극지 빙상의 아래에는 두꺼운 얼음에 의한 압력과 마찰열, 지열의 복합적인 영향에 따른 빙상 기저 용융에 의해 빙저수가 생성될 수 있다(Pattyn, 2010). 빙저수는 얼음과 기반암 사이의 마찰력에 영향을 미치기 때문에 빙상 유동의 대표적인 조절 인자 중 하나로 보고된 바있다(Bell, 2008; Engelhardt and Kamb, 1997). 빙저수는 수리 포텐셜(hydraulic potential)이 감소하는 방향으로 흐르는 경향이 있으며, 국지적으로 수리 포텐셜이 낮은 지형에 빙저수가 모여 호수를 형성할 수 있는데 이를 빙저호(subglacial lake)라 한다(Robin et al., 1970; Shreve, 1972). 빙저수의 이동과 빙저호의 충진 및 배수 활동은 빙상 흐름 속도의 변화를 야기할 수 있고(Stearns et al., 2008), 나아가 빙상의 질량 균형에 영향을 미칠 수 있다(Siegfried and Fricker, 2018). 따라서 빙저호 탐지와 활동성 모니터링은 빙상의 역학적 특성을 이해하기 위해 매우 중요하다고 할 수 있다.

1960년대 후반 radio echo sounding (RES) 탐사를 통한 빙저호 조사(Oswald and Robin, 1973; Robin et al., 1970)가 이루어진 이후 현재까지 빙상 시추(Jouzel et al., 1999), 얼음 투과 레이더 탐사(Wright et al., 2012) 및 중자력 탐사(Studinger et al., 2004) 등의 다양한 지구물리탐사를 통해 극지방의 빙저호들이 발견되어 왔고 활동 특성이 분석되었다. 이와 같은 지구물리탐사를 극지 현장에 적용하기에 접근성의 어려움 등으로 인한 많은 제약이 수반된다(Livingstone et al., 2022). 1990년대부터 인공위성 고도계를 통해 빙저호 수위 변화에 따른 빙상 표면의 고도 변화를 관측하여 활성 빙저호를 탐지하는 연구가 활발히 진행되고 있다(Arthur et al., 2024; Liu et al., 2024; Palmer et al., 2015; Siegfried and Fricker, 2018). 위성 고도계는 현장 탐사가 가지는 제약점들을 극복할 수 있으나, 빙상 표면 거칠기가 심한 곳에서 고도 관측의 불확실성이 높아 적은 활동성을 보이는 빙저호의 탐지가 어려울 수 있고(Smith et al., 2009), point 형식의 자료를 취득하므로 빙저호 영역을 정의하고 수위 변화를 추정하기 위해서는 다수의 지상 관측 트랙(ground track)이 요구되어 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

인공위성 영상레이더(synthetic aperture radar, SAR)는 주야 및 기상 조건에 관계없이 지표 관측이 가능하며, 레이더 차분간섭기법(differential interferometric SAR, DInSAR)을 적용하면 높은 정밀도로 지표 변위 공간 정보 획득이 가능하다. 빙저호의 수위 변화는 상부 빙상의 고도 변화를 야기하는데, DInSAR 위상에는 빙상 흐름에 의한 변위 성분과 빙저호 수위 변화에 의한 고도 변화 성분이 혼재한다. 빙상 흐름 속도가 시간에 따라 일정하고 빙저호 수위 변화가 가변적이라면, 시간 기선거리(temporal baseline)가 같은 두 장의 DInSAR 영상을 차분하는 이중차분간섭기법(double DInSAR, DDInSAR)을 통해 빙저호 수위 변화의 시간적 차이에 기인한 변위, 즉 빙상 표면고도 변화의 변화량을 산출할 수 있다. Fatland and Lingle (2002)은 1993~1995년 알래스카 Bering Glacier에 대한 ERS-1/2 tandem 간섭쌍(interferometric pair)에 DDInSAR 기법을 적용하여 기저 지형에서의 빙저수 충진과 배수가 빙하 표면의 융기와 침하를 발생시킴에 따른 ‘bulls eyes’ 패턴의 간섭띠(fringe)를 관측하였다. 이후 인공위성 DDInSAR 기법의 적용을 통해 산출된 간섭도(interferogram)에서 원형 또는 타원형의 폐합된 간섭띠 패턴 분석을 통해 빙저호를 탐지하고 빙저 수문을 분석한 몇몇 연구들이 수행되었다(Kim et al., 2023; Lee et al., 2021; Neckel et al., 2021). 빙상 흐름이 느리거나 빙저호 수위 변화에 따른 고도 변화량이 상대적으로 크게 나타나는 지역에서는 DInSAR 영상 분석만으로 빙저호를 탐지한 사례도 보고되고 있다(Gray et al., 2005; Moon et al., 2022). 인공위성 영상레이더 간섭기법은 빙저호 모니터링에 사용된 기존의 전통적인 지구물리탐사 및 고도계 관측에 비해 높은 시공간 해상도와 정밀도로 빙저호 영역을 탐지하고 빙저 수문 환경을 분석할 수 있는 기회를 제공하므로, 그 활용성이 매우 높다고 할 수 있다.

남극 최대 규모의 빙저호로 알려진 동남극의 Vostok 빙저호는 빙상의 흐름 방향이 달라지는 고위도 내륙 지역의 ice divide에 위치하며, 주변에는 수위 변화가 거의 없는 소규모 빙저호들이 RES를 통해 다수 발견되었고 Ice, Cloud and land Elevation Satellite (ICESat) 고도계 관측을 통해 1개의 활성 빙저호(Vostok₁)가 보고된 바 있다(Fig. 1). Vostok 빙저호 주변 기저는 분지 지형으로 이루어진 곳이 많아 아직 발견되지 않은 빙저호가 존재할 가능성이 높은 편이다. 이 지역에서 빙저호들이 충진 및 배수 활동을 하는 경우 Vostok 빙저호의 수위 변화와 상호작용하여 ice divide에서의 빙상 역학에 영향을 미칠 수 있다. 또한 빙저호에서 배수된 물은 빙저 수로를 따라 지반선까지 이동하며 광범위한 영역에서 빙상의 유동과 질량균형에 영향을 미칠 가능성이 있으므로, 이 지역의 활성 빙저호를 탐지하고 수위 변화를 파악할 필요가 있다.

Figure 1. Overview of study area. (a) Bed elevation around the Vostok subglacial lake, corresponding to the boxed area in the upper left map, sourced from BedMachine Antarctica Version 3. The black and orange-dotted rectangles represent the coverage of Advanced Land Observing Satellite-2 (ALOS-2) Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar (PALSAR-2) Scanning SAR (ScanSAR) images used in this study and the region of interest, respectively. The violet-dotted, red-filled, and blue polygons indicate the Vostok subglacial lake (Studinger et al., 2003), subglacial lakes detected by radio echo sounding (RES) (Wright and Siegert, 2012), and Ice, Cloud and land Elevation Satellite (ICESat) altimetry (Smith et al., 2009), respectively. (b) Ice flow velocity for the same area as in (a). The black lines in the upper left image of (a) represent the ice divide (Rignot et al., 2011).

Vostok 빙저호 부근과 같이 고위도의 남극 내륙 지역에서 빙저호를 탐지하고 활동성을 분석하는 것은 매우 중요하지만, 지리적 및 환경적으로 현장조사를 위한 접근성이 좋지 않고 활용 가능한 위성 SAR 영상 또한 충분하지 않았기 때문에 활발한 연구가 수행되지 못했다. Advanced Land Observing Satellite-2 (ALOS-2) 위성의 Phased Array type L-band SAR-2 (PALSAR-2)는 Scanning SAR (ScanSAR) 모드에서 left-looking 이미징을 통해 남극 내륙 고위도 지역의 관측이 가능하다. 남극 내륙 지역에 대한 ALOS-2 ScanSAR 모드 영상의 획득 주기는 일정하지는 않으나, 간섭기법 적용이 가능하도록 획득되고 있어 Vostok 빙저호 주변의 활성 빙저호 탐지 및 새로운 빙저호의 발견에 활용될 수 있다.

이 연구에서는 동남극 Vostok 빙저호 주변 지역에 대한 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 영상에 DInSAR 및 DDInSAR 기법을 적용하여 활성 빙저호 영역을 탐지하고자 하였다. 빙저호 수위 변화에 따른 빙상의 표면고도 변화에 기인하는 것으로 추정되는 간섭 위상 신호를 관측하고, 실제 빙상의 고도 변화에 기인한 간섭 위상인지 파악하기 위해 ICESat-2 위성의 시계열 빙상 표면고도 관측 자료를 분석하였다. 그리고 빙저 배수망을 산출하여 연구 지역의 빙저수 이동 특성을 해석하고자 하였다.

2.1. 연구 지역

동남극 내륙의 ice divide 지역에 위치한 Vostok 빙저호는 세계에서 가장 규모가 크고 수심이 깊은 빙저호로, 남북 방향으로 약 250 km, 동서 방향으로 40–80 km의 크기를 가지며 3.7–4.3 km 두께의 빙상 하부에 존재한다(Kapitsa et al., 1996; Siegert et al., 2011). 현재까지 Vostok 빙저호 주변 영역에서 RES 및 ICESat 고도계를 통해 다수의 빙저호가 탐지되었는데(Fig. 1a), 이 지역에는 국지적인 분지 지형으로 이루어진 곳이 많고 동남극의 지열(약 50 mW/m²)은 빙상의 기저를 녹이기에 충분하기에(Wright and Siegert, 2012) 미탐지된 빙저호가 다수 존재할 가능성이 높다. Vostok 빙저호 주변의 빙상 흐름 속도는 1–5 m/yr (Fig. 1b)로 매우 느리기 때문에 시간 기선거리가 긴 DInSAR 영상에서 높은 긴밀도를 유지하며 장기간의 변위를 관측할 수 있고, 수위 변화가 느린 빙저호의 활동에 따른 변위 탐지가 가능할 수 있다. 빙저호의 수위 변화에 따른 변위가 빙상의 흐름에 의한 변위에 비해 작다면 DInSAR 영상에서 빙저호 활동에 의한 변위 분석이 어려울 수 있는데, 이러한 경우 DDInSAR 수행을 통해 빙저호의 탐지를 기대할 수 있다.

2.2. 연구 자료

2.2.1. ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 영상

ALOS-2 위성은 일본 우주항공연구개발기구가 2014년 5월에 발사해 운용 중인 지구 관측 위성이다. 이 위성은 중심주파수 1.2 GHz (파장 길이: 23 cm)의 마이크로파를 사용하는 L-band SAR인 PALSAR-2를 탑재하고 있으며 재방문 주기는 14일이다. PALSAR-2는 양방향 관측(right- and left-looking)이 가능해 남극 내륙 빙권 연구에도 유용하게 활용되고 있다(Abe et al., 2018; Nakamura et al., 2022). ALOS-2 PALSAR-2는 Spotlight, Stripmap, ScanSAR 이미징 모드 등 다양한 영상 획득 모드에서 single-polarization (HH, HV, VV), dual-polarization (HH+HV, VV+VH), quad-polarization (HH+HV+VH+VV), compact-polarization(experimental mode) 영상 취득이 가능하다(Okada et al., 2013). ALOS-2 PALSAR-2는 350 km의 관측 폭을 가지는 ScanSAR 모드에서 left-looking 이미징을 적용하여 남극의 고위도 지역을 광범위하게 관측해 왔다. 14일 주기는 아니지만 수십 일에서 수백 일의 시간 기선거리를 가지는 간섭쌍 획득이 이루어지고 있으며, 이는 Vostok 빙저호 주변 지역과 같이 빙상 유동이 느린 남극 내륙 지역의 표면변위 관측에 유용하게 활용될 수 있다.

이 연구에서는 Vosok 빙저호 부근에 대해 2019년 9월부터 2021년 2월 사이에 ALOS-2 위성의 상향 궤도에서 획득된 4장의 PALSAR-2 ScanSAR 영상을 구축하였고, 이로부터 2개의 DInSAR 영상을 제작하여 빙저호 탐지에 사용하였다(Table 1). 모든 영상은 ScanSAR Nominal 14 MHz 모드(관측폭 350 km, 공간해상도 100 m)에서 HH와 HV의 dual-polarization으로 획득된 것으로, 이 연구에서는 single look complex (SLC) 포맷으로 구축한 HH 편파 영상을 사용하였다. ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 영상은 5개의 sub-swath로 구성되어 있는데, Vostok 빙저호 부근을 조사하기 위해 구축된 영상에서 빙저호와 인접한 5번째 sub-swath 영역만을 연구에 활용하였다(Fig. 1a의 주황색 사각형).

Table 1 . ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR interferometric pairs used in this study.

InSAR pair No.	Date (YYYY.MM.DD)	Incidence angle (°)	Temporal baseline (days)	Perpendicular baseline (m)	Height ambiguity (m)
1	2019.09.27 2020.02.14	47.4	140	–331.91	–234.78
2	2020.09.25 2021.02.12	47.4	140	–63.97	–1257.12

2.2.2. ICESat-2 고도계 자료

ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 영상의 DInSAR 또는 DDInSAR에서 빙저호의 수위 변화에 의한 빙상 표면고도 변화가 관측될 경우, 이는 폐합된 간섭띠 패턴으로 나타날 수 있으며 간섭띠 영역 내에서의 고도 변화를 분석함으로써 빙저호의 존재 여부를 파악할 수 있다. 이 연구에서는 2019년 1월부터 2023년 12월까지의 ICESat-2 ATL06 Land Ice Height 자료(Level-3A)를 구축하여 빙상 표면고도 변화를 분석하는 데 활용하였다(Table 2). ICESat-2는 미국항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)이 2018년 9월에 발사한 ICESat의 후속 위성으로, 532 nm 파장의 녹색 레이저를 송수신하는 레이저 고도계인 Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS)을 탑재하고 있으며, ±88°의 위도 범위 내에서 91일의 재방문 주기로 데이터를 수집한다(Markus et al., 2017). ICESat-2 ATLAS는 3개의 지상 트랙(gt1, gt2, gt3)에서 고도를 관측하는데, 각각의 트랙에서는 2쌍의 레이저 빔(gt1l, gt1r, gt2l, gt2r, gt3l, gt3r)을 송수신하여 고도를 관측한다. 각 지상 트랙 사이의 간격은 3.3 km이고, 하나의 지상 트랙에서 쌍을 이루는 빔 사이의 간격은 90 m, 고도 관측 footprint는 17 m이다. Global Navigation Satellite System 관측 자료와의 비교를 통해 남극 빙상에서 ICESat-2 ATL06 자료의 고도 관측 정확도는 0.03 m, 정밀도는 0.09 m 수준으로 보고되었다(Brunt et al., 2019). ATL06 자료는 레이저 기반 고도 관측의 신호 대 잡음비와 신뢰도, 오차 등을 종합적으로 평가하여 관측 고도의 품질 정보(atl06_qual_summary)를 제공하는데(Smith et al., 2019), 이 연구에서는 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR DInSAR 및 DDInSAR 영상에서 추정된 빙저호 영역을 가로지르는 ATL06 Level-3 자료 중 고도 관측 품질에 문제가 없는 데이터(atl06_qual_summary==0)만을 사용하였다.

Table 2 . ICESat-2 ATL06 products used in this study.

Orbit	Track number	Observation period (YYYY.MM.DD–YYYY.MM.DD)	Beam	Number of observation dates
Ascending	57	2019.01.01–2023.09.22	gt2r	18
	118	2019.04.06–2023.12.26	gt2r, gt3r	19
	560	2019.02.03–2023.10.25	gt2r, gt3r	18
	1002	2019.06.02–2023.11.23	gt2r, gt3r	17
	1063	2019.06.06–2023.11.27	gt2r, gt3r	18
Descending	3	2019.03.29–2023.09.19	gt1l, gt2l	18
	64	2019.04.02–2023.12.23	gt1l, gt2l	18
	384	2019.04.23–2023.10.14	gt2l	18
	445	2019.04.27–2023.10.18	gt1l, gt2l	15
	506	2019.05.01–2023.10.22	gt1l, gt2l	18
	887	2019.05.26–2023.11.16	gt2l	16
	948	2019.05.30–2023.11.20	gt1l, gt2l	18
	1329	2019.06.24–2023.09.15	gt1l, gt2l	17

2.2.3. GLO-30 DEM 및 BedMachine Antarctica

유럽연합의 Copernicus 프로그램에서는 2011년부터 2015년까지 TanDEM-X 위성의 X-band 레이더 간섭영상 기반으로 제작된 전 지구 수치 고도 모델(digital elevation model, DEM)을 제공하고 있다. 이 연구에서는 30 m 공간 해상도의 Copernicus Global Land Surface DEM (GLO-30 DEM)을 사용하여 PALSAR-2 영상의 정합 및 지형 고도에 의한 간섭 위상 제거에 활용하였다. 또한 빙상 하부의 배수망 추정에 활용되는 수리 포텐셜을 계산하기 위해 BedMachine Antarctica Version 3 데이터(Morlighem et al., 2017)를 사용하였다. 이 자료는 NASA의 Making Earth System Data Records for Use in Research Environments 프로그램의 일환으로 개발된 남극 측지 모델이며, 빙상 표면 고도와 기저 고도, 얼음 두께 등의 정보를 500 m의 공간 해상도로 제공한다.

이 연구에서는 2개의 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 간섭쌍(Table 1)을 활용하여 DInSAR 및 DDInSAR를 수행하고, 간섭도에서 관찰되는 위상의 해석을 통해 빙저호의 수위 변화에 기인하는 변위로 추정할 수 있는 영역을 탐지하였다. 그리고 ICESat-2 ATL06 시계열 고도 자료를 이용하여 빙저호의 존재 여부를 확인하고 활동성을 분석하였으며, 빙저 배수망 도출을 통해 빙저수의 이동 특성을 추정하였다. Fig. 2는 연구의 흐름을 나타내며, 연구방법에 대한 자세한 내용은 아래에 기술하였다.

Figure 2. An overall flowchart of this study.

3.1. DInSAR 및 DDInSAR 영상 생성

140일의 시간 기선거리를 가지는 2개의 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 간섭도를 생성하고, WGS84 지구타원체 모델과 위성 궤도 정보에 기반하여 간섭도에 포함된 지구 곡률에 의한 위상을 제거하였다. 그리고 GLO-30 DEM을 사용하여 지형에 의한 위상을 제거한 후 차분 간섭도(differential interferogram)를 생성하였다. 차분 간섭도의 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 Goldstein phase filtering (Goldstein and Werner, 1998)을 적용하였으며, Minimum Cost Flow (MCF) algorithm (Costantini, 1998)을 이용하여 절대위상복원(phase unwrapping)을 수행하였다.

수위 변화가 있는 빙저호 영역에서 차분 간섭 위상은 빙상 흐름에 의한 변위 성분과 빙저호 수위 변화에 의한 수직 방향의 고도 변화 성분을 모두 포함한다. 빙상 유동의 시간에 따른 변화가 거의 없고 빙저호 수위의 변화가 가변적일 경우, 두 DInSAR 영상을 차분하는 DDInSAR를 통해 빙상 흐름의 영향을 줄이고 빙상 표면고도 변화의 시간적 변동성을 중점적으로 파악할 수 있다. 이 연구에서는 140일의 시간 기선거리를 가지는 두 장의 DInSAR 영상을 차분하여 DDInSAR 영상을 생성하였다. 그리고 DInSAR 및 DDInSAR 간섭띠 패턴을 분석하여 활성 빙저호로 추정할 수 있는 영역을 파악하였다.

3.2. ICESat-2를 활용한 빙상 표면 고도 변화 관측

ALOS-2 DInSAR 및 DDInSAR 영상에서 빙저호로 추정되는 영역과 그 주변 지역에 대한 ICESat-2 ATL06 자료를 구축하여 빙상 표면 고도 변화율을 분석하였다. ICESat-2 고도 관측 값들은 동일한 지상 트랙에서 획득되었더라도 날짜에 따라 관측 값의 위치에 최대 30 m의 차이가 있었다. 이에 각각의 지상 트랙마다 첫번째 날짜의 고도 관측 값 위치에 나머지 날짜의 고도 관측 값을 거리에 따라 선형보간하여 모든 관측 날짜에서 고도 값들이 동일한 위치를 가지도록 하였다. 빙상 표면고도 변화율은 서로 다른 날짜에 관측된 두 고도 관측 값의 차이를 시간 간격으로 나누는 방식으로 구할 수 있다. 시계열 고도 관측의 경우 위와 같은 방식으로 산출된 고도 변화율을 평균하여 평균 고도 변화율을 산정할 수 있는데, 단기간의 고도 관측 값들로 고도 변화율을 구하여 산술평균 할 경우 cm 수준의 ICESat-2 ATL06 고도 정밀도로 인해 신뢰도 있는 분석이 어렵다. 이 연구에서는 시계열 고도 관측 값들 사이의 날짜 차이를 가중치(시간 차이가 길 경우 높은 가중치)로 설정하여 고도 변화율의 가중 평균과 표준편차를 계산하였다. 또한 빙저호 추정 영역 내부에서 빙상 표면고도의 상대적 변화량을 추가로 분석하였고, 이를 통해 빙저호 활동성을 해석하였다.

3.3. 빙저 배수망 추정

빙상 아래 기저에서 물의 수압(water pressure)이 상부 얼음의 과부하 압력(ice overburden pressure)과 같다면 기저의 빙저수는 수리 포텐셜이 감소하는 방향으로 흘러가려는 경향이 있다(Bell, 2008; Smith et al., 2017). 따라서 빙상 기저에서 수리 포텐셜을 구하면 빙저 배수망의 추정이 가능하다. 빙상 기저에서 압력 단위의 수리 포텐셜(ø′)은 식(1)을 통해 계산되며, 이는 식(2)에 의해 높이 단위의 수리 포텐셜(ø)로 변환될 수 있다(Shreve, 1972; Smith et al., 2017).

ρ_i (917 kg/m³)와 ρ_w (1000 kg/m³)는 얼음과 물의 밀도, g는 중력 가속도(9.8 m/s²), Z_s와 Z_b는 빙상의 표면 고도와 기저 고도를 의미한다.

이 연구에서는 BedMachine Antarctica Version 3의 빙상 표면 및 기저 고도를 활용하여 연구 지역 기저의 수리 포텐셜을 계산하였다. 수리 포텐셜에서 산출될 수 있는 빙저수 이동 경로는 분지 지형에서 불연속이 야기될 수 있다. 그러나 빙저수는 분지 지형이 존재하더라도 압력이 낮거나 분지 지형이 소규모일 경우 통과하여 이동할 수 있다(Smith et al., 2017). 이에 따라 연구 지역 전체에 걸쳐 빙저수 이동 경로를 추정하기 위해 빙저 지형에서 수리 포텐셜의 국부적 저지대를 채우는 작업을 수행하였다. 그리고 수압의 최대 감소 방향으로 물이 흐르는 경로를 추정할 수 있는 D8 routing algorithm을 수리 포텐셜에 적용하여 빙저 배수망을 산출하였다(O’Callaghan and Mark, 1984; Liu et al., 2024; Smith et al., 2017).

4.1. ALOS-2 간섭기법 기반 빙저호 추정 영역 탐지

ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 영상에 DInSAR를 적용한 결과, 매우 높은 긴밀도(coherence)로 빙상 표면변위를 관측할 수 있었으며, 관측된 변위의 정밀도와 신뢰도가 높다고 평가할 수 있다(Fig. 3). 140일의 시간 기선거리를 가지는 두 개의 DInSAR 영상에서 간섭띠 패턴은 다소 상이하게 나타났다(Figs. 3a, b). 이는 DInSAR 영상에 포함된 140일 동안의 빙상 유동에 차이가 있을 수 있으며, 대기 및 GLO-30 DEM의 부정확성에 의한 위상 오차에 기인할 수도 있다. Smith et al. (2009)이 ICESat으로 탐지한 Vostok₁ 빙저호의 위치(Fig. 3의 파란색원)에서는 빙저호 수위 변화에 의한 빙상 표면고도 변화로 추정할 만한 변위가 관측되지 않았다. 2020년 9월 25일과 2021년 2월 12일의 영상으로 제작한 DInSAR 영상에서는 Vostok 빙저호 부근에서 원형의 폐합된 간섭띠 패턴이 발견되었다(Fig. 3b). 이 간섭띠 패턴은 빙상의 유동이나 위상 오차로 설명되기 어려우며, 빙저호의 수위 변화에 따른 빙상 표면고도의 변화를 나타낼 가능성이 매우 높다. 이와 같은 간섭띠 패턴은 2019년 9월 27일과 2020년 2월 14일의 ScanSAR 영상으로 생성한 차분간섭도에서는 관측되지 않았다(Fig. 3a).

Figure 3. Differential interferograms generated from ALOS-2 ScanSAR images on (a) September 27, 2019, and February 14, 2020; and (b) September 25, 2020, and February 12, 2021. (c) Enlarged image of the area within the black rectangle in (b). (d, e) Interferometric coherence images correspond to (a) and (b), respectively. The yellow (a, b, c) and violet (d, e) dotted lines represent the boundary of the Vostok subglacial lake. Red-filled polygons indicate subglacial lakes detected by RES.

두 개의 DInSAR 영상(Figs. 3a, b)을 차분하여 생성한 DDInSAR 영상은 Fig. 4(a)와 같다. DDInSAR 영상 전체에 걸쳐 위상의 공간적 변화가 관측되는데, 이는 시간에 따른 빙상 유동의 차이와 DInSAR 간섭 위상의 오차에 기인할 수 있다. 그러나 DDInSAR 영상에서는 두 DInSAR 영상에 포함된 빙상 유동에 의한 변위가 일부 상쇄되면서 Fig. 3(b)에서 발견된 원형의 폐합된 간섭띠 패턴이 더 뚜렷하게 관측되었다(Fig. 4b). 이 원형 간섭띠(중심 위치 77.71°S, 107.18°E)의 직경은 5.6 km이며 간섭띠 내부의 면적은 22.5 km²이다. Fig. 4(c)는 Fig. 4(b)의 DDInSAR 간섭 위상으로부터 수직 방향의 변위를 산출한 것이다. 원형의 폐합된 간섭띠 영역 중심부는 간섭띠 외부 지역에 비해 약 14 cm가 작은 수직 방향 변위를 보이는데, 만약 이 변위가 빙저호 활동에 기인하는 것이라면 두 DInSAR 관측에 포함된 빙상 표면고도 변화의 차이로 설명될 수 있으며 이는 고도계 관측 자료를 이용하여 검증할 수 있다. Vostok₁ 빙저호 영역에서는 DDInSAR 영상에서 빙저호 활동에 따른 빙상 고도변화 신호가 감지되지 않았다.

Figure 4. Double differential InSAR-derived interferogram and displacement around Vostok subglacial lake. (a) Double differential interferogram generated from the differential interferograms shown in Figs. 3(a, b). (b) Enlarged image of the area within the black rectangle in (a). (c) Vertical displacement is derived from the double differential interferogram for the same area as in (b). The yellow-dotted line represents the boundary of the Vostok subglacial lake. Red-filled polygons indicate subglacial lakes detected by RES.

4.2. 시계열 빙상 표면고도 분석을 통한 빙저호 추정 영역 검증

Vostok₁ 빙저호 및 ALOS-2 DInSAR와 DDInSAR 영상에서 빙저호로 추정된 영역과 그 주변 지역에 대해 2019–2023년의 ICESat-2 자료를 활용하여 산출한 빙상 표면고도의 평균 변화율과 표준편차, GLO-30 DEM기반 빙상 표면고도를 Fig. 5에 나타냈다. 고도 변화율이 양수일 경우 빙상 표면고도 상승을, 음수일 경우 하강을 의미한다. Vostok₁ 빙저호 영역 내부의 고도 변화율은 0.3–1.9 cm/yr로 주변 지역과 거의 차이가 없었다(Fig. 5a). 이는 ICESat-2 관측 기간 동안 이 지역에 적설의 영향으로 전체적인 빙상 표면고도 상승이 있었고, 빙저호의 수위 변화는 거의 없었음을 지시한다. 빙저호 영역 내외부에서 고도 변화율의 표준편차는 대부분 3 cm/yr 이하로 시간에 따른 고도 변화가 작았음을 알 수 있다(Fig. 5b). 그러나 빙저호 동쪽의 일부 지역에서 5 cm/yr 이상의 큰 표준편차가 산출되었다. 이는 빙상 표면에서 강한 바람에 의한 침식으로 인해 형성된 물결 모양의 특징을 가지며 표면이 거친 지형인 사스트루기(sastrugi)가 빙상 유동에 의해 이동함에 따른 결과로 추정된다(Fig. 5c).

Figure 5. Weighted average and standard deviation of the elevation change rate and surface elevation around (a, b, c) Vostok₁ subglacial lake, and (d, e, f) a circular-shaped fringe pattern observed in the ALOS-2 ScanSAR double differential interferogram. The black point in (a) and (d) indicates the location of the ICESat-2 derived time series surface elevation analyzed in Fig. 6. The violet-dotted line represents the boundary of the Vostok subglacial lake. Red-filled polygons indicate subglacial lakes detected by RES.

ALOS-2 DInSAR 및 DDInSAR 영상에서 빙저호로 추정된 영역의 내부에서는 –3.4 cm/yr 부터 –1.2 cm/yr의 고도 변화율이 산출되었으나, 외부에서는 대부분 3 cm/yr의 양의 고도 변화율이 산출되었다(Fig. 5d). 이는 적설 등에 의한 전반적인 빙상 표면고도 상승에도 불구하고 빙저호 추정 영역 내에서만 표면고도가 하강했음을 의미한다. 빙저호 추정 영역 외부의 동쪽 지역에서는 고도 변화율이 –8.5 cm/yr부터 9.6 cm/yr까지 다양하게 계산되었고, 표준편차 또한 ~7 cm/yr로 크게 나타났다(Figs. 5d, e). 표준편차가 클수록 고도 변화의 시간적 변동성이 크다는 것을 의미하는데, 해당 영역에서 평균 고도 변화율의 공간적 변화와 표준편차가 크게 나타난 것은 sastrugi의 이동에 따른 결과로 추정된다(Fig. 5f).

Vostok₁ 빙저호 및 ALOS-2 간섭영상 관측에서 빙저호로 추정된 영역의 중심부와 가장 가까운 지점(Fig. 5a 및 5d의 검은색 원)의 ICESat-2 기반 빙상 표면고도 변화량은 Fig. 6과 같다. ICESat-2 관측 기간동안 Vostok₁ 빙저호 상부 빙상의 표면고도는 1년 이상의 장기간 동안 ±15 cm 수준의 변화량을 보였다. 연구에 분석된 두 개의 ALOS-2 DInSAR 관측 동안에는 빙상 표면고도가 일정하게 유지된 것을 확인할 수 있으며(Fig. 6a), 이로 인해 Fig. 3의 DInSAR 영상에서 빙저호 활동에 의한 변위가 관측되지 않은 것으로 판단되었다. ALOS-2 DInSAR 및 DDInSAR 영상에서 빙저호로 추정된 영역의 상부 빙상 표면고도는 2019년 9월부터 2020년 2월 사이에 변화량이 1 cm에 불과하였으나, 2020년 9월부터 2021년 2월 사이에는 10 cm의 변화가 발생하였다. DDInSAR 영상에 상응하는 두 고도 변화의 차분값은 –9 cm로, 해당 고도 관측 지점에서 도출한 DDInSAR 기반 수직 변위인 –13.6 cm(Fig. 4c)와 비교하여 4.6 cm의 작은 차이를 가진다. 이를 통해 ALOS-2 DInSAR 및 DDInSAR 영상에서 관측된 원형의 폐합된 간섭띠 패턴은 빙상의 표면고도 변화, 즉 빙저호의 활동에 따른 결과임을 판단할 수 있다. 두 관측 사이의 차이(4.6 cm)는 SAR와 고도계 관측 사이의 날짜 차이 및 DInSAR와 고도계 관측의 부정확성의 영향인 것으로 추정된다.

Figure 6. Ice sheet surface elevation change at a location in (a) the region of Vostok₁ subglacial lake (a black point marked in Fig. 5a) and (b) the circular-shaped fringe pattern observed in the ALOS-2 ScanSAR double differential interferogram (a black point marked in Fig. 5d). The blue vertical bars indicate the dates of ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR image acquisition and the black vertical bar represents the time of change in the ice sheet surface elevation trend, June 2021.

이 연구에서는 ALOS-2 간섭영상 분석을 통해 발견된 빙저호를 Vostok₂ 빙저호로 명명하였다. Vostok₂ 빙저호 상부의 빙상 표면고도는 2019년 4월부터 2021년 6월까지 17 cm 하강하였으며, 이후 표면고도는 뚜렷한 변화 경향을 보이지 않았다. Figs. 5, 6을 통해 Vostok₁ 및 Vostok₂ 빙저호는 모두 장기간 느린 수위 변화를 보이며, Vostok₂ 빙저호는 2021년 6월 이전에 약 2년에 걸쳐 지속적으로 빙저수를 배출하였음을 추정할 수 있다. 2021년 6월을 전후하여 Vostok₂ 빙저호 상부 빙상 표면고도의 변화 추세가 달라지는 것이 Fig. 6(b)를 통해 확인되었다.

Fig. 7은 2019년 4월부터 2021년 6월, 2021년 6월부터 2023년 12월까지 Vostok₂ 빙저호 상부 빙상 표면고도 변화율의 가중 평균과 표준편차를 나타낸다. Vostok₂ 빙저호 상부 빙상의 표면고도는 2021년 6월 이전에 2년 2개월간 약 3 cm/yr의 속도로 침하하였고, 고도 변화율의 표준편차가 4 cm/yr 이하로 작은 것을 고려하면 빙저호의 배수 활동이 비교적 일정한 속도로 지속되었음을 알 수 있다(Figs. 7a, b). 빙저호 외부에서 고도 변화율의 공간적 변화가 큰 지역은 sastrugi가 광범위하게 분포하는 지역과 일치하며, 빙상 유동에 따른 sastrugi의 이동에 의해 공간적으로 고도 변화율이 상이하게 도출된 것으로 추정할 수 있다. Sastrugi의 이동에 의한 영향에도 불구하고 2019년 4월부터 2021년 6월 사이에 Vostok₂ 빙저호 영역에서 빙상 표면고도 하강이 뚜렷하게 관측된 것은 빙저호 영역에서의 빙상 표면고도 하강 속도보다 실제 빙저호의 수위 하강 속도가 더 빨랐을 수 있음을 지시한다. 2021년 6월 이후에는 sastrugi가 광범위하게 분포하는 지역에서 굴곡진 표면 지형의 이동으로 인해 –9.5–9.8 cm/yr 사이의 다양한 표면고도 평균 변화율(표준편차 ~9 cm/yr)이 산출되었다(Figs. 7c, d). 반면 sastrugi가 거의 관측되지 않는 빙저호의 서쪽 외곽 지역은 3 cm/yr 내외의 속도(표준편차 ~3 cm/yr)로 빙상 표면고도가 상승하였고, 이는 적설에 의한 영향으로 추정된다.

Figure 7. Weighted average and standard deviation of elevation change rate around Vostok₂ subglacial lake between (a, b) April 2019 and June 2021 and (c, d) June 2021 and December 2023. The violet-dotted line represents the boundary of the Vostok subglacial lake. Red-filled polygons indicate subglacial lakes detected by RES.

4.3. 수리 포텐셜로 추정된 빙저수 배수망

Fig. 8은 연구 지역의 수리 포텐셜에 빙저 배수망(검은색 선)을 도시한 것으로, 다량의 물을 운반할 수 있는 주요 배수망을 나타내기 위해 12.5 km² 이상의 유하면적(flow area)을 가지는 수로만을 도시하였다. Vostok 빙저호 영역 내에서 대각선으로 도시되는 배수망이 다수 나타나는데, 이는 해당 지역에서 BedMachine 자료가 가지는 부정확성에 기인한다. 기존에 알려진 Vostok₁ 빙저호와 이 연구에서 발견된 Vostok₂ 빙저호 사이의 직접적인 빙저 수로 연결성은 식별되지 않았다. 두 빙저호로 다량의 물을 유입시킬 수 있는 수로는 파악되지 않았으며, 빙저에서의 높은 압력과 마찰열, 지열 등에 의한 빙상 기저 용융이 빙저호의 충진에 지배적인 영향을 줄 것으로 추정된다.

Figure 8. Subglacial water paths (black lines) overlaid on the hydraulic potential map of the region of interest. The violet-dotted line represents the boundary of the Vostok subglacial lake. Red-filled polygons indicate subglacial lakes detected by RES.

수리 포텐셜로 분석된 배수망에 따르면 두 빙저호에서 배출된 빙저수는 모두 Vostok 빙저호로 유입된다. 2021년 6월 이전에 약 2년 동안 Vostok₂ 빙저호에서 배출된 물은 Vostok 빙저호에 유입되었을 수 있지만, Vostok 빙저호의 규모가 매우 크기 때문에 수위 상승 효과를 유발시켰을 가능성은 크지 않다. 그러나 Vostok 빙저호와 배수망이 연결된 다수의 빙저호들이 존재하며, 이들의 복합적인 충진-배수 활동은 Vostok 빙저호의 활동성에 영향을 미칠 수 있다. Vostok 빙저호 주변의 다른 활성 빙저호들을 추가로 탐지하고 빙저호의 수위 변화와 수문 네트워크를 분석한다면 탐지된 빙저호 뿐만 아니라 Vostok 빙저호의 활동 메커니즘에 대한 이해도 향상될 것이라 기대한다.

동남극 Vostok 빙저호 주변의 활성 빙저호 탐지를 위해 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 영상에 DInSAR 및 DDInSAR 기법을 적용하였으며, 이를 통해 빙저호의 존재가 보고되지 않은 곳에서 폐합된 원형의 간섭띠 패턴을 식별하였다. 원형의 간섭띠 패턴이 빙저호 수위 변화에 기인한 빙상 표면고도의 변화를 지시하는지 파악하기 위해 ICESat-2 시계열 고도 관측자료를 분석하였고, 간섭띠 영역 내부의 빙상 표면고도는 주변 영역과 구분되는 변화를 보인다는 것을 확인하였다. 또한 ALOS-2 DDInSAR로 산출된 간섭띠 영역 내부의 수직 변위는 DDInSAR에 상응하는 ICESat-2 관측 기반 빙상 표면고도 변화의 시간적 차이와 높은 상관성을 보였다. 이를 통해 ALOS-2 DInSAR 및 DDInSAR 영상에서 탐지된 원형의 폐합된 간섭띠 패턴이 빙저호의 수위 변화와 수위 변화의 시간적 차이를 지시하는 것임을 확인하였고, 탐지된 빙저호를 Vostok₂ 빙저호로 명명하였다.

Vostok₂ 빙저호의 상부 빙상 표면고도는 2019년 4월부터 2021년 6월까지 하강하였으며, 이 기간 동안 빙저호의 배수 활동이 있었음을 추정할 수 있었다. 2021년 6월부터 2023년 12월까지 Vostok₂ 빙저호 상부의 빙상 표면고도는 뚜렷한 변화 추세를 보이지 않았으며, 빙저호의 수위가 안정적으로 유지된 것으로 추정되었다. 기보고된 Vostok₁ 빙저호 영역에서는 ALOS-2 DInSAR 및 DDInSAR 영상에서 빙상 고도 변화로 간주할 만한 변위가 관측되지 않았으나 ICESat-2 관측으로부터 연간 1 cm 내외의 고도 변화가 있었음이 파악되었다. 그러나 두 빙저호 모두 장기적으로 수위 변동이 크지 않은 것으로 판단되었다. 빙저 배수망 추정을 통해 Vostok₁과 Vostok₂ 빙저호는 빙상의 기저 용융으로 충진될 가능성이 높으며, 배수된 물은 Vostok 빙저호로 유입될 수 있음이 파악되었다. 이 연구를 통해 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 간섭기법이 남극 내륙 고위도 지역에서 느린 수위 변화를 보이는 빙저호를 탐지하는 데 효과적으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

SAR 간섭쌍이 획득되는 동안 수위의 변화가 없는 빙저호는 빙상의 유동이 매우 작더라도 DInSAR에서 탐지되기 어려우며, 수위 변화가 일정한 빙저호는 DDInSAR에서 탐지되기 어렵다. 향후 연구에서는 Vostok 빙저호 부근을 포함하는 고위도 남극 내륙 지역에 대해 다시기 및 시계열 인공위성 SAR 간섭쌍을 구축하고, 대기에 의한 위상지연 효과 보정 등을 통해 정밀한 변위를 산출하여 새로운 빙저호들을 발견하고 그 활동성을 모니터링 하고자 한다. 이를 통해 남극 내륙의 빙저 수문 시스템에 대한 이해도 향상에 기여하고자 한다.

이 연구는 한국해양과학기술원 부설 극지연구소(PE24070)와 행정안전부의 지진방재분야 전문인력양성사업, 2024년 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단(No.2019R1A6A1A03033167)의 지원을 받았으며, 이에 감사드립니다.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.