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우주전파환경 정보

우주전파환경과 우주전파재난에 관련된 다양한 정보 및 상식을 제공해 드립니다.

우주전파재난

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우주전파재난 개요

국내 우주전파재난 대응체계

우주전파재난 국민행동요령

배경

  • "우주전파재난"이란 지구 대기권 밖에 존재하는 전자파에너지의 변화로 발생하는 전파와 관련한 재난(전파법 제51조)입니다.
    • 일반적으로 태양활동과 지구를 둘러싼 우주공간에서 지자기 및 전리권 등 전자파 에너지의 변화에 의해 발생하는 재난을 통칭합니다.
    • 태양 흑점이 폭발할 경우 다량의 에너지가 우주로 방출되며, 이러한 물질들이 지구에 도달할 경우 위성, 항공, 항법, 전력, 통신 등에 피해발생 가능성이 있습니다.

우주전파재난 위기경보 발령 체계

  • 우주전파재난 위기경보는 위성·항공·항법·전력·방송통신 분야에 장애 또는 피해 발생 및“우주전파환경 경보” 4~5단계 발생 시, 우주전파재난 위기관리 표준매뉴얼에 의거하여 총 4단계 기준이 사용됩니다.
관심, 주의, 경계, 심각의 정보가 제공됩니다.
관심
  • 우주전파환경 변화로 인해 전리층, 지구자기장 등이 교란되어 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 일시적인 장애 발생 시
  • 우주전파환경 4단계 상황이 발생한 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 우주전파재난 상황판단회의 (자체위기평가회의)에서 “관심” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
주의
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 12시간 이상 장애가 지속될 시
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 4단계 상황이 2회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 48시간 이상 지속되거나 5단계 상황이 발생되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “주의” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
경계
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 피해 발생 시
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 5단계 상황이 2회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 7일 이상 지속되거나 5단계 상황이 48시간 이상 지속되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “경계” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
심각
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 피해가 나타나고 피해범위가 2개시도 이상으로 확대될 때
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 5단계 상황이 3회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 10일 이상 지속되거나 5단계 상황이 7일 이상 지속되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “심각” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때

우주전파재난 위기경보 발령 사례

  • ’15.3.18.(수) 02:00~18:00 : “관심” 위기경보
  • ’15.6.23.(화) 06:20~20:20 : “관심” 위기경보
  • ’17.9.8.(금) 09:10 ~ 9.18.(월) 18:00 : “관심” 위기경보
  • ’23.3.24.(금) 14:30 ~ 3.27.(월) 18:45 : “관심” 위기경보
  • ’23.4.24.(월) 06:20 ~ 4.27.(목) 10:00 : “관심” 위기경보

과학기술정보통신부는 우주전파재난으로 인한 국가핵심기반 시설의 마비, 서비스 중단 등 국가 재난상황에 대비하여 국가기능 유지를 위한 범정부적 재난관리(예방-대비-대응-복구) 체계 및 관련 부처·기관의 책임과 역할을 규정하고 있습니다.

재난 유형

발생원인
태양활동(태양흑점 폭발, 태양입자 유입, 코로나흘, 필라멘트 분출 및 코로나 물질 방출)으로 인한 전리층·지자기교란 등 급격한 우주전파환경 변화
재난유형

우주전파환경 변화로 국가기반분야 시설 및 서비스 장애 발생

  • 위성서비스 장애(위성체 손상, 위성운용 및 위성통신 장애)
  • 항공운항 장애(북극항로 운항 항공기 승객 방사능 피폭, 항공통신 두절)
  • 항법서비스 장애(GPS 오차 증가, GPS 신호 두절)
  • 전력시설 장애(전력시설 열화, 변압기 소손)
  • 방송·통신서비스 장애(단파통신, 방송통신서비스 장애) 등

전개 양상

위기상황 전개
  • 태양활동 등
    급격한 우주전파환경 변화
  • X선, 태양입자, 코로나물질 등이 우주공간 으로 방출
  • 지구 자기장 및 전리권의 변화로 전기·전자·전파서비스 교란
  • 위성·항공·항법·전력·방송통신 서비스 장애 발생
하단에 설명 기입
대통령
국가안보실/대통령비서실(국가위기관리센터)/(소관비서관실)
중앙안전관리위원회
  • 위원장: 국무총리
안전정책조정위원회
  • 위원장: 행정안전부 장관
중앙재난안전대책본부
  • 본부장: 국무총리(범정부 통합대응 재난)
  • 차장: 행정안전부장관
  • 본부장: 행정안전부 장관(대규모 재난)
  • 차장: 행정안전부 재난안전관리 본부장
중앙 긴급구조통제단(소방), 중앙 구조본부(해경)
중앙사고수습본부
  • 본부장: 과학기술정보통신부장관
유관부처·기관
  • 중앙부처 및 유관기관
시·도 재난 안전대책본부, 시·구·군 재난안전대책본부
  • 본부장: 시·도지사
  • 본부장: 시·군·구청장
지역사고수습본부
  • (지방 국가행정기관)
시도/시군구 긴급구조통제단(소방), 광역/지역 구조본부(해경)
유관부처·기관
  • 국가행정기관 및 유관기관

※ 법례) 지시·보고 : 선으로표시, 협조·지원 : 실선으로표시

위기관리기구의 임무와 역할

위기관리기구의 구분, 임무 및 역할의 정보가 제공됩니다.
구분 임무 및 역할
국가안보실
(국가위기관리센터)
  • 재난분야 위기에 관한 초기 상황을 파악, 보고 및 전파
  • 재난상황 총괄 조정 및 초기·후속 대응반 운영
  • 재난안전관리 정책 총괄
중앙안전관리 위원회
  • 우주전파재난 위기조치 상황 시 범정부 차원의 주요 조치사항 심의·조정
  • 우주전파재난 관련 업무 협의 및 조정
  • 우주전파재난 대응 관련 지원책 강구
    • 재난사태·특별재난지역 선포 건의사항 심의
대통령비서실
(소관비서관실)
  • 재난 분야별 정책대응 및 홍보방향 제시
  • 재난 분야별 후속대응 및 복구
중앙사고수습본부
(과기정통부)
  • 우주전파재난 위기 관련 예방/대비/대응/복구 활동 주관(안전취약계층 포함)
  • 위기발생 시,「상황판단회의(자체위기평가회의)」구성·운영
  • 우주전파재난 분야 위기경보 발령(NDMS 등 활용)
  • 우주전파재난 위기관리 표준∙실무매뉴얼 작성·배포
  • 우주전파재난 관련 유관기관과의 협조체계 구축 및 관련기관 피해상황 종합관리, 수습지원단 파견요청(필요시)
  • 우주전파재난 대언론, 대국민 홍보에 관한 사항 등
중앙재난안전대책본부
(과기정통부)
  • 위기상황 전파 및 지원(과학기술정보통신부 요청 시)
    • 위기상황 대국민 전파 지원(NDMS 등)
    • 국민행동요령 홍보 지원
  • 행정안전부 장관이 판단하여 중앙재난안전대책본부 구성·운영
    • 우주전파재난에 의한 대규모 재난 예방, 대비, 대응, 복구 활동에 관한 사항의 총괄 조정
    • 우주전파재난 대책본부와의 유기적 협조체계 구축
  • 수습지원단 구성·파견(필요시 또는 주관기관 요청 시)
  • 재난사태 선포 검토 및 중앙안전관리위원회 건의 등
  • 현장상황관리관 파견(필요시, 수습지원단 구성 전)
수습지원단
  • 지역대책본부장 등 재난 발생지역의 책임자에 대하여 사태수습에 필요한 기술자문·권고 또는 조언
  • 중앙대책본부장에 대하여 재난수습을 위한 재난현장 상황, 재난발생의 원인, 행정적·재정적 조치사항 등에 관한 보고
국방부
  • 우주전파재난 국방분야 총괄 및 조정
  • 우주전파재난 국방관련 실무매뉴얼 작성ㆍ배포
  • 국방 분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
산업통상자원부
  • 우주전파재난 전력분야 상황 종합
  • 우주전파재난 전력관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 전력분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
국토교통부
  • 우주전파재난 항공기관련 상황 종합
  • 우주전파재난 항공기관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 항공기 관련 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관
해양수산부
  • 우주전파재난 선박관련 상황 종합
  • 우주전파재난 선박(어선, 여객선, 상선, 관공선)관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 선박관련 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
기상청
  • 우주전파재난 기상ㆍ기후관련 상황 종합
  • 기상ㆍ기후 및 기상위성에 미치는 영향에 대한 예ㆍ특보 실시
  • 우주전파재난 기상, 기후분야 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 상 및 기후분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
실무기관긴급대응반
(민간기관 등)
  • 해당 기관의 우주전파재난 안전대책 수립 및 시행
  • 해당분야 사고 발생 시 긴급 조치 후 주관기관에 통보
  • 주관기관과 협조, 우주전파재난 위기 관련 예방/대비 및 대응/복구 활동
지역재난안전대책본부
(시·도)
  • 우주전파재난 위기상황 시 주민(근로자 포함) 보호대책 및 전파 방법 마련(안전취약계층 포함)
  • 지역재난상황 총괄 및 사고수습체계 구축
  • 재난현장 총괄・조정 및 지원을 위한 재난현장 통합 지원본부 설치・운영(시・군・구 단체장)
  • 지역 내 재난관리 책임기관과의 장에게 행・재정상의 조치 및 업무협조 요청
  • 생활안정지원, 응급복구, 의료・교통, 물자지원 등
  • 지역사고수습본부와의 원활한 협조체제 유지 등
Nationl Action Guidelines_01 Nationl Action Guidelines_02
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국내 우주전파재난 대응체계

배경

  • "우주전파재난"이란 지구 대기권 밖에 존재하는 전자파에너지의 변화로 발생하는 전파와 관련한 재난(전파법 제51조)입니다.
    • 일반적으로 태양활동과 지구를 둘러싼 우주공간에서 지자기 및 전리권 등 전자파 에너지의 변화에 의해 발생하는 재난을 통칭합니다.
    • 태양 흑점이 폭발할 경우 다량의 에너지가 우주로 방출되며, 이러한 물질들이 지구에 도달할 경우 위성, 항공, 항법, 전력, 통신 등에 피해발생 가능성이 있습니다.

우주전파재난 위기경보 발령 체계

  • 우주전파재난 위기경보는 위성·항공·항법·전력·방송통신 분야에 장애 또는 피해 발생 및“우주전파환경 경보” 4~5단계 발생 시, 우주전파재난 위기관리 표준매뉴얼에 의거하여 총 4단계 기준이 사용됩니다.
관심, 주의, 경계, 심각의 정보가 제공됩니다.
관심
  • 우주전파환경 변화로 인해 전리층, 지구자기장 등이 교란되어 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 일시적인 장애 발생 시
  • 우주전파환경 4단계 상황이 발생한 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 우주전파재난 상황판단회의 (자체위기평가회의)에서 “관심” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
주의
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 12시간 이상 장애가 지속될 시
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 4단계 상황이 2회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 48시간 이상 지속되거나 5단계 상황이 발생되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “주의” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
경계
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 피해 발생 시
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 5단계 상황이 2회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 7일 이상 지속되거나 5단계 상황이 48시간 이상 지속되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “경계” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
심각
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 피해가 나타나고 피해범위가 2개시도 이상으로 확대될 때
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 5단계 상황이 3회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 10일 이상 지속되거나 5단계 상황이 7일 이상 지속되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “심각” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때

우주전파재난 주요 피해사례

발생일, 장애대상, 피해내용의 정보가 제공됩니다.
발생일 장애대상 피해내용
1859년 9월 유럽·북미 전신시스템
프랑스 전신방송국
  • 전신 시스템 오류 발생
  • 모든 전신방송국에서 서비스 중단
1940년 3월 미국·캐나다
전력시스템
  • 미국 New England, New York, Ontario, Pennsylvania, Minnesota, 캐나다 Quebec 전기 공급 차질
1958년 2월 미국 대서양 횡단케이블
  • Bell 전화회사의 대서양 횡단케이블에 음성통신 장애 발생
1972년 8월 캐나다 수력발전소
미 해군 기뢰
  • British Columbia 수력발전소 변압기 기능 마비
  • 베트남 북부 하이퐁의 미 해군 기뢰 수십 개 폭발
1989년 3월 캐나다 퀘벡주 발전소
미국 뉴저지 발전소
  • 송전시설에 2만㎿ 전력손실로 6백만 주민이 9시간동안 정전사태 경험 (약 3억달러의 손실유발)
  • 미국 뉴저지 Public Service Company 변압기 손상 (약 1천 2백만 달러 손실 유발)
1994년 1월 캐나다 인공위성
  • Anik E1/E2, Intelsat K 위성의 자세제어 회로 장애 발생
1997년 1월 미국 인공위성
  • 미국 AT&T사 통신, 방송위성 Telstar 401호의 기능 상실 (예정수명 12년이었으나 3년 운용, 약 2억 달러 손실유발)
2000년 7월 한국 인공위성
미국 인공위성
일본 인공위성
  • 무궁화 3호 64시간 동안 적외선 센서 잡음발생
  • 무궁화 1호 궤도 조정
  • GOES, ACE, WIND 위성 장애
  • ASCA, Akebono 위성 장애
2001년 3월 한국 인공위성
  • 무궁화 1호 통신중계기 gain 변동
  • 무궁화 2호 방향 자세 에러에 따른 추력기 사용
2003년 10월 한국 인공위성
남아프리카 발전소
스웨덴 전력소
  • 무궁화 위성 태양전지판 성능감소
  • 남아프리카공화국 변압기 15기 손실
  • 스웨덴 Malmo 지역 50분간 정전사태 발생
2005년 09월 한국 인공위성
일본 다목적위성
  • 무궁화 2호 90분 간 정지로 인한 궤도 상실
  • MTSAT 1R 위성 6시간 정지
2008년 09월 한국 인공위성
  • 무궁화 5호 위성의 통신 서비스 중단
2010년 04월 미국 통신위성
  • Galaxy 15 위성 약 9개월간 통제불능
2014년 ~ 2015년 한국 항공기
  • 북미 출발 국제선 ‘14년(17편), ‘15년(20편) 북극항로 우회운항 실시
2017년 9월 한국 항공기
미국 위성, 항공기,
단파통신, 전력망
일본 위성, 항공기
  • 북미 출발 국제선 98편 북극항로 우회운항 실시
  • 미국 GPS 위성 장애, 항공기 HF 통신 두절 및 극항로 우회운항, Hurricane Watch Net 단파 장애, 전력망 전력 불안정
  • GNSS 오차 증가, 과학위성(2기) 관측 장애, 항공기 HF 통신 두절

우주전파재난 위기경보 발령 사례

  • ’15.3.18.(수) 02:00~18:00 : “관심” 위기경보
  • ’15.6.23.(화) 06:20~20:20 : “관심” 위기경보
  • ’17.9.8.(금) 09:10 ~ 9.18.(월) 18:00 : “관심” 위기경보
  • ’23.3.24.(금) 14:30 ~ 3.27.(월) 18:45 : “관심” 위기경보
  • ’23.4.24.(월) 06:20 ~ 4.27.(목) 10:00 : “관심” 위기경보

과학기술정보통신부는 우주전파재난으로 인한 국가핵심기반 시설의 마비, 서비스 중단 등 국가 재난상황에 대비하여 국가기능 유지를 위한 범정부적 재난관리(예방-대비-대응-복구) 체계 및 관련 부처·기관의 책임과 역할을 규정하고 있습니다.

재난 유형

발생원인
태양활동(태양흑점 폭발, 태양입자 유입, 코로나흘, 필라멘트 분출 및 코로나 물질 방출)으로 인한 전리층·지자기교란 등 급격한 우주전파환경 변화
재난유형

우주전파환경 변화로 국가기반분야 시설 및 서비스 장애 발생

  • 위성서비스 장애(위성체 손상, 위성운용 및 위성통신 장애)
  • 항공운항 장애(북극항로 운항 항공기 승객 방사능 피폭, 항공통신 두절)
  • 항법서비스 장애(GPS 오차 증가, GPS 신호 두절)
  • 전력시설 장애(전력시설 열화, 변압기 소손)
  • 방송·통신서비스 장애(단파통신, 방송통신서비스 장애) 등

전개 양상

위기상황 전개
  • 태양활동 등
    급격한 우주전파환경 변화
  • X선, 태양입자, 코로나물질 등이 우주공간 으로 방출
  • 지구 자기장 및 전리권의 변화로 전기·전자·전파서비스 교란
  • 위성·항공·항법·전력·방송통신 서비스 장애 발생
하단에 설명 기입
대통령
국가안보실/대통령비서실(국가위기관리센터)/(소관비서관실)
중앙안전관리위원회
  • 위원장: 국무총리
안전정책조정위원회
  • 위원장: 행정안전부 장관
중앙재난안전대책본부
  • 본부장: 국무총리(범정부 통합대응 재난)
  • 차장: 행정안전부장관
  • 본부장: 행정안전부 장관(대규모 재난)
  • 차장: 행정안전부 재난안전관리 본부장
중앙 긴급구조통제단(소방), 중앙 구조본부(해경)
중앙사고수습본부
  • 본부장: 과학기술정보통신부장관
유관부처·기관
  • 중앙부처 및 유관기관
시·도 재난 안전대책본부, 시·구·군 재난안전대책본부
  • 본부장: 시·도지사
  • 본부장: 시·군·구청장
지역사고수습본부
  • (지방 국가행정기관)
시도/시군구 긴급구조통제단(소방), 광역/지역 구조본부(해경)
유관부처·기관
  • 국가행정기관 및 유관기관

※ 법례) 지시·보고 : 선으로표시, 협조·지원 : 실선으로표시

위기관리기구의 임무와 역할

위기관리기구의 구분, 임무 및 역할의 정보가 제공됩니다.
구분 임무 및 역할
국가안보실
(국가위기관리센터)
  • 재난분야 위기에 관한 초기 상황을 파악, 보고 및 전파
  • 재난상황 총괄 조정 및 초기·후속 대응반 운영
  • 재난안전관리 정책 총괄
중앙안전관리 위원회
  • 우주전파재난 위기조치 상황 시 범정부 차원의 주요 조치사항 심의·조정
  • 우주전파재난 관련 업무 협의 및 조정
  • 우주전파재난 대응 관련 지원책 강구
    • 재난사태·특별재난지역 선포 건의사항 심의
대통령비서실
(소관비서관실)
  • 재난 분야별 정책대응 및 홍보방향 제시
  • 재난 분야별 후속대응 및 복구
중앙사고수습본부
(과기정통부)
  • 우주전파재난 위기 관련 예방/대비/대응/복구 활동 주관(안전취약계층 포함)
  • 위기발생 시,「상황판단회의(자체위기평가회의)」구성·운영
  • 우주전파재난 분야 위기경보 발령(NDMS 등 활용)
  • 우주전파재난 위기관리 표준∙실무매뉴얼 작성·배포
  • 우주전파재난 관련 유관기관과의 협조체계 구축 및 관련기관 피해상황 종합관리, 수습지원단 파견요청(필요시)
  • 우주전파재난 대언론, 대국민 홍보에 관한 사항 등
중앙재난안전대책본부
(과기정통부)
  • 위기상황 전파 및 지원(과학기술정보통신부 요청 시)
    • 위기상황 대국민 전파 지원(NDMS 등)
    • 국민행동요령 홍보 지원
  • 행정안전부 장관이 판단하여 중앙재난안전대책본부 구성·운영
    • 우주전파재난에 의한 대규모 재난 예방, 대비, 대응, 복구 활동에 관한 사항의 총괄 조정
    • 우주전파재난 대책본부와의 유기적 협조체계 구축
  • 수습지원단 구성·파견(필요시 또는 주관기관 요청 시)
  • 재난사태 선포 검토 및 중앙안전관리위원회 건의 등
  • 현장상황관리관 파견(필요시, 수습지원단 구성 전)
수습지원단
  • 지역대책본부장 등 재난 발생지역의 책임자에 대하여 사태수습에 필요한 기술자문·권고 또는 조언
  • 중앙대책본부장에 대하여 재난수습을 위한 재난현장 상황, 재난발생의 원인, 행정적·재정적 조치사항 등에 관한 보고
국방부
  • 우주전파재난 국방분야 총괄 및 조정
  • 우주전파재난 국방관련 실무매뉴얼 작성ㆍ배포
  • 국방 분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
산업통상자원부
  • 우주전파재난 전력분야 상황 종합
  • 우주전파재난 전력관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 전력분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
국토교통부
  • 우주전파재난 항공기관련 상황 종합
  • 우주전파재난 항공기관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 항공기 관련 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관
해양수산부
  • 우주전파재난 선박관련 상황 종합
  • 우주전파재난 선박(어선, 여객선, 상선, 관공선)관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 선박관련 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
기상청
  • 우주전파재난 기상ㆍ기후관련 상황 종합
  • 기상ㆍ기후 및 기상위성에 미치는 영향에 대한 예ㆍ특보 실시
  • 우주전파재난 기상, 기후분야 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 상 및 기후분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
실무기관긴급대응반
(민간기관 등)
  • 해당 기관의 우주전파재난 안전대책 수립 및 시행
  • 해당분야 사고 발생 시 긴급 조치 후 주관기관에 통보
  • 주관기관과 협조, 우주전파재난 위기 관련 예방/대비 및 대응/복구 활동
지역재난안전대책본부
(시·도)
  • 우주전파재난 위기상황 시 주민(근로자 포함) 보호대책 및 전파 방법 마련(안전취약계층 포함)
  • 지역재난상황 총괄 및 사고수습체계 구축
  • 재난현장 총괄・조정 및 지원을 위한 재난현장 통합 지원본부 설치・운영(시・군・구 단체장)
  • 지역 내 재난관리 책임기관과의 장에게 행・재정상의 조치 및 업무협조 요청
  • 생활안정지원, 응급복구, 의료・교통, 물자지원 등
  • 지역사고수습본부와의 원활한 협조체제 유지 등
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우주전파재난 국민행동요령

배경

  • "우주전파재난"이란 지구 대기권 밖에 존재하는 전자파에너지의 변화로 발생하는 전파와 관련한 재난(전파법 제51조)입니다.
    • 일반적으로 태양활동과 지구를 둘러싼 우주공간에서 지자기 및 전리권 등 전자파 에너지의 변화에 의해 발생하는 재난을 통칭합니다.
    • 태양 흑점이 폭발할 경우 다량의 에너지가 우주로 방출되며, 이러한 물질들이 지구에 도달할 경우 위성, 항공, 항법, 전력, 통신 등에 피해발생 가능성이 있습니다.

우주전파재난 위기경보 발령 체계

  • 우주전파재난 위기경보는 위성·항공·항법·전력·방송통신 분야에 장애 또는 피해 발생 및“우주전파환경 경보” 4~5단계 발생 시, 우주전파재난 위기관리 표준매뉴얼에 의거하여 총 4단계 기준이 사용됩니다.
관심, 주의, 경계, 심각의 정보가 제공됩니다.
관심
  • 우주전파환경 변화로 인해 전리층, 지구자기장 등이 교란되어 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 일시적인 장애 발생 시
  • 우주전파환경 4단계 상황이 발생한 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 우주전파재난 상황판단회의 (자체위기평가회의)에서 “관심” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
주의
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 12시간 이상 장애가 지속될 시
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 4단계 상황이 2회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 48시간 이상 지속되거나 5단계 상황이 발생되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “주의” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
경계
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 피해 발생 시
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 5단계 상황이 2회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 7일 이상 지속되거나 5단계 상황이 48시간 이상 지속되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “경계” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때
심각
  • 우주전파환경 변화로 인해 위성‧항공‧항법‧전력‧방송통신 분야에 피해가 나타나고 피해범위가 2개시도 이상으로 확대될 때
  • 최근 24시간 동안 우주전파환경 5단계 상황이 3회 이상 발생한 경우
  • 우주전파환경 4단계 상황이 10일 이상 지속되거나 5단계 상황이 7일 이상 지속되는 경우
  • 기타 이에 준하는 상황으로서 상황판단회의(자체위기평가회의)에서 “심각” 위기경보 발령이 필요하다고 판단할 때

우주전파재난 주요 피해사례

발생일, 장애대상, 피해내용의 정보가 제공됩니다.
발생일 장애대상 피해내용
1859년 9월 유럽·북미 전신시스템
프랑스 전신방송국
  • 전신 시스템 오류 발생
  • 모든 전신방송국에서 서비스 중단
1940년 3월 미국·캐나다
전력시스템
  • 미국 New England, New York, Ontario, Pennsylvania, Minnesota, 캐나다 Quebec 전기 공급 차질
1958년 2월 미국 대서양 횡단케이블
  • Bell 전화회사의 대서양 횡단케이블에 음성통신 장애 발생
1972년 8월 캐나다 수력발전소
미 해군 기뢰
  • British Columbia 수력발전소 변압기 기능 마비
  • 베트남 북부 하이퐁의 미 해군 기뢰 수십 개 폭발
1989년 3월 캐나다 퀘벡주 발전소
미국 뉴저지 발전소
  • 송전시설에 2만㎿ 전력손실로 6백만 주민이 9시간동안 정전사태 경험 (약 3억달러의 손실유발)
  • 미국 뉴저지 Public Service Company 변압기 손상 (약 1천 2백만 달러 손실 유발)
1994년 1월 캐나다 인공위성
  • Anik E1/E2, Intelsat K 위성의 자세제어 회로 장애 발생
1997년 1월 미국 인공위성
  • 미국 AT&T사 통신, 방송위성 Telstar 401호의 기능 상실 (예정수명 12년이었으나 3년 운용, 약 2억 달러 손실유발)
2000년 7월 한국 인공위성
미국 인공위성
일본 인공위성
  • 무궁화 3호 64시간 동안 적외선 센서 잡음발생
  • 무궁화 1호 궤도 조정
  • GOES, ACE, WIND 위성 장애
  • ASCA, Akebono 위성 장애
2001년 3월 한국 인공위성
  • 무궁화 1호 통신중계기 gain 변동
  • 무궁화 2호 방향 자세 에러에 따른 추력기 사용
2003년 10월 한국 인공위성
남아프리카 발전소
스웨덴 전력소
  • 무궁화 위성 태양전지판 성능감소
  • 남아프리카공화국 변압기 15기 손실
  • 스웨덴 Malmo 지역 50분간 정전사태 발생
2005년 09월 한국 인공위성
일본 다목적위성
  • 무궁화 2호 90분 간 정지로 인한 궤도 상실
  • MTSAT 1R 위성 6시간 정지
2008년 09월 한국 인공위성
  • 무궁화 5호 위성의 통신 서비스 중단
2010년 04월 미국 통신위성
  • Galaxy 15 위성 약 9개월간 통제불능
2014년 ~ 2015년 한국 항공기
  • 북미 출발 국제선 ‘14년(17편), ‘15년(20편) 북극항로 우회운항 실시
2017년 9월 한국 항공기
미국 위성, 항공기,
단파통신, 전력망
일본 위성, 항공기
  • 북미 출발 국제선 98편 북극항로 우회운항 실시
  • 미국 GPS 위성 장애, 항공기 HF 통신 두절 및 극항로 우회운항, Hurricane Watch Net 단파 장애, 전력망 전력 불안정
  • GNSS 오차 증가, 과학위성(2기) 관측 장애, 항공기 HF 통신 두절

우주전파재난 위기경보 발령 사례

  • ’15.3.18.(수) 02:00~18:00 : “관심” 위기경보
  • ’15.6.23.(화) 06:20~20:20 : “관심” 위기경보
  • ’17.9.8.(금) 09:10 ~ 9.18.(월) 18:00 : “관심” 위기경보
  • ’23.3.24.(금) 14:30 ~ 3.27.(월) 18:45 : “관심” 위기경보
  • ’23.4.24.(월) 06:20 ~ 4.27.(목) 10:00 : “관심” 위기경보

과학기술정보통신부는 우주전파재난으로 인한 국가핵심기반 시설의 마비, 서비스 중단 등 국가 재난상황에 대비하여 국가기능 유지를 위한 범정부적 재난관리(예방-대비-대응-복구) 체계 및 관련 부처·기관의 책임과 역할을 규정하고 있습니다.

재난 유형

발생원인
태양활동(태양흑점 폭발, 태양입자 유입, 코로나흘, 필라멘트 분출 및 코로나 물질 방출)으로 인한 전리층·지자기교란 등 급격한 우주전파환경 변화
재난유형

우주전파환경 변화로 국가기반분야 시설 및 서비스 장애 발생

  • 위성서비스 장애(위성체 손상, 위성운용 및 위성통신 장애)
  • 항공운항 장애(북극항로 운항 항공기 승객 방사능 피폭, 항공통신 두절)
  • 항법서비스 장애(GPS 오차 증가, GPS 신호 두절)
  • 전력시설 장애(전력시설 열화, 변압기 소손)
  • 방송·통신서비스 장애(단파통신, 방송통신서비스 장애) 등

전개 양상

위기상황 전개
  • 태양활동 등
    급격한 우주전파환경 변화
  • X선, 태양입자, 코로나물질 등이 우주공간 으로 방출
  • 지구 자기장 및 전리권의 변화로 전기·전자·전파서비스 교란
  • 위성·항공·항법·전력·방송통신 서비스 장애 발생
하단에 설명 기입
대통령
국가안보실/대통령비서실(국가위기관리센터)/(소관비서관실)
중앙안전관리위원회
  • 위원장: 국무총리
안전정책조정위원회
  • 위원장: 행정안전부 장관
중앙재난안전대책본부
  • 본부장: 국무총리(범정부 통합대응 재난)
  • 차장: 행정안전부장관
  • 본부장: 행정안전부 장관(대규모 재난)
  • 차장: 행정안전부 재난안전관리 본부장
중앙 긴급구조통제단(소방), 중앙 구조본부(해경)
중앙사고수습본부
  • 본부장: 과학기술정보통신부장관
유관부처·기관
  • 중앙부처 및 유관기관
시·도 재난 안전대책본부, 시·구·군 재난안전대책본부
  • 본부장: 시·도지사
  • 본부장: 시·군·구청장
지역사고수습본부
  • (지방 국가행정기관)
시도/시군구 긴급구조통제단(소방), 광역/지역 구조본부(해경)
유관부처·기관
  • 국가행정기관 및 유관기관

※ 법례) 지시·보고 : 선으로표시, 협조·지원 : 실선으로표시

위기관리기구의 임무와 역할

위기관리기구의 구분, 임무 및 역할의 정보가 제공됩니다.
구분 임무 및 역할
국가안보실
(국가위기관리센터)
  • 재난분야 위기에 관한 초기 상황을 파악, 보고 및 전파
  • 재난상황 총괄 조정 및 초기·후속 대응반 운영
  • 재난안전관리 정책 총괄
중앙안전관리 위원회
  • 우주전파재난 위기조치 상황 시 범정부 차원의 주요 조치사항 심의·조정
  • 우주전파재난 관련 업무 협의 및 조정
  • 우주전파재난 대응 관련 지원책 강구
    • 재난사태·특별재난지역 선포 건의사항 심의
대통령비서실
(소관비서관실)
  • 재난 분야별 정책대응 및 홍보방향 제시
  • 재난 분야별 후속대응 및 복구
중앙사고수습본부
(과기정통부)
  • 우주전파재난 위기 관련 예방/대비/대응/복구 활동 주관(안전취약계층 포함)
  • 위기발생 시,「상황판단회의(자체위기평가회의)」구성·운영
  • 우주전파재난 분야 위기경보 발령(NDMS 등 활용)
  • 우주전파재난 위기관리 표준∙실무매뉴얼 작성·배포
  • 우주전파재난 관련 유관기관과의 협조체계 구축 및 관련기관 피해상황 종합관리, 수습지원단 파견요청(필요시)
  • 우주전파재난 대언론, 대국민 홍보에 관한 사항 등
중앙재난안전대책본부
(과기정통부)
  • 위기상황 전파 및 지원(과학기술정보통신부 요청 시)
    • 위기상황 대국민 전파 지원(NDMS 등)
    • 국민행동요령 홍보 지원
  • 행정안전부 장관이 판단하여 중앙재난안전대책본부 구성·운영
    • 우주전파재난에 의한 대규모 재난 예방, 대비, 대응, 복구 활동에 관한 사항의 총괄 조정
    • 우주전파재난 대책본부와의 유기적 협조체계 구축
  • 수습지원단 구성·파견(필요시 또는 주관기관 요청 시)
  • 재난사태 선포 검토 및 중앙안전관리위원회 건의 등
  • 현장상황관리관 파견(필요시, 수습지원단 구성 전)
수습지원단
  • 지역대책본부장 등 재난 발생지역의 책임자에 대하여 사태수습에 필요한 기술자문·권고 또는 조언
  • 중앙대책본부장에 대하여 재난수습을 위한 재난현장 상황, 재난발생의 원인, 행정적·재정적 조치사항 등에 관한 보고
국방부
  • 우주전파재난 국방분야 총괄 및 조정
  • 우주전파재난 국방관련 실무매뉴얼 작성ㆍ배포
  • 국방 분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
산업통상자원부
  • 우주전파재난 전력분야 상황 종합
  • 우주전파재난 전력관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 전력분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
국토교통부
  • 우주전파재난 항공기관련 상황 종합
  • 우주전파재난 항공기관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 항공기 관련 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관
해양수산부
  • 우주전파재난 선박관련 상황 종합
  • 우주전파재난 선박(어선, 여객선, 상선, 관공선)관련 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 선박관련 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
기상청
  • 우주전파재난 기상ㆍ기후관련 상황 종합
  • 기상ㆍ기후 및 기상위성에 미치는 영향에 대한 예ㆍ특보 실시
  • 우주전파재난 기상, 기후분야 실무매뉴얼 작성‧배포
  • 상 및 기후분야 피해, 사고 발생 시 주관기관에 신속통보 및 주관기관 협조
실무기관긴급대응반
(민간기관 등)
  • 해당 기관의 우주전파재난 안전대책 수립 및 시행
  • 해당분야 사고 발생 시 긴급 조치 후 주관기관에 통보
  • 주관기관과 협조, 우주전파재난 위기 관련 예방/대비 및 대응/복구 활동
지역재난안전대책본부
(시·도)
  • 우주전파재난 위기상황 시 주민(근로자 포함) 보호대책 및 전파 방법 마련(안전취약계층 포함)
  • 지역재난상황 총괄 및 사고수습체계 구축
  • 재난현장 총괄・조정 및 지원을 위한 재난현장 통합 지원본부 설치・운영(시・군・구 단체장)
  • 지역 내 재난관리 책임기관과의 장에게 행・재정상의 조치 및 업무협조 요청
  • 생활안정지원, 응급복구, 의료・교통, 물자지원 등
  • 지역사고수습본부와의 원활한 협조체제 유지 등
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우주전파환경이 미치는 영향
전파는 공기중에서

초당 30만 KM의 속도로 이동한다. 이에 비하면 음속은 약 320M의 속도밖에 안된다.
만약 원래 음파의 진폭과 주파수 틍성을 정확히 재생할 수 있는 전파를 만드는 변조가 가능하다면 소리는 먼 거리에도 빠르게 전달될 수 있을 것이다.

전파신호

전파는 공기중에서 초당 30만km의 속도로 이동한다. 이에 비하면 음속은 약 320m의 속도밖에 안된다. 만약 원래 음파의 진폭과 주파수 특성을 정확히 재생할 수 있는 전파를 만드는 변조가 가능하다면 소리는 먼 거리에도 빠르게 전달될 수 있을 것이다. 이것이 매우 흥미로운 현상을 가능케 하는데 서울에서 생방송을 하는동안 음악회의 뒷자석에 앉은 서울청중보다 부산의 청취자가 몇 분의 일초 빨리 음악을 들을 수 있다

전파신호 이미지1
어떻게 소리에 전파를 실을까?

전파 전송은 두 가지 파동의 결합이다 : 전달되는 소리를 나타내는 음성 주파수와 음성정보를 "운반"하는 전파 주파수. 모든 파동은 그림에 보이는 바와 같이 파장, 진폭, 그리고 주파수를 가지고 있다. 이러한 파동의 특성이 음성정보를 운반하도록 변조가 가능하게 한다.

전파신호 이미지2 전파신호 이미지3

AM (진폭변조) 전파전송에서는 음성 주파수와 전파 주파수 파동의 결합된 진폭이 음성신호에 맞게 변한다. AM 전파는 정전기 간섭의 문제가 있다. (전파와 같은) 전자기파는 번개뿐만 아니라 자동차의 점화시스템의 방전이나 전기모터, 그리고 모든 전자제품의 브리쉬방전에 의한 불꽃에 의해서도 발생한다. 정전기라 불리는 딱딱거리는 불규칙적인 잡음이 더해져 전파신호를 변화시키는 심각한 배경잡음이 생긴다.
FM (주파수 변조) 전파전송에서는 결합된 파동의 주파수가 음성신호를 재생하기 위해 변화한다. 예로 높은 주파수는 음파의 최고 진폭과 결합한다. FM 파동은 배경잡음이 전파의 주파수를 변조시킬 수 없으므로 간섭의 문제를 갖지 않는다. 덧붙여 FM 파동은 음의 재생능력이 더욱 뛰어나다.

전파대역

전파대역 이미지

전파는 지구 대기를 통과하여 한지점에서 다른 한지점까지 각기 다른 방법으로 전송되는 주파수 범위를 포함하는 여러 대역으로 방출된다. 각각의 방송국은 한 대역의 주파수로 고정되어 있다. 라디오의 다이얼을 이 주파수에 맞추어 조정한다. 전파가 이온층을 통과하는 경로가 다르기 때문에 각각의 대역은 우주전파환경 폭풍에 의해 영향받는 정도가 다르다.

장파와 우주전파환경
전파대역, 이용, 파동경로, 우주폭풍의 영향에대한 정보가 제공됩니다.
전파대역 장파 (주파수 : 150-300 kHz, 파장 : 1000-2000 m) (1 kHz = 1000 Hz = 1초당 1000 번 진동)
이용 항해와 군사교신
파동경로 지상파는 지구 표면의 수천 km 주위에서 곡선을 그린다.
우주폭풍의 영향 D층와 E층으로 불리는 이온층의 가장 하부지역 (낮에 75 km, 밤에 90 km 이하)이 교란되었을 때 신호는 감소한다. 태양의 X선, 지자기 폭풍, 전자강하현상, 이온층 부폭풍, 그리고 극관흡수 현상(PCA) 등에 의해 영향을 받는다.
중파와 우주전파환경
전파대역, 이용, 파동경로, 우주폭풍의 영향에대한 정보가 제공됩니다.
전파대역 중파 (주파수 : 525-1700 kHz, 파장 : 180-570 m)
이용 AM 라디오 (535-1605 kHz)
파동경로 공중파와 지상파 모두 생긴다. 지형이나 나무, 건물 등에 의해 강한 지역적 간섭형태가 나타난 다. 이온층에 의해 공중파가 많이 손실되므로 지상파가 가장 안정적인 범위를 제공한다.
우주폭풍의 영향 낮시간동안 D층에서 신호가 심각하게 감소하 므로 D층이 엷어지는 밤에 신호가 강해진다. 이온층에서의 폭풍이나 태양 플레어 X선, 그리고 (극관 흡수현상을 일으키는) 태양 프로톤과 같은 저고도 이온층 현상은 공중파를 감소시킨다. AM 라디오는 보통 지상파에 주로 의존하기 때문에 우주전파환경 현상에 의해 영향받지 않는다
단파와 우주전파환경
전파대역, 이용, 파동경로, 우주폭풍의 영향에대한 정보가 제공됩니다.
전파대역 단파 (주파수 : 2300-26,100 kHz, 파장 : 11-130 m)
이용 지역적 또는 국제적 아마추어 무선, 해상 또는 지상 운송수단, 지점 대 지점 통신, 경찰의 탐색 과 구조, 그리고 택시 무선 호출
파동경로 신호가 이온층에 의해 반사되므로 장거리 통신 을 가능하게 한다.신호의 이동경로는 이온층이 밤에 더 높은 고도가 되므로 밤에 더 멀리 간다. 단파는 가장 싸기도 하고 때때로 원거리 통신의 유일한 수단이 되기도 한다. 더 길거나 짧은 주파수보다 이 주파수의 범위가 더 멀다.
우주폭풍의 영향
  • 우주전파환경교란은 단파통신에 중요하고 극적인 결과를 미친다. 태양 플레어에 뒤이어 즉시 낮지역에서 갑작스럽고 큰 통신교란이 일어난다. 이것은 두꺼워진 D층이 플레어에 관련되어 증가된 X선과 자외선에 의해 낮지역에서 이온화되기 때문이다. 두꺼워진 이온화된 D층은 단파를 흡수한다. 이러한 현상을 단파 감쇄라고 부르며 수 분에서 수 시간 지속된다.
  • 태양 교란후 수 시간에서 수 일이 지나면 도착하는 태양 프로톤은 극지방으로 침투하여 HF(High Frequency) 통신을 완전히 단절시키기도 한다. 이러한 현상은 극관흡수현상(PCAs)이라 부르는데, 플레어의 규모에 따라 수 일간 계속되기도 한다.
  • 이온층 폭풍도 또한 태양 교란과 연관되어 일어난다. 이러한 폭풍은 지역과 시간에 따라 이온화된 층의 밀도를 증가시키거나 감소시킨다. 밀도의 감소는 단파 통신에 심각한 문제를 일으킨다. 위성-지상 통신 : 신호의 상태는 수신신호의 위상과 진폭의 변동을 일으키는 이온층의 불균일성에 의해 영향받는다.
초단파와 우주전파환경
전파대역, 이용, 파동경로, 우주폭풍의 영향에대한 정보가 제공됩니다.
전파대역 초단파 (주파수 : 30-300 MHz) (1 MHz = 1,000,000 Hz = 1 초당 백만번 진동)
이용 TV ( 54-88 MHz 와 174-216 MHz) FM 라디오 (88-108 MHz)
파동경로 일반적으로 송신기의 성능에 따라 ~100 km까지의 범위를 갖는 시선방향 송신이 사용된다. 이 주파수는 이온층을 통과하여 위성에 의해 재송신되어 원거리 수신기까지 연결될 수 있다. 이온층의 상태는 작은 영향을 준다.
우주폭풍의 영향 위성-지상 통신 : 신호의 상태는 수신신호의 위상과 진폭의 변동을 일으키는 이온층의 불균일성에 의해 영향받는다. 불균일성은 우주전파환경 교란시 특히 극지방에서 증가된다.
극초단파와 우주전파환경
전파대역, 이용, 파동경로, 우주폭풍의 영향에대한 정보가 제공됩니다.
전파대역 극초단파 (주파수 : 300-3000 MHz)
이용 TV ( 채널 14부터 69까지) 비행기와 선박의 항해, 경찰 비상통신
파동경로 ~80 km까지의 범위를 갖는 시선방향 경로가 사용된다. 또한 원거리 통신에 위성을 사용한다.
우주폭풍의 영향 위성-지상 통신 : 신호의 상태는 수신신호의 위 상과 진폭의 변동을 일으키는 이온층의 불균 일성에 의해 영향받는다. 불균일성은 우주전파환경 교란시 특히 극지방에서 증가된다.

지상 및 위성통신

지상 및 위성통신 이미지
반사되지 않는 신호

초단파나 극초단파, 마이크로파와 같은 짧은 파장의 전파는 이동하면서 굴절되거나 이온층에서 반사되지 않는다. 이러한 파장들은 이온층을 통과하기 때문에 장거리 통신에 매우 유용하다. 이 신호들은 지상의 관제소로부터 지구 주위의 궤도를 도는 인공위성까지 전달될 수 있다. 인공위성은 신호를 받아서 지상의 다른 관제소로 다시 전송한다.

지구정지 궤도의 잇점

지구정지 궤도에 있는 위성은 전세계적인 통신에 매우 중요하다. 이러한 위성은 35,700 km의 고도에서 정확히 24시간에 한바퀴씩 지구를 돈다. 이것은 위성이 하늘의 한 지점에 머물며 지상의 특정한 관제소의 시야에 항시 존재함을 의미한다. 5개의 정지궤도 위성만 있으면 전세계의 모든 통신을 받아서 전달할 수 있다.

우주전파환경 효과

우주전파환경이 교란되는 시기에 이온층은 작은 규모의 교란 들이 일어나 불균질하게 된다. 교란된 이온층을 통과하는 전파신호는 이러한 불균질에 의해 변동되어 위상과 진폭의 동요가 생긴다. 이러한 문제는 특히 오로라가 생기는 고위도 지역과 이온층 거품(태양교란과 무관한)이 생기는 적도지 역에서 심하다.

때때로 지구에는

태양으로부터 매우 빠른 소도를 가진 프로톤 입자구름이 불어온다. 이를 태양 프로톤현상이라 한다. 태양프로톤은 자극 근처의 지구자기권을 투과하며 천만 EV 이상의 에너지를 갖고 전리층에 도달한다. 이 때 대기입자들과 충돌하여 자유전자를 발생시켜 낮은 고도의 전리층(D, E층)의 밀도를 증가시킨다.

단파통신 장애

태양프론토 현상의 도착

때때로 지구에는 태양으로부터 매우 빠른 속도를 가진 프로톤 입자구름이 불어온다. 이를 태양 프로톤현상이라 한다. 태양 프로톤은 자극 근처의 지구자기권을 투과하며 천만 eV 이상의 에너지를 갖고 전리층에 도달한다. 이 때 대기입자들과 충돌하여 자유전자를 발생시켜 낮은 고도의 전리층(D, E 층)의 밀도를 증가시킨다.

전파에 미치는 영향

저층의 전리층에서의 입자들의 증가는 고주파 (HF) 영역에서의 단파통신 두절을 일으킨다.이를 폴라캡 흡수현상 PCA)이라 한다. 일반적으로 D, E 층의 낮은 전리층에서 반사되는 저주파 전파는 전파경로의 급격한 변화로 인하여 평소보다 낮은 높이에서 반사된다.

폴라켑 흡수현상은 얼마나 지속되나?
단파통신 장애 이미지

PCA 현상은 태양자기장 교란 위치와 규모에 따라 수 일동안 지속되어 전파통신에 심각한 장애를 일으킨다

단파장감쇄

원인:태양플레어에 의한 자외선과 X선 Burst
단파장감쇄 이미지

(태양 가장자리에서의 surge prominence와 플레어의 모습. (미국 태양관측소) )태양플레어 발생 후 8 분만 지나면 자외선과 X선 Burst가 지구의 낮지역을 강타한다. 이 고에너지 복사는 대기입자에 의해 흡수되어 에너지 상태를 여기시켜 광전효과에 의해 자유전자를 증가시킨다. 지구의 낮지역 전체에 걸친 D, E층의 밀도는 급격히 증가한다.

전파에 미치는 영향

HF 파장대의 단파는 전리층 하층의 입자증가로 인해 흡수되는데 그 결과 전파통신에 장애를 일으킨다. 이를 단파 페이드아웃 (Short Wave Fadeout ; SWF)이라 한다.

SWF현상은 얼마나 지속되나?

SWF 현상은 수 분에서 수 시간 지속되고 태양이 머리위에 있는 적도 지역에서 가장 심하다.

SWF를 예측하는 곳은?

호주 IPS 전파 우주전파환경 서비스의 실시간 SWF 예측 (매 5분마다 갱신)

최근의 SWF 예측에 관한 동향

전리층 폭풍

전리층 폭풍 이미지

이 영상은 지난 1997년 4월 10∼11일의 전리층 폭풍에 의해 발생한 고도 100∼400 km 상공에서의 총전자 함유량 변화를 24시간 모의실험한 결과이다. 이 폭풍은 태양코로나 물질방출 (CME)이 지구근접 우주공간에 도달함으로써 세계시 (UT) 21시에 시작한 자기폭풍과 연관되어 발생하였다. 이 전리층 폭풍은 4월 11일 UT 9시에 멈추었지만 전리층 상태의 변화는 훨씬 오래 지속되었다.

태양프론토 현상의 도착

때때로 지구에는 태양으로부터 매우 빠른 속도를 가진 프로톤 입자구름이 불어온다. 이를 태양 프로톤현상이라 한다. 태양 프로톤은 자극 근처의 지구자기권을 투과하며 천만 eV 이상의 에너지를 갖고 전리층에 도달한다. 이 때 대기입자들과 충돌하여 자유전자를 발생시켜 낮은 고도의 전리층(D, E 층)의 밀도를 증가시킨다.

전파에 미치는 영향

저층의 전리층에서의 입자들의 증가는 고주파 (HF) 영역에서의 단파통신 두절을 일으킨다.이를 폴라캡 흡수현상 PCA)이라 한다. 일반적으로 D, E 층의 낮은 전리층에서 반사되는 저주파 전파는 전파경로의 급격한 변화로 인하여 평소보다 낮은 높이에서 반사된다.

신호 scintillation

scintillation 이란 무엇인가?
scintillation 이미지

전리층은 지상 40∼400 km 사이에 퍼져있는 전자와 이온으로 이루어져 있다. 단파신호는 이러한 층의 하부에서 반사되어 지상으로 되돌아온다. 그러나 고주파의 경우는 전리층을 투과해 나가 지상과 위성간의 통신에 사용된다. 이 때 전리층이 작은 규모의 비정상적인 밀도구조를 가지고 있으면 지상과 위성간의 통신에 사용되는 전파가 불규직적으로 진폭감소와 위상변화를 일으켜 전파를 통해 전달되는 정보가 상실되거나 해독이 불가능해진다. 이러한 현상을 scintillation이라 한다.

scintillation 이 일어나는 주요 직역은 어디인가?

scintillation 활동이 주로 일어나는 지역은 적도, 그리고 남북극의 세 지역이다. 극지방 전리층밀도의 불규칙성은 오로라 입자가 빠르게 하강함으로써 생긴다. 오로라 입자들이 대기입자와 극렬히 충돌하여 자유전자를 증가시킴으로써 전리층의 밀도를 증가시킨다. 고속으로 하강하는 입자 흐름은 우주공간에서는 규칙적인 분포를 갖지만 전리층에서는 불규칙적인 구조를 가지며 오로라 빛을 만들어낸다. 덧붙여 고위도에서 낮지역에서 밤지역으로, 또는 밤지역에서 낮지역으로 흐르는 전리층 플라즈마 흐름은 대규모의 플라즈마 구(plasma bulb)와 밀도골짜기(density troush) 구조를 만든다. 이 구조의 가장자리는 매우 불안정하여 심각한 scintillation 효과를 내는 소규모의 밀도 불규칙 지역을 만들어낸다. 이러한 종류의 불규칙성은 우주전파환경의 격변이 발생하는 동안 지리적인 위치와 그 정도가 변한다.

적도지방의 경우, 전리층 밀도의 불규칙성은 전리층의 F층 하부에서 형성되는 거품 때문에 발생한다. 이 거품은 전리층 상부로 퍼져나가 일몰 후 나타나서 깃털모양으로 변한다. 이 때 깃털모양의 가장자리를 따라 불안정한 소규모의 밀도불규칙 구조가 형성된다. 이 소규모의 불규칙 지역이 심각한 scintillation 효과를 일으키게 되며 2∼3시간 지속된다. 밀도 불규칙 현상은 우주전파환경 격변과 관련되기 보다는 태양활동주기와 더 연관이 된다.

던져진 물체는

곡선을 그리며 나아간다.
이것이 인공위성 궤도의 근본이다.
인공위성의 운동을 이해라는 가장 중요한 요소는 중력은 항상 아래롤만 작용한다는 것이다.

궤도유지방법

떨어지는 운동과 앞으로 나아가는 운동은 서로 독립적이다
궤도유지방법 이미지

"던져진 물체는 곡선들 그리며 나아간다. 이것이 인공위성 궤도의 근본이다."인공위성의 운동을 이해하는 가장 중요한 요소는 중력은 항상 아래로만 작용한다는 것이다. -- 앞으로 나아가는 운동과 떨어지는 운동은 서로 전혀 상관없다. 만약 그림의 농구공에 중력이나 마찰력이 작용하지 않는다면 공은 영원히 일직선으로 나아갈 것이다. 중력은 공을 일직선으로 운동하지 않고 아래로 떨어지도록 만든다. 공이 일직선으로부터 휘어진 거리는 주어진 지점까지 이동하는데 걸린 시간에 달려있다. 만약 공이 빠른 속도로 던져졌다면 농구골대까지 빠르게 도달할 것이고 또 매우 짧은 시간에 떨어질 것이다. 공이 좀더 부드럽게 던져졌다면 골대에 도달하기 전까지 긴 시간이 걸릴 것이다.

떨어지는 공과 떨어지는 운동선수는 어떤 관계가 있을까?

농구골대를 잡고 있는 농구선수는 앞으로 나아가는 운동은 하지 않고 있다. 만약 그가 다른 선수가 농구공을 놓음과 동시에 골대를 놓는다면 그는 언제나 공을 잡을 수 있다. 빠른 공이라면 그는 높은 곳에서 받을 것이다. 왜냐하면 그와 공이 모두 멀리 떨어질 시간적인 여유가 없기 때문이다. 느린 공이라면 좀더 많이 떨어진 후에 받게 될 것이다.

인공위성궤도

전진운동과 낙하운동의 균형
전진운동과 낙하운동의 균형 이미지

어느 작은 달의 표면으로부터 같은 고도에서 공을 각기 다른 속도로 던졌다고 하자. 공의 수평 속도와는 무관하게 똑같은 비율로 떨어져서 동시에 표면에 도달한다. 땅에 도알하기전 같은 경과 시간동안 빠른 공은 느린 공보다 더 멀리 간다. 결국, 너무 공이 빨라서 아주 멀리까지 도달하게 되면 그사이 이동한 땅은 평평하기 않고 둥글 것이다. 적당한 속도에서는 공이 떨어지는 비율과 같이 땅이 휘어질 것이다. 그때 이공은 궤도를 갖게 되는 것이다. 만약 야구선수가 높은 산에 올라 똑같은 실험을 반복한다면 땅이 좀더 빠르게 휘므로 달은 더욱 작게 보일 것이다. 고도가 증가함에 따라 곡률이 좀더 뚜렷해 질것이므로 공이 회전하기 위해서 필요한 속도는 점점 더 작아질 것이다. 전진속도와 낙하의 조합이 공의 경로의 곡률을 결정한다. 이 곡률을 그 달의 각 고도에서의 표면 곡률과 맞추면 위성의 궤도가 된다. 위성은 영원히 달의 표면을 향해 떨어지지만 그와 같은 비율로 달의 표면도 구부러지기 때문에 위성은 영원히 표면으로부터 일정한 높이에 떠 있게 된다. 이것이 궤도이다.

왜 인공위성은 가끔 떨어질까?

인공위성 주위의 대기가 마찰을 일으켜 위성의 전진속도를 감소시킨다. 결과적으로 궤도의 곡률이 변하여 그 고도에서의 달 표면 곡률과 일치하지 않게된다. 이렇게 되면 그림에서 "너무 느린" 공과 같게 된다. 위성은 떨어지기 시작한다. 위성이 떨어지면서 중력때문에 수직방향의 속도는 증가하게 되는데 수평방향으로는 궤도를 유지할만큼의 속도로 다시 빨라지지는 않는다. 위성은 새로운 고도에서 궤도를 이룰만한 충분한 속도로 다시 추진되기 전에는 표면으로 천천히 떨어지게 된다.

인공위성의 종류

인공위성의 사용범위
인공위성의 사용범위 이미지
지구정지 궤도 위성
궤도형태, 특성, 이용, 예 의 정보가 제공됩니다.
궤도형태 궤도형태 이미지 지구의 다양한 경도상에 위치한 5-6개의 위성들만이 전지구적인 정보를 제공하지만 극지방은 볼 수 없다. 이러한 관측의 분해능은 관측고도가 높기 때문에 좋지 않다.
특성 35,890 km의 고도에서는 적도평면상의 원궤도를 그리는 위성은 지구의 자전속도와 같은 속도로 운동할 수 있다. 이 때문에 위성은 언제나 지표상의 한 지점에 고정된 것처럼 보인다.
이용 지상에서 이용자에게 계속적으로 보내는 TV와 원거리 통신 서비스를 항상 같은 지점에서 받을 수 있기 때문에 통신위성에게 적합한 궤도이다. 또한 주어진 지역의 날씨나 환경상태를 끝임없이 관측하기에 알맞다.
NOAA의 GOES-East (남,북 아메리카 지역)
NOAA의 GOES-West (태평양 지역)
Meteosat (유럽과 아프리카 지역)
GMS (일본과 호주 지역)
극 궤도 위성
궤도형태, 특성, 이용, 예 의 정보가 제공됩니다.
궤도형태 궤도형태 이미지 궤도형태 이 궤도에서는 위성이 저궤도로 회전하기 때문에 지표의 전체를 관측할 수 있다. 대부분의 궤도는 700에서 800 km 고도 사이에 있으며 98분에서 102분 마다 한번씩 회전한다.
특성 만약 궤도면이 진북-남방향에서 기울어져 있다면 지구 중력장의 비대칭적인 인력이 궤도를 이동시킨다. 태양 정지궤도는 98.7도의 경사를 갖는 극궤도에 가까운 특별한 경우인데 지구가 태양주위를 공전함으로써 하루 약 1도씩 변하는 지방시(local time)가 항상 같도록 이동한다. 경사진 궤도에 있어서는 위성이 극지방을 지나지는 않기 때문에 관측영역이 지구 전체가 될 수는 없다. 그러나 극궤도에 가깝다면 위성의 관측기구는 보통 극지방을 관측할 수 있다.
이용 이 궤도는 지구 정지궤도보다 더 나은 분해능으로 전지구의 매일의 모습을 제공한다. 위성이 정확히 극을 지나지 않더라도 관측기구가 충분히 극지방을 관측할 수 있도록 가깝게 다가가 실제로 지구 전체의 모습을 제공할 수 있다. 원격탐사 위성(예:Landsat, 또는 SPOT)은 일지구관측 위성보다 나은 여러개의 스펙트럼 범위와 높은 분해능을 갖고 있다.
NOAA/POES와 DMSP (기상위성)
Landsat과 SPOT (원격탐사위성)
지구 주위를 도는 위성은

중력만이 작용한다면 그 궤도를 영원히 유지할 것이다. 그러나 2000KM 이하의 위성들은 실제로 지구의 대기를 통과하여 이동한다. 이러한 높은 고도라 하더라도 대기입자와의 충돌은 천천히 궤도를 원형으로 변화시키고 느려지게 해서 우주선의 낮은 고도를 떨어지게 한다.

대기에 의한 끌림

대기에 의한 끌림 이미지

지구 주위를 도는 위성은 중력만이 작용한다면 그 궤도를 영원히 유지할 것이다. 그러나 2000 km 이하의 위성들은 실제로 지구의 대기를 통과하여 이동한다. 이러한 높은 고도라 하더라도 대기입자와의 충돌은 천천히 궤도를 원형으로 변화시키고 느려지게 해서 우주선이 낮은 고도로 떨어지게 한다.

"우주전파환경 교란이 일어나는 동안 높은 고도에서는 대기가 극적으로 팽창한다. 영상의 붉은 지역 안에서는 대기의 밀도가 상대적으로 조용한 자기폭풍의 경우보다 20% 초과하여 증가한다. 규모가 큰 폭풍인 경우 쉽게 100% 초과하기도 한다. 더욱 중요한 것은 이러한 현상은 저지구궤도 위성이 지나는 대기의 밀도가 예측할 수 없고 불규칙적으로 변한다는 것이다. 우주전파환경 교란에 의해 사실상 우주공간의 수천개의 물체가 그 궤도를 벗어나게 되고 지상에서 이를 다시 수정해 주어야 한다.“

어떻게 우주전파환경과 연관될까?

대기 입자의 밀도는 태양활동, 계절, 경위도, 지역시, 그리고 자기폭풍 상태 등과 같은 변화에 민감하게 반응한다. X선과 자외선을 비롯한 태양의 방출이 상층대기를 가열하여 팽창시킨다. 이러한 고에너지 태양 방출 물질은 태양활동 극대기에서 극적으로 증가한다. 만약 자기활동이 지구에서도 시작된다면 상층 대기를 흐르는 증가된 전류와 고위도에서 고속의 입자들에 의해 축척된 에너지가 급격하게 이 지역의 대기를 가열하여 팽창시키게 된다.

인공위성의 수명은 얼마나 될까?

인공위성의 수명은 그 고도와 밀접한 관련이 있다. 300 km의 고도에서 위성은 (태양활동 정도에 따라) 20~50일 정도 지나면 지상으로 떨어져 타버린다. 180 km에서 위성의 수명은 수시간에 불과하다.

위성재진입-skylab문제

인공위성 궤도의 대기밀도 예측의 모든 불확실성 때문에 가장 복잡한 프로그램 조차도 위성의 재진입 시간을 10% 또는 2.4 시간 이내의 정확도로 결정할 수 없다. 위성은 매우 빨라서 2시간 안에 지구를 1회전 할 수 있다. 가장 큰 문제는 위성 재진입의 위치를 예측하는 것이 불가능하다는 것이다. 이러한 문제를 해결하는데 있어 우주전파환경과 기후, 그리고 그에 대한 지구상층대기의 반응에 대한 보다 정확한 지식이 꼭 필요하다. 대부분의 위성은 낙하하는 동안 모두 타버리기 때문에 재진입의 위치는 거의 문제가 되지 않는다. 그러나 때에 따라 매우 큰 우주장비인 Skylab과 같은 경우에는 우주선의 부분들이 땅에 떨어질 수도 있다.

인공위성 실종

인공위성 실종 이미지

NORAD는 특정 크기 이상의 지구주위를 도는 물체의 위치를 추적하는 책임기관이다. 큰 규모의 자기폭풍 활동이 일어나면 대기는 가열되고 팽창되어 지구주위 궤도를 도는 위성을 더 많이 끌어 당기게 된다. 이 위성들은 속도가 줄어서 그 궤도를 바꾸게 된다. NORAD는 대규모의 자기폭풍 현상이 일어난 후에는 수백 개의 물체를 다시 식별해서 새로운 궤도를 보고해야 한다. 태양극대기와 같은 이러한 폭풍현상동안 우주선이 대기의 끌림 현상 증가로 인한 "벽돌에 부딪친 듯이 떨어지는" 현상이 보고되었다.

태양판 전지의 성능 저하

태양판 전지 이미지

태양전지는 우주선의 시스템의 전력으로 사용하기 위해 태양빛을 에너지로 바꾼다. 이것은 고속의 태양입자에 의한 피해에 매우 민감한 물체인 반도체로 이루어져 있다.

보통의 경우 태양으로부터 오는 빛은 태양전지에 있는 물질에 의해 흡수되어서 반도체의 결정 배열안에 있던 전자를 차낸다. 이러한 전자의 흐름이 우주선의 장비들의 전력으로 사용될 전류를 만든다.

그러나 대규모의 태양입자 방출현상이 있을 경우, 고속의 이온들이 반도체 물질에 부딪쳐 결정 배열로부터 전자를 유리시킨다. 이것은 반도체 물질의 성능을 저하시키며 우주선을 위한 에너지 생성이 가능한 태양전지의 수명을 감소시킨다. 한예로 1989년 10월, GOES 위성의 태양전지판은 몇일간 지속된 단 한 번의 태양 프로톤 현상으로 인하여 6년의 작동 수명을 잃게 되었다. 1990년 3월 비슷한 현상으로 인하여 우주선의 태양전지판의 수명이 3년 줄게 되었다.

태양전지는 어떻게 작동할까?

태양전지는 소량의 전류를 만드는 개개의 태양전지가 여러개 모여 이루어진다. 각각의 전지는 두 개의 다른 반도체의 층으로 이루어졌다 : 자유 구멍을 가진 P-층 위에 자유전자를 가진 N-층이 있다. 두 개의 층이 만나는 곳에서 N-층의 자유전자가 이동하여 P-층의 구멍을 채운다. 그 결과 전하량을 가지고 있지 않던 P-층이 전자를 얻음으로써 음의 전하량을 갖게 되고 역시 전하량을 가지고 있지 않던 N-층도 전자를 잃음으로써 양의 전하량을 갖게 된다.

태양 빛이 전지에 도달하면 전자는 결정격자를 때린다. 자유전자는 양으로 대전된 N-층을 향하여 이동하며 전류를 발생한다. 전류는 회로를 닫힌 회로를 따라 흐르게 되며 되돌아온 전자는 이미 비어있던 구멍을 채운다

태양전지 배열에 부딪친 고속의 이온들 또한 전자를 유리 시킴으로써 반도체 물질의 성능을 저하시키고 태양전지 배열의 궤도 유지 수명을 제한한다. 태양전지판은 주로 다른 민감한 전자들에 의해 작동되므로 피해를 주는 복사선들로부터 보호될 수 없다. 태양빛이 태양전지에 입사하는 것을 막는다면 인공위성의 전력원을 차단하게 된다.

전기방전

전기방전 이미지
현재의 지구근접 공간 고속전자의 레벨은?

SAMPEX 우주선은 고속의 태양풍 흐름과 다량의 고에너지 전자의 자기장 출현의 관계를 보여주었다. 이 일련의 자료들은 1997년 발생현상의 전자에 대해 증명되었다. Courtesy of Dan Baker, LASP and NASA

자기장애 나타나는 고속전자의 위험수위

고속의 태양풍 흐름이 지구를 통과해 불어나간후 수 일이 지나 자기장 깊숙한 곳에서 고속의 전자가 나타난다. 이 현상의 정확한 원인은 아직 알려지지 않았다. 이 전자들은 너무 많은 에너지를 가지고 있어서 우주선 내부 깊은 곳의 유전체에서 탈 수 있으므로 우주선 작동에 극히 위험하다. 유전체는 우주선의 동축케이블, 회로기판, 그리고 다른 전자부품을 만드는데 사용된다.

우주선 피해

만약 깊숙히 침투한 전자들이 증가하면 유전체의 전하는 금속에서 누출될 수 있는 전하보다 빨리 금속의 손상전위를 초과하는 전위를 발생시킬 수 있다. 이러한 현상이 일어나면, 반도체와 민감한 기기에 손상을 입히는 방전현상이 일어날 수 있다. 이러한 현상이 발생하는지의 여부는 특별한 우주선의 설계와 우주선에 부딪히는 고속(> 1 MeV = 1 백만 eV)전자의 총량에 달려있다.

허위명령 (우주복사선)

허위명령 이미지

고속의 이온들은 반도체 기기를 통과하여 지날 때 기기내에 전류를 흐르게 하는 수많은 전자와 구멍을 만든다. 실제로 충돌시에 반도체에 축적된 매 3.6 eV의 에너지마다 하나의 전자와 구멍 쌍이 생긴다. 반도체 기기의 올바른 기능은 이용 가능한 전자와 구멍의 적절한 통제에 의해 기기내에 흐르는 전류를 조절함으로써 가능하다. 만약 기억장치와 같은 민감한 부분에 많은 수의 전자-구멍 쌍이 들어가게 되면 컴퓨터에 저장된 정보가 바뀌고 허위 명령을 내릴 수 있다. 치명적인 피해를 입지 않은 다른 회로가 이 허위정보를 가지고 계속 임무를 수행할 수 있다. 제어부나 판단 회로가 이러한 피해를 입게 되면 인공위성은 쓸모없게 될 수도 있다. 제어부는 재시작 선택이 없는 곳에 부적절한 방식으로 변경하면 회로는 다 타버리게 된다. 추진부나 위성 위치제어부가 이러한 피해를 입으면 최악의 문제가 생긴다. 이러한 상황이 반도체의 성능을 저하시키고 궤도유지 기간을 제한한다.

고주파 복사선이나

빠르게 움직이는 입자는 세포를 구성하고 있는 분자들로부터 전자를 방출시킬만큼 충분한 에너지를 가지고 살아있는 세포로 들어간다.
이 때 전자를 잃어버린 분자들은 이온이라 부르는데 이온이 있으면 세포의 고유 기능들이 파괴된다.

세포들의 피해

복사선의 파괴력
복사선의 파괴력 이미지

고주파 복사선이나 빠르게 움직이는 입자는 세포를 구성하고 있는 분자들로부터 전자를 방출시킬만큼 충분한 에너지를 가지고 살아있는 세포로 들어간다. 이 때 전자를 잃어버린 분자들을 이온이라 부르는데 이온이 있으면 세포의 고유 기능들이 파괴된다.

세포의 가장 치명적인 피해는 DNA(Deoxyribo Nucleic Acid)가 손상되었을 때이다. DNA는 세포의 가장 중요한 요소이며 새로운 세포 생산의 모든 명령을 포함하고 있다. DNA는 서로 꼬여 화학적 아단위에 의해 연결된 두개의 긴 가닥으로 이루어진 복잡한 분자이다.

세포내의 DNS를 손상시키는 복사선의 주요한 두가지 피해

몸안에 있는 수분은 복사선의 상당 부분을 흡수하여 이온화되는 경향이 있다. 수분은 이온화되면 자유기 (radical)라는 매우 민감하게 반응하는 분자를 만든다. 이 자유기는 DNA 분자와 반응하여 손상을 입힌다. 또다른 방법으로 복사선은 그 자체로 DNA 분자와 충돌하여 이온화시키고 직접적으로 손상을 입힌다.

복사선에 의한 병의 증세

회복이 느린 중화상, 불임, 암, 그리고 다른 기관들의 손상. 다량을 쐬었을 경우 급히 (수 일이나 수 주안에) 사망. 돌연변이 또는 DNA의 변화가 자손에게 유전될 수 있다. 돌연변이는 나쁜 쪽으로 일어나는 경향이 있다.

세포들의 재생 가능성

세포들의 재생 이미지

세포들이 스스로 재생할 수 있는가는 DNA의 피해정도에 달려있다.

피해정도, DNA 재생 가능성의 정보가 제공됩니다.
피해정도 DNA 재생 가능성
DNA의 한가닥이 파괴됐을 때 보통 재생할 수 있으며 일반적인 세포 기능이 되살아난다.
DNA 두가닥이 모두 파괴됐을 때 재생하기엔 심하게 파괴되었다.
세포가 죽는다.
화학적 변화 또는 변이 재생될 수 없다.
암이 생기거나 정자나 난자에서 일어난다면 변이된 자손이 생길 수 있다.
피부, 눈, 그리고 조혈기관 등에 포함된 빨리 재생되는 세포들은 가장 피해에 민감하다. 이러한 세포들은 스스로 재생되기보다는 쉽게 복제되기 때문이다. 보통 이러한 기관에 따라 허용되는 복사량은 다르다.

방사선에 대한 노출정도

일반인의 방사선 노출(mSv)
[직업인]
노출시간, 방사선 노출한계의 정보가 제공됩니다.
노출시간 방사선 노출한계(milliSieverts)
년간 50
일생동안 나이 (년) x 10 mSv
위급상황 100
[일반인]
노출시간, 방사선 노출한계의 정보가 제공됩니다.
노출시간 방사선 노출한계(milliSieverts)
년간(계속적으로) 1
년간(산발적으로) 5
우리는 일년동안 얼마나 많은 복사선에 노출되어 있을까?
복사선 그래프 이미지
  • 공기중의 라돈 2 mSv (56%)
  • 의학, 치과 X선 0.39 mSv (11%)
  • 신체내의 자연방사물질 0.39 mSv (11%)
  • 우주선 0.28 mSv (8%)
  • 건축자재, 암석 0.28 mSv (8%)
  • 원자핵 의학 실험 0.14 mSv (4%)
  • 기타 0.1 mSv (3%)
태양주기 극대기에

우주정거장을 건설하면 대규모의 태양입자 현상에 우주비행사가 노출될 위험이 증가하게 된다. 우주비행사들은 특히 우주복사선에 직접적으로 노출되는 비행선 외부작업시에 매우 취약하게 된다. 위험한 태양입자 현상의 도달을 빨리 경고한다면 우주비행사들은 우주선 안으로 들어가 보호될 수 있을 것이다.

복사선의 치사 한계랑

복사선의 치사 한계랑 이미지
복사선의 치사 한계랑의 정보가 제공됩니다.
4000 millisieverts 평균 치사량
3500 millisieverts 남성 불임
2500 millisieverts 여성 불임
1000 millisieverts 복사선에 의한 질환
0.02 millisieverts 흉부 X선
0.002 millisieverts 5 시간 대륙횡단 비행
0.001 millisieverts 치과용 X선

태양의 프론톤 현상

태양의 프론톤 현상 이미지

태양은 매우 강력한 자연 입자가속기이다. 태양은 이온을 수천 억 전자볼트의 에너지까지 가속시켜 지구로 보낼 수 있다. 이러한 현상은 플레어나 코로나 물질방출(CME)과 같은 태양의 폭발적인 현상의 자연적인 결과로 발생하는데 이런 높은 에너지를 가진 이온은 살아있는 세포에게는 극히 위험하다.

관측된 가장 큰 태양 프로톤 현상 중 하나가 유인 우주선 아폴로 16호와 17호 사이에 발생하여 지구에 도달했다. 운 좋게도 그 시간에 우주비행사들은 지구 대기의 보호막 안에 있었다. 컴퓨터 모의 실행 결과 이 현상이 일어나는 동안 우주선 안에 있는 우주비행사가 받았을 복사선의 양이 그림으로 보여진다. 놀랍게도 우주선 안에서 일지라도 우주비행사들은 이 현상이 일어난 후 10 시간 이내에 치사량의 복사선을 받게 된다. 4000 mSv는 아무런 조치없이 1회에 받을 경우 평균 치사량이며 또한 눈에 받는 복사량의 일생 동안의 한계이다.

태양활동과 우주비행사

태양활동과 우주비행사 이미지

태양주기 극대기에 우주정거장을 건설하면 대규모의 태양입자 현상에 우주비행사가 노출될 위험이 증가하게 된다. 우주비행사들은 특히 우주복사선에 직접적으로 노출되는 비행선 외부작업시에 매우 취약하게 된다. 위험한 태양입자 현상의 도달을 빨리 경고한다면 우주비행사들은 우주선 안으로 들어가 보호될 수 있을 것이다.

전류는

전자가 구리선과 같은 도체물질을 타고 흐르는 것이다.
전자는 보이지 않기 때문에 어떻게 회로가 작동되는지 기본적으로 이해하는데는 전자회로와 유사하게 행동하는 역학계를 실험하는것이 도움이 된다.

전자회로와 역학계의 비교

일반인의 방사선 노출(mSv)
일반인의 방사선 노출 이미지

전류는 전자가 구리선과 같은 도체물질을 타고 흐르는 것이다. 전자는 보이지 않기 때문에 어떻게 회로가 작동하는지 기본적으로 이해하는데는 전자회로와 유사하게 행동하는 역학계를 실험하는 것이 도움이 된다. 이 역학계는 폐쇄된 관을 통하여 물을 밀어내는 펌프로 구성되어 있다. 만약 전류가 관에 흐르는 물과 같다고 상상하면 두 계에 있어서 각 부분은 다음과 같이 관계된다.

관은 전자회로의 전선과 같다. 펌프는 전지와 같다. 펌프에 의해 생기는 압력은 물이 관을 통과하도록 하는데, 이것은 전지에 의해 생긴 전압이 전자를 회로에 흐르도록 하는 것과 같다.

관에 들어있는 조개껍데기는 물의 흐름을 방해하는데 양끝의 압력차를 일으킨다. 같은 방식으로 전자회로에 있어서 저항은 전류의 흐름을 방해하고 양끝의 전압을 떨어뜨린다. 저항을 지나면 에너지를 잃고 열이 난다.

회로에 있어서 전력은 전압과 전류의 산물로 얻어진다. 높은 전압과 낮은 전류로 얻어지는 전압은 낮은 전압과 높은 전류로 얻을 수 있다. 그러나 전류가 더 높아지면 회로를 통과할때 전선을 가열함으로써 더 많은 에너지를 잃는다. 이것이 전력선을 따라 전기에너지를 수송할 때 높은 전압과 낮은 전류를 사용하는 이유이다

직류와 교류

직류란 무엇인가?
직류 이미지

직류(DC)는 전자회로를 통과할 때 항상 같은 방향으로 흐른다. 전자는 계속해서 전지의 음극에서 양극으로 흐른다. 전선에 전류가 흐르지 않을 때에도 전선이 유한한 온도를 가지고 있으므로 그 안의 전자는 1초에 1000 km의 속도로 움직인다.

한 전자가 앞으로 움직임과 동시에 다른 전자가 반대로 움직이므로 전선을 통과하는 전체적인 전하는 0이다. 만약 전지가 전선으로 연결되면 전자는 모두 전선을 따라 같은 방향으로 떠밀릴 것이다. 전선을 통과하는 전자의 속도는 1초에 몇 mm밖에 안된다. 그래서 하나의 전자가 회로를 한바퀴 도는데 긴 시간이 걸린다. 그러나 매우 많은 전자들이 있어서 도미노처럼 서로 충돌하여 회로는 빛의 속도까지 빨리 흐르게 된다.

교류란 무엇인가?

가정의 전기 코드는 교류(AC)이다. 전선에서 전자는 1초에 60번 방향을 바꾼다. 우리가 사용하는 전기기구는 전자가 움직이는 방향은 상관없다. 전류의 방향과는 상관없이 같은 양의 전류가 회로를 통해 흐른다.

우주전파환경 효과

전력 분배망은 가정에서 쓰는 교류로 다루도록 되어있다. 자기폭풍은 이러한 분배망에 직류 전류가 생기도록 한다.

전압기 가정수송(전자공급)

전압기 가정 수송(전자 공급)
전압기 가정 수송 이미지

가정과 업체에 공급되는 전력은 AC(교류)이다. 전자들은 전력선을 따라 이동하지 않고 이 선안에서 1초에 60번 앞뒤로 진동한다. 가정의 AC 단자는 전자가 아니라 에너지를 공급한다. 기구의 플러그를 꼽으면 단자는 이미 기구의 배선안에 있는 전자들이 움직여 폐회로 주위에 전류를 흐르게 하도록 전력을 공급한다. 각 가정으로 공급되는 에너지는 매우 크고 복잡한 전력분배망을 통하여 전압의 형태로 전달된다. 발전소에서 만들어진 전력은 전선을 통해 소비자에게 전달된다. 이러한 과정은 몇 단계를 거친다.

발전소에서 매우 높은 전류로 보내는 전력은 수천 볼트의 전압을 갖는다. 공중 전선을 통과하는 동안의 에너지 손실을 줄이기 위해서 수십만 볼트로 전압을 높인다. 전력이 사업용 사용자에게 도착하기 전에 전압 다시 수천 볼트로 낮춘다. 가정용으로 사용하기 위해 전압을 110 볼트나 220 볼트까지 낮춘다. 전압을 낮출 때 변압기를 사용한다. 변압기는 교류 전류의 전압을 높이거나 낮출 때 사용하는 기구이다. 전력배전망이 일상적으로 다루는 일반적인 교류 전류에 직류 전류(DC)가 함께 들어오게 되면 작동이 불량하게 된다. 이것이 전력배전망이 우주전파환경 사건에 의해 위협받는 주된 이유이다.

변압기

높은 전압이 전력손실을 줄인다.
변압기 이미지

전력분배망이 제기능을 하기 위해서는 전력이 전선을 따라 먼 거리까지 전송되기 전에 전압을 높여야만 한다. 발전소에서 소비자에게 도달하는 사이에 전력손실이 일어난다는 것은 전류가 전송선에 열을 발생시키는데 전력을 소비한다는 것이므로 큰 문제가 된다. 전선을 따라 전달되는 전력은 전압과 전류의 곱과 같다. 같은 전력을 전달하기 위해서는 전송선 내에 전류가 낮아질수록 전압은 높아져야 한다. 낮은 전류는 열을 적게 발생시키고 전력손실을 줄이게 된다. 물론 높은 전압은 가정으로 공급되기 전에 낮추어져야만 한다. 변압기는 각 전송선의 끝에서 전압을 올리고 낮추는 결정적인 요소이다.

변압기는 무엇인가?

변압기는 전선이 하나는 많게, 하나는 적게 감긴 철심의 쌍이다. 철심에 감긴 코일은 물리적으로는 연결되어 있지 않다. 철심은 전기가 잘통하지 않는 절연기름통에 잠겨져 있다.

어떻게 작동하나?

변압기 작동을 위한 물리적 과정은 전자기 유도 과정이다. 구리선과 같은 전도체가 변화하는 자기장에 놓이면 전도체에는 전류가 흐르게 된다. 이러한 전류는 안정적이지 않고 변화한다. 반대로 변화하는 전류가 존재한다면 변화하는 자기장이 형성된다. 우리 가정과 전력분배망에 흐르는 전형적인 전류는 매초 60 회씩 방향을 바꾼다. 이 전류의 흐름으로 모든 전선 주위에는 자기장이 형성된다.

변압기는 AC 회로에서만 작동한다. 변화하는 AC 전류가 변압기의 1차 코일에 들어온다. 변압기의 철심에 집중된 자기장이 형성된다. 2차 코일은 1차코일과는 연결되어 있지 않으며 철심에 감겨있다. 1차 코일에 의해 형성된 변화하는 자기장이 2차 코일에 영향을 주어 전선에 전류가 흐르도록 한다. 2차 코일은 1차 코일보다 더 많이 감겨 있어서 전류에 대해 더 높은 저항을 갖는다. 더 큰 저항은 코일의 시작과 끝에서의 전압차가 1차 코일보다 더 크도록 한다. 그래서 낮은 전압이 변압기에 들어와서 높은 전압으로 나가거나, 높은 전압으로 들어와서 낮은 전압으로 나간다.

전력은 어떻게 변압기를 통하여 이동하는가?

그러나 전압기는 수동적인 기구이다 - 전력이 증가하지 않는다. 전력은 전압과 전류의 곱과 같다. 전압이 증가하면 전류는 감소한다. 변압기는 처음 들어온 낮은 전압과 높은 전류에 의한 전력과 거의 같은 전력을 높은 전압과 낮은 전류로 전송선을 통해 내보낸다. 대부분의 변압기는 평상시 환경에서 들어온 전력의 99% 를 전달하는 고효율로 작동한다. (약 1% 는 변압기에서 열로 손실된다.)

전파는 공기중에서

초당 30만 KM의 속도로 이동한다.
이에 비하면 음속은 약 320KM의 속도밖에 안된다.
만약 원래 음파의 진폭과 주파수 특성을 정확히 재생할 수 있는 전파를 만드는 변조가 가능하다면 소리는 먼 거리에도 빠르게 전달될 수 있을 것이다.

전력 배전망에 대한 영향

전력 배전망 이미지
지구 대기권에 흐르는 전류가 지각과 바다에 전류를 유도시킨다.

우주전파환경 교란이 일어나는 동안에는 전자기 유도가 대규모로 발생한다. 백만 A(암페어) 가량의 전류가 고위도의 이온층에 흐르며 오로라와 대기가열 효과를 일이킨다. 이러한 전류는 안정적이지 않아서 시간적, 공간적으로 끊임없이 요동친다. 요동치는 전류는 지표면에서도 느낄 수 있는 불안정한 자기장을 만든다. 이 끊임없이 변하는 자기장 때문에 지각의 암반이나 바닷물, 또는 인간이 설치한 긴 구조물(송유관, 해저케이블, 전력선 등)과 같은 대규모의 전도체에 전류가 흐른다.

어떻게 전력배전망이 영향받는가?

우주전파환경 교란이 일어나는 동안에는 전자기 유도가 대규모로 발생한다. 백만 A(암페어) 가량의 전류가 고위도의 이온층에 흐르며 오로라와 대기가열 효과를 일이킨다. 이러한 전류는 안정적이지 않아서 시간적, 공간적으로 끊임없이 요동친다. 요동치는 전류는 지표면에서도 느낄 수 있는 불안정한 자기장을 만든다. 이 끊임없이 변하는 자기장 때문에 지각의 암반이나 바닷물, 또는 인간이 설치한 긴 구조물(송유관, 해저케이블, 전력선 등)과 같은 대규모의 전도체에 전류가 흐른다.

변압기의 파손

변압기의 파손 이미지

변압기는 전력원이 아니다. 큰 전류를 흐르게 하는 작은 전압을 작은 전류의 큰 전압으로 바꿔주거나 또는 그 반대로 하는 지레와 같은 기능을 한다. 전자회로의 동력은 전압과 전류의 곱과 같다. 완벽한 변압기의 경우 들어오는 동력과 나가는 동력은 같다. 만약 변압기가 불완전하다면 들어오는 동력의 일부가 열로 변한다.

변압기는 교류에서만 사용되는 것인데 우주전파환경 교란에 의해 전력선에 유도되는 전류는 직류이다. 변압기는 보통 99%의 효율로 작동되면 기능장애가 시작되는데 이 직류로 인해 효율이 떨어진다. 자기플럭스는 변압기의 철심안에 더이상 집중되지 않으며 이를 견디도록 설계되지 않은 부분에 충격을 준다. 동력은 열로 변환되기 시작한다. 변압기는 시끄럽게 소리를 내며 과열된다. 기름이 타고 변압기의 부품들이 녹아내린다. 이러한 일은 하나의 변압기에서만 일어나는 일이 아니라 배전망 내에 있는 모든 영향을 받은 변압기에서 동시에 일어난다. 어떤 변압기는 타버리기도 한다. 어떤 변압기는 자기폭풍 때 입은 피해로 단번에 고장나지 않지만 수명이 현저히 줄기도 한다.

정전 현상

1999년 3월 퀘백 수력발전소의 정전
정전 이미지

1989년 3월 13일 오전 2시 44분, 퀘벡 수력발전소 시스템의 주전력 전송선 중의 한부분에서 일어난 변압기 파손이 전체 전력배전망의 붕괴를 초래했다. 붕괴를 일으킨 사건은 시작 이후 90초만에 끝났다. 어떠한 조치도 취할 시간이 없었다. 변압기 파손은 대기권 상층부의 우주전파환경 교란에 의해 지상에 유도된 전류가 직접적인 원인이었다. 6백만 인구가 9시간 이상 전력공급없이 지냈다.

이러한 피해를 일으킨 우주전파환경 교란은 거대한 자기폭풍이었다. 거대한 자기폭풍은 비교적 드물게 나타나는 지구근접 우주전파환경의 대규모 교란이다. 1986년 2월, 1989년 3월, 1991년 3월 1991년 11월 그리고 1992년 5월에 발생했다. 크고 거대한 폭풍의 발생빈도는 태양활동 극대기로 접어들면서 눈에 띄게 증가하고 있다. 다음 태양활동 극대기는 2000 년이다(지난 태양극대기는 1989년이었다). 임박한 우주전파환경에 대한 더욱 정확한 예보는 전력회사가 민감한 회로와 대체장비의 부하를 줄이고, 민감한 장비들이 접지되어 크게 전압강하하는 것을 막고, 폭풍 발생시 자동으로 전력망을 보호하도록 시스템을 설계함으로써 지혜롭게 대처할 수 있도록 한다. 이것이 막대한 비용과 위험을 초래하는 정전사태가 우주전파환경에 의해 발생되는 것을 막는 가장 좋은 방법이다.

정전이 일으키는 문제

전력분배망이 제기능을 하기 위해서는 전력이 전선을 따라 먼 거리까지 전송되기 전에 전압을 높여야만 한다. 발전소에서 소비자에게 도달하는 사이에 전력손실이 일어난다는 것은 전류가 전송선에 열을 발생시키는데 전력을 소비한다는 것이므로 큰 문제가 된다. 전선을 따라 전달되는 전력은 전압과 전류의 곱과 같다. 같은 전력을 전달하기 위해서는 전송선 내에 전류가 낮아질수록 전압은 높아져야 한다. 낮은 전류는 열을 적게 발생시키고 전력손실을 줄이게 된다. 물론 높은 전압은 가정으로 공급되기 전에 낮추어져야만 한다. 변압기는 각 전송선의 끝에서 전압을 올리고 낮추는 결정적인 요소이다.

여분의 변압기가 없다

큰 변압기들은 매우 비싸다(~100억원). 변압기의 큰 고장은 자주 일어나는 일이 아니기 때문에 발전소는 여분의 변압기를 준비하지 않는다. 새 변압기를 주문하고 배달되는데 걸리는 시간은 매우 중요한데 1 년이 걸리기도 한다. 새 변압기를 기다리는 동안은 발전소를 가동할 수 없다.

복구시 걸리는 부하

전기제품을 가동시킬 때는 언제나 그 기기가 평상시 작동에 필요로 하는 동력보다 큰 순간전력이 필요하다. 그 예로 형광등을 켤 때 필요한 순간전력은 평상시 필요한 동력보다 약 10 배가 크다. 평상시의 전력 배전망 작동에서는 모든 가정의 기구들은 동시에 켜지지 않고 임의의 시간에 산발적으로 켜진다. 정전 이후에는 모든 난방기구나 냉방기구들, 그리고 다른 많은 기구들이 동시에 켜질 것이다. 기구들이 켜질 때 요구되는 전력은 평상시 전력 분배망이 요구하는 양보다 훨씬 크다.

배손망 파손에 따른 손실 비용

배손망 파손 이미지

퀘벡 수력발전소의 전력 배전망 전정은 태양폭풍에 의한 손실이 얼마나 큰지를 보여준다. 퀘벡 발전소의 손실은 100억원을 초과한다. 퀘벡 발전소의 전력 수요자들은 수백에서 수천억원의 손실을 감당해야 했다. 대규모 지역의 정전동안 60억 명의 전력 중단은 그 손실이 태풍이나 지진과 같은 정도였다.

정전에 의한 실제 손실

대규모의 정전에 의한 손실은 그 이유와 상관없이 금전적인 손실 이상의 의미가 있다. 이러한 때에는 공공 운송수단이나 보안과 같은 위급한 공공 서비스는 와해된다. 겨울철 혹한기에 발생하는 정전사태는 전열계를 마비시킴으로써 인명을 위협할 수도 있다. 다른 형태의 에너지를 쓰는 전열기라도 온도자동 조절장치나 점화조절을 작동할 때 전기를 이용한다. 발전설비의 종류에 따라 이러한 규모의 정전은 잠재적으로 수 시간에서 수일 지속되기도 한다.

우주전파환경예보와 전력배전망

전력배전망이 더욱 커지고, 길어지고, 더욱 복잡해짐에 따라 우주전파환경에 의해 유도되는 전류에 더욱 민감해졌다. 이러한 전력배전망의 파손은 불편함 뿐만 아니라 중대한 경제적 손실을 줄 수 있으며 잠재적으로 인명의 피해도 가져올 수 있다. 더욱 정확한 우주전파환경 사건의 예보는 전력회사가 퀘벡 발전소 정전사태와 같은 손실을 막기 위한 준비를 할 수 있도록 도와줄 것이다.

항공과 우주전파환경

항공과 우주전파환경 이미지

항공과 우주전파환경 태양흑점폭발과 함께 방출된 태양물질들은 지구 자기장을 따라 지구로 유입됩니다. 이 태양방출물질은 주로 양성자, 전자로 구성되는데, 특히 이 양성자는 지구 대기권과 충돌하여 산란되어 대부분 소멸되지만, 높은 고도에서는 지구 대기의 원자나 분자와 충돌하여 우주방사선을 생성합니다.

우주방사선의 단위는 인체에 미치는 영향의 단위인 유효방사선량(EFFECTIVE RADIATION DOSE)인 시버트(Sv)로 나타냅니다.

이 우주방사선은 지자기 위도, 고도에 따라 증가하게 되며, 특히 태양흑점폭발과 같이 급격한 태양활동이 발생할 경우, 극항로를 운항하는 항공기에 방사선 피폭 피해를 유발하게 됩니다.

국내외 주요기관들은 항공기 승무원 및 일반인에 대한 우주방사선량을 각각 6mSv와 1mSv로 규정하고 우주방사선 피폭량을 관리하고 있습니다. 또한 국내외 항공사들은 3단계 이상의 태양흑점 폭발이 발생할 경우, 극항로 운항을 지양하고 그보다 낮은 항로를 채택하여 방사선 위험을 감소시키거나, 비행계획을 연기하는 등 비상절차에 따라 대응하고 있습니다.

1920년대 전기적으로

용접하여 솔기가 없어 물질을 고압으로 운송할 수 있는 파이프의 발명은 수천 킬로미터 이상의 유용한 관로의 건설을 가능하게 하였다. 현재 우리나라와 세계의 여라나라들이 천연가스, 석유, 물, 그리고 여러 다른 물질들을 원산지로부터 소비자에게 까지 수송하는 거대한 관로의 망으로 교차되어 있다.

수송관로의 전류흐름

수송관로

1920년대 전기적으로 용접하여 솔기가 없어 물질을 고압으로 운송할 수 있는 파이프의 발명은 수천 킬로미터 이상의 유용한 관로의 건설을 가능하게 하였다. 현재 우리나라와 세계의 여러나라들이 천연가스, 석유, 물, 그리고 여러 다른 물질들을 원산지로부터 소비자에게 까지 수송하는 거대한 관로의 망으로 교차되어 있다. 관안의 압력은 50에서 2000 pounds per square inch 범위이다. 매 30에서 150마일마다 천연가스 압축기 또는 액체나 고체 물질 흡수기가 압력을 끌어올려 물질을 관로를 따라 이동시킨다. 땅속에 묻힌 관은 동파나 홍수, 토양부식으로 인한 누출이 있을 수 있다. 일반적으로 부식을 막기 위해 관에 타르나 다른 물질들을 입힌다. 부식은 관을 이루는 물질과 자연환경 사이의 화학적 상호작용 때문에 일어난다

전파는 공기중에서

초당 30만 KM의 속도로 이동한다.
이에 비하면 음속은 약 320KM의 속도밖에 안된다.
만약 원래 음파의 진폭과 주파수 특성을 정확히 재생할 수 있는 전파를 만드는 변조가 가능하다면 소리는 먼 거리에도 빠르게 전달될 수 있을 것이다.

비둘기의 이동

비둘기의 이동 이미지

지구상의 어떤 동물들은 (전령 비둘기와 같은) 지구의 자기장을 감지할 수 있으며 그것을 비행에 이용한다. 전령 비둘기들은 익숙하지 않은 지역을 통과하여 이틀만에 1600 km 이상을 날아서 고향으로 돌아온다고 알려져 있다.

비둘기의 경우 이러한 능력은 특별한 사육에 의해서 길러진다. 전령 비둘기들은 제 1차 세계대전과 제 2차 세계대전, 그리고 한국전쟁에서도 미군들에 의해 이용되었다.

제 1차 세계대전에서 한 놀라운 비둘기는 총에 맞아 한쪽 다리를 잃고 상처입은 채로 24분만에 40 km를 날아가 전갈을 전했다. 군대에서 비둘기들은 1956년에 전자장비들로 대체되었지만 전령 비둘기 경주는 전세계적에서 즐기는 스포츠가 되었다.

우주전파환경의 교란

우주전파환경이 교란되는 동안 지구근처의 공간에 흐르는 강한 전류가 지구의 표면에서도 느낄 수 있는 자기장의 변동을 일으킨다. 이때 전령 비둘기들이 혼동을 일으키거나 길을 잃기도 한다는 것이 관측되었다.

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태양활동과 지구환경의 변화
태양은

대부분 수소와 헬륨으로 이루어진 항성이며 이외에 소량의 산소,
탄소, 네온, 질소, 마그네슘, 철, 실리콘등이 존재한다.
이를 물질들은 대부분 고온에서 플라즈마 상태로 존재하게 된다.

태양은

태양과 우리은하 이미지

태양은 우리 은하에 속해있는 천억개의 항성, 즉 스스로 빛을 발산할 수 있는 별들중에 하나이다.

태양과 지구크기 비교 이미지

태양은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어진 항성이며 이외에 소량의 산소, 탄소, 네온, 질소, 마그네슘, 철, 실리콘등이 존재한다. 이들 물질들은 대부분 고온에서 플라즈마 상태로 존재하게 된다. 겉으로 보이는 태양은 우주의 항성들 중에서 상대적을 작은 편에 속하며 황색을 나타낸다. 하지만 실제 크기는 지구를 백만개나 담을 수 있는 부피를 가진다. 태양의 반지름 약 700,000km로 지구보다 109배 더 크며 질량은 지구에 약 33만배 더 무겁다. 이러한 태양의 크기는 22cm의 축구공에 볼펜으로 작은 점(약 0.2cm)을 그리면 축구공은 태양의 크기이며 작은 점이 지구의 크기라고 생각하면 된다.

후버댐 이미지

또한 태양은 엄청난 열과 에너지의 원천이다. 표면온도는 5500도를 넘고 초당 3800억MW에 다시 10억을 곱한 만큼의 에너지를 생산한다. 지구상에서 가장 큰 댐인 후버댐 조차도 고작 2080W의 전력을 생산하고있으므로 태양의 에너지 생산력이 어마어마하다는 것을 알 수 있다.

최적의거리, 가까운태양, 멀리있는태양 이미지

이처럼 태양은 눈깜짝할 사이에 인류 역사상 생산했던 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하고 있다. 그리고 이러한 상태를 지난 수십억년 동안 유지해왔다는 사실에 더 놀라울 뿐이다. 과학자들은 태양이 이렇게 오랬동안 엄청난 에너지를 낼 수 있었던 것은 태양 중심에서의 핵융합반응때문이라고 생각하고 있다.

태양은 태양계의 중심으로 지구에 빛과 열 그리고 다른 에너지를 제공하여 지구에 다양한 생물들이 살 수 있도록 해줄 수 있기 때문에 아주 중요한 요소이다. 하지만 여기에는 지구와 태양사이의 거리가 매우 이상적으로 떨어져 있기 때문에 가능하다. 만일 태양이 지금보다 가까이 있다면 바다가 끓어오르며 땅이 녹아내릴 것이며 더 멀리 있다면 지구는 얼어붙은 불모지로 변할 것이다.

그러나 지금 지구는 너무 뜨겁지도 춥지도 않은 적당한 환경을 가지게 되었다. 어쩌면 태양으로부터 1억 5천만 km 떨어져 있다는 사실이 행운일지도 모른다

우리가 할일

태양의 활동은 우리 생활에 밀접한 관계에 있으며 앞으로도 언제든지
지금까지 인류가 이룩한 문명을 한 순간에 파괴할 수 있는 힘을 가지고 있다.
그리고 우리는 이런 사태를 미연에 방지하기 위해서 그만큼 태양의 활동을
예의주시해야하며 적절한 예보만이 피해를 줄일 수 있다.

우리가 할일

태양의 활동은 우리 생활에 밀접한 관계에 있으며 앞으로도 언제든지 지금까지 인류가 이룩한 문명을 한 순간에 파괴할 수 있는 힘을 가지고 있다. 그리고 우리는 이런 사태를 미연에 방지하기 위해서 그만큼 태양의 활동을 예의주시해야 하며 적절한 예보만이 피해를 줄일 수 있다. 날씨의 경우 지상에 폭풍이 발생할 징후가 보이면 일반인 들에게 경보를 울려 대비하도록 하게 하는데 우주의 날씨 또한 여러가지 위험한 상황을 일반인들에게 알려야 한다. 실제로 미국의 NOAA에서는 Space Weather Prediction Center라는 기관을 설치 하여 우주의 날씨를 시시각각 관측해 일반인들에게 제공하고 있다. 우리나라에서는 국립전파연구원 우주전파센터에서 이러한 업무를 담당하고 있다.

태양물리량은

질량 1.969 E30 KG
반경 6.696 E8 M
유효온도 5785K

태양 물리량

태양 이미지
성질, 값 의 정보가 제공됩니다.
성질
질량 1.989 E30 kg
반경 6.696 E8 m
유효온도 5785K
태양은 쌀알 모양의

대류세포들로 덮여있다. 각 대류세포의 밝은 중심은 물질이 상승하는 뜨거운 지역이며 어두운 가장자리는
밑으로 가라앉는 차가운 지역이다.
쌀알 조직은 끓고 있는 스프 그릇의 거품과 비슷하다

태양 표면

태양 표면 이미지

태양은 쌀알 모양의 대류세포들로 덮여있다. 각 대류세포의 밝은 중심은 물질이 상승하는 뜨거운 지역이며 어두운 가장자리는 밑으로 가라앉는 차가운 지역이다. 쌀알 조직은 끓고 있는 스프 그릇의 거품과 비슷하다. 매우 작아 보이지만 실제로는 매우 크며 이는 미국의 크기와 비교한 그림으로 알 수 있다. 우리 눈에 보이는 즉, 가시광으로 보이는 가스의 층은 그에 비하면 매우 얇다.

이 그림에 보이는 또 하나의 흥미로운 것은 어두운 흑점이다. 흑점은 주로 태양의 급격한 활동과 관련된다. 이는 우주전파환경 교란을 예보하는 중요한 수단이 된다.

흑점은

태양 표면에서 가장 차가운 지역이기 때문에 어둡게 보인다.
말굴자석의 자기장과 비슷하여 지구 표면보다 약 1000배나 강한 태양의 자기장이 표면까지 열이 이동하는 것을 막는다.
태양의 차등회전(저위도가 고위도보다 빨리 회전)때문에 흑점이 형성된다.

흑점

흑점 이미지

태양 표면에 검은 반점으로 보이는 것이 흑점이다. 이것은 거의 언제나 쌍으로 혹은 쌍의 집단으로 보인다.

흑점은 태양 표면에서 가장 차가운 지역이기 때문에 어둡게 보인다. 말굽자석의 자기장과 비슷하여 지구 표면보다 약 1000 배나 강한 태양의 자기장이 표면까지 열이 이동하는 것을 막는다. 태양의 차등회전 (저위도가 고위도보다 빨리 회전) 때문에 흑점이 형성된다.

태양플레어 (태양으로부터의 막대한 에너지의 폭발적인 분출)는 대부분 마치 태풍과 같이 회전하며 빠르게 성장하는 흑점군 내에서 발생하는 경향이 있다. 태양 흑점의 수는 11년 주기에 따라 변하는데 이와 함께 우주전파환경 교란의 횟수와 정도도 함께 변한다. 흑점군의 계속적인 관찰은 우주전파환경 교란을 예보하기 위해 중요한 일이다.

태양면의 가장자리에

나타난 고리모양의 커다란 구조는 어두운 우주공간을 배경으로 밝게 보인다.
이 구조는 매우 밝고 뜨겁게 보이지만 실제로는 태양의 코로나나 가장 바깥의 대기보다 수백 배나 차갑고도 밀도도 작다.

홍염과 필라멘트

홍염과 필라멘트 이미지

태양면의 가장자리에 나타난 고리모양의 커다란 구조는 어두운 우주공간을 배경으로 밝게 보인다. 이 구조는 매우 밝고 뜨겁게 보이지만 실제로는 태양의 코로나나 가장 바깥의 대기보다 수백 배나 차갑고 밀도도 작다.

필라멘트는 태양면을 가로지르는 뱀과 같이 가느다란 어두운 선의 모양을 하고 있다. 이것은 실제로는 훨씬 밝은 태양표면에 비해 어두운 홍염의 윤곽이다.

필라멘트와 홍염은 태양면에서 수 주 혹은 수 개월동안 남아있기도 한다. 그러다 갑자기 분출되어 많은 양의 가스를 우주공간으로 날려 보내기도 한다. 그림은 태양의 Hα 영상이다. 분출하는 홍염은 코로나 물질 방출이라 부르는 중요한 우주전파환경 현상과 밀접한 관련이 있다.

태양플레어는

수십 분 내에 약 100여 개의 태풍과 같은 에너지를 내뿜는 가공할 만한 위력의 폭발이다.
활동적인 흑점군 주변의 강하고 비틀린 자기장이 플레어가 내뿜는 에너지를 제공하는 것으로 생각된다.
그러나 아직 정확한 플레어 발생경로는 알려져 있지 않다.

플레어

플레어 이미지

태양플레어는 수십 분 내에 약 100여 개의 태풍과 같은 에너지를 내뿜는 가공할 만한 위력의 폭발이다. 활동적인 흑점군 주변의 강하고 비틀린 자기장이 플레어가 내뿜는 에너지를 제공하는 것으로 생각된다. 그러나 아직 정확한 플레어 발생경로는 알려져 있지 않다.

태양플레어 현상이 일어난 후에는 많은 양의 X선과 고에너지 입자들이 지구를 강타한다. X선은 8분만에 도달하며 고에너지 입자는 수 시간 후에 도달한다.

가장 강한 플레어는 태양 극대기에도 일 년에 몇 번밖에 발생하지 않는다. 그보다 약한 플레어는 비교적 흔하다. 활동기에는 하루에도 수십 번씩 약한 플레어가 발생하기도 한다.

장파와 우주전파환경
장파 그래프 이미지
X-ray Flare Intensity Prediction, X-ray Flare Activity Prediction, Predicted Radio Blackout Effects의 정보가 제공됩니다.
X-ray Flare Intensity Prediction X-ray Flare Activity Prediction Predicted Radio Blackout Effects
C8 Eruptive Minor
플레어 분류, 최대 X-선 세기 (Watt/m2), 플레어 활동도, 전파 장애 분류, 예상되는 전파 장애의 정보가 제공됩니다.
플레어 분류 최대 X-선 세기 (Watt/m2) 플레어 활동도 전파 장애 분류 예상되는 전파 장애
C 1×10-6 ≤ I < 5×10-6 Quite
5×10-6 ≤ I < 1×10-5 Eruptive R1 Minor
M 1×10-5≤ I < 5×10-5 Active R2 Moderate
5×10-5 ≤ I < 1×10-4 R3 Strong
태양이 지구에 미치는 영향

초향상 우리에게 좋은 면만 주는 것은 아니다. 오히려 뜨거운 태양의 위협을 받을 수 있는 거리이기도 하다.
매년 수천번에 달하는 거대한 폭발이 태양을 뒤흔들고 있다.
전문가가 아니면 이러한 폭발이 핵융합반응 때문이라고 주장하겠지만 사실 이러한 폭발현상은 자기장때문에 일어난다.

전력 배전망에 대한 영향

나침반, 지구자기장 이미지

태양과의 거리가 항상 우리에게 좋은 면만 주는 것은 아니다. 오히려 뜨거운 태양의 위협을 받을 수 있는 거리이기도 하다. 매년 수천번에 달하는 거대한 폭발이 태양을 뒤흔들고 있다. 전문가가 아니면 이러한 폭발이 핵융합반응 때문이라고 주장하겠지만 사실 이러한 폭발현상은 자기장때문에 일어난다.

지구는 어디 지점이든 정확하게 자전을 하고 있기 때문에 지구의 자기장은 질서정연하여 남쪽과 북쪽의 두 극을 가지고 있다. 따라서 우리는 나침반만 있으면 방향을 잃을 염려는 없다.

하지만 두개의 극이 아니라 천억개의 극이 존재한다면 어떨까? 태양이 바로 그런 환경속에 존재하고 있다. 태양의 자기장은 거미줄처럼 얽혀있다

태양 자기장 이미지

이것은 태양을 구성하는 고온의 가스 즉, 플라즈마가 동일하게 자전을 하지 않기 때문이다. 태양의 적도에서 태양의 자전은 약 25일정도이지만 적도에서 극지방으로 멀어질수록 길어져 최대 35일정도 걸린다. 이처럼 태양에서는 서로 다른 자전주기 때문에 플라즈마가 무질서하게 흘러다녀 자기력선들도 서로 뒤엉키게 되는 것이다. 만일 좁은 지역에 자기력선들이 집중되면 태양 표면에서 일어나는 대류현상을 방해하게 되고 대류가 억제됨에 따라 그 지역은 주변에 비해 검게 보이는데 이를 흑점이라한다. 즉, 흑점은 태양 표면의 대류현상이 자기장의 방해로 원활히 이루어지지 못하여 생겨난 것이다. 흑점은 주변에 비해 온도가 약 1000도정도 떨어져 검게 보이게 된다.

하지만 흑점의 색은 주변에 비해 상대적으로 어두울뿐 만일 흑점하나가 우주공간에 떠 있다면 보름달보다 10배정도는 밝게 빛날 것이다. 그리고 지구에서 봤을 때 아주 작아 보이지만 실제 지구와 비슷하거나 휠씬 더 크다.

흑점과 지구크기비교 이미지

태양의 흑점은 태양의 광구면에서 생성되기 때문에 흑점도 자전을 하며 이대 흑점의 크기가 변하게 된다. 그리고 주변의 자기력선이 심하게 뒤틀려지는데 이는 에너지가 더 커진다는 것을 말하며 곧 거대한 폭발이 발생할 수 있는 조건이 만들어 진다. 그러면 왜 자기력선들이 뒤틀어지면 에너지가 높은걸까?

예를들어 고무줄이 달린 모형비행기(고무동력기)가 있다고 하자. 고무줄을 많이 감으면 감을 수록 모형비행기는 멀리 날아가는데 이것은 감긴 고무줄에 비행기를 멀리 보낼 수 있는 에너지가 많이 있다는 것이다. 반대로 고무줄을 감지 않으면 모형비행기는 제대로 날지 못하고 바로 땅으로 떨어진다.

이와 마찬가지로 태양에서도 자기력선들이 많이 꼬여있으면 그만큼 높은 에너지가 있다는 것이며 이것이 한꺼번에 방출될 때 플레어가 발생한다.

플레어 이미지

태양플레어는 한번의 폭발로 10억메가톤의 에너지가 방출되는데 이는 백만개의 화산이 동시에 폭발하는 규모와 같다. 따라서 태양플레어는 온도가 아주 높아 섬광처럼 밝게 보이며 X-ray나 감마선 같은 고에너지를 우주 공간으로 뿌리게 된다. 또한 플레어가 발생할 때 종종 태양 물질들이 우주공간으로 같이 뿜어져 나오는 현상이 발생하는데 이것을 코로나 물질 분출이라 한다.

코로나 물질분출 이미지

코로나 물질 분출이 발생하면 다량의 고에너지 방사능 입자들을 우주공간으로 뿌리기 때문에 매우 위험한 현상이다. 또한 이 물질들의 속도는 보통 초속 1000km이 넘는 아주 빠른 속도로 이동한다. 한번의 코로나 물질 분출로 약 200억톤의 물질들이 태양에서 우주로 방출되는데 이것은 에베레스트 산 만한 덩어리가 떨어져 나와 초속 1000km넘는 속도로 우주로 날아가는 현상이다. 이러한 방사능 플라즈마는 보통 먼 우주로 날아가지만 지구 방향으로 날아가면 인류에 막대한 피해를 주기도 한다.

태양에서 뿜어져 나온 물질들이 지구까지 도달하는데 보통 수일의 시간이 걸리지만 어떤 입자들은 시속 960만km의 속도로 움직이기 때문에 16시간이면 지구에 접근한다. 이러한 입자들이 지구의 자기장과 충돌하면 지구의 자기장은 큰 요동을 일으켜 심하게 뒤틀리면서 지자기 폭풍을 일으킨다. 고위도 지방의 하늘에서 밝게 빛나는 오로라 현상이 바로 이러한 지자기 폭풍으로 발생하게 된다.

오로라 이미지1

그러나 지구에 이러한 지자기 폭풍이 심하게 발생하면 지구 대기권 외부에 강한 전류를 전달시켜 인공위성이나 지상의 발전소를 무용지물로 만들 수 있다. 또한 극지방으로 운항하는 항공기들은 방사능에 노출될 수 있으므로 항로를 변경해야 하며 인공위성에 피해를 주어 지상의 방송 또는 통신에 지장을 가져오게 된다. 이외에도 송유관을 제어하는 시스템 및 시추시설에도 문제가 발생할 수 있다.

실제로 1859년에 발생한 태양활동으로 고위도 뿐만아니라 로마와 하와이에서도 오로라가 관측됐다는 보고가 있었다. 또한 1989년에는 캐나다의 퀘벡 주에서는 태양 활동으로 변전소 한 곳이 마비가 되어 퀘벡 주 전역이 정전이 되는 사태가 발생하였다. 그리고 2003년 11월에 발생한 태양 폭풍으로 미국과 캐나다, 유럽 그리고 일본에서 인공위성과 발전소등의 수많은 피해가 보고되었다.

오로라 이미지2
태양은 매 초당

백만 톤의 물질을 우주공간으로 내뿜는다. 하루 동안에 방출하는 양을 모두 합하면 미국 유타주의 그레이트 솔트 호수 질량과 비슷하다.
이러한 현상이 매일, 그리고 매년, 항상 일어난다.

태양풍

태양풍 이미지

태양은 매 초당 백만 톤의 물질을 우주공간으로 내뿜는다. 하루 동안에 방출하는 양을 모두 합하면 미국 유타주의 그레이트솔트 호수 질량과 비슷하다. 이러한 현상이 매일, 그리고 매년, 항상 일어난다.

이러한 질량 손실을 태양풍이라 한다. 태양풍은 태양의 가장 위 부분이 여전히 태양과 연결된 자기장과 함께 우주공간으로 방출되어 형성된다. 태양의 폭발적인 현상과 연관된 태양풍에서는 돌풍과 교란이 생성된다.

우주공간에서 지구의 자기보호막에 불어오는 태양풍이 우주전파환경 폭풍을 일으킨다.

정원의 스프링클러가 물방울을 내뿜듯이 태양이 태양풍 입자를 내뿜는다.

주기적으로 태양은

가장 바깥 층 대기로부터 거대한 가스거품을 폭발적으로 우주공간으로 방출하는데
이를 코로나 질량 방출(CORONAL MASS EJECTION : CME)이라 한다.
이러한 현상이 일어나는 동안 평균적으로 수 십억 톤의 가스가 지구를 향해 불어 온다.

코로나 물질방출

코로나 물질방출 이미지

아마도 지구의 인간들에게 가장 중요한 태양현상은 지구의 위치에서 극적인 우주전파환경 현상을 일으키는 코로나 물질 방출일 것이다.

주기적으로 태양은 가장 바깥 층 대기로부터 거대한 가스거품을 폭발적으로 우주공간으로 방출하는데 이를 코로나 질량 방출 (Coronal Mass Ejection ; CME)이라 한다. 이러한 현상이 일어나는 동안 평균적으로 수 십억 톤의 가스가 지구를 향해 불어 온다. 이것은 작은 호수가 포함하는 질량과 비슷하지만 증발되어 수천 km/s의 속도로 여행한다. 이러한 빠른 속도로 대전된 가스의 총 에너지는 대략 태양플레어의 에너지량(태풍 약 100여 개에 해당)과 비슷하지만 태양플레어보다 더 긴 시간동안 방출된다 (수 시간 대 수십 분).

빠른 속도의 가스거품은 우주공간으로 빠르게 팽창하여 단 몇 시간만에 태양의 크기와 비슷하게 된다. 거품은 태양으로부터 바깥으로 불어나가는 느린 속도의 태양풍과 만나 충격파를 형성한다. 이 충격파에서 입자의 일부가 지구에 도달하기 전에 매우 높은 에너지로 가속된다.

자기장의 보이지 않는 세계

막대자석은 보이지 않는 자기력선에서 만들어진 물질의 조각이다.
이 자기력선은 자석 주변의 자성을 띤 물체에 영향을 미친다.
자석은 관습적으로 자기력선이 바깥으로 나가는 지점을 N극이라고 하며 안으로 향하는 지점을 S극이라 한다.
반대의 극은 서로 끌어당기며 같은 극끼리 서로 밀어낸다.

자기장의 세계

자기장의 보이지 않는 세계
자기장 이미지

막대자석은 보이지 않는 자기력선에서 만들어진 물질의 조각이다. 이 자기력선은 자석 주변의 자성을 띤 물체에 영향을 미친다. 자석은 관습적으로 자기력선이 바깥으로 나가는 지점을 N극이라고 하며 안으로 향하는 지점을 S극이라 한다. 반대의 극은 서로 끌어 당기며 같은 극끼리는 서로 밀어낸다. 장난감 막대자석은 지표면의 자기장 (∼1/4 에르스텟)보다 수천 배 큰 ∼1000 에르스텟의 자기장을 가지고 있으며 이는 태양 표면의 흑점에서 볼 수 있는 자기장의 세기와 비슷하다. 모든 자기장은 움직이는 전하 때문에 생긴다. 고체물질에서 움직이는 전하는 원자핵의 주위를 도는 개개의 전자들이다. 그러나 이는 궤도를 회전하는 전자의 방향이 일정하지 않아서 개개의 자기장이 서로 소강되기 때문에 자기장을 만들기에 충분하지 않다. 영구자석은 개개의 원자의 자기장이 모두 한 방향이어서 서로의 자기장이 소강되지 않고 더해진다.

지구의 자기장은

지구의 자기장은 액체인 핵에 흐르는 전류에 의한 것으로 생각된다.
그러나 정확한 메카니즘은 아직 알려지지 않았다.
이 자기장이 지구의 핵으로부터 행성간 공간으로 뻗어 나와 태양풍의 움직이는 대전된 플라즈마와 부딪힌다.

지구의 자극

지구가 자석인 이유
자기권과 일반 쌍극자 이미지

지구의 자기장은 액체인 핵에 흐르는 전류에 의한 것으로 생각된다. 그러나 정확한 메카니즘은 아직 알려지지 않았다. 이 자기장이 지구의 핵으로부터 행성간 공간으로 뻗어 나와 태양풍의 움직이는 대전된 플라즈마와 부딪힌다.

태양풍은 지구의 자기장 주위로 퍼져 나와서 지구의 자기장을 변형시킨다. 태양풍은 낮 지역의 자기장을 압박하고 밤 지역의 자기장을 길게 늘어뜨려 태양 반대 방향으로 긴 꼬리를 만든다.

지구의 자극 - 지구 자극의 이동
자극의 이동 이미지

자극의 위치는 고정되어있지 않고 시간에 따라 천천히 이동한다.

지리적으로 북반구에 있는 자극을 관습에 따라 지구의 자기북극이라 부른다. 자기북극은 실제로는 지구 자기장의 남극이다. 이것은 나침반의 북극이 지자기 북극을 가리키도록 정의되었기 때문이다. 그러나 반대의 극끼리 잡아 당기므로 실제로는 나침반 바늘의 북극은 지구 자기장의 남극을 향하게 된다.

지표면의 자기장은 그 크기와 방향을 가지고 있다. 자극은 자기력선이 완전히 수직인 지점이다. 이러한 지역에서는 태양으로부터 오는 유해한 복사가 지구의 대기를 좀더 쉽게 통과한다. 자기장이 이를 차단할 수 없기 때문이다.

유해한 입자들은

유해한 입자들은 지구의 표면까지 침투하지 못하고 자기장에 의해 지구 주위로 이동한다.
입자들은 극지방의 깔때기 모양과 같은 유입구(cusp entry)를 통하거나
지구로부터 멀리 떨어진 하부흐름(downstream)을 통하여 지구로 들어온다.

자기권 역할·운동

자기권의 역할
태양으로부터 지구 자기권으로 입사한 입자들이 자기권을 따라서 이동하고 있는 모습

유해한 입자들은 지구의 표면까지 침투하지 못하고 자기장에 의해 지구 주위로 이동한다. 입자들은 극지방의 깔때기 모양과 같은 유입구(cusp entry)를 통하거나 지구로부터 멀리 떨어진 하부흐름(downstream)을 통하여 지구로 들어온다. 하부흐름을 통하여 들어오는 입자들은 지구를 향하여 이동하며 가속되어 상부 이온층으로 들어와 오로라를 만든다. 지구상에 있는 생명체에 위험을 가할 수 있는 또다른 고에너지 입자 복사는 복사대라 불 리는 두 개의 커다란 도우넛 모양의 지역 안에 붙잡히게 된다. 이러한 현상은 보이지 않는 자기장 때문이다.

1741년

1741년 스웨덴의 천문학자 A.Celsius가 오로라의 변화에 따라 지구자기가 변동하는 것을 최초로 발견하였다.
자기폭풍은 태양 면의 폭발과 함께 수많은 입자들이 지구로 쏟아지면서 발생한다.
때때로 전리층 폭풍이나 우주선 폭풍을 동반하기도 하고, 극지방에서는 오로라를 생성해 내기도 한다.

자기폭풍

자기 폭풍 개요
자기폭풍 그래프 이미지

1741년 스웨덴의 천문학자 A.Celsius가 오로라의 변화에 따라 지구자기가 변동하는 것을 최초로 발견하였다. 자기폭풍은 태양 면의 폭발과 함께 수많은 입자들이 지구로 쏟아지면서 발생한다. 때때로 전리층 폭풍이나 우주선 폭풍을 동반하기도 하고, 극지방에서는 오로라를 생성해 내기도 한다.

자기 폭풍은 처음에 수분간 자력의 변화를 나타낸 뒤, 주기가 짧은 변동과 함께 강하고 불규칙적인 변화가 수시간에서 수일까지 계속된다. 중저위도에서 보았을 때 전지구적 규모로 1~2일에 걸쳐 지구 자기의 수평 분력이 수백 nT 정도 감소하는 경우도 있다.

자기 폭풍은 지구 자기의 일변화보다 주파수가 높고 불규칙하며 진폭이 큰 특징이 있다. 세기는 보통 50 ~ 200 nT 이나 때로는 수천 nT에 이르기도 하며 수시간에서 수일간 지속된다.

자기 폭풍은 적도보다 극지방에서 더욱 강하게 일어난다.

자기 폭풍 원인
자기폭풍 이미지

자기 폭풍은 태양에 기인한다. 태양의 표면에서 큰 플레어(태양 폭발)가 일어나거나 태양 흑점이 변화하게 되면 태양으로부터 지구에 도달하는 전자, 양성자 등 하전 입자의 방출이 증가한다. 이러한 입자들이 1500 ~ 3000Km/sec로 지구 자기장에 부딪히면서 자기 폭풍을 일으키게 된다. 자기 폭풍은 태양 활동 주기에 따라 11년 마다 일어나고 있다. 또는 태양에 플레어가 일어나는 경우 예고 없이 찾아오기도 한다.

자기 폭풍은 오로라 발생에도 영향을 미친다. 오로라는 극지방에서 일어나는 특이한 현상이지만, 거대한 자기 폭풍이 일어날 때는 낮은 위도에서도 발생할 수 있다.

자기 폭풍과 오로라
자기폭풍 오로라 이미지

자기 폭풍은 오로라 발생에도 영향을 미친다. 오로라는 극지방에서 일어나는 특이한 현상이지만, 거대한 자기 폭풍이 일어날 때는 낮은 위도에서도 발생할 수 있다.

오로라는

태양에서 날아 온 대전 입자가 지구 자기장과 상호 작용하여 극지방의 상층대기에서 일어나는 대규모 방전 현상이다.
태양은 양성자와 전자로 이루어진 대전 입자를 방출하고 있다.

오로라

오로라 이미지

오로라는 태양에서 날아 온 대전 입자가 지구 자기장과 상호 작용하여 극지방의 상층대기에서 일어나는 대규모 방전 현상이다. 태양은 양성자와 전자로 이루어진 대전 입자를 방출하고 있다. 태양으로 나오는 이러한 플라즈마의 흐름을 태양풍이라 하고, 태양에서 지구로 도달하는 태양풍은 지구의 자기장에 끌려 반 알렌 대에 들어오게 된다. 반 알렌 대는 조개 모양으로 지구 주위에 구부려져 있고 극 쪽에서는 지표에 근접해서 구부러져 있다.

대기 속에서 공기 분자와 태양으로부터의 대전 입자가 서로 충돌하면 기체 분자 내부의 전자가 들뜨게 되고(excitation), 이 들뜬 전자가 원 위치로 떨어지면서 에너지를 방전하게 되는데 이것이 우리가 보는 오로라이다.

이러한 오로라의 발생은 태양의 활동과 밀접한 관계를 가지고 있으며, 태양의 활동이 활발한 극대기에 자주 나타나고 있다

전리층은

영어의 이온(ion)이란 단어와 영역(sphere)이라는 단어가 결합되어 이루어진 것으로
고층 대기 구성물질의 이온화 정도에 따라 구분되는영역을 일컫는 말이다.
즉, 물리적으로 보면 구성 입자들의 이온화 정도가 매우 중요한 물리적 요인으로 작용하는 영역이다.
전리층의 영역의 범위는 전리층을 보는 시각에 따라 차이가 있다.

전리층에 대하여

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전리층은 영어의 이온(ion)이란 단어와 영역(sphere) 이라는 단어가 결합되어 이루어진 것으로 고층 대기 구성 물질의 이온화 정도에 따라 구분되는 영역을 일컫는 말이다. 즉, 물리적으로 보면 구성 입자들의 이온화 정도가 매우 중요한 물리적 요인으로 작용하는 영역이다. 전리층의 영역의 범위는 전리층을 보는 시각에 따라 차이가 있다. 전리층을 이용한 통신을 연구하는 사람의 관점에서 보면 최고 높이가 600-800km 사이지만 전리층의 물리적 특징을 연구하는 관점에서 보면 최고 2,000km까지 확장할 수 있으므로 전리층 영역은 지표면 상공 65km부터 2,000km까지의 공간이라고 할 수 있다.

전리층은 태양으로부터 복사되는 극자외선(EUV : Extreme Ultra-Violet)과 X-선과 같은 전자기 방사(빛의 일종)와 먼 은하로부터 오는 우주선(cosmic ray)이 지구의 상층 대기의 구성 원자를 이온화시킴으로써 생성된다. 고층 대기 높이에 따른 이온화 정도는 빛의 파장 함수로써 간단히 나타낼 수 있으므로 태양 복사세기와 전리층을 이루고 있는 중성가스의 이온화 정도에 의존한다. 따라서 태양복사가 대기를 투과하는 복사 경로가 길어질수록 복사강도가 약해지므로 결과적으로 태양의 천정각에 의존하며 최대 이온화가 나타날 때는 천정각이 0。 일 경우이다. 즉, 태양이 머리 위에 있을 때가 전리층 구성원소들의 이온화 정도가 가장 크며 이 때가 전리층의 전자밀도가 가장 높게 나타나게 되는 것이다.

태양에서 복사되는 대부분의 에너지는 약 5 x 103 Jm2의 선속(flux)을 가지고 있는 수소 Ly-α(121.6nm)와 그보다 수 십배 약한 헬륨 Ly-α(30.4nm)선에 집중되어 있다. 지표면에서 보면 Ly-α는 지표면으로부터 60km까지 전자 생성에 크게 기여를 하며 80km정도에서 가장 큰 영향을 준다. 태양의 활동이 조용한 시기의 X-선은 약 90km에서 가장 큰 영향을 주며, 태양 플레어에서 나오는 X-선은 지표면에서도 원자를 이온화시킬 만큼 강한 에너지를 가지고 있다.

전리층은 다음과 같이 나누어 구분하고 있다. 전리층의 존재가 알려진 초창기에 당시 통신에 주로 쓰던 HF(High Frequency)파가 반사되는 층을 E층이라고 칭한 후에 그 성질이 E층과 구분되는 영역을 영문자 순서대로 D층과 F층으로 나누었으며 이를 다시 F1층과 F2층으로 나누었다. 또한, 태양의 활동이 약 11년을 주기(극성변화를 고려하면 22년)로 변화함에 따라서 전리층에서의 전자밀도가 변화한다.

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D층은 고도의 상승에 따라서 전자 밀도가 급격하게 증가하며 전자의 최대밀도가 태양의 복사량이 최대가 되는 태양정오 이후에 일어나며 태양의 복사량이 최저가 되는 밤에는 밀도가 급격하게 낮아진다. D층의 전자밀도는 여름에 가장 크며 계절적 변화 또한 매우 심하다. 그리고 태양의 X-선이 지배적인 원천이 되는 70 - 90km의 범위에서 태양활동 극대기 때 전리정도가 최대가 된다. 태양활동의 극소기일 때에는 70km이하에서 우주선에 의한 전리가 지배적이다.

E층은 고도 90 ~ 160 km 에 걸쳐 있으며 1902년 마르코니의 최초 대서양 횡단 무선통신과 관련하여 전리층 반사를 설명할 수 있게 했다. 강하게 이온화된 간헐적인 입자들이 때때로 광범위한 고도에서 관측되기도 한다.

F층은 130km이상의 상공의 영역을 나타내며, 수직전자밀도의 윤곽으로 F1과 F2를 구분하고 있다. 그러나 야간에는 전리층에서의 전자 발생에 크게 기여하는 태양 복사의 소멸로 이러한 구분이 되지 않고 있다.

F2층의 전자밀도는 낮과 밤의 차이가 약 100배로서 주간에는 1012/m3이고 야간에는 5x1010/m3정도의 값을 가진다. 적도 이상변동은 지자기 적도를 중심으로 ±20 ∼ 30。범위 내의 F2층의 전자밀도가 태양의 천정각에 대한 존속성에서 크게 이탈되는 현상으로 적도부근의 태양 복사가 가장 크므로 적도부근의 전자밀도가 가장 크리라고 생각되지만 실제의 경우에는 지자기 적도로부터 남북으로 떨어진 지역에서 전자밀도가 최대값을 가지는데 이러한 현상을 분수 메커니즘으로 설명하고 있다. E층과 F층은 HF통신에서 무선파를 반사하는 역할을 하기 때문에 장거리 육상 및 해상 통신에 사용되고 있으며, D층에서는 VLF와 ELF파가 반사되지만 HF파는 신호 감쇠를 일으키는 흡수 역할을 하고 있다. 위치 측정에 많이 사용되는 GPS 위성 신호는 전리층을 통과하면서 시간적 지연으로 인하여 위치 정밀도를 낮추기 때문에 전리층에 대한 연구가 매우 중요하다.

전리층과 통신

C31(command, control, communication and intelligence)
통신 : HF, VHE, 위성통신
위성 운용 : 저궤도 군사 위성, 통신 위성
측지 : GPS, GLONASS
원거리 감시 : OTHRadar
로켓 개발 : 과학용 로켓, ICBM
우주환경예보 / 지진예보

전리층과 통신

  • C3I(command, control, communication and intelligence)
  • 통신 : HF, VHF, 위성통신
  • 위성 운용 : 저궤도 군사 위성, 통신 위성
  • 측지 : GPS, GLONASS
  • 원거리 감시 : OTHRadar
  • 로켓 개발 : 과학용 로켓, ICBM
  • 우주전파환경예보
  • 지진예보
반사되지 않는 신호

전리층에 의한 반사파를 주된 전파통로하는 통신 방식이며 전리층내에 전리된 층이 지상에서 수백 km 높이까지 존재하기 때문에 전리층에서 전파의 상호 hop 현상으로 인하여 거의 전세계적으로 통신이 가능하므로 국제성이 강하여 국제전기통신연합(ITU)과 각국의 주관청에 의한 감독이 강화되고 있는 주파수대역.

전리층을 이용한 통신은 적은 전력과 설치 비용으로 원거리의 통신을 가능하게 할 수 있으므로 현재까지도 라디오 방송이나 선박, 항공, 군용, 아마츄어 무선통신등 많은 용도로 사용되고 있으나 전리층이라는 매질의 특수성 때문에 통신 회선의 사용과 유지에 있어 많은 어려움.

전리층 교란

태양풍 또는 태양 플레어로부터 방출되는 X선, EUV,전하입자 등에 의하여 수분에서 수일동안 전리층 전파통신 및 전파전파 상태에서의 현저한 변화를 일으킴.

급 전리층 교란(SID: Sudden Ionospheric Disturbance) : D영역에서 비정상적인 높은 이온화 밀도 증가가 발생하며 MF,HF,VHF 전파의 흡수가 나타남

이동 전리층 교란(Traveling Ionospheric Disturbance) 10분에서 수시간동안 지속되며 큰 지자기 교란이나 지역 기후적 원인으로 발생

전리층 폭풍(Ionospheric Storm) : 오로라 지역으로 유입되는 전하 입자흐름에 기인하며 전리층 폭풍은 임계주파수의 감소와 층 높이 증가를 유발함

관측기기

Ionosondo는 높이에 따른 전리층 플라즈마의 전자밀도의 분포를 측정하기 위한 가장 기본적인 방법으로,
전파를 수직입사하여 전리층내의 여러 전자층에 반사되어오는 전파를 측정함으로써 전리층내의 전자들의 분포를 높이에 따른 함수로 나타내는 장비이다.
또한 정확하고 세밀한 전리층 연구를 위해서는 로켓이나 인공위성을 이용한 작업이 필요하다.
GPS는 우주 공간상에 위치한 위성으로부터 신호를 수신하여 자신의 위치를 시공간에 제약을 받지 않고 3차원적으로 파악할 수 있는 최첨단의 고정밀 측지 시스템이다.

관측기기

Ionosonde

Ionosonde는 높이에 따른 전리층 플라즈마의 전자밀도의 분포를 측정하기 위한 가장 기본적인 방법으로, 전파를 수직 입사하여 전리층내의 여러 전자층에 반사되어오는 전파를 측정함으로써 전리층내의 전자들의 분포를 높이에 따른 함수로 나타내는 장비이다. 1925년에는 Breit와 Tuve가 pulse-echo 장비를 이용하여 수직 입사방식으로 전리층의 높이를 측정하였고, 1926년 Appleton과 Barnett는 연속파를 사용하고 65km에서 130km떨어진 수신기를 이용하여 전리층을 관측하였다. 보통 ionosonde가 방출하는 전파는 HF 영역 중 1∼15MHz이다.

국립전파연구원이 보유하고있는 ionosonde는 미국 메사추세츠 대학 로웰 대기연구센터(UMLCAR : Univ. of Mass. Lowell Center for Atmospheric Research)에서 제작한 Digisonde-256이라는 모델로써, 관측 가능 주파수 sweep 범위는 0.1∼30MHz이며 펄스 파워는 5kW, 밴드폭은 20kHz, 관측 주파수는 100kHz단위로 기기를 설정하여 운용 중에 있다. ionosonde로 관측한 결과를 나타낸 그림을 ionogram이라고 한다. Ionogram은 전파가 반사되어 수신된 결과를 나타낸 것이므로 그림을 해석하면 관측당시의 전리층 상태를 알 수 있는 것이다[표유선&성향숙, 1997]. 그림 2-3는 1998년 4월 23일 UT 2:15 안양의 Digisonde 256으로 관측한 ionogram이다. 그림에서 세로축은 높이(km)를 나타내는데 이것은 파동의 가상 반사 높이(virtual height)이고, 가로축은 주파수(MHz)를 나타낸다. 파동의 반사 높이가 두 갈래로 나뉘어 진 것을 그림에서 볼 수 있는데, 이것은 지구 자기장에 의한 효과이다. 그림에서 두 갈래 중 앞쪽이 자기장의 영향을 받지 않는 정상파이고, 뒤쪽이 자기장의 영향을 받는 이상파이다. 그리고 위 부분에 나타난 것은 전리층에서 한 번 반사된 파동이 하강하여 지구 표면에서 반사를 일으킨 후에 전리층에서 다시 한 번 반사가 된 것이 관측 된 것으로서 물리적인 의미는 없다.

과학로켓

전파를 이용한 전리층의 연구는 근본적인 한계를 가지고 있기 때문에 정확하고 세밀한 전리층 연구를 위해서는 로켓이나 인공위성을 이용한 작업이 필요하다. 전리층 연구를 위한 최초의 로켓 발사는 2차대전 직후인 1947년 Reifman와 Dow에 의해 이루어 졌다.

독일의 V-2로켓을 개량한 이 로켓에는 Langmuir Probe가 실려 전자 밀도와 전자 온도를 측정하고자 하였으나, 이렇다 할 결과를 내지는 못했다. 1960년대 들어 냉전 체제가 강화되면서 로켓 실험 또한 활기를 띠기 시작했는데, Spencer등에 의해 전자 온도와 전자 밀도를 측정하기 위한 일련의 실험이 행해졌다.그러나 이 때 이루어진 실험들은 probe 표면에 있는 오염 효과를 고려하지 않은 것으로, 특히 전자 온도가 실제 보다 높게 측정되는 결과를 낳았다. 지금까지 로켓을 이용한 많은 전리층 관측 실험이 행해졌지만, 비용에 비해 짧은 관측시간 때문에 충분한 자료를 얻었다고 말할 수는 없다. 특히 60km에서 90km의 영역에 해당하는 D영역에 대한 관측, 스포래딕 E층과 관련된 특이 현상 및 저고도 전리층의 전자 가열현상은 아직까지 풀리지 않은 수수께끼로 남아 있다. 한편 충돌 효과 때문에 전파를 이용한 130km이하의 전자 온도, 90km이하의 전자 밀도 측정이 쉽지 않다는 점을 상기한다면 결국 이러한 문제들은 로켓에 의한 관측 자료를 바탕으로 해결될 수 밖에 없을 것이다.

단파의 전리층 전파특성

GPS는 우주 공간상에 위치한 위성으로부터 신호를 수신하여 자신의 위치를 시공간에 제약을 받지 않고 3차원적으로 파악할 수 있는 최첨단의 고정밀 측지 시스템으로 전리층을 투과하는 위성신호를 이용하여 그 지연시간을 계산함으로써 경로 상에 존재하는 전자밀도를 계산할 수 있다. 따라서 넓은 지역을 동시에 관측할 수 있고 지속적인 관측이 가능하다는 점에서 최근에 많이 사용되고 있다.

GPS는 우주 부분(space segment), 제어 부분(control segment), 사용자 부분(user segment)으로 구성된다. 우주 부분은 21개의 주 위성과 3개의 예비위성으로 구성되며 제어 부분은 미국 Colorado Springs에 위치해 있는 주 제어국과 전세계에 고루 분포되어있는 5개의 감시국 및 지상 송신국으로 구성되어 있고, 사용자 부분은 수신기와 소프트웨어로 이루어져 있다. GPS에서 사용하는 송신 주파수는 L1=1575.42MHz과 L2=1227.6MHz이며 L1는 모든 사용자에게 공개되어있는 C/A 코드와 사용자 제한이 있는 P 코드가 실려져 있으며 L2에는 P코드만이 실려있다. 전리층의 전자들은 전파의 진행에 영향을 주는데, 이러한 영향으로부터 전리층의총 전자 함유량(TEC : Total Electron Content)을 구할 수 있다.