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태양극대기 (Solar Maximum)
기원전 325년 그리이스의 과학자 Theophrastus가 태양의 흑점을 처음 발견함으로써, 태양은 단조롭고 불변이라는 믿음을 깨어지고 말았다. 단순한 투영법으로 눈에 보이는 흑점들의 개수는 수 세기동안 기록되어왔다. 지난 300여년간, 흑점의 평균갯수는 대략 11년의 흑점주기에 따라 규칙적으로 증가와 감소를 반복해왔다(그림 1). 태양도 지구와 마찬가지로 계절들이 있지만, 태양의 "1년"은 지구의 11년과 맞먹는다.
그림1. 지난 300년간 기록된 태양흑점주기에서는 10~11년주기의 활동패턴이 잘 보인다.
태양에도 여러해에 걸쳐 변화하는 다른 여러 특징들이 있지만(예를 들어, 코로나 구멍은 흑점극대기 직후에 가장 많아지는 경향이 있음), 흑점의 주기는 태양에서 일어나는 변화를 말해주는 가장 효과적인 수단이다. 태양의 극소기는 여러해에 걸쳐 흑점수가 가장 적은 시기를 말하고, 극대기는 흑점수가 가장 많은 시기를 가리킨다.
극대기동안에는 태양의 활동과 그것이 지구주변환경에 미치는 영향이 매우 높다. 지자기 폭풍과 복사에너지 과다현상이 매우 돌발적으로 발생하는데, 극대기 근처에는 그 강도와 횟수가 더 커진다(그림 2).
 .그림2. 우주환경변화의 대표적 측정치인 지자기 활동과 흑점수 각각의 연간평균치는 서로 대략적인 상관관계를 갖고있다
가장 심했던 지자기 폭풍들
현재의 태양극대기동안에 미국대륙에서는 1년에 수 차례 정도 극적으로 오로라로 인한 북극광이 보이게될 것으로 기대되는데, 이 기간동안 적어도 한번은 남쪽지방인 멕시코만 근방에서까지도 보일 것으로 예상된다. 이때 오로라는 하늘에서 장대한 붉은 구름, 띠 또는 장막처럼 보일 것이다. 종종 경찰서 등으로 이러한 역동적인 볼거리에 대한 사람들의 문의전화가 오기도 한다.
오로라나 나타날 때 흐르는 전류는 이온층에 교란을 일으켜 장거리 전파통신과 지상-위성간 통신에 막대한 지장을 주는데, 이러한 효과는 수일간 지속될 수도 있다.
그 외에도 GPS와 같은 항법시스템의 신호와 정확도를 떨어뜨리는 효과도 있다. 또한 전파신호가 이상하게 퍼져나가서 경찰서에서 엉뚱한 신호가 잡힌다던지, 차고의 문이 제멋대로 열린다든지 하는 일들이 일어나기도 한다.
태양 극대기동안에는 전력발전소 시스템에서 전력 배전망의 유실로 인하여 정전사태가 일어날 수도 있다. 오로라가 머리위에서 보일 때, 지구의 전류가 바로 아래 땅속으로 흘러서 전력시스템, 파이프라인 그리고 그 외에 긴 금속도체속으로 침투하기도 한다.
오로라 전류는 대기를 가열시켜 위쪽으로 팽창을 시키며, 이는 저궤도위성의 대기마찰을 증가시켜 궤도에 큰 영향을 미친다. 우주센터에서는 인공위성 및 잔해들을 목록화해놓는데, 이런 경우에는 이들의 궤도를 다시 계산해야만한다. 따라서 우주정거장과 우주왕복선은 이런 잔해들이 충돌가능한 경로로 진입할 경우 이를 피할 수 있도록 항행경로를 바꿔야한다.
가장 흔히 일어나는 지자기 폭풍들
위의 경우보다 강도가 덜하지만 그래도 강력한 지자기폭풍은 좀 더 자주 일어난다(1년에 수 차례 이상). 이로 인하여 발전소에 설치된 배전망에 문제를 일으킬 수 있고, GPS 항법시스템의 사용이 중단되기도하며, 지상과 위성간의 신호를 감쇄시켜 장거리 전파통신에 지장을 줄뿐 아니라 우주정거장은 비행경로를 바꿔야할 수도 있다.
이와 관련되어 나타나는 오로라는 종종 미국대륙의 북쪽 절반에 해당되는 지역에 걸쳐 관측 가능하다. 야간에 여행 또는 캠핑 등으로 야외에 있는 경우라면 북쪽하늘 또는 머리위에서도 이 빛의 장관을 볼 수가 있다. 태양활동 극대기에는 지자기폭풍의 빈도수가 최대인 때가 두 번 있는데, 첫 번째는 극대기의 초기단계이고 두 번째는 흑점수가 최대가 된 직후가 된다.
다량으로 쏟아지는 입자들
지구주변 우주공간에 쏟아지는 양성자 복사는 태양 극대기때 더 빈번하고 강도가 높지만, 지자기 폭풍의 분포와 마찬가지로 1999년에서 2002년사이에 최대가 될 것이다(그림 3). 몇몇 초강력 양성자들은 인공위성을 뚫고 지나가 내부 전자장치에 이상을 일으키고 위성의 동력원인 태양전지가 손상되기도 한다. 허블 망원경과 같은 우주미션들은 이러한 활동에 주목하고 시스템의 상태를 항상 점검하여 만약의 사태에 항상 대비하고 있다. 위성의 궤도상 위치 및 우주비행사들의 활동상태에 따라서 이들은 복사선량의 증가에 노출된다. 우주정거장의 건설작업시 승무원들의 우주선외 활동 시간을 조절하는데 있어서 이러한 복사량의 수치는 항상 체크해야만 한다. 1999년에서 2004년 사이에 계획된 34개의 우주미션에 필요한 이러한 우주선외 활동의 숫자는 100회 이상이나 되는데, 이 시기는 태양활동이 매우 활발한 시기와 겹쳐진다. 이러한 활동을 많이 하는 NASA에서는 SEC과 협력하여 이에 대비한 감시활동을 하게되며, NOAA의 우주환경예보 및 관련자료들을 이용하여 활동시 복사선량이 기준치이하가 되도록 할 것이다.
 그림3. 태양활동과 그것이 지구에 미치는 영향들은 대략 11년 흑점주기와 비슷하면서 약간의 차이점을 보인다. "살인전자"라 불리는 전자들을 앞세운 고에너지 전자들은 실제로 태양극소기근처에서 최대치를 보인다. 이 전자들은 인공위성내에 축적되며 충분한 양이 모이게되면 고전압 방전으로 위성의 프로세서를 손상시키거나 메모리칩을 비롯한 각종 부품들에 치명적인 위협을 준다.
그림4. 우주정거장의 건설작업들이 태양활동의 극대기동안에 다수 이루어진다.
이온층의 교란
현재 통신관련시장에서 인공위성을 기반으로한 분야는 가장 빠른 성장속도를 보이고 있다. TV 및 라디오 방송, 장거리 전화, 이동전화 및 호출기 등이 위성송신에 의한 것이다(그림 5).
많은 통신시스템들이 전파신호를 이온층에 반사시켜 장거리로 통신을 한다. 이온층 폭풍은 전 위도에 걸쳐서 전파통신에 영향을 끼친다. 일부 주파수에서는 흡수 및 반사가 일어나서, 신호가 급격히 흔들리거나 전파방향이 바뀌기도 한다.
 그림5. 운행중인 정지위성들의 갯수는 완만하게 증가하고 있는데비해, 중궤도 및 저궤도 위성들의 갯수는 1996년에 비해 거의 4배에 이를 것으로 전망된다.
TV 및 라디오 방송, 장거리 및 이동 전화, 호출기, GPS 신호 등은 인공위성을 통한 송수신에 의존하며 그 신호는 이온층을 통과한다. 위성과 사용자 사이의 이온층이 교란되면, 이러한 각종 통신들이 영향을 받는다. 신호가 산란을 일으키거나 추적이 어려워질 수도 있다. GPS신호가 비정상적인 이온층 전자량으로 인하여 지연이 되면, 위치추적에 오류가 발생한다.
수많은 작은 문제들
지구탐사를 위한 과학실험이 미묘하고 복잡하게 영향을 받을 수가 있다. 오존 측정의 경우 입자들로 인한 측정값 손실분을 보정해줘야 한다. 입자들이 많이 쏟아질 때 항공기가 고위도지방을 비행할 때, 거기서 사용되는 복사선량 측정기의 측정치가 약간 올라갈 수도 있다. 민감한 자기 센서는 지자기 폭풍시 잡음레벨이 증가하게된다. 지구지각의 단층을 따라 발생하는 운동을 측정하거나, 굴착작업, 지하자원탐사, 해저지도작성 등에 쓰이는 센서들이 이에 해당한다. 잡음레벨이 높을수록 부정확한 측정치가 나오게 된다.
새로운 기술들이 개발되고 사용되면서, 태양 극대기의 영향은 계속해서 증가추세에 있다. NOAA 우주환경센터(SEC)는 이러한 영향들을 연구, 기록하여 수요자들에게 경보를 내리는 역할을 계속하게 될 것이다.
참고문헌
- Joselyn, Jo Ann, et al., Panel Achieves Consensus Prediction of Solar Cycle 23, EOS, Transactions, American Geophysical Union, vol. 78, no. 20, May 20, pp205, 211-212, 1997.
- Joselyn, Jo Ann, "The Human Impact of Solar Flares and Magnetic Storms", from From the Sun, Steven T. Suess and Bruce T. Tsurutani, eds., AGU, Washington, D.C., 1998.
- Kappenmann, John G., Geomagnetic Storm Forecasting Mitigates Power System Impacts, IEEE Power Engineering Review, Nov., p 4-7, 1998.
- Cliffswallow, Willow, ed., Region 5395 of March 1989, NOAA Tech. Memo ERL SEL-82, Space Environment Laboratory, Boulder, CO, 1993.
- Turner, R. E., and J. E. Baker, Solar particle events and the International Space Station, Acta Astronautica 42, 107-114, 1998.
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