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- 일몰 후 저녁과 적도 위도에서 GPS 위성과 기타 궤도 탐사선의 접촉 갑자기 단락
- 극도로 가열된 공기의 기포가 전리층으로 상승할 수 있는 전리층의 난류
- 초기 축구공 크기의 거품은 높이가 증가함에 따라 직경이 100km 이상으로 확장
- AI 지원 알고리즘 사용, 유럽 우주국 ESA의 Swarm 위성에서 8년 간의 측정 데이터 평가

전리층: 플라즈마 버블이 위성 통신을 방해
남대서양의 자기장 이상에서 저녁 버블링 클러스터

파괴적인 거품:
상승하는 버블은 일몰 후 상층 대기에서 형성된다. 이것은 전리층에 도달해 위성 통신을 방해할 수 있다. SWARM 위성의 새로운 데이터는 최근 이러한 적도의 플라즈마 거품이 계절과 태양 활동에 의존할 뿐만 아니라 남대서양의 자기장 이상을 가로질러 클러스터링된다는 것을 보여준다. 지구 자기장은 예상보다 약하다. 

▲ 일몰 후 전리층에 거대한 거품이 형성되어 위성 통신을 방해할 수 있다. ©NASA

하전된 가스 입자로 채워진 전리층은 강한 복사로부터 지구 표면을 보호하는 데 필수적이다. 동시에 고도 80km에서 시작하여 지구 곡률을 따라 우주의 가장자리까지 이어지는 이 대기층은 통신에서 중요한 역할을 한다.

전리층의 거대한 거품

과학자와 위성 운영자는 오랫동안 이상한 현상을 관찰해 왔다. 일몰 후 저녁과 적도 위도에서는 GPS 위성 및 기타 궤도 탐사선과의 접촉이 갑자기 끊어지는 경우가 있다. 그 원인은 극도로 가열된 공기의 기포가 전리층으로 상승할 수 있는 전리층의 난류다. 몇 시간 내에 이 초기 축구공 크기의 거품은 높이가 증가함에 따라 직경이 100km 이상으로 확장된다.

문제는 이 적도 플라즈마 거품은 이온화되지 않은 가스 분자를 포함하고 주변 전리층보다 밀도가 낮기 때문에 구조와 위성과 지표 사이의 무선 신호 전송을 방해한다. 신호는 편향되고 산란되며 한 번에 몇 분 동안 연락이 끊길 수 있다.

계절과 태양 활동에 따라

유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 사킨 레디(Sachin Reddy)와 그의 동료들은 이제 이러한 플라즈마 기포가 얼마나 자주 발생하고 이것이 무엇에 의존하는지 더 자세히 결정했다. 연구를 위해 AI 지원 알고리즘을 사용해 유럽 우주국 ESA의 Swarm 위성에서 8년 간의 측정 데이터를 평가했다. 이 3개의 위성은 고도 약 460km의 극궤도에서 지구를 공전하며 전리층의 상태와 지구의 자기장을 모니터링한다.

분석 결과:
이전에 관찰된 바와 같이 적도의 플라즈마 거품은 연중 특정 시기에 특히 자주 나타나는 것으로 보인다. 낮과 밤의 경계와 국부 자기장 라인의 정렬이 비교적 잘 일치할 때 항상 축적된다. 이것은 종종 춘분과 추분에 발생한다. 또한, 플라즈마 버블은 태양 활동이 높을 때 더 자주 발생한다.

남대서양 자기장 이상 클러스터

지리적 분포도 놀랍다. 적도 아시아는 가장 적게 영향을 받는 반면 아프리카와 남미는 특히 일반적이다. Reddy와 그의 팀이 발견한 것처럼 이 플라즈마 거품 클러스터는 지구의 자기장이 지역적 약점을 보이는 지역에 거의 있다. 아프리카 남단에서 남아메리카까지 이어지는 이 남대서양 변칙성은 자기장 선이 꼬이고 약해지는 현상을 보여준다. 새로운 데이터에 따르면, 이 이상 현상은 적도 플라즈마 거품의 출현을 조장하는 것으로 보인다.

▲ 남대서양의 적도 플라즈마 거품의 빈도. © Sachin Reddy/ 유니버시티 칼리지 런던; 멀라드 우주 과학 연구소, /CC-by-nc-sa 4.0

더 중요한 것은 그들의 결과를 기반으로 연구원들이 통신을 방해하는 거품에 대한 AI 지원 예측 모델을 개발하는 데 성공했다는 것이다. Reddy가 보고한 대로 여러 테스트에서 평균 91%의 정확도를 달성했다. 연구원은 "위성 서비스의 주요 중단을 피하기 위해 일종의 일기 예보와 같은 플라즈마 거품을 예측할 수 있어야 한다"라고 말했다.

플라즈마 거품에 대한 "기상 예보"

"우리의 목표는 언젠가 '내일 밤 8시에 아프리카의 뿔 위로 플라즈마 거품이 일어날 확률이 30%이다'와 같은 말을 할 수 있게 되는 것이다"라고 Reddy는 주장했다. 이러한 유형의 정보는 위성 운영자와 일상생활에서 위성 데이터에 의존하는 사람들에게 매우 중요하고 유용하다.”(National Astronomy Meeting NAM 2022)
출처: Royal Astronomical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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