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전파의 전달 (Radio Wave Propagation)
태양의 전자기 복사는 전파에서부터 적외선, 가시광, 자외선, X-선 및 그 이상까지의 연속이다. 자외선은 광전리라는 과정을 통하여 상층대기의 성분들과의 상호작용을 통하여 이온층을 형성한다.
이온층은 여러 가지 방법으로 전파신호에 영향을 미치는데(그림 1), 이는 초저주파(ELF)에서 초고주파(EHF)에 이르기까지 어떤 주파수의 전파인가에 따라 다르다. 30MHz이하의 주파수에서는 이온층이 효과적인 반사체의 역할을 하여, 수천 km에 이르는 거리의 전파통신이 가능하다. 30MHz이상의 주파수일 경우에는 대개 이온층을 통과하게되므로 지상-위성간의 통신에 더 적합하다.
그림1. 전자기파 스펙트럼에는 X-선, 가시광선 및 전파 등이 있다.
이온층의 불규칙적 교란에 의한 전파 파워의 산란현상으로 신호자체가 들쭉날쭉해지며(scintillation) 예기치않은 경로로 퍼져나가게 되기도한다. TV와 FM라디오(VHF에서) 방송국들은 태양활동에 영향을 덜 받는 편이지만, 지상 및 해안 단파통신, VOA, Radio Free Europe 및 아마추어 무선의 경우는 자주 영향을 받게 된다. 그림 2에서는 이온층에서 일어나는 각종 전파 전달 관련 효과들을 보여주고 있다. 1GHz에 이르는 주파수에서의 선형편광을 이용하는 몇몇 위성 시스템들은 편광면의 패러데이 회전에 의한 영향을 받기도 한다.
그림2. 이온층에 도달하는 전파는 엉뚱하게 갈수도 있다.
A. 파동이 이온층을 뚫고가는 경우
B. 파동이 이온층에 흡수되는 경우
C. 파동이 이온층교란으로 아무렇게나 산란되는 경우
D. 파동이 정상적으로 이온층에 반사되는 경우
태양 플레어의 영향
플레어는 태양대기에서 일어나는 갑작스런 에너지의 방출현상으로서, 전자기 복사 및 때로는 고에너지 입자들과 플라즈마 덩어리들이 방출되기도 한다(그림 3). 플레어에서 나오는 X-선 방출이 갑자기 증가하면 지구의 낮에 해당하는 지역의 이온층 하부에서는 이온화율이 더욱 커지게 된다. 그리고 계속해서 전파신호가 갑작스런 이온층에서의 요동(sudden ionospheric disturbance: SID)을 일으킨다. 이러한 SID현상은 갑작스런 위상의 이상(sudden phase anomaly: SPA) 또는 갑작스런 신호 강화(sudden enhancement of signal: SES)의 형태로 매우 낮은 주파수(e.g., OMEGA)에 영향을 미치며, 고주파(HF or VHF)에서는 단파감쇄(short-wave fadeout: SWF)의 형태로 나타난다. 이러한 요동은 플레어의 강도 및 지속시간에 따라 수분에서 수시간 동안 계속된다.
그림3. 태양면 가장자리에서 일어난 분출현상. 이 사진은 수소 알파선(656.3 nm)으로 찍은 것이다.
플레어는 또한 폭넓은 전파대역에 걸쳐서 잡음을 일으키는데, VHF 및 특별한 조건하에서의 HF에서는 이러한 잡음이 신호에 직접적으로 간섭을 일으킨다. 전파 사용자가 플레어의 영향을 느끼는 주파수는 11년 활동주기에 따라 변한다. 즉, 플레어의 발생이 적은 극소기에 비해서 발생이 잦은 극대기에는 이러한 영향들이 자주 일어난다. 이때 전파사용자들은 신호의 송수신에 있어서 더 큰 어려움을 겪게되는 것이다.
고에너지 입자들의 영향
드문 일이지만 태양 플레어로 인하여 고에너지 입자들(양성자와 전자)이 흘러들어오는 경우가 있다. 거의 빛의 속도에 육박하는 강한 에너지를 가진 양성자들은 불과 30여분만에 지구에 도달하며, 이들은 자기 남북극 부근의 상층대기로 진입하게 된다(그림 4). 이때 극지방 이온층의 하부의 이온화가 가속화되면서 HF 및 VHF 신호의 흡수가 일어나는데, 이를 극관흡수(polar cap absorption: PCA)라 한다. PCA는 수일에서 수 주일 지속될 수 있으며, 이는 플레어의 규모 및 플레어의 발생위치가 지구사이의 자기적인 연결성에 좌우된다. PCA가 발생하면 극지방을 통한 HF 통신은 자주 마비된다.
그림4. 태양의 고에너지 입자들이 지구의 자기력선을 따라 극지방부근의 상층대기로 뚫고 들어와서 이온화를 일으켜 극관흡수현상(PCA)을 일으킨다.
지자기 폭풍의 영향
태양에서 대규모 혹은 수명이 긴 플레어가 발생하고 그 지역의 필라멘트가 사라지는 현상(disappearing filaments: DSF)이 일어날 때, 거대한 플라즈마 구름이 지구-태양간 우주공간으로 방출되는 경우가 있다. 이러한 플라즈마 구름을 코로나 물질방출(coronal mass ejection: CME)이라고 부른다. CME는 태양풍을 통해 우주공간으로 흘러가며 지구까지 도달하기도 한다(그림 5). 이로 인하여 지구 자기장에 혼란을 주게되는데 이를 지자기 폭풍이라고 한다. 그리고 코로나 구멍(coronal hole: CH)이라 부르는 또 다른 형태의 태양활동 역시 빠른 속도의 태양풍을 유발시켜 지구의 자기장에 타격을 준다(그림 6). 이때 이온층의 교란을 동반하는 지자기 폭풍이 일어날 수가 있다.
그림6. X-선으로 보는 태양. 가장 검은 부분이 코로나 구멍이고 밝은 부분은 활동영역을 나타낸다.
이러한 이온층 교란은 모든 주파수대역에 걸쳐 전파신호에 악영향을 끼치며, 특히 오로라가 발생하는 위도에서 더 심하다. 지자기 폭풍 발생시 오로라가 일어나는 지역("Northern Lights")을 거쳐 전파교신을 해야하는 경우라면, 전파신호를 산란시키는 이온층의 교란현상으로 인하여 전파감쇄현상이 빠르고 강하게 일어나는 것을 경험하게 된다. 이러한 지자기 폭풍에 의한 이온층의 교란으로 일어나는 오로라 흡수(auroral absorption), 다중경로 현상(multipathing), 비대원전달 효과(non-great-circle propagation effect) 등에 의하여 전파통신은 큰 지장을 받는다. 폭풍의 규모가 더 크면 오로라 교란지역 자체가 적도쪽으로 이동하게되며, 이로 인한 산란현상으로 GPS와 같이 1GHz이상의 주파수에서 작동되는 시스템에 나쁜 영향을 미치게 된다. 지자기 폭풍은 수일간 지속되며 이로 인한 이온층의 교란은 이보다 하루이틀정도 더 지속된다.
태양 및 지자기 활동에 영향을 받는 시스템
단파 통신
흡수량 증가
최대사용가능주파수(MUF) 감소
최소사용가능주파수(LUF) 증가
감쇄 및 교란 현상 증가
정찰 시스템
레이더 에너지 산란(오로라 간섭)
사정거리 측정에러
고도 측정에러
방위각 측정에러
위성 시스템
페러데이 회전
진폭변동
위상 고정의 손실
전파 간섭(radio frequency interferences: RFI)
항법 시스템
위치 측정에러
참고문헌
- K. Davis, Ionospheric Radio, P. Peregrinus, London, 1990.
- J. K. Hargreaves, The Upper Atmosphere and Solar-Terrestrial Relations, Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1979.
- M. C. Kelley, The Earth's Ionosphere, Academic Press, 1989.
- P. A. Simon, G. Heckman, and M. A. Shea, Solar-Terrestrial Predictions, NOAA/ERL, Boulder, 1986.
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