극좌표 변동 170년 연속 관측 시계열 분석: 새로운 위상 점프와 80년 주기 발견

우리의 연구에서는 국제지구자전 및 기준시계(IERS)에서 제공하는 기존의 극운동 시계열을 1840년까지 역으로 연장하였다. 이를 위해 19세기 중반부터 현재에 이르기까지 전 세계 여러 관측소에서 수집된 위도 변동 기록을 체계적으로 정리하고, 현대의 고정밀 관측 자료와 일관되게 연결할 수 있는 보정 절차를 적용하였다. 이렇게 확장된 1840년부터의 장기 시계열을 바탕으로, 우리는 1년 주기의 계절적 변동부터 수십 년에 이르는 장주기 변동까지 다양한 시간 척도에서 나타나는 추세와 (준)조화 진동을 정밀하게 탐색하였다.

주요 분석 도구로는 특이 스펙트럼 분석(Singular Spectrum Analysis, 이하 SSA)을 활용하였다. SSA는 시계열을 고유 모드로 분해하여 잡음과 신호를 구분하고, 장기 추세·주기성·비주기적 변동을 동시에 추출할 수 있는 강력한 비선형 방법이다. 본 연구에서는 SSA를 적용하여 극운동 시계열의 주요 구성 요소를 식별하고, 각각의 구성 요소가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 정량적으로 평가하였다. 특히, SSA를 통해 장기적인 추세와 함께 80년 주기의 반복적인 변동 패턴이 뚜렷하게 드러났으며, 이는 이전 연구에서 보고된 바 없는 새로운 주기성으로서 학계의 큰 관심을 끈다.

SSA 외에도 특정 현상을 보다 세밀히 검증하기 위해 고전적인 푸리에 변환(Fourier Transform), 웨이브릿 변환(Wavelet Transform), 그리고 회귀 기반의 비선형 모델링 등 다양한 보조적 방법들을 병행하였다. 이러한 다중 방법론적 접근은 각각의 방법이 갖는 고유한 장점과 한계를 상호 보완함으로써, 분석 결과의 신뢰성을 높이고 독립적인 검증 절차를 제공한다. 예를 들어, 푸리에 변환을 이용한 스펙트럼 분석은 SSA에서 추출된 주기성 성분의 정확한 주파수를 확인하는 데 활용되었으며, 웨이브릿 변환은 시간-주파수 영역에서 변동이 급격히 변하는 구간—특히 위상 점프가 발생하는 시점—을 시각적으로 파악하는 데 기여하였다.

분석 결과 가장 눈에 띄는 두 가지 주요 발견은 다음과 같다. 첫째, 1840년대와 2000년대에 각각 발생한 두 차례의 새로운 대규모 위상 점프(phase jump)가 확인되었다. 이 위상 점프는 극운동 궤적이 급격히 전환되는 현상으로, 기존에 알려진 1920년대와 1970년대의 위상 점프와는 구별되는 독립적인 사건으로 보인다. 두 번째 발견은 극운동 변동에 80년 주기의 장기적인 진동이 존재한다는 점이다. 이 80년 주기는 SSA와 푸리에 변환 모두에서 일관되게 검출되었으며, 과거의 관측 기록과 현대의 고정밀 데이터 모두에서 동일한 주기가 반복되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 지구 내부·외부 요인—예를 들어, 대기·해양·빙상 질량 재분배와 같은 장기적인 질량 변동—이 극운동에 미치는 영향을 재평가할 필요성을 시사한다.

요약하면, 본 연구는 단일 관측소에서 얻은 위도 변동 시계열을 활용함으로써 극운동에 대한 장기 관측 기록을 1840년까지 연장하였고, 특이 스펙트럼 분석을 중심으로 다양한 신호 처리 기법을 복합적으로 적용하여 저주파 변동의 구조를 정밀하게 규명하였다. 그 결과, 19세기 중반과 21세기 초에 각각 발생한 두 차례의 새로운 대규모 위상 점프와, 약 80년 주기의 장기 진동이라는 두 가지 중요한 새로운 현상을 발견하였다. 이러한 발견은 지구 자전축의 장기적인 동역학을 이해하는 데 새로운 통찰을 제공하며, 향후 지구 물리학·기후학·천문학 분야에서의 다학제적 연구에 중요한 기초 자료가 될 것으로 기대된다.