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이온층이 고도 100km이상인 대기층에 관한한 총질량의 1%도 안된다는 사실은 대부분의 사람들에게는 놀라움으로 다가올 것이다(그림 1). 이렇게 대기성분의 자그마한 부분만을 차지하는 이온층이지만, 전파의 전달에 미치는 영향을 감안하면 그 역할은 매우 중요하다. 이온층의 대부분은 전기적으로는 중성이지만, 그 대기성분들이 태양복사광에 노출되면 각종 분자 및 원자들로부터 전자들이 방출되어서 이온층 플라즈마를 형성시킨다. 이 현상은 지구상에서 태양광이 내리쬐는 반구영역에서 발생하며, 파장이 짧은 복사광(극자외선이나 X-선)일수록 이온화에 충분한 에너지를 갖는다. 이런 식으로 하전입자들이 존재하게되면 상층대기는 하나의 도체와 같은 역할을 하게되어 전류가 발생하게되고 전파에 영향을 미치게된다.
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이온층 (Ionosphere)
이온층이 고도 100km이상인 대기층에 관한한 총질량의 1%도 안된다는 사실은 대부분의 사람들에게는 놀라움으로 다가올 것이다(그림 1). 이렇게 대기성분의 자그마한 부분만을 차지하는 이온층이지만, 전파의 전달에 미치는 영향을 감안하면 그 역할은 매우 중요하다. 이온층의 대부분은 전기적으로는 중성이지만, 그 대기성분들이 태양복사광에 노출되면 각종 분자 및 원자들로부터 전자들이 방출되어서 이온층 플라즈마를 형성시킨다. 이 현상은 지구상에서 태양광이 내리쬐는 반구영역에서 발생하며, 파장이 짧은 복사광(극자외선이나 X-선)일수록 이온화에 충분한 에너지를 갖는다. 이런 식으로 하전입자들이 존재하게되면 상층대기는 하나의 도체와 같은 역할을 하게되어 전류가 발생하게되고 전파에 영향을 미치게된다.
 그림1. 이온층은 비행기들이 날아다니는 지역보다 훨씬 더 높지만, 인공위성이나 우주왕복선들이 운행하는 고도에 위치해있다.
이온층의 특성
이온층은 역사적으로 "층"이라 불리는 영역들(D, E, F)로 나누어져왔으며, 이는 그 영역내에서의 이온화를 말한다. D-영역은 가장 낮은 층으로서 고도 50∼90km에 해당된다. E-지역은 90∼150km영역이며, F-지역은 E-지역보다 높은 이온층이다. E-영역에는 태양복사로 형성되는 일반적인 E층과 Es라 칭하는 산발적인 층(sporadic E)이 존재한다. F-지역에는 F1과 F2층이 있다. 이온층의 최상단은 약 1000km정도 되지만, 이온층의 플라즈마(플라즈마권)와 지구자기권의 바깥영역(자기권)사이에는 실제로 특별한 경계가 존재하지않는다. 그림 2에서는 이온층내의 각 영역들과 그 안을 구성하는 이온들의 주성분들을 보여주고 있다. 항해나 통신의 관점에서 볼 때 중요한 영역이 바로 F-2층인데, 여기서는 전자들의 분포집중도가 최대에 달한다.
 그림2. 이온층을 구성하는 각 층들과 주성분을 이루는 이온들이 각 층들의 지상으로부터의 고도와 함께 제시되어있다. 이온층내의 밀도변화가 매우 큰 것이 눈에 띈다.
상층대기를 이온화시키는 또 다른 요인으로서 오로라가 있다. 오로라는 빠른 속도로 대기에 부딪치는 전자와 양성자들에 의하여 빛이 발광하는 현상이다. 이 입자들은 자기권에서부터 지구 자기력선을 따라 나선형경로로 내려온다. 이러한 입자들이 장대한 빛의 배열을 만들어내며, 대기에 부딪치면서 이온화를 일으킨다. 오로라 원은 그 모양을 보고 붙여진 이름으로서, 남북 각 반구마다 위도 60도이상에서 존재한다(우주환경토픽 SE-12, "오로라" 참조).
저위도에서는 전자밀도의 값이 자기적도의 양쪽에서 최대로 나타나는데, 이를 적도이상(equatorial anomaly)이라 부른다. 이온화를 일으키는 태양복사량이 최대가 되는 위치에서 예측 가능하듯이, 이온층의 최대밀도는 적도에서 나타나지않고 그 위아래로 옮겨져있다. 이러한 현상은 지자기의 기하학적 구조 및 전기장의 존재에 의한 것이다. 플라즈마를 운반하는 전기장은 열권풍(thermospheric wind)에 의한 편광효과로부터 발생한다.
이온층의 변동
이온층에서는 이온화의 주된 두 가지 요인의 변화로 인하여, 그리고 상층대기에서 전기적으로 중성인 부분에서 일어나는 변화에 반응한다는 것으로 인하여 많은 변동이 일어난다. 지구대기상에서 이 영역을 열권이라고 부른다. 이 영역은 태양의 극자외선 복사에 반응하므로, 낮과 밤에 걸친 24시간의 주기로 그리고 태양활동의 11년주기에 따라 변화를 겪는다. 표 1에서는 F-영역의 최대전자밀도(Nmax)가 하루동안 그리고 11년주기동안 변하는 모습을 보여주고 있다. 더 짧은 시간내에서는, 플레어의 발생시 태양의 X-선 복사가 급격하게 증가할 수 있으며 이는 D와 E-영역의 이온화를 증가시킨다. 지자기 폭풍이 일어나면 오로라로 인한 이온화현상이 더욱 강하고 변동이 심해지며 저위도지방까지도 영향을 미치게된다. 극단적인 경우에는 오로라의 모습이 멕시코와 같은 남쪽지방에서까지도 보이게된다.
표1. 이온층의 변동
이온층 변동의 또다른 원인은 열권의 중성대기에 반응하는 하전입자들에 의한 것이다. 이온층은 열권풍에 반응을 하는데, 열권풍은 기울어진 자기력선을 따라 이온층을 다른 고도로 밀어내버린다. 이온층은 또한 열권의 화학조성에도 반응하는데, 이는 이온과 전자들의 재결합률에 영향을 미친다. 지자기 폭풍이 일어나면 고위도지방에서의 에너지의 유입이 열권풍과 화학조성의 변화를 일으킨다. 이는 곧 전자밀도의 증가(+위상)와 감소(-위상)를 함께 일으키게된다.
표 1은 Nmax, MUF, TEC 등 이온층의 세가지 중요한 값들의 하루 및 11년주기에 걸친 변화를 나타내고 있다. 단파통신에서는 전파가 이온층에 반사되면서 한 지역에서 다른 지역으로 퍼져나간다. 가장 중요한 양이라면 이온층에서 "지원"가능한 최대사용주파수(MUF)와 최저사용주파수(LUF)를 들 수 있다. MUF는 F-영역의 최대전자밀도와 전파의 입사각에 의해 결정된다. 이 값은 하루동안, 그리고 11년주기동안에 걸쳐 바뀌며 지자기 변동이 일어날때에도 변한다. LUF는 D와 E-영역에서의 전파 흡수량에 좌우되며 플레어 발생시 상당한 영향을 받는다(그림 3). TEC(Total Electron Content: 총전자량)는 항해와 관련해서 상당히 중요한 양이다. 모든 단일 주파수 GPS 수신기들은(총사용자수 100만이상임) 2만2천km 상공에 있는 GPS위성으로부터 오는 신호가 이온층을 거쳐올 때 발생하는 지연현상에 대한 보정이 필요하다. TEC는 이 지연의 정도를 측정해주며 GPS사용자가 정확한 위치정보를 원할수록 더 요구되는 사항이다. TEC의 하루 및 11년 변동양상 또한 표 1에 제시되어있다.
 그림3. 사용가능한 전파의 주파수영역은 최소사용주파수와 최대사용주파수 사이에서 형성된다. 그림과 같이 이러한 영역이 사라지는 경우 단파통신장애가 발생한다.
이온층 산란(Scintillation)
이온층에서는 특정한 영역(주도 고위도와 저위도의 F-영역)과 특별한 시간(주로 일몰이후)에 내부 요동이 매우 심한 경우가 있다. 여기서 말하는 요동(turbulence)은 수십 km규모의 이온층내에 존재하는 수 cm에서 수 m에 해당되는 소규모 구조나 불규칙성을 뜻한다. 특별한 조건하에서는 플라즈마밀도의 불규칙성이 적도지역에서 일몰이후에 발생하며 수 시간 지속되기도 한다. 고위도지방에서는 이러한 불규칙성이 낮시간이나 밤시간에 나타날 수도 있다. 고위도 및 저위도 지방에서 이러한 현상들은 태양활동의 극대기에 가장 빈번하게 발생한다(그림 4).
그림4. 태양활동이 약하거나 보통일 때 지구전체의 산란감쇄의 깊이분포
이러한 소규모 구조들의 존재는 인하여 전파가 이온층을 거쳐 통과하는데 있어서 심각한 영향을 미치게 된다. 그림 5에서는 "깨끗한" 이온층을 통과하던 UHF(∼250Mhz) 전파의 진폭이 갑작스럽게 시작되는 소규모 불규칙성에 의하여 영향을 받는 모습을 나타내고 있다. "이온층 산란"이라는 말은 전파에 작용하는 이러한 영향을 뜻한다. 산란된 신호의 진폭 변동이 클수록 통신과 항법 장치에 미치는 영향이 더 커진다.
그림5. 이온층내에서 산란이 시작되면서 신호가 와해되고있다.
참고문헌
- Davis, K., "Ionospheric Radio", IEE Electromagnetic Waves series 31, Peter Peregrinus Ltd., London, UK, 1989.
- Hargreaves, J. K., "The solar-terrestrial environment", Cambridge Atmospheric and Space Science series, Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK, 1992.
- Jursa, Adolph S., ed., Handbook of Geophysics and the Space Environment, Air Force Geophysics Lab, Hanscom AFB, MA, 1985.
- Kelley, Michael C., "The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics", Academic Press, 1989.
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