낮은 고도의 빙하 기저 지형, 2. 빙하의 지탱력과 온난한 해수의 침투에 의한 불안정성을 증가시키는 역방향 사면, 3. 그리고 불안정성을 증대시키는 기저 지형의 경사 변화를 조사하였다. 수치고도자료로 사용한 남극해국제해저지형도(IBCSO: International Bathymetric Chart of the Southern Ocean)는 15개국의 다중-단일 빔 음향 측심과 수심 측량 등을 통해 획득한 자료의 통합체로 500m의 수평해상도를 가지고 있다(Fig. 3A; Arndt et al., 2013). 분출빙하의 진출로 접근할 수 없어 측량이 불가능한 지역은 Bedmap2 자료로부터 빙하 기저 지형이 참조되었다(Fretwell et al., 2013). 빙하 접지선(grounding line)의 위치 정보는 영국 남극조사국(British Antarctic Survey) 데이터센터의 고해상도 남극 해안 자료를 활용하였다(Gerrish et al., 2023).

수치고도자료를 활용하여 빙하 유역의 중심부를 따라 기저 지형의 고도를 추출하였고 빙하 접지선으로부터 빙하의 상류 방향에 따른 경사 변화(%)를 계산하였다(Fig. 3C). 역방향 사면(retrograde slope/reversed bed)은 내륙 방향으로 향하며 고도가 낮아지기 때문에 경사 변화가 음수(-)로 나타나게 되며, 정방향 사면(prograde slope)은 고도가 높아지며 경사 변화가 양수(+)로 나타난다. 분석 결과를 통합하여 빙하 기저 지형이 해수면 고도보다 낮으며 역방향 사면인 지역을 위험지역으로 표시하였으며, 사면의 경사 변화가 클수록 그 위험도가 큰 것으로 판단하였다.

해양 빙벽 불안정성(MICI: Marine Ice Cliff Instability)에 영향을 주는 빙하 표면의 균열 규모와 분포를 분석하기 위해 빙하의 표면 기복 변화(surface roughness)를 분석하였다. 고도자료를 기반으로 인근 셀 간의 표준편차를 계산해 수직 변위차를 구하는 방법으로, 빙하 표면의 굴곡을 감지하고 그 정도를 표현할 수 있다(Graham et al., 2009). 활용한 수치표면자료는 남극참조표고모델(REMA: Reference Elevation Model of Antarctica)이며, 수평해상도가 8m, 수직오차가 1m 미만인 고해상도 자료이기 때문에 빙하의 균열을 상세하게 감지할 수 있다(Fig. 3B; Howat et al., 2019).

빙하 접지선으로부터 해양으로 분출되어 있는 방향으로 빙붕·빙설의 표면을 따라 기복 변화(std, m)를 계산하였으며, 기복 변화의 크기가 클수록 균열의 깊이가 깊게 발달한 것으로 볼 수 있다(Fig. 3C). 특히 수치표면자료의 수평해상도가 8m이기 때문에 기복 변화가 8 이상으로 나타날 경우 너비보다 깊게 발달한 수직균열로 평가할 수 있으며, 수직균열이 나타나는 위험지점의 밀도와 빈도, 분포 구간을 기반으로 빙설의 위험구간을 평가하였다. 또한 다른 빙설과의 상호작용으로 인해 생기는 크레바스, 균열과 수평 파열 등을 음영기복(hillshade)분석과 위성영상자료로부터 참조하여 향후 빙하의 붕괴나 분리가 일어날 양상을 유추하였다.

Fig. 3.

Elevation data of the study area. (A) Digital Elevation Model (DEM) of the study area with 500 m resolution. Bathymetric data is based on the International Bathymetric Chart of the Southern Ocean (IBCSO: Arndt et al., 2013), and subglacial topography and grounding lines (GL) are referred from Bedmap2 (Fretwell et al., 2013; Gerrish et al., 2023). (B) Digital Surface Model (DSM) of the study area. The Reference Elevation Model of Antarctica (REMA) presents the ice sheet surface and exposed lands with 8 m high resolution and an error of less than 1 m (Howat et al., 2019). (C) Longitudinal profile along each flow line of outlet glaciers (arrows on (A) and (B)). Ice surface data is extracted from the REMA, and bed elevation is referred from the IBCSO. Note that ice morphology in front of the groundling line (yellow triangle) is related to the Marine Ice Cliff Instability (MICI), and bed morphology behind the grounding line affects the Marine Ice Sheet Instability (MISI)

4. 결과 및 논의

1) 해양 빙상 불안정성(Marine Ice Sheet Instability: MISI)

캠벨 빙하의 접지선은 현재 정방향 사면에 걸쳐 있으며 8 km 배후 지점부터 역방향 사면에 도달하게 된다(Fig. 4A). 정방향 사면은 캠벨 빙하를 안정적으로 지탱해주고 해수의 빙하 기저 침투와 용융을 최소화하여 빙하 접지선의 후퇴를 저지한다. 8 km 지점 이후에 나타나는 큰 경사 변화(-14%)의 역방향 사면은 빙하 기저의 지탱을 약화시키고 해수 침투로 인한 용융 증가, 빙하의 질량 감소로 인한 부력 증가 등을 연쇄적으로 야기할 위험요소이다. 따라서 빙하 접지선이 8 km 지점에 도달하는 시점부터 급속도의 빙하 붕괴와 두께 감소가 발생하고, 18 km 지점까지 약 10 km에 걸친 빠른 후퇴가 일어날 것으로 예상된다. 이후 빙하를 지탱하는 정방향 사면과 빙하를 불안정하게 하는 역방향 사면은 반복되어 나타나면서 빙하 접지선의 후퇴 속도는 감속과 가속을 반복하게 된다.

캠벨 빙하의 기저 사면은 리브, 데이빗 빙하에 비해 급경사 면들이 나타나기 때문에 해양 빙상 불안정성이 매우 높게 나타나며 내륙으로의 빠른 빙하 후퇴가 예상된다. 특히 22~36 km 구간에 나타나는 역방향 사면은 전체적인 고도가 급격히 감소(-1 km)하며 경사의 변화(-22%)가 가장 크게 나타나며 위험도가 높은 구간이다. 40~70 km 구간에서는 정방향 사면과 역방향 사면이 반복되나 경사(-9~5%)와 고도(-903~-600masl)의 변화가 모두 상대적으로 낮게 나타나 위험도가 낮게 판단된다. 70 km 이후 구간에서는 안정적인 정방향 사면에 들어서며, 75km 이후 구간은 빙하의 기저가 해수면 고도보다 높은 곳에 위치하게 되어 해양의 영향으로부터 완전히 벗어나게 된다. 캠벨 빙하의 기저가 해수면의 고도보다 낮으며 역방향 사면으로 나타나는 구간은 총 32.3%를 차지하며, 수심이 깊어 해양의 영향이 매우 크고 내륙으로의 경사 변화(~-22%) 역시 매우 크게 나타나 불안정성이 매우 높게 평가된다.

프리슬리 빙하 역시 캠벨 빙하와 마찬가지로 33.8% 정도의 많은 구역이 해수면 고도보다 낮은 위치에서 역방향 사면으로 존재하지만, 해당 구역에서의 경사 변화는 캠벨 빙하에 비해 상대적으로 낮게 나타난다(Fig. 4B). 향후 빙하 접지선이 처음 도달하는 역방향 사면은 경사 변화(-5%)가 매우 작으며, 약 30 km 구간까지 반복적으로 나타나는 역방향 사면 역시 경사 변화(-8%, -10%)가 상대적으로 낮게 나타나 캠벨 빙하에 비해 불안정성이 낮게 해석된다. 30~40 km 구간에 나타나는 정방향 사면과 더불어 이후 70 km 지점에 이르기까지, 매우 얕은 수심(~-240masl)에서의 낮은 경사 변화로 인해 불안정성이 낮게 나타난다. 70 km 지점 이후로는 빙하 접지선이 내륙의 산지로 접어들며 고도가 높아지기 때문에 해양의 영향으로부터 벗어나게 된다.

리브 빙하의 기저 지형 경사 변화는 캠벨 빙하나 프리슬리 빙하에 비해 전반적으로 작게 나타나며, 5~15 km 배후 구간에서 반복되어 나타나는 역방향 사면 역시 경사 변화(-5%, -2%)가 매우 낮은 수준이다(Fig. 4C). 이 두 구간의 최대수심(-140masl, -170masl) 역시 매우 얕아 테라노바 만의 다른 분출빙하들에 비해 해양의 영향력이 미칠 공간이 가장 작게 나타난다. 특히 20 km 지점 이후에서는 빙하 접지선이 내륙으로 들어서며 해양으로부터 완전히 분리되기 때문에, 해수면 고도보다 낮은 역방향 경사면은 100 km 구간 중 12.3%밖에 존재하지 않는다. 따라서 리브 빙하는 불안정성이 나타나는 구간과 기간이 모두 가장 짧으며, 외력에의 노출 정도 역시 가장 낮아 해양 빙상 불안정성이 가장 낮게 평가된다. 다만, 오히려 리브 빙하가 내륙으로 빠르게 후퇴하며 내륙 빙상으로 분리됨으로 인해, 기존에 합류해 흐르던 난센 빙붕과 프리슬리 빙하는 공급의 단절과 함께 해양에의 노출이 커지며 불안정성이 증가할 것으로 예상된다.

데이빗 빙하는 다른 빙하들에 비해 기저 지형 경사의 변화(-4~7%)가 가장 작게 나타나기 때문에, 기저 지형의 빙하 지탱 안정성과 해수의 침투 공간에 있어서는 가장 안정적인 환경으로 분석된다(Fig. 4D). 하지만 이러한 안정적인 지형에도 불구하고 100 km에 걸친 모든 구간이 해수면 아래에 존재함으로써 해양의 영향에 지속적으로 노출된다. 이로 인해 55.4%에 걸쳐 나타나는 모든 역방향 경사면이 해수 아래에 잠겨 있으며, 테라노바 만의 빙하들 중 가장 긴 구간이 위험에 노출되어 있다. 특히 인접한 리브 빙하의 빠른 내륙 후퇴로 인해 발생하는 난센 빙붕의 소멸은 데이빗 빙하 역시 해양에의 노출을 증가시키며 해양 빙상 불안정성을 증가시킬 것으로 예상된다.

Fig. 4.

Potential danger zone analysis of the Marine Ice Sheet Instability (MISI) along 100 km distance behind the grounding line. Bed slope and direction were analyzed to find a reversed bed (retrograde slope: negative slope value in the red section). Retrograde slopes below sea level are denoted on the bed elevation profile (navy section). Percentage values on the bottom right show ratio of future unstable grounding zones

2) 해양 빙벽 불안정성(Marine Ice Cliff Instability: MICI)

캠벨 빙하의 분출부인 캠벨 빙설은 두 갈래로 갈라져 흘러나오며 동쪽과 서쪽의 빙설로 구분하여 분석하였다(Figs. 5A & 5B). 동쪽 빙설의 상류는 기복 변화(<4)의 크기가 매우 낮게 나타나며, 변화의 밀도와 빈도 역시 적어 안정적인 빙설을 형성하고 있음을 알 수 있다(Figs. 5B & 6A). 하류 역시 기복 변화(<4)는 낮지만 변화의 빈도가 높게 나타나 균열이 다수 발달해 있는 상태임을 알 수 있다. 하지만 균열의 깊이는 너비에 비해 깊게 발달하지 않은 얕은 균열 상태로만 나타나 해양 빙벽 불안정성은 매우 낮게 나타난다. 약 15 km 지점의 빙벽 말단부에 나타나는 높은 기복 변화(>12)는 해수면에 나타나는 해빙의 고도가 인식되어 발생한 오류로 불안정성으로 해석되지 않는다.

반면 서쪽의 빙설은 현재의 빙하 접지선 위치에서부터 빙설의 말단부까지 전반적으로 기복 차(4~12)가 크게 나타나며, 중류와 하류의 빙하에서 균열이 빈도 높게 감지되고 있다. 특히 너비에 비해 깊이가 크게 발달한 수직 균열(기복 변화 >8)이 전역적으로 나타나고 있으므로 전 구간에 걸쳐 해양 빙벽 불안정성이 매우 높게 나타난다. 약 2 km 지점의 최상류 지점에 나타나는 높은 기복 변화(>12)는 빙상이 해양으로 분출되며 두께가 급격히 얇아지는 구간이 감지된 것으로 균열에 의한 기복 변화에 해당되지 않는다. 약 4 km 지점부터 발달한 매우 깊은 균열(~40 km)은 캠벨 빙설에서 가장 높은 기복 변화(~12)가 나타나는 구간으로 가장 큰 균열이 발달해 있음을 알 수 있다. 또한 9 km 지점 이후 나타나는 균열은 기복 변화의 수치는 상대적으로 작게 나타나지만, 고도자료 상 균열이 수평적으로 넓게 발달해 있어 빙하의 두께가 얇아져 있는 매우 위험한 구간이다. 따라서 캠벨 빙설은 서쪽 빙설이 매우 취약하게 균열이 발달해 있으며, 특히 어떤 구간에서도 빙벽의 붕괴가 쉽게 일어날 수 있는 가장 위험한 상태임을 알 수 있다.

프리슬리 빙하는 본류에서 공급되는 북쪽 빙설과 리브 빙하와 합류하며 변형된 구간의 남쪽 빙설로 구분하여 분석하였다(Figs. 5C & 6B). 프리슬리 빙설은 북, 남부 모두 수직적으로 더 깊게 발달된 균열이 전혀 나타나지 않음으로써, 다른 빙하에 비해 해양 빙벽 불안정성의 위험도가 가장 낮고 매우 안정적인 형태임을 알 수 있다. 특히 북쪽의 빙설은 기복의 변화(<3)가 거의 없이 가장 안정적인 형태로 뻗어 나가며 발달해 있다. 반면 남쪽의 빙설은 기복 변화(<4) 자체는 북쪽과 마찬가지로 낮게 나타나지만 중류 아래로 변화의 빈도와 밀도가 매우 높게 나타난다.

이와 같은 균열은 두 빙하(프리슬리-리브)가 만나는 경계에서 발생하는 전단력으로 인해 확장된 표면의 크레바스가 반영된 것으로 현재는 아주 작은 기복 변화로 나타난다. 하지만 크레바스가 발달한 구간은 차후 수압 파쇄가 일어나기 좋은 틈을 제공할 뿐만 아니라, 빙하의 흐름에 따라 응력 방향의 변화가 일어나며 탄성한계를 넘어서는 지점에서 수평균열이 급격히 성장할 수 있다. 특히 리브 빙설은 빙하 접지선이 향후 조금만 후퇴해도 내륙 빙상으로 분리되기 때문에(Fig. 4C), 해양에 노출되는 프리슬리 남쪽 빙설의 측면은 수평균열이 급격히 확장될 것으로 예상되어 계속해서 변화를 관찰해야 하는 예비위험지역이다. 2016년 난센 빙붕의 말단부 붕괴 역시 수평적으로 성장한 균열로 대규모 분리가 일어났기 때문에, 균열의 수직 발달뿐만이 아닌 수평전이가 예상되는 지역 역시 해양 빙벽 불안정성에 관한 지속적인 관찰이 필요하다(Dow et al., 2018).

리브 빙하는 빙하 접지선이 위치한 유역 중앙의 누나탁으로 인해 빙하 최상류에서 높은 기복 변화(>12)가 나타나며, 이를 기준으로 북쪽과 남쪽의 빙설로 나뉘어 흐른다(Figs. 5C & 6C). 북쪽의 빙설은 프리슬리 빙하와 마찬가지로 전반적으로 낮은 기복 변화가 나타나 매우 안정적인 빙설임을 알 수 있다. 빙설의 상류 구간은 하류에 비해 상대적으로 높은 기복 변화(2~6)가 나타나는데, 이는 위의 프리슬리 빙설과 같이 두 빙하가 합류하며 변형되는 구간에 발달한 얕은 깊이의 크레바스로 판단된다. 따라서 해양 빙벽 불안정성은 테라노바 만 내에서 가장 낮게 나타나며, 차후 인근의 빙설 변화에 따라 변화하는 크레바스의 후속적인 관찰이 필요할 것으로 예상된다.

남쪽의 리브 빙설은 중류와 하류에 걸쳐 빈도 높고 큰 기복 변화가 나타나 북쪽의 빙설에 비해 다수의 균열이 발달되어 있음을 알 수 있다. 특히 25 km 지점에 나타나는 큰 기복 변화(~11)는 빙설의 남쪽 측면으로부터 확장하고 있는 수평 균열로 거의 빙하의 분리가 일어나고 있는 상태이다(Figs. 5C & 6C). 이러한 측면 균열 발달은 리브 빙설과 데이빗 빙설 사이에 전진해 있던 라르센 빙설이 소멸되며, 전단력이 상실된 리브 빙설의 남부가 팽창, 파괴를 일으키고 있기 때문이다. 하류의 35~45 km에 걸쳐 나타나는 매우 넓은 균열 역시 과거 측면에서 성장한 균열이 파열된 곳으로, 현재는 남부 리브 빙설의 말단부를 완전히 분리시킨 후 상류로 전이되고 있다. 전이 중인 균열은 25 km 지점에서 수평적으로 성장하고 있는 균열과 교차할 확률이 매우 높으며, 이 경우 남부 리브 빙설에서 매우 큰 붕괴를 일으킬 것으로 보인다.

데이빗 빙하의 북부 드라이갈스키 빙설 역시 라르센 빙설의 후퇴로 전단력이 소실된 곳에서 대규모의 팽창, 파열이 일어나고 있다(Figs. 5D & 6D). 상류와 중류의 경계인 40 km 전후 구간에 매우 깊게 발달한 균열(~60 km)은 빙하 표면의 기복 변화(>16)가 매우 높게 나타나며, 인근 균열들의 기복 변화(8~12) 역시 매우 높게 나타난다. 또한, 중류 구간에 걸쳐 나타나는 기복 변화(4~8) 역시 다른 안정적인 빙하에 비해 높은 수준이며, 균열이 매우 밀도 있고 빈도 높게 나타나고 있다. 하류 구간은 기복 변화(<4)가 상대적으로 낮게 나타나지만 빙하의 두께가 얇아지며, 말단부 100 km 지점에 나타나는 30 km 깊이의 수직 균열도 기복 변화(~10)가 매우 크게 나타남으로써 대부분의 구간에서 큰 불안정성을 보이고 있다.

Fig. 5.

Elevation, hillshade, and roughness of the ice surfaces in front of the grounding line. (A) Surface elevation of the ice shelf and ice tongue. Hillshade (blue color ramp) and roughness (red to green color ramp) analysis of (B) Campbell, (C) Priestley and Reeves, and (D) David glaciers (not to scale)

남부의 드라이갈스키 빙설 역시 60 km 전후 구간에서 가장 높은 기복 변화(8~12)가 나타나며, 이는 북부 드라이갈스키 빙설의 40 km 구간과 동일한 지역에 해당된다. 중류 역시 높은 기복 변화(~10)와 함께 균열의 빈도가 매우 높게 나타나며, 북부에 비해 더 긴 구간에 걸쳐 나타나기 때문에 불안정성이 매우 높다고 해석된다. 따라서 드라이갈스키 빙설은 상, 중류 경계지점(북부:40 km, 남부: 60 km)에서 가장 큰 불안정성이 나타나, 말단부까지 약 70 km 길이의 대규모 빙설의 붕괴가 예상된다. 말단부(북부: 100 km, 남부: 120 km)의 큰 수직균열에서 소규모 붕괴가 먼저 일어나더라도, 빙하 접지선의 후퇴와 함께 빙하 소모가 상류로 전이되며 대규모 빙벽 붕괴는 불가피할 것으로 분석된다.

3) 분석 방법의 한계와 앞으로의 방향

수치고도자료를 활용한 남극 해양 빙상과 빙벽의 위험평가를 통해 정량적인 위험도의 수치해석을 시도하였지만, 위험인자 간의 상관관계와 영향력을 정의할 수 없어 절대적인 위험도를 산출하기 어렵다는 제한이 있다. 하지만 분석 결과로 지역간 비교를 통해 어떤 빙하가 더 위험한 요소에 노출되어 있는지, 혹은 단일 빙하 내에서도 어떤 구간이 더 위험도가 높은지 등의 상대적인 평가가 가능하였다. 보다 정확하고 신뢰도 있는 정량적인 평가 방법으로 발전시키기 위해서 지속적으로 고민하고 확장해 나가야 할 내용은 다음과 같다.

연구 결과는 빙하 흐름의 중심부를 따라 2차원적인 종단분석을 하고 있어 빙하의 전체적인 해석에 제한이 있다. 3차원적인 분석을 위해서는 빙하 유역의 수평적인 전체 분석이 필요하지만, 빙하는 하천과 물성이 다르기 때문에 수치고도자료를 기반으로 하는 유량, 유로 방향, 유역 분류 등의 정의와 분석이 불가능하다. 따라서 기존의 해저 수심 자료를 활용한 지형의 분류나 흐름 분석 방법은 빙권에서 활용하기에는 여러 제한이 존재한다(김동은･오정식, 2019; 안세진 등, 2023). 차후의 중력 탐사와 탄성파 탐사를 통해 획득되는 정밀역학자료를 활용한다면 이러한 점을 개선해 줄 것으로 기대된다(김태균 등, 2022).

마찬가지로 실제 해양 빙상 불안정성의 위험도를 평가하기 위해서는 빙하와 기저 지형의 형태뿐만이 아닌, 빙하 질량 수지와 요인들, 빙하의 물성과 그에 따른 이동, 반응의 형태, 그리고 이외의 수많은 수리적 물리적 계산이 필요하다(Zekollari et al., 2022). 본 연구는 이러한 외력의 영향을 일정하다고 가정하기 때문에 수치고도자료만을 이용한 방식은 상대적인 위험도만 제시가 가능하며 절대적인 위험도를 평가하기 어렵다.

다만, 해양 빙상 불안정성과 같은 경우 기저 지형의 경사 변화에 따른 빙하 지지력 변화와 경사의 크기에 따라 변하는 해수가 침투할 수 있는 공간 규모에 비례한다. 또한 해양 빙벽 불안정성의 경우 균열의 발달이 중요하기 때문에 위험도는 균열의 규모(면적, 부피)에 비례한다. 따라서 각각 위험구간으로 평가한 영역의 면적은 위험도를 수치화 하여 평가하기 위한 기반자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다(Figs. 4 & 6).

Fig. 6.

Potential danger zone analysis of the Marine Ice Cliff Instability (MICI) from the grounding line to the ocean. Ice surface roughness (red line) and its frequency show higher crack risky areas. Since the horizontal resolution of the ice surface model (blue line) is 8 m, the roughness over 8 denotes a vertically developed crack with a larger aspect ratio of depth to width (over the dashed line) which are likely to be future unstable ice cliff failure zones

5. 결론

기후 변화로 인한 미래의 빙하 소모와 해수면 상승은 더 이상 피할 수 없는 수준에 이르렀으며, 남극의 빙하 소모는 계속해서 예측 이상의 해수면 상승으로 이어지고 있다. 특히 급격한 빙하소모를 야기하는 해양 빙상/빙벽 불안정성에 대한 관심이 높아지고 있는 지금, 빙하 접지선 후방에 나타나는 기저 지형과 전방으로 유출되고 있는 빙하의 표면 형태를 분석하여 위험도를 평가하는 기법의 개발은 매우 중요하다. 빙하 기저 지형은 사면의 방향과 해수면 고도로부터의 수직 위상차에 따라 미래에 빙하가 후퇴하는 속도를 조절하며, 빙하 표면 기복에 나타나는 균열의 크기와 밀도, 빈도는 빙벽의 붕괴와 분리에 영향을 미친다. 본 연구를 통해 분석한 남극 테라노바 만 분출빙하의 해양 빙상 불안정성과 해양 빙벽 불안정성은 아래와 같은 특성을 보인다.

1) 해양 빙상 불안정성: 빙상으로부터 해양으로 분출되는 빙붕과 빙설은 빙하 접지선 배후의 기저 지형 변화에 따라 불안정한 상태에 노출된다. 캠벨 빙하와 프리슬리 빙하는 70% 이상의 구역이 해수면 고도보다 낮게 위치하며, 역방향 사면의 비율이 그 중 절반을 차지해 불안정하고 빠른 후퇴가 일어날 것으로 예상된다. 특히 캠벨 빙하는 빙하 기저의 수심이 매우 깊어 해양에의 노출이 더 크기 때문에 불안정성이 더 클 것으로 분석된다. 리브 빙하는 기저 지형의 깊이와 역방향 사면의 경사 변화가 모두 낮게 나타나며, 내륙 빙상으로 후퇴해 해양으로부터 벗어나기 위한 구간이 가장 짧기 때문에 가장 안정적이고 느린 후퇴가 일어날 것으로 보인다. 데이빗 빙하는 역방향 사면의 경사 변화가 가장 낮게 나타나지만 모든 구간의 기저면이 해수면보다 낮게 나타나 많은 구간에서의 불안정한 붕괴가 예상된다.

2) 해양 빙벽 불안정성: 빙붕과 빙설의 표면에 발달한 균열은 반복되는 수압파쇄와 전단응력의 변화에 의해 빙하의 붕괴와 분리를 야기한다. 캠벨 빙설의 남부는 전 구간에 걸쳐 깊은 균열이 반복적으로 발달하여 매우 위태로운 상태임을 알 수 있다. 프리슬리 빙설은 모든 빙하 중 가장 안정적인 기복 변화를 보여주지만, 리브 빙설과 맞닿은 남부의 크레바스가 잠재적인 위험 요인으로 평가된다. 리브 빙설 역시 큰 기복 변화 없이 안정적으로 나타나지만, 측면으로부터 발달하고 있는 대규모의 균열이 가장 큰 위험요소로 관찰된다. 이 대규모 수평 균열은 데이빗 빙하의 드라이갈스키 빙설 중상류에도 나타나며, 과거 난센 빙붕의 대규모 분리와 같은 요인을 갖고 있기 때문에 지속적인 관찰이 필요하다. 특히 드라이갈스키 빙설은 대부분의 구역에 걸쳐 불안정성이 높게 나타나며, 테라노바 만의 가장 큰 규모의 빙설이기 때문에 그 위험성이 매우 높다고 평가된다.

3) 종합: 종합적으로 데이빗 빙하와 캠벨 빙하는 모두 빙벽의 붕괴 위험도가 빙설의 상부에서 가장 높게 나타나 대규모 붕괴가 예상되며, 이후 후퇴하는 빙하 접지선의 기저 지형 역시 매우 불안정한 환경에 노출되어 있어 연쇄적인 빙하 소모와 해수면 상승의 속도가 가속될 것을 알 수 있다. 리브 빙하와 프리슬리 빙하는 상대적으로 기저 지형과 해수의 영향이 적게 나타나고 빙하의 표면 역시 안정된 형태를 보이지만, 빙하의 응력장이 변하는 구간에 발달한 표면의 크레바스와 측면에서 팽창하는 대규모의 수평 균열을 지속적으로 관찰해야 한다.