잎이 내는 빛을 814km 위에서 읽는다 — 유럽우주국이 발사 직전에 올린 FLEX 영상 6분 38초

ESA's FLEX mission reveals the secret glow of plants · European Space Agency, ESA

어떤 영상인가

유럽우주국 공식 채널이 9월 11일에 올린 설명 영상이다. 제목을 그대로 옮기면 '식물의 숨은 빛을 드러내는 FLEX 임무'쯤 된다. 발사를 나흘 앞두고 나온 예습용 영상이라 로켓도 관제실도 나오지 않는다. 숲과 공원, 밭을 훑는 장면으로 시작해서 연구자 몇 사람이 번갈아 나와 형광이 무엇인지, 왜 위성으로 재야 하는지를 이야기한다.

이런 종류의 임무 영상은 보통 위성 CG 를 먼저 띄우고 시작하는데, 이 영상은 앞의 절반을 식물 이야기에 쓴다. 위성 이름은 한참 뒤에야 나온다. 그래서 우주 분야를 잘 몰라도 따라가기 쉽다. 질문이 하나 깔려 있다. 살았는지 죽었는지가 아니라, 잘 지내는지 힘든지를 식물한테 어떻게 물어볼 것인가.

실제 발사는 한국 시간으로 9월 15일 오전 10시 21분이었다. 베가-C 로켓 30번째 비행이었고, 코페르니쿠스 센티널-3C 위성과 같은 로켓에 포개져 올라갔다. 베가-C 가 위성 두 대를 한 번에 올린 건 이번이 처음이다. 센티널-3C 가 먼저 떨어져 나가고 FLEX 는 한 시간쯤 뒤에 분리됐다. 영상은 그 직전 상황에서 만든 것이라, 보고 나서 발사 영상을 이어 보면 순서가 맞는다.

발사 나흘 전에 올라온 예습용 영상. 앞의 절반은 위성이 아니라 식물 이야기다.

잎이 빛을 낸다는 게 무슨 말인가

잎의 엽록소는 햇빛을 받아 광합성을 돌린다. 그런데 받은 빛의 에너지를 전부 당을 만드는 데 쓰지는 못한다. 남는 몫의 일부가 붉은색과 원적색 영역의 빛으로 도로 새어 나온다. 이게 엽록소 형광이다. 사람 눈에는 안 보인다. 너무 약해서다.

이 빛이 쓸모 있는 이유는 광합성 그 자체에서 나오기 때문이다. 잎이 초록색이라는 건 엽록소가 있다는 뜻일 뿐, 지금 광합성이 잘 돌아가는지까지 말해 주지는 않는다. 형광은 다르다. 더위, 가뭄, 병해충, 양분 부족이나 과잉 같은 스트레스가 광합성을 눌러 버리면 형광도 그 자리에서 바뀐다. 영상에 나오는 연구자는 그 반응이 1초도 안 걸린다고 말한다.

그래서 지상에서는 이미 오래전부터 형광을 잰다. 잎 하나에 기계를 대기도 하고, 관측탑이나 드론, 비행기에 장비를 실어 밭 단위로 재기도 한다. 문제는 그렇게 하면 한 곳밖에 못 본다는 것이다. 지구 전체 식생이 올해 얼마나 힘든지 알고 싶으면 위성이 필요하다.

위성으로 재는 게 어려운 이유도 영상에 그대로 나온다. 신호가 워낙 희미한데 800km 를 날아와야 장비에 닿는다. 그 사이 대기가 끼어들고, 잎에서 그냥 반사된 햇빛이 형광보다 훨씬 밝다. 그 밝은 반사광 속에서 희미한 형광만 골라내는 게 이 임무의 핵심 기술이다.

형광은 광합성 자체에서 새어 나오는 빛이라, 스트레스가 광합성을 누르면 그 자리에서 바뀐다.

위성이 그걸 어떻게 골라내나

FLEX 에 실린 장비 이름은 FLORIS, 형광 영상 분광계다. 500~780nm 범위의 빛을 잘게 쪼개 본다. 요령은 산소 흡수대에 있다. 대기 중 산소가 특정 파장의 햇빛을 삼켜 버리는 구간이 두 군데 있는데, 686~697nm 와 759~769nm 다. 그 좁은 틈에서는 반사된 햇빛이 푹 꺼지는데 잎이 내는 형광은 그대로 남는다. 그 틈을 0.1nm 간격으로 들여다보면 형광만 남는다.

영상 속 연구자가 분광계 세 대를 설명하는 대목이 그래서 나온다. 산소 흡수대를 아주 촘촘하게 보는 고해상도 분광계 두 대와, 전체 신호를 한꺼번에 받는 저해상도 분광계 한 대다. 우주에서 지구가 보내는 가장 희미한 신호 가운데 하나를 잡아야 하니 감도가 예민할 수밖에 없다.

그런데 형광만으로는 부족하다. 구름이 얼마나 끼었는지, 지표면 온도가 얼마인지, 그 땅이 숲인지 밭인지를 알아야 형광 값을 제대로 읽는다. FLEX 는 그 정보를 직접 재지 않고 옆에서 빌린다. 코페르니쿠스 센티널-3 위성보다 40~100km 앞서서 같은 궤도면을 돈다. 시간으로 치면 몇 초에서 십몇 초 차이다. 거의 같은 순간 같은 땅을 두 위성이 보는 셈이다. 처음에는 센티널-3A 와 짝을 이루고, 나중에 같이 올라간 센티널-3C 가 그 자리를 이어받는다.

위성 자체는 크지 않다. 무게 400kg, 크기는 1.5m × 4.9m × 1.6m 다. 태양전지판을 펴면 950W 를 낸다. 고도 814km 태양동기궤도를 돌며 27일마다 같은 자리로 돌아오고, 그렇게 모은 자료로 한 달에 한 번 300m × 300m 격자의 전 지구 형광 지도를 만든다. 임무 기간은 시운전 석 달을 빼고 3.5년이다. 위성은 탈레스 알레니아 스페이스가, FLORIS 는 레오나르도가 만들었다.

산소가 햇빛을 삼키는 두 파장 틈에서 반사광은 꺼지고 형광만 남는다. 그 틈을 0.1nm 로 본다.

왜 볼 만한가

우주 위성 영상인데 하늘보다 땅을 더 오래 비춘다. 유럽우주국의 지구탐사 시리즈 여덟 번째 위성이 왜 '광합성' 하나에 3년 반을 쓰는지가 6분 안에 들어 있다. 탄소가 식물과 대기 사이를 어떻게 오가는지, 가뭄이 식생을 얼마나 누르는지 같은 큰 질문이 결국 잎 한 장이 새어 내는 빛에서 출발한다는 걸 보여 준다.

발사 직후라 볼 이유가 하나 더 생겼다. 지금은 발사 초기 운용 단계라 두 위성의 상태를 하나씩 점검하는 중이고, 석 달 시운전을 거쳐야 첫 자료가 나온다. 그때 나올 첫 형광 지도를 읽으려면 이 영상이 준비운동이 된다. 지도의 붉은 점과 어두운 점이 무엇을 뜻하는지, 이 영상을 보고 나면 대충 감이 온다.

위성 영상인데 땅을 더 오래 비춘다. 첫 형광 지도가 나오기 전에 보는 준비운동.

영상에서 볼 만한 곳

잎은 초록으로 보이지만 그 밑에서 붉은 빛을 조금씩 흘리고 있다. 그 빛의 세기가 곧 광합성의 세기다. 이제 그걸 814km 위에서 한 달에 한 번, 지구 전체로 읽는다. 첫 지도는 몇 달 뒤에 나온다. 그 전에 이 6분을 봐 두면 지도가 그림이 아니라 글로 읽힌다.