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지구 대기와 이온층

지구 대기와 이온층
대기와 이온층 이미지
지구의 대기는 고도가 증가함에 따라 밀도와 구성성분이 다양하다. 대기의 가장 낮은 부분은 대류권(왼쪽 그림에서 파란색 영역)이라고 불리며, 이것은 지표면에서 약 10km 까지 뻗어 있다. 대류권의 기체들은 주로 산소분자(O2)와 질소(N2)분자이며, 밀도가 높아 지구 대기의 90%와 수증기의 99%를 포함한다. 가장 높은 산들은 대류권 안에 머무르며 우리의 일상적인 하루하루의 모든 활동도 이곳에서 이루어진다. 10km 위 부분의 대기는 성층권이라고 불린다. 기체는 여전히 밀도가 높아서 뜨거운 공기의 기구는 15∼20km의 고도까지, 헬륨 기구는 거의 35km 까지 올라갈 수 있다. 그러나 이곳에서는 공기층이 빠르게 얇아지고, 기체 구성 성분은 고도가 높아짐에 따라 약간 변한다. 성층권 내에서, 240nm 아래의 파장에서 들어오는 태양 복사는 산소분자를 각각의 산소 원자들로 쪼갤 수 있으며 각각의 원자들은 산소분자와 다시 결합하게 되어 세 개의 산소 원자로 되어 있는 오존을 형성한다. 이 기체는 약 25km의 고도에서 최고밀도에 이르게 된다. 대기는 높은 고도로 갈수록 희박해진다. 80km의 높이에서의 기체는 너무 희박해서 자유전자가 주변의 양성이온에 의해 포착되기 전의 짧은 시간 동안만 존재할 수 있다. 이러한 고도 이상에서 대전된 입자들의 존재는 이온층의 시작을 나타낸다. 이온층은 전리층 또는 열권이라 불린다.
이온층의 형성
이온층이란 태양 에너지에 의해 기체 분자들과 몇몇 원자들이 이온화되어 자유전자가 밀집된 층을 말한다.

태양복사는 태양상수로 알려진 1370W/m²의 세기로 지구의 대기를 친다. 이러한 강한 복사는 라디오 주파수에서 적외선 복사, 그리고 가시광선과 엑스선에 이르는 넓은 범위의 스펙트럼에 걸쳐 퍼져있다. 자외선파장과 더 짧은 파장들은 광자들이 충돌하는 동안에 기체분자나 중성기체 원자로부터 전자를 빼앗겨 이온화되는 것으로 여겨진다. 위의 그림은 이 과정의 간단한 설명이다.

태양복사의 입사는 기체원자나 분자에 흔히 있는 일이다. 이 과정에서 복사의 일부분은 핵에 의해 흡수되고 자유전자와 양성자가 생성된다. 고도가 낮아짐에 따라, 더 많은 가스 원자들이 존재하여 이온화 진행은 증가한다. 그러나 만일 동시에 자유전자가 양성자에 가까이 움직이게 된다면 자유전자가 양성자에 의해 사로잡혀 재결합이라고 불리는 상반되는 과정이 발생한다. 낮은 고도에서 기체밀도가 증가하여 이온화가 증가하듯이, 재결합과정 또한 기체분자와 이온들이 서로서로 더 가까워지기 때문에 가속된다. 이러한 두 과정 사이의 균형점은 주어진 시간에 존재하는 이온화도를 결정한다. 낮은 고도에서는, 기체원자와 분자들의 수가 훨씬 더 증가하며 자외선 태양 복사의 광자로부터 에너지를 흡수하는 경우가 더 많이 생긴다. 그러나 높은 고도에서는 흡수되는 복사 때문에, 낮은 고도에서는 더 작다. 따라서 약한 복사로 인해 이온화되는 양보다 재결합되는 양이 상대적으로 커서 균형점은 균형을 잃게 되고, 이온화 율은 고도가 낮아짐에 따라 줄어들기 시작한다. 이것은 이온화 극점이나 층들의 형성을 이끌어낸다.
참고
이온층은 충분한 밀도의 자유전자들이 발생하는 고층대기의 한 부분으로서 전자기파들 중 라디오파의 전달에 상당한 영향을 준다. 이런 이온화는 우선적으로 태양과 이온층의 활동에 의해 이루어진다. 이온층에서 구조와 극대밀도는 시간(흑점주기, 계절에 따라, 그리고 날마다), 지리학적 위치(극지방, 오로라존, 중위도지방, 적도지방), 그리고 태양과 관련된 어떤 이온적인 요동들에 따라 매우 다양하다.

이온화의 주된 요인은 태양 엑스선과 자외선 복사 그리고 태양으로부터 오는 미립자 복사에 있다. 태양이 이온화에 대하여 가장 큰 영향을 미친다고 한다면, 우주선들은 작은 영향을 담당하고 있다. 어떤 대기의 요동은 이온화의 분포에 영향을 미치기도 하는데, 이는 이온층이 대기 음향의 움직임, 전자기적인 방출, 그리고 지구자기장의 변화들을 포함하는 많은 매개 변수들에 의해서 제어되는 동적인 시스템이기 때문이다. 따라서 이온층은 대기의 변화에 대해 지극히 민감하기 때문에, 대기에서 발생하는 사건들의 매우 민감한 모니터 역할을 한다. 지진 발생이전과 지진이 일어나는 중에 발생된 명백한 음향파 들 이외에도, 거대한 지진의 준비과정부분은 전자기적인 방출의 발생이다. 이러한 전자기적 방출들은 거대한 지진(1960년 5월에 칠레의 8.3 강진) 보다 6일까지 앞서서 이온층에서 탐지되었다.
이온층 연구의 시작
1864년, 스코틀랜드 수학자인 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 전자기장파가 한 지역에서 다른 지역으로 전달될 수 있음을 설명하는 논문을 발표했다. 맥스웰의 전자기복사 이론은 1880년 말에 독일의 물리학자인 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)의 꾸준한 실험에 의해서 올바른 것으로 증명되었다. 그리고 19세기 마지막에 이르러서야 비로소 이탈리아 과학자인 구글리엘모 마르코니(Guglielmo Marconi)에 의해 이러한 이론들과 실험들이 최초의 실용적인 무선 통신체제로 탈바꿈할 수 있었다. 마르코니는 이것으로 영국특허를 얻었다.

1899년, 마르코니는 그의 무선 통신기술이 영국해협을 넘어간다는 것을 증명하였고, 1901년 12월 12일에는 마르코니가 영국의 콘월(Cornwall)에서부터 보내진 신호를 캐나다 동해안의 섬에서 수신하였다. 무선통신에 전자기 복사를 이용한 개척정신으로 그는 1909년 노벨 물리학상을 수상했다.

그림 1. 푸른색 지역은 무선 전송이 가능한 LOS(가시거리, Line of Sight)이다.
수신안테나는 SR(그림자지역, shadow region) 안에 있으며 송신기로부터 직접적으로 신호를 수신할 수 없다.
마르코니의 유명한 실험은 전 세계 통신을 향한 방법을 보여주었다. 그러나 또한 심각한 과학적인 딜레마를 불러왔다. 이 시점에 이르러, 전자기파는 빛과 비슷한 방법으로 똑바른 선을 따라 이동한다고 가정되었다. 만일, 이것이 사실이라면, 최대 가능 통신거리는 그림 1에 보이는 경로에 의해 결정될 것이다. 전파신호는 어떤 방해물질이 그것을 차단하는 지점까지는 수신될 것이다. 만일 그 경로에 어떤 물질도 없다면, 최대거리는 송신기, 수신안테나의 높이 그리고 지구의 곡률에 의해서 결정될 된다. 유추를 통해 빛의 그림을 그려볼 때, 이 거리는 LOS(가시거리, Line of Sight) 라고 불리는 거리로 나타난다. 마르코니의 대서양 횡단 증명에서, 독특한 것은 지구 곡률에 따라 휘어지는 전파를 발생시켜 영국으로부터 나온 통신 신호들이 예기치 못한 거리에서 수신된 것이다.
그림 2. 고위도에서 전도성이 있는 지역은 전파신호를 반사시킬 것이다.
1902년, 올리버 헤비사이드(Oliver Heaviside)와 아서 케넬리(Arthur Kennelly)는 지구를 향해 반사되는 전달신호를 통해 고층대기에 전도층이 존재함을 제시했다. 이때까지, 전도층에 대한 직접적인 증거는 아무 것도 없었으며, 지구의 고층대기의 물리적, 전기적 조성에 대해 알려진 것도 거의 없었다. 만일 그러한 전도층이 존재한다면, 그것은 그림 2에서 보여 지는 것처럼 전파통신에서 LOS의 확장을 형성할 것이다. 1920년대 중반에, 이오노존데(전파가 전리층에서 반사되어 지상으로 돌아오는 시간을 측정하는 장치)의 개발은 이온층에 대한 직접적인 관측을 가져왔으며, 이온층의 특징과 다양성 및 이온층이 전파에 미치는 영향에 대한 최초의 과학적 연구를 할 수 있게 하였다.

마르코니의 대서양 횡단실험은 새롭게 발견된 이온층의 유용성을 연구하는 수많은 실험을 불러일으켰다. 대부분의 중요한 초기 실험들은 아마추어 전파연구가들에 의해 수행되었다. 이들은 원거리 전송을 위해서는 이온층을 통하여 2MHz 이상의 높은 주파수의 사용이 필요하다는 것을 보여주었다.
이온층의 구조
우리는 이온층을 D, E, F 그리고 상위층(topside)라고 불리는 네 부분의 지역으로 나눈다. 이러한 지역들은 F1, F2 와 같은 몇몇의 정기적으로 발생하는 층으로 더 나누어지기도 한다.

D층

지표에서 약 75∼95km사이의 지역으로 상대적으로 약한 이온화가 높은 주파수 라디오파의 흡수의 주된 원인이 된다.

E층

지표에서 약 95∼150km 사이의 지역이다. 이 지역 안에서의 분리된 층들인 다른 세부지역들은 e에 접두어를 붙여 표시를 한다. 즉, 짙은 층은 E2와 같이 표시를 하고, 변화기 쉬운 얇은 층은 산발성의 E라고 표시한다.

F층

지표에서 약 150km 위 부분의 지역은 F층이라 불리며 반사도가 가장 높은 층이다. 이 지역은 크게 F1층과 F2층으로 나뉜다. 하지만 밤이 되면 이 경계는 사라지고, F층으로 합쳐지게 된다.

상위층(topside)

이온층의 이 부분은 F2층의 최고 높이에서 시작해서 O+이온들이 H+와 He+보다 적어지는 전이 높이까지로 구분되고, 밀도는 올라갈수록 줄어든다. 전이 높이는 1100km 만큼 높지만, 밤에는 500km아래로 떨어 낮에는 800km 아래로 좀처럼 떨어지지 않는다. 전이 높이 위 부분에서, 약한 이온화는 라디오 신호들에 거의 영향을 미치지 못한다.
이온층 활동
이온폭풍
태양의 활동은 이온층에도 영향을 미친다. 플레어와 코로나 물질의 방출(CME)과 같은 태양활동은 가끔 이온권의 교란을 발생시키는데, 이를 ‘이온폭풍’이라한다. 이 이온폭풍들은 통신위성을 두절시키며, 전기에너지의 흐름을 방해하는 것과 같은 지구상의 중요한 문제를 일으킨다. 따라서 만일 폭풍에 대한 예보가 가능하다면, 그러한 이온폭풍들을 감시하는 것은 중요한 일이 될 것이다.

현재는 지구의 GPS(위성항법장치, Global Positioning System) 네트워크를 이용해 이온층의 폭풍을 관측하여 예보한다. 지구의 GPS 네트워크를 사용할 수 있는 능력은 우리에게 새롭고 강력한 기술을 부여할 뿐만 아니라, 이온 폭풍을 예보하거나, 그것들의 이동을 관측하기도 하고, 또한 폭풍 현상의 좀 더 확실한 이해를 알려주기도 한다. 그리고 미분적인 이미지 기술인 DMT(Discrete Multi-Tone)가 개발되었는데 , 이것은 폭풍의 각각을 뚜렷이 확인할 수 있게 하였고, 이온층의 변화에 따라 폭풍을 구별하는 방법으로 폭풍들을 분류하였다. 이런 방법에서 놀라운 것은 거의 실시간으로 전 세계에서 동시에 발생하는 이온 폭풍들을 연구할 수 있다는 것이다.
지구 이온층 지도
전체 전자의 양(TEC, total electron content)에 대한 전체적인 지도를 생성하는데 이용되는 데이터는 전체네트워크에서 100군데 이상의 지속적으로 작동하는 GPS 수신기들로부터 얻어진 것이다. 이러한 지구 이온층 지도(GIM, Global Ionosphere Map)은 매 30초마다 각각의 GPS 수신기로부터 얻어진 6~8개의 TEC측정을 시간과 공간에 따른 보간법을 사용하여 제공한다. 지도는 5~15분의 비율로 갱신되고 있으며, 실시간 방식으로 생성될 수 있다.

또한 지구 이온층 지도는 전우주환경의 중요 요소인 이온층 환경의 전체적인 패턴을 감시하는 새로운 도구로 주목받고 있다. 지구 이온층 지도는 전체적인 이온들을 측정하기 위해 이용되고 있으며, 고층대기의 과학적인 연구를 위해서도 이용되고 있다. 그리고 이것은 국제 우주환경 프로그램을 위한 중요한 데이터원이 될 것이다.
이온층의 불규칙성
불규칙적으로 구성된 이온층의 영역들은 라디오 신호에 회절과 흩뿌림을 일으킬 수 있다. 안테나에서 수신하였을 때, 이러한 신호들은 진폭과 위상에서 일시적인 동요를 나타낸다. 이것을 이온층의 섬광이라 한다. 향공 시스템에 미치는 영향과 국제 우주 날씨 프로그램 이온 섬광(National Space Weather Program Ionospheric scintillation)은 전파의 강도가 시간적으로 변동하는 현상, 위상주기의 미끄러짐, 수신에서의 손실 등의 문제를 일으키며, 위성 항공시스템들의 질을 떨어뜨린다. 국제 우주 날씨 프로그램은 이온층의 불규칙성과 섬광을 우주 날씨의 구성 요소에서 중요한 열쇠로 보며 목록으로 작성하였다.
전 세계의 gps 네트워크를 이용한 지구 이온층의 불규칙성 관측
현재의 지구 전체의 GPS 네트워크는 수 백 개의 GPS 관측소를 포함하며, 그 수는 현재 계속해서 증가하고 있다. 이러한 관측소에서 각각의 수신기는 서로 다른 방향으로부터 동시에 GPS 인공위성으로부터 발생하는 L-band(엘 밴드, 390~1550 MHz) 이중 주파수 신호를 수신할 수 있다.
최종수정일

2017년 3월 31일