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우주상식 (5) 우주기상 - I


1957년 처음으로 소련의 스푸트니크 1호가 발사된 후로 우주(Space)라는 단어가 이용되기 시작하였다. 천문학이나 천체물리 등은 오랜 역사를 가졌으나 이에 비해 우주 연구(Space Research), 우주 물리(Space Physics), 우주 기상(Space Weather) 등 기타 용어들은 위성 발사를 통하여 사용 가능해진 용어들이다.

이들 용어 중, 우주 기상(Space Weather)이란 우주시스템의 사용과 인류의 우주 활동시 영향을 미치는 태양활동에 의한 전리층과 지구 자기권의 전자밀도, 지자기 강도, 플라즈마 밀도 변화 등 우주공간의 물리적 상태를 의미한다. 즉, ‘우주 기상’이란 전체 우주 중 위성을 포함한 우주 장비와 인류가 활동할 수 있는 제한적인 공간 내에서 일어나는 기상 상태를 말한다.

이런 기상 상태는 태양주기 및 궤도와 고도·계절·시간에 따라 변화되며, 또한 위성의 설계, 시험 및 위성 발사 후의 운용, 성능, 수명 등에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 예를 들어, 정지궤도 위성에 있어서 플라즈마 환경은 위성체 표면에 차등 충전(Differential charging)을 일으켜 전자부품을 파괴할 수 있으며, 아주 강한 우주복사(Space Radiation) 현상은 유전체(Dielectric)부품에 묻혀서 절연 케이블과 회로판 안에 서 정전기 방전을 일으킬 수 있다. 또한 위성체와 민감한 대기의 상호작용은 위성체 표면을 침식시키고 표면의 열적, 전기적 영향을 미치게 하여 위성체 구조의 성능 저하를 유발할 수 있다.

인공위성의 성능과 수명에 영향을 주는 것으로 알려져 있는 우주기상의 종류를 살펴보면 다음과 같다.


태양에 의한 영향

태양은 가시광선 영역 이외에 전리층을 형성하는 자외선, X-선 영역의 복사에너지와 지구 자기권을 만드는 입자 복사에너지 태양풍(Solar wind)을 방출한다. 태양풍은 양성자 및 전자로 구성되어 있으며, 가시광선과는 달리 태양활동에 따라 방출량이 수배에서 수십 배에 걸쳐 변화한다. 그러므로 우주기상은 대기권의 기상과는 달리 그 상태가 단시간에 극심하게 변한다.

이 같은 태양의 이상현상은 흑점이나 플레어(태양표면의 에너지가 급격히 외부로 방출되는 현상), 홍염(태양의 채층 전면에서 높이 소용돌이쳐 일어나는 붉은 빛의 가스체로써 개기 일식 때 볼 수 있다), 코로나(태양 가장 바깥부분의 띠로 수백만도 고온의 플라즈마로 이루어져 있다) 등의 형태로 일어난다. 특히, 코로나는 수십 억 메가톤의 핵폭발과 맞먹는 대규모 폭발 현상으로 하루에 대 여섯 번씩 1백억 톤가량의 가스를 분출한다. 자기 폭풍은 이와 같은 현상으로 방출된 자기장이 거대한 파장을 일으켜 우주공간으로 퍼져가면서 발생되며, 이 자기장은 우주공간의 자력선을 통해 지구까지 날아와 영향을 미친다.

자기 폭풍에 의하여 이온층의 밀도가 갑자기 변화하면 GPS 신호에 영향을 주게 되고, 이로 인하여 LORAN 또는 OMEGA 등의 항법시스템(Navigation System)에 오류가 발생된다. 또한, 폭풍 기간 동안 레이다의 화면은 목표 이외의 물체에 의한 간섭 에코인‘Radio Cutter’에 의해 방해를 입게된다. 미국 연방 항공국은 정기적으로 태양 전파 폭발(Solar Radio Bursts) 경보를 받아들여 통신 문제를 인지하여 불필요한 유지보수를 줄이고 있다.

자기 폭풍이나 태양 자외선은 지구의 상층 대기를 가열하여 팽창하게 한다. 가열된 대기는 상승하게 되고, 이로 인해 약 1,000km까지 인공위성의 고도에서는 대기의 밀도가 상당히 증가하게 된다. 이는 우주에서 인공위성의 drag를 증가시키며 따라서 천천히 약간씩 위성의 궤도를 바꾸게 된다.

만약, 저궤도 위성을 지속적으로 높은 고도로 추진하지 않으면 서서히 떨어지며 결국 지구 대기권에서 타버리게 된다. 기술발달에 의해 위성체의 부품이 작게 되면서 소형화된 시스템들이 더 많은 태양 입자에 의해 더욱 상처받기 쉽게 되었다. 이러한 우주 입자들은 마이크로칩에 물리적인 손상을 주거나 위성체 컴퓨터 소프트웨어 명령을 변경시킬 수 있다.

이 밖에도 우주비행사가 우주비행선에 탑승하거나 달 등에 우주 기지를 세울 때 고에너지 입자는 우주비행사의 세포에 손상을 주거나 암 등을 유발할 수 있다.

이처럼, 태양현상에 의한 자기 폭풍은 인공위성에 직접적인 피해를 입히는 것으로 알려져 있어 우주기상 예보체계를 시급히 구축해야 한다는 주장이 강하게 일고 있다.

< 자료제공 : 대한민국 공군, 2003. 5. 7 >

2003-05-07 00:18:16 프린트하기
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