(설명) 우주전파환경예보 - 전리층에 대하여 ... [2022-04-15]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 [1].  전리층에 대하여

 

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.

 

 

 

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.

 

 

 

 

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 [2].   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

 

 

 

 

 

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 [3].  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.