우주기상

우주기상은 우주 또는 지상의 기술 시스템의 작동과 안정성, 인간의 삶과 건강에 영향을 미칠 수 있는 태양, 태양풍, 자기권, 전리권, 열권의 물리적 조건들을 아울러 이르는 말이다. 전통적으로 전리권, 열권으로부터 자기권 나아가 지구 근처의 우주 공간이 태양풍과 행성간자기장의 영향을 받는 전자기파와 입자의 환경을 우주환경(Space environment)이라고 한다. 우주기상은 이 우주환경의 변화와 및 그 연관 현상을 포함하는 포괄적 의미로 사용되고 있다(그림 1 참조).

우주기상에 중요한 태양 요소는 자외선 및 엑스선 영역의 고에너지 전자기파 복사, 그리고 주로 양성자와 전자로 구성된 태양고에너지입자(solar energetic particles, SEP), 희박한 플라스마로 이루어진 태양풍이다. 태양풍은 태양자기장을 행성간 공간으로 실어나른다. 태양의 고에너지 전자기파는 지구대기와, 태양풍은 지구자기장과 상호 작용하여 전리권과 자기권이라는 독특한 환경을 만든다. 태양에서 발생하는 플레어와 코로나질량방출 등의 폭발현상은 엄청난 양의 전자기파와 고에너지 입자들을 방출하여 우주환경의 급격한 변화를 일으킨다. 우주환경의 변화는 위성 및 무선 통신, 위성체, 위성궤도 그리고 지상 전력시스템 등과 같이 우주공간 및 지상에 설치된 최첨단 기기의 성능과 신뢰성에 영향에 미칠 뿐만 아니라, 우주비행사 및 비행 승무원의 안전을 위협한다. 우주기상 관련 주요현상은 지자기폭풍, 부폭풍, 밴앨런대의 활성화, 전리권 교란 및 산란, 오로라, 코로나질량방출, 행성간충격파, 태양고에너지입자 방출현상(solar proton event) 등이다. 세계 여러나라는 국가기관을 지정해 우주기상을 예보하고 있다. 정량적 예보를 위해 세계 보편적으로 쓸 수 있는 우주기상 활동도 지수(RSG)가 도입되었다. 태양 엑스선 복사(Radiation), 태양입자복사(Solar particles) 그리고 지자기 활동(Geomagnetic acitivity) 등 세 가지 영역으로 구분하고, 각 영역별로 활동 단계를 정의해 예보에 사용하고 있다.

그림 1. 우주기상의 영역과 그 효과(출처: 한국천문연구원)

목차

미국은 해양대기청(NOAA), 미 공군, 항공우주국(NASA), 내무부, 에너지부 그리고 미국과학재단 연합으로 우주기상 감시와 예보의 필요성을 인식하고 1996년 국가우주기상 프로그램을 수립 추진하고 있다. 특히 정부연구 기관인 NOAA 산하 우주기상예보센터(Space Weather Prediction Center; ) 와 미 공군은 우주기상 자료 생산, 수집, 자료 센터 운용, 연구 지원 및 예․경보 업무를 공동으로 수행하고 있으며 관련 자료 및 정보의 교환 등 매우 밀접하게 상호협력하고 있다. 특히 NOAA/SEC은 NASA와 같은 주요 우주관련 정부기관 뿐만 아니라 일반인들에게도 우주기상 서비스를 제공하고 있다.

캐나다의 우주기상 예보센터는 캐나다의 자연 자원청() 과 우주국에 의해 운영된다. 일본의 우주기상 예보 관련 기관은 정보통신부() 의 응용전자기 연구센터 산하의 우주환경정보 서비스 그룹이 있다. 호주는 기상국(Space Weather Services; ) 에서 단파통신에 대한 전파예보 및 체계적이고 상세한 우주기상 정보를 총괄한다.

우리나라는 2011년 ISES에 가입한 국립전파연구원 에서 우주기상기상예보서비스를 운영하고 있다. 한국천문연구원의 태양우주환경그룹에서도 태양 및 우주환경 모니터링 시스템으로 우주기상과 관련된 태양 및 우주환경을 지속적으로 모니터링을 하고 있으며, 우주기상과 관련된 연구를 수행하고 있다. 천문연에서는 아래 제시된 홈페이지를 이용하여 매일 우주기상 예보를 하고 있다.

한편 국제 우주환경 서비스(ISES, International Space Environment Service)에 의해 세계 각 국의 우주기상 예보센터가 협력관계를 형성하고 있다. ISES의 임무는 우주기상 영향을 최소화하기 위해 우주환경 정보의 신속한 교환, 우주기상 관측과 자료 처리를 위한 방법의 표준화, 관측과 통계자료를 정기적으로 제공하여 전 세계에 걸친 우주환경의 실시간 관측과 예보를 촉진하고 장려하는 것이다. ISES의 가장 중요한 역할 중 한 가지는 표준화된 우주기상 정보의 빠른 교환을 가능하게 하여 이 정보를 각국 우주기상 예보센터로 예보하도록 하는 것이다. ISES는 미국, 호주, 캐나다, 일본, 인도, 중국 및 유럽 여러 국가의 우주기상 기관에 의해 구성되어 있고 이들은 ISES로 우주기상 예보라는 공동의 목표를 추구함과 동시에 각국의 사정에 맞는 우주기상 서비스 및 연구 활동을 수행하고 있다.

우주기상 예보를 정량화하기 위해서 태양 엑스선 복사(R), 태양입자복사(S) 그리고 지자기 활동(G)으로 구분해서 활동별 규모와 그 영향에 따른 경보 기준을 다음과 같이 정의하고 있다.

플레어와 같은 급격한 태양활동은 극자외선, 엑스선, 마이크로파 등 강력한 복사에너지를 방출한다. 태양 엑스선 복사는 극자외선 복사와 함께 전리권 내의 전자 밀도를 증가시켜 단파통신이나 항법 통신에 두절을 일으키고 위성 통신 및 위성 항법신호의 에러를 발생시키는 등 주로 무선 통신에 직접적인 영향을 미친다. 미국 우주환경 예보센터에서는 단파 통신에서 마이크로파 통신 장애에 영향을 미치는 태양복사량을 나타내는 지수로서 GOES 위성에서 관측한 태양 엑스선(1∼8Å) 세기를 사용하여 그 세기 변화를 실시간으로 모니터하고 있다. 복사환경에 따라 예상되는 통신장애정도를 R1에서 R5까지 5단계로 나누어 분류하고 있다. 참고로 국제 우주환경 서비스 기구(ISES)에서도 최대 엑스선 세기에 따라 약간 강(Eruptive), 활발(Active), 매우 활발(Major) 등 3가지 등급으로 나누어 태양복사 환경을 분류하고 있다.

큰 규모의 태양 플레어나 코로나질량방출이 발생하면 수십 분에서 수 시간 후에 상대론적 고에너지 입자가 지구에 도달하게 된다. 이들은 지구자기장을 따라 극지방으로 유입되어 전리권의 전리를 증가시켜 극지에서의 단파 통신이나 항법시스템에 장애를 일으킨다. 또한, 태양 고에너지입자방출현상은 태양 활동을 모니터하는 위성에 대해서도 영향을 주는데, 그 영향은 주로 위성체 내의 메모리 고장, 위성 관측영상에 심각한 잡음 발생, 태양 전지판의 수명을 감소시킬 수 있다. 태양입자 복사에 의한 통신 및 위성 운용에 예상되는 장애 정도는 GOES 위성 관측으로 측정된 양성자(10MeV 이상) 입자수를 기준으로 S1(minor), S2(moderate), S3(strong), S4(severe), S5(extreme)의 5단계로 나누어 예측한다. 또한 태양입자 복사의 규모는 ISES 분류에 따라 규정할 수 있는데 단위면적(@@NAMATH_INLINE@@cm^2@@NAMATH_INLINE@@), 시간(sec), 입체각(sr)당 10MeV 이상의 에너지를 갖는 양성자가 10개 이상인 경우, 태양 고에너지 입자 방출현상으로 정의한다.

태양 플레어나 코로나질량방출 등과 같은 태양활동이 있은 후 수일 이내에 지구자기장이 급격히 변하는 것을 지자기폭풍이라 부른다. 지자기폭풍은 지상 전력망에 유해한 유도전류를 만들거나 중성대기의 밀도를 변화시켜 저궤도 위성의 대기마찰을 증가시킨다. 대기 마찰의 증가는 1000km 이하 고도를 운항하는 대부분의 인공위성의 궤도 변화를 일으키는 주요 원인이다. 그리고 지자기폭풍은 지구표면을 따라 흐르는 전류를 만들어 내고 고위도에 있는 파이프라인, 전력선, 철도 그리고 다리와 같은 인공구조물에는 이러한 유도 전류가 흐르게 된다. 지상 및 위성 자력계로부터 얻어지는 지구 자기장 측정 자료는 지구 자기장을 감시하고 지자기폭풍에 의한 발생할 장애를 예측하는데 매우 중요하다. 각국의 우주환경예보 센터들은 지자기폭풍에 의한 장애 예측을 위해 미국 볼더 관측소외 전 세계 8개의 지자기 관측소의 자료를 사용하여 결정한 지자기 Kp 지수를 사용한다. 지자기 Kp 지수값에 따라 지자기 활동 상태와 예상 장애 정도를 분류할 수 있는 데 지자기 상태는 Kp 지수가 5 이상인 경우부터 차례로 약간 활동, 비교적 활동, 강력, 비교적 강력, 매우 강력으로 구분되고 있다. 지자기폭풍에 따른 장애 정도는 미국 우주환경기준에 따라 G1에서 G5까지 5단계로 나누어진다.