외기권

외기권(exosphere)은 지구 대기권의 최외곽을 형성하는 대기층이다. 아래로는 열권(thermosphere)과 접하고 있으며, 밖으로는 밴앨런대(Van Allen belt)와 접하고 있다. 외기권 바깥은 우주 공간이다. 지표면으로부터 500-1,000 km 정도의 높이에서 시작하여, 대략 10,000 km 정도까지를 외기권으로 간주한다. 외기권의 주된 기체는 수소와 헬륨이며, 외기권 하층에는 일부 원자 상태의 산소도 존재한다. 이 층에 극히 희박하게나마 대기가 존재하므로 인공위성이 약간의 마찰력을 받기는 하지만 궤도를 유지하면서 지구 주위를 선회할 수 있다.

그림 1. 지구 대기권의 연직 구조. 최외곽 대기층이 외기권이다.(출처:한국천문학회)

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열권계면(thermopause) 또는 외기권기저면(exobase)으로 알려져 있는 외기권의 하부 경계의 고도는 태양의 활동에 따라 달라진다. 태양 활동 극소기에는 태양복사가 덜 강하여 열권계면은 약 500 km 고도 이내로 줄어들어, 외기권의 하부 경계는 지표면에서 약 250-500 km 고도로 측정된다. 반면, 태양 활동 극대기에는 태양으로부터 나오는 엑스선과 자외선이 열권을 가열하여 열권계면이 지표면 위 약 1,000 km 높이까지 올라가기 때문에, 이 시기에는 외기권의 하부 경계가 지표면 위 500-1,000 km로 측정된다. 외기권의 가장 낮은 고도인 외기권기저면은, 대기 입자간의 충돌이 무시될 수 있을만한 수준의 높이, 또는 내부의 원자가 순수한 탄도궤도(ballistic orbit)를 따라 움직이는 높이로 정의할 수 있다. 외기권은 위성에게 대기항력을 발생하므로 외기권기저면의 높이 변화에도 궤도를 유지하기 위해 어떤 조치도 취하지 않을 경우 위성이 궤도를 이탈할 수도 있기 때문에 매우 중요하다.

외기권은 우주 공간으로 서서히 사라지기 때문에, 이 층의 명확한 상부 경계가 없다. 원칙적으로, 외기권은 입자가 여전히 중력에 의해 지구에 연결되어있는 거리, 즉 입자가 여전히 지구로 되돌아 갈 탄도 궤도를 가지고 있는 거리를 포함한다. 외기권의 상부 경계는 태양 복사 압력이 수소 원자에 미치는 영향이 지구의 중력 가속도를 초과하는 거리로 정의 할 수 있다. 이것은 달까지의 거리의 반에 해당 한다(지구와 달 사이의 평균 거리는 384,400 km 임). 최상부 대기의 수소 원자에 의해 산란된 자외선의 희미한 빛을 지오코로나(geocorona)라고 하는데, 이 지오코로나로서 우주에서 관측 할 수 있는 외기권은 지구 표면에서 최소 10,000 km 까지 확장되는 것으로 여겨진다. 외기권은 지구의 대기와 우주 공간 사이의 천이 지대이다.

외기권은 기술적으로 지구 대기의 일부이지만 여러 면에서 우주 공간의 일부이다. 외기권의 주된 기체는 수소와 헬륨이며, 지극히 희박한 외기권의 공기는 중력을 이겨내고 우주 바깥 공간으로 빠져나가기도 한다. 따라서 외기권은 지구가 대기를 구성하는 입자들을 잃어버리는 영역이기도 하다. 외기권내에서는 대기가 매우 희박한 편이지만, 이 층 내부의 궤도에 있는 인공위성에 약간의 항력을 유발할 수 있는 충분한 공기이다. 이 대기항력은 점차 궤도에서 우주선을 감속시키므로, 우주선의 궤도를 유지하기 위해 조치를 취하지 않으면 우주선은 궤도에서 벗어나 대기로 들어가면서 피해를 입을 수 있다. 평균 고도가 약 600 km인 허블우주망원경(Hubble space telescope)과 많은 인공위성들이 외기권 내 궤도를 돌고 있다.

그림 2. 외기권 내에서 임무를 수행하고 있는 허블우주망원경(출처:GettyimagesKorea)