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- 2023년 2월과 3월에 특수 항공기 이용, 알래스카 상공 북극 성층권으로 측정 비을 실시
- 로켓과 위성의 연소된 잔해에서 나온 금속 입자가 에어로졸에 축적
- 현재 지구 궤도에는 8,600개 이상의 위성, 모든 계획이 실행되면 2030년까지 5만 개
- 태양 복사와 상층 대기의 알베도에 영향을 미칠 수 있는 광학 효과도 가능

우주여행이 성층권을 어떻게 변화시키고 있는가?
로켓과 위성의 연소된 잔해에서 나온 금속 입자가 에어로졸에 축적된다.

눈에 보이지 않는 오염:
로켓 부품과 위성은 우주 잔해를 유발할 뿐만 아니라 측정 결과에 따르면 지구의 성층권을 점점 더 오염시키고 있다. 상층 대기에 있는 에어로졸의 약 10%에는 이미 엔진에서 나온 금속 입자와 알루미늄, 리튬, 구리, 납 등 연소된 우주 구성 요소가 포함되어 있다. 이는 향후 몇 년 동안 위성 발사가 잦아짐에 따라 계속해서 증가할 것이다. 금속 입자가 성층권에 어떤 영향을 미치는지는 아직 불분명하다. 

▲ 로켓 부품과 폐기된 인공위성의 재진입은 지구의 성층권을 오염시킨다. © studio023/Getty 이미지

현재 지구 궤도에는 8,600개 이상의 위성이 있으며 그 수는 빠르게 증가하고 있다. 위성 인터넷 및 기타 애플리케이션을 위한 거대 별자리의 확장으로 인해 점점 더 많은 로켓 발사가 발생하고 있다. 모든 계획이 실행되면 2030년까지 지구 궤도에 5만 개의 위성이 있을 수 있을 것으로 추정된다. 특히 낮은 지구 궤도에서는 노후화되거나 결함이 있는 위성의 수가 증가하고 있으며, 그중 수천 개가 향후 5년내에 가라앉거나 소실될 것이다.

성층권으로의 측정 비행

문제:
“낡은 로켓 연소 단계와 결함이 있는 위성이 지구 대기권에 다시 진입하면 연소되면서 금속 연기가 발생한다”고 미국 국립 해양 대기국(NOAA)의 다니엘 머피(Daniel Murphy)와 그의 동료들은 설명했다. 이러한 금속 연기는 발사 로켓이 상승할 때 엔진에서도 방출된다. 이 증기가 냉각되면 지구의 성층권으로 가라앉는 작은 금속 입자로 응축된다.

그런 다음? 머피와 그의 팀은 이제 처음으로 이러한 금속이 어디에 남아 있고 어떤 금속인지 더 자세히 조사했다. “지금까지 재진입 연구는 파편 낙하의 위험에 초점을 맞추었지만 기화된 금속의 운명에 대해서는 초점을 맞추지 않았다”고 그들은 말했다. 이를 바꾸기 위해 그들은 2023년 2월과 3월에 특수 항공기를 이용해 알래스카 상공의 북극 성층권으로 측정 비행을 실시했다. 연구팀은 레이저 질량 분석기를 사용하여 50만 개 이상의 성층권 에어로졸 입자의 화학적 구성을 확인했다.

▲ 우주 여행에서 나온 금속 입자가 성층권에 도달하는 방법.

니오븀, 하프늄

결과:
예상대로 거의 모든 성층권 부유 입자에는 금속이 포함되어 있다. 왜냐하면 우주 먼지와 미세 운석도 상층 대기에서 연소될 때 금속 원소를 남기기 때문이다. “나트륨, 마그네슘, 크롬, 철, 니켈과 같은 금속은 많은 성층권 입자에 매우 일정한 비율로 존재한다. 이는 운석 구성 요소의 명확한 특징을 제공한다”고 팀은 설명했다.

그러나 에어로졸 입자에는 운석과 우주 먼지의 일반적인 구성 요소가 아닌 금속도 포함돼 있다. Murphy는 “가장 기대하지 않았던 두 가지 원소는 니오븀과 하프늄이었다”고 말했다. “이것들은 모두 성층권에서 일반적으로 발견되지 않는 희귀 원소다.” 그러나 니오븀과 하프늄은 우주여행용 반도체와 합금에 자주 사용된다. 구리, 리튬 및 알루미늄은 자연적 원인만으로 설명할 수 있는 것보다 성층권 부유 입자에서 훨씬 더 흔했다.

20가지 금속

팀은 측정된 모든 에어로졸의 10%에서 우주여행에서 금속 입자를 감지했다. Murphy와 그의 동료들은 “고도 50km 이상에서 발생하는 재진입 생성물이 고도 19km 미만의 에어로졸 입자에서 이렇게 높은 감도로 측정될 수 있다는 것은 놀라운 일이다”고 말했다. 연구원들은 알루미늄, 니오븀, 하프늄은 물론 구리, 은, 납, 티타늄, 베릴륨, 크롬, 니켈, 아연, 리튬을 포함하여 에어로졸에서 우주여행과 관련된 20가지 원소를 식별했다.

머피는 “고성능 내열 합금에서 발견되는 알루미늄과 구리, 니오븀과 하프늄의 조합은 분명히 우주 기원을 가리킨다”고 말했다. 성층권에서 검출된 리튬은 주로 다 타버린 리튬 이온 배터리와 로켓 케이스의 경량 알루미늄 합금에서 나온다. 구리와 은은 많은 위성의 전자 장치와 케이블에 포함되어 있으며, 로켓의 알루미늄 합금에서도 구리가 발견된다.

금속 오염의 결과는 무엇때문일까?

금속이 성층권으로 유입되는 결과는 아직 불분명하다. 그러나 로켓 발사 횟수가 증가하고 위성이 소실되는 상황에서 Murphy와 그의 팀은 이러한 금속 입자 유입이 영향을 미칠 수 있다는 가능성을 배제하지 않는다. “한 가지 잠재적인 효과는 알루미늄과 기타 공간 투입이 성층권의 얼음 결정 형성에 영향을 미친다는 것이다”고 그들은 설명했다. 이는 극 성층권 구름의 형성과 오존 고갈에 영향을 미칠 수 있다.

성층권에서 자연적으로 발생하지 않는 금속이 성층권에서 아직 알려지지 않은 화학 반응을 촉발한다는 것도 생각할 수 있다. 무엇보다도 태양 복사와 상층 대기의 알베도에 영향을 미칠 수 있는 광학 효과도 가능하다. "지금까지 성층권 입자의 내화 물질은 주로 천연 운석에서 나온 실리콘, 철, 마그네슘으로 구성되어 있었다!"고 Murphy와 그의 동료들은 썼다. 그러나 향후 몇 년 동안 위성 발사가 급격히 증가하면 상황이 바뀔 수 있다.

“대기의 변화는 종종 복잡하고 연구하고 이해하기 어렵다”고 퍼듀대학의 공동 저자인 Danial Cziczo는 말했다. "그러나 우리의 결과는 인간과 우주여행이 지구에 미치는 영향이 이전에 인식했던 것보다 더 클 수 있다는 것을 보여준다.“
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; doi: 10.1073/pnas.2313374120)
출처: NOAA, 퍼듀대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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