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- 지표면에서 약 80km 상공에 위치한 전리층은 지구의 중요한 방사선 차폐막
- 이 층은 통신과 GPS 위성 신호의 이동 시간 또한 전리층의 영향을 받는다.
- 지구 상공 90~120km에 E층의 금속 이온 밀도가 비정상적으로 급격히 증가하는 경우 있어
- 원인은 전리층 바람 전단과 여름철 태양 복사 강도 증가로 인한 이온화 증가
- CO2 농도 증가가 산발적인 E-층과 같은 전리층의 소규모 현상에도 영향

기후 변화가 무선 통신을 교란하는 방식
이산화탄소 농도 상승은 전리층의 산발적 E층 간섭을 심화시킨다.

천체 간섭 효과:
이산화탄소 농도 상승은 기후를 가열할 뿐만 아니라 통신과 항해에도 지장을 줄 수 있다. 기후 변화로 인해 전리층의 산발적 E층(금속 이온이 일시적으로 축적되는 층)이 심화되고 있다. 이러한 이온은 무선 신호의 다중 반사와 중첩을 유발한다. 그 결과 FM 및 TV 송신기는 물론 GPS 위성 신호에도 간섭이 발생한다. 

▲ 기후 변화는 또한 전리층을 변화시키고 있으며, 이로 인해 무선 통신과 위성 신호에 필수적인 대기층이 변화하고 있다. © Huixin Liu/규슈 대학교

지표면에서 약 80km 상공에 위치한 전리층은 지구의 중요한 방사선 차폐막이다. 동시에, 대전된 입자로 가득 찬 이 층은 통신에 중요한 역할을 한다. 전리층의 F층에서 반사되는 빛만이 가시광선 너머로 전파를 전송할 수 있게 한다. 위성 통신과 GPS 위성 신호의 이동 시간 또한 전리층의 영향을 받는다.

금속 이온 간섭층

하지만 전리층에서 무선 통신에 영향을 미치는 교란이 때때로 발생한다. 이러한 교란 중 하나는 산발성 E층이다. 이 전리층 층은 전파 반사를 담당하는 F층 아래에 ​​위치하며, 일반적으로 신호가 방해받지 않고 통과할 수 있도록 한다. 그러나 지구 상공 90~120km에 위치한 E층의 금속 이온 밀도가 비정상적으로 급격히 증가하는 경우가 있다.

이러한 현상이 발생하면 두께가 불과 몇 킬로미터이지만 수평으로는 수십~수백 킬로미터에 걸쳐 확장되는 간섭층이 형성된다. 규슈 대학교의 파르한 리프키(Farhan Rifqi)와 그의 동료들은 "이 간섭층의 밀도는 F층의 플라즈마 밀도를 초과할 수도 있다"고 설명했다. 결과적으로 일부 전파는 이 산발성 E층에 의해 반사되고, 다른 전파는 흡수되어 완전히 사라진다. 연구진은 "이로 인해 GPS 위치 추적과 무선 통신이 심각하게 방해받을 수 있다"고 말했다.

▲ 산발적인 E-현상이 발생하는 동안, 전파 신호(파란색)는 E-층에서 완전히 또는 부분적으로 굴절된다. 이는 지역 신호를 증폭하고 개선할 수 있지만, 간섭을 통해 다른 전파를 방해할 수 있다. © US Navy/ Naval Postgraduate School

일반적으로 이러한 산발성 E층은 북반구의 여름철과 낮에 주로 발생한다. 이러한 현상의 원인은 전리층 바람 전단과 여름철 태양 복사 강도 증가로 인한 이온화 증가로 여겨진다. 리프키의 동료인 후이신 류(Huixin Liu)는 "이름에서 알 수 있듯이 이러한 교란은 산발적으로 발생하며 예측하기 어렵다"고 말했다.

기후 변화는 전리층 바람을 변화시킨다

연구진이 발견했듯이 이러한 산발적인 E-현상의 빈도를 증폭시키고 증가시킬 수 있는 요인이 있다. 바로 기후 변화이다. 이 연구의 원동력은 최근 수십 년 동안 상층 대기층의 현저한 변화에서 비롯되었다. 연구진은 "측정 결과 이산화탄소 농도 증가로 인해 열권이 장기간 냉각되고 있는 것으로 나타났다"고 보고했다. 이는 전리층을 포함하는 이 층에서 바람과 난류의 변화와도 관련이 있다.

리프키와 그의 동료들은 "따라서 우리는 이산화탄소 농도 증가가 산발적인 E-층과 같은 전리층의 소규모 현상에도 영향을 미치는지 알고 싶었다"고 기술했다. 이를 알아내기 위해 연구진은 모델 시뮬레이션을 사용하여 대기 중 이산화탄소 농도 상승이 전리층, 특히 산발적 E층에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 1958년 장기 측정 시작 시점의 이산화탄소 농도 315ppm과 2100년 예측치의 약 두 배인 667ppm을 비교했다.

▲ 2001년 북반구 여름의 계절별 평균 일일 VICMAX의 전 세계 분포를 보여준다. 정상 CO2 수준(왼쪽 열), 두 배 CO2 수준(가운데 열)에서의 분포와 그 차이(오른쪽 열)를 보여준다. (출처: How Does Increasing CO2 Concentration Affect the Ionospheric Sporadic-E Formation? / Geophysical Research Letters . AGU)

더 강하고 더 오래 지속되는 교란

실제로 류(Liu)는 "연구 결과에 따르면 산발적 E층은 이산화탄소 농도가 높을수록 더 강해지고, 밤까지 더 오래 지속되며, 저위도에서도 더 자주 발생한다"고 보고했다. 시뮬레이션에 따르면, 고도 100~120km에서 중성 원자의 비율은 이산화탄소 농도가 높을수록 감소하는 반면, 전단풍(혹은 급변풍 急變風 shear wind:대기의 고도가 높아지면서 속도나 방향이 갑자기 급변하는 바람)은 변한다. 결과적으로 이 전리층에 더 많은 금속 이온이 축적되고, 산발적 E층은 더 자주 발생하고 더욱 두드러진다.

"이번 연구는 이산화탄소 농도 상승이 산발적 E-층의 발생에도 어떻게 영향을 미치는지 처음으로 보여준다. 이번 연구 결과는 지구 기후 변화가 지구 근처 우주의 플라즈마 현상에도 어떻게 영향을 미치는지 보여준다”고 류 박사는 말했다.

▲ 2001년 북반구 여름의 계절 평균 VIC의 일변화를 나타낸 그림으로, 정상 CO2 수준에서의 변화(왼쪽 열), CO2 수준이 두 배가 되었을 때의 변화(가운데 열) 및 그 차이(오른쪽 열)를 보여준다. (출처: How Does Increasing CO2 Concentration Affect the Ionospheric Sporadic-E Formation? / Geophysical Research Letters . AGU)

라디오, TV, 그리고 위성에는 어떤 영향을 미칠까?

이는 위성과 무선 통신에 있어 실질적으로 무엇을 의미할까? 산발적인 E-층 현상으로 인해 GPS 신호와 기타 위성 신호의 전파 시간이 교란될 수 있으며, 이는 결국 항법 시스템에도 영향을 미친다. 더욱이 E-층에서 지역 라디오와 TV 신호의 원치 않는 다중 반사가 흔히 발생한다. 일반적으로 이러한 신호는 "무선"으로 전파되어서는 안 되며, 해당 지역에서만 직접 수신 가능해야 한다.

산발적인 E-층 현상이 발생하는 동안 이러한 전파 신호는 종종 여러 번 반사되어 훨씬 더 멀리까지 전달될 수 있다. 하지만 이로 인해 지역 방송국에 간섭을 일으켜 방송을 방해할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 현상이 발생하는 동안 헝가리의 라디오 청취자들은 약 3천km 떨어진 투르크메니스탄의 지역 방송을 수신했다. 마찬가지로, 2016년 호주에서는 산발적인 E-층 현상이 발생하는 동안 지역 뉴스 대신 대륙 반대편의 라디오 방송국이 갑자기 들렸다. TV 신호는 또한 고스팅, 이중 이미지 및 기타 간섭을 자주 경험한다.

류 박사는 "이번 연구 결과를 고려할 때, 통신 업계는 지구 온난화의 이러한 미래 영향에 대처하기 위한 장기적인 적응 계획을 세워야 한다"고 말했다. "기후 변화는 지구뿐만 아니라 우주까지 영향을 미치고 있다."

참고: Geophysical Research Letters, 2025; doi: 10.1029/2025GL117911
출처: Kyushu University(규슈 대학교)ㅛ란 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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