밴앨런대

밴앨런대(van Allen Belt) 또는 밴앨런복사대(van Allen radiation belt) 는 지구 자기장에 의해 에너지가 높은 하전입자(이온과 전자)가 갇혀 있는 지구 주변 도넛 모양의 구역이다(그림 1 참조). 이 구역은 1958년 미국 최초 인공위성인 익스플로러 1호에 의해 발견되었으며, 이를 분석하고 이 분야에 큰 공을 세운 미국 물리학자 제임스 밴 앨렌(James van Allen)의 이름을 따서 밴앨런대라고 부른다. 밴앨런대는 내대(inner belt)와 외대(outer belt)로 이루어져 있다. 내대는 고도 1000 km에서 6000 km(0.2@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@에서 1@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@)까지이며 고에너지 양성자가 중요하고, 외대는 고도 10000 km에서 60000 km (2@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@에서 9@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@)까지이며 고에너지 전자가 중요하다. 내대와 외대 사이의 공간은 고에너지 하전입자가 별로 없어, 기기 손상이 잘 일어나지 않는 곳이므로, 종종 안전 지대(safe zone 혹은 safe slot)라고 부른다.

그림 1. 고에너지 양성자가 주요 구성원인 내대(붉은색)와 고에너지 전자가 주요 구성원인 외대(푸른색)를 보여주는 밴앨런대의 단면. 크기는 정확하게 표현한 것이 아니다.(출처: )

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그림 2. 전파 관측으로 발견한 목성 주변 복사대. 크기는 정확하게 표현한 것이 아니다. (출처: )

우주 시대 이전부터 지구 주변 우주 공간에 대전 입자들이 분포하는 공간이 존재할 가능성에 대해 연구되고 있었는데, 1958년 세계 지구물리학의 해 프로그램의 한 가지로 발사된 익스플로러 1호(Explorer-1, 공식명 인공위성 1958 알파)가 마침내 그 존재를 확인하였다. 이후 Explorer 4 호, Pioneer 3 호, 그리고 Luna 1 호는 한정된 공간에 대전 입자가 밀집되어 있다는 것을 밝혀냈다. 유사한 복사대가 목성 등 자기장의 세기가 충분한 태양계 다른 행성과 위성 주변에서 발견되기도 하였다(그림 2 참조). 최근 관측에 의하면 밴앨런대를 구성하는 고에너지 입자는 에너지를 외부에서 받은 것이 아니고 태풍처럼 국부적으로 에너지를 얻어 가속된다고 한다.

밴앨런대는 내대(inner belt)와 외대(outer belt)로 구성된 2층 구조이다. 밴앨런대에 속한 고에너지 입자가 인공위성 등의 태양 전지나 전자 장비를 훼손시키기 때문에 그런 입자들이 적은 내대와 외대 사이의 공간을 종종 '안전 지대(safe zone 혹은 safe slot)'라고도 부른다. 인공위성 임무의 특수성 때문에 고도가 어쩔 수 없이 강한 복사대를 지나야 하는 경우 장비를 잠시 멈추기도 할 정도이다. 유인 우주 임무인 경우 우주인의 방사능 피폭양이 안전 기준을 만족하도록 더욱 신중을 기해야 한다.

지구 자기권 안에 있는 이온이나 전자는 자기장을 따라 움직이게 되는데, 이때 자기거울에 반사되듯이 극 주변의 강한 자기장 사이에서 반복 운동하게 된다. 이렇듯 극 주변에서 반사하기 때문에 대전 입자가 도너스 모양의 지역에 갖히게 되는 것이다.

내대는 고도 1000 km에서 6000 km(0.2@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@에서 1@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@) 까지를 의미한다. 태양 활동이 왕성할 때는 안쪽 경계가 고도 200 km까지 수축되기도 한다(그림 3 참조). 100 keV 의 전자와 100 MeV 의 고에너지 양성자가 주로 분포한다. 50 MeV 보다 높은 에너지를 갖는 양성자는 우주선이 고층 대기의 핵과 충돌할 때 중성자 베타붕괴에 의해 생성된 것이라고 생각된다. 반면 저에너지 양성자는 지자기 폭풍이 발생하는 동안 양성자 확산 때문에 분포하게 된 것이라고 여겨진다.

외대는 고도 10000 km에서 60000 km (2@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@에서 9@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@) 까지를 의미한다. 내대보다 넓게 분포하는데 특히 4@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@에서 5@@NAMATH_INLINE@@R_E@@NAMATH_INLINE@@)에서 밀도가 가장 높다. 외대는 주로 고에너지 전자(0.1에서 10 MeV)로 구성되어 있다. 외대에 갇힌 입자는 전자와 양성자를 포함하기도 하는데, 고에너지 알파 입자와 산소 이온을 주로 포함한다. 고에너지 전자는 휘슬러 모드로부터 에너지를 받거나 안쪽을 향한 확산에 의해 생성되는 것으로 생각된다. 고에너지 전자는 고층 중성 대기와의 충돌이나 자기권계면 손실 등에 의해 소실된다. 한편 2013년 밴앨런프로브(van Allen Probes)는 일시적으로 수주 정도 지속되는 세 번째 밴앨런대를 발견했다고 보고하기도 하였다.