우주기상

우주기상(宇宙氣象, Space weather)은 우주 시스템의 사용과 인류의 우주 활동 시 영향을 미치는 태양 활동에 의한 전리층과 지구 자기권의 전자 밀도, 지자기 강도, 플라스마 밀도 변화 등 우주 공간의 물리적 상태를 말한다.

개요

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.

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 행성 간 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 비행승무원의 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.

역사

우주기상은 우주 공간의 변화하는 환경 조건을 부르는 말이다. 열권, 전리층, 자기권, 외기권 등의 지구 주위의 환경 역시 포함한다. 이는 행성 대기 내부의 기상과는 구분되며, 행성 또는 천체 주위의 플라즈마, 자기장, 복사 등과 관련된 현상을 다룬다. 우주기상이라는 용어는 1950년대에 처음 사용되었으며 1990년대에 널리 퍼지게 되었다

1852년 천문학자이기도한 영국의 에드워드 사빈(Edward Sabine) 경은 지구에서 지자기폭풍이 발생할 확률이 태양의 흑점 수와 관계가 있다고 주장했다. 1859년 큰 지자기폭풍이 발생했고 유럽과 북아메리카 전역의 전신 시스템이 마비되었다. 리차드 캐링턴은 전날 태양의 흑점 무리에서 관측한 플레어와 폭풍을 연결하여 특정 사건이 지구에 영향을 줄 수 있음을 보였다. 크리스티안 비르켈란은 실험실에서 인공 오로라를 만들어 오로라를 설명하고 태양풍을 예측했다.

특징

우주기상은 지구 대기권 밖에 존재하는 태양∙태양풍∙자기권∙열권∙전리층 등이 지닌 물리적 상태를 말한다. 대류권이나 성층권 등 지구 대기에서 나타나는 기상 현상과 구별하여, 지구 대기권 밖에 존재하는 태양∙태양풍∙자기권∙열권∙전리층 등이 변화하는 물리적 상태를 '우주 기상'이라고 한다. 주목하는 우주 기상 현상으로는 태양의 특정 표면에서 짧은 시간 동안 매우 강한 에너지가 폭발적으로 방출되는 플레어(flare), 전자나 양성자를 포함한 하전입자(플라즈마)가 태양 대기로부터 짧은 시간 내에 방출되는 코로나 질량 방출(coronal mass ejection), 플레어 발생 시 태양 대기로부터 빠르게 방출된 고에너지의 양성자들이 수 시간 내에 지구에 도달하는 태양 양성자 이벤​트(solar proton event) 등이 있다. 이러한 태양의 특이 활동에 의한 우주 기상의 변화는 우주 공간에 설치되어 현대 과학기술 전반에 활용되는 인공위성의 오작동을 유발할 수 있다. 또한, 지구자기장이나 열권∙전리층 등의 급격한 변화를 유발하여 GPS 위치 오차∙무선통신 장애 발생 등 전자기파를 활용한 최첨단 기술의 안정적 사용을 크게 저해할 수 있다.

대한민국은 2018년 12월 우주기상탑재체(KSEM, Korean Space Weather Monitor)를 설치한 천리안위성 2A호를 발사하여 지구 정지궤도에서 우주 기상관측을 수행하고 있다. 세계 여러 나라가 국가 기관을 지정해 우주기상을 예보하고 있으며, 한국의 경우 국가기상위성센터에서 '우주기상 일일예보'를 실시하고 있다. 이 예보에는 태양 엑스선 복사 활동, 태양 고에너지 입자 플럭스, 지구자기장 교란 지수, 자기권계면의 위치 등의 관측 결과를 발표하고 있으며, 특히 기상위성 운영∙극항로 항공기상∙전리권 기상 등에 미칠 영향을 중점적으로 감시하고 있다.

태양의 표면 폭발로 인한 지구 주변의 우주 환경 변화가 인류에게 미치는 영향이 중요해지면서, 우주기상을 체계적으로 연구할 필요성이 대두되었다. 이에 따라 관련 내용을 연구하는 학문 분야를 '우주 기상학'이라고 한다. 전자기파를 이용한 첨단 기기의 사용 외에도 우주 개척에 필수적인 우주 정거장과 같은 시설에 영향을 줄 수 있는 우주기상에 대한 연구는 그 필요성은 더 커지고 있다.

우주기상 감시

기상청에서는 주로 위성, 지상 관측장비를 이용하여 태양활동과 지구자기장의 변화를 감시한다. 태양활동 감시는 주로 위성관측을 통해 이루어진다. 플레어 감시를 위해 GOES위성 관측 자료를 사용하고, 코로나 질량방출은 STEREO위성과 SOHO위성 관측자료를 사용한다. 또한 코로나 질량방출과 고속태양풍에 의한 태양풍 변화 감시를 위해 DSCOVR위성 관측자료를 사용한다. 반면 지구자기장 감시는 위성관측과 지상 자기장 관측자료를 모두 사용한다. 정지궤도에서의 우주기상 감시를 위해 천리안위성 2A호(우리나라가 2018년 12월에 발사한 차세대 정지궤도기상위성) 및 GOES위성의 관측자료를 사용한다. 지상에서의 자기장 변화는 지자기폭풍의 세기를 나타내는 지수인 Kp 지수와 Dst 지수를 사용한다.

기상청의 우주기상 예·특보

기상청에서는 태양활동과 지구 자기권의 변화를 상시 감시함으로써 우주기상 위험에 대비하고 있다. 기상청에서 주요하게 감시하는 우주기상 요소는 기상위성운영, 극항로 항공기상, 전리권기상이다.

• 기상위성운영 : 기상위성운영은 우주기상의 영향으로부터 기상위성의 안정적 운영을 지원하기 위한 예·특보 요소이다. 기상위성운영에 영향을 주는 우주기상 인자로는 태양 엑스선 플럭스, 태양 고에너지 입자 플럭스, 지구자기장 교란, 자기권계면 위치가 있다. 우주기상 특보 발령 시 기상위성의 안정적 운영을 위하여 필요에 따라 위성궤도 모니터링 및 조정, 태양 전지판 운용각도 조정, 위성 수신 장애 감시 등의 대응을 하고 있다.
• 극항로 항공기상 : 극항로 항공기상은 세계기상기구의 우주기상 서비스 지원 및 국제민간항공기구(ICAO)의 우주기상 항행 지원을 위한 우주기상 예·특보 요소이다. 극항로 항공기상에 영향을 주는 우주기상 인자로는 태양 엑스선 플럭스, 태양 고에너지 입자 플럭스, 지구자기장 교란이 있다. 우주기상 특보 발령 시 항공기 운항고도 조정, 북극항로 우회운항 권고, GPS 신호오차 감시, 통신장에 감시 등의 대응을 하고 있다.
• 전리권기상 : 전리권기상은 전지구 위성항법시스템(GNSS)의 정확한 관측을 지원하기 위한 우주기상 예·특보 요소이다. 태양 플레어 및 자기폭풍이 발생할 경우 지구의 초고층대기인 전리권에 전자밀도 증가가 나타난다. 전리층 변화를 감시하기 위해서 위성측위시스템을 이용하여 전자밀도 정보를 산출한다. 특보 발령 시 기상현상과 기후 예측에 영향을 줄 수 있는 기상요소 변화 등의 대응을 하고 있다.

우주기상 활동도 기준

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.

태양 엑스선 복사 활동(R)

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.

태양 입자복사 활동(S)

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(㎠), 시간(sec), 입체각(sr)당 10MeV 이상의 에너지를 갖는 양성자가 10개 이상인 경우, 태양 고에너지 입자 방출현상으로 정의한다.

지자기 활동(G)

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.

우주기상탑재체

2018년 12월에 발사된 천리안위성 2A호의 우주기상탑재체(KSEM : Korean Space wEather Monitor)를 통해 국내 최초의 지구정지궤도 상 우주기상 관측이 이루어지고 있다.우주 위험기상 현상은 발생 빈도는 낮으나 한 번의 발생으로 광범위한 피해와 영향을 초래할 수 있기 때문에 위성궤도에서의 조기탐지, 현상분석, 상황 전파 및 대응 기술개발이 필요하다. KSEM에는 3종(입자측정기, 자력계, 위성대전 감시기)의 센서가 탑재되어 있다. 입자측정기는 지구로 유입되는 양성자 및 전자의 유입량(플럭스)을 측정하며, 자력계는 지구자기장의 변화량을 측정한다. 그리고 위성대전 감시기는 천리안위성 2A호의 내부대전량을 측정한다. KSEM에서 관측된 자료는 우주 위험기상의 실시간 감시 및 조기탐지, 위성체의 안정적인 운영을 위한 정보 제공, 우주과학기술의 발전을 위한 학술연구 등에 활용되고 있다.

참고자료

• 〈우주기상〉, 《네이버 국어사전》
• 〈우주기상〉, 《천문학백과》
• 〈우주 기후〉, 《위키백과》
• 〈우주 기상〉, 《두산백과》
• 〈우주기상 소개〉, 《국가기상위성센터》

같이 보기

• 우주
• 기상
• 태양
• 열권
• 태양풍
• 자기권
• 전리권
• 기상청
• 기상현상
• 전자기파
• 인공위성
• 기상관측
• 우주비행사
• 비행승무원

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