우주기상 감시
기상청에서는 주로 위성, 지상 관측장비를 이용하여 태양활동과 지구자기장의 변화를 감시한다. 태양활동 감시는 주로 위성관측을 통해 이루어진다. 플레어 감시를 위해 GOES위성 관측 자료를 사용하고, 코로나 질량방출은 STEREO위성과 SOHO위성 관측자료를 사용한다. 또한 코로나 질량방출과 고속태양풍에 의한 태양풍 변화 감시를 위해 DSCOVR위성 관측자료를 사용한다. 반면 지구자기장 감시는 위성관측과 지상 자기장 관측자료를 모두 사용한다. 정지궤도에서의 우주기상 감시를 위해 천리안위성 2A호(우리나라가 2018년 12월에 발사한 차세대 정지궤도기상위성) 및 GOES위성의 관측자료를 사용한다. 지상에서의 자기장 변화는 지자기폭풍의 세기를 나타내는 지수인 Kp 지수와 Dst 지수를 사용한다.
기상청의 우주기상 예・특보
기상청에서는 태양활동과 지구 자기권의 변화를 상시 감시함으로써 우주기상 위험에 대비하고 있다. 기상청에서 주요하게 감시하는 우주기상 요소는 기상위성운영, 극항로 항공기상, 전리권기상이다.
- 1기상위성운영
- 기상위성운영은 우주기상의 영향으로부터 기상위성의 안정적 운영을 지원하기 위한 예・특보 요소이다. 기상위성운영에 영향을 주는 우주기상 인자로는 태양 엑스선 플럭스, 태양 고에너지 입자 플럭스, 지구자기장 교란, 자기권계면 위치가 있다. 우주기상 특보 발령 시 기상위성의 안정적 운영을 위하여 필요에 따라 위성궤도 모니터링 및 조정, 태양 전지판 운용각도 조정, 위성 수신 장애 감시 등의 대응을 하고 있다.
- 2극항로 항공기상
- 극항로 항공기상은 세계기상기구의 우주기상 서비스 지원 및 국제민간항공기구(ICAO)의 우주기상 항행 지원을 위한 우주기상 예・특보 요소이다. 극항로 항공기상에 영향을 주는 우주기상 인자로는 태양 엑스선 플럭스, 태양 고에너지 입자 플럭스, 지구자기장 교란이 있다. 우주기상 특보 발령 시 항공기 운항고도 조정, 북극항로 우회운항 권고, GPS 신호오차 감시, 통신장에 감시 등의 대응을 하고 있다.
- 3전리권기상
- 전리권기상은 전지구 위성항법시스템(GNSS)의 정확한 관측을 지원하기 위한 우주기상 예・특보 요소이다. 태양 플레어 및 자기폭풍이 발생할 경우 지구의 초고층대기인 전리권에 전자밀도 증가가 나타난다. 전리층 변화를 감시하기 위해서 위성측위시스템을 이용하여 전자밀도 정보를 산출한다. 특보 발령 시 기상현상과 기후 예측에 영향을 줄 수 있는 기상요소 변화 등의 대응을 하고 있다.
| 항목 | 상황기준 | 상황 해제 기준 | ||
|---|---|---|---|---|
| 보통 | 주의보 | 경보 | ||
| 기상위성 운영 | R2 이하 S2 이하 G2 이하 RMP > 6.6 RE |
R3 S3 G3 RMP > 6.6 RE |
R4 이상 S4 이상 G4 이상 RMP ≦ 6.6 RE |
최소 3시간 해제 상황 유지 (NOAA 등급 기준 2등급 이하 상황으로 3시간 지속) |
| 극항로 항공기상 | R2 이하 S2 이하 G2 이하 |
R3 S3 G3 |
R4 이상 S4 이상 G4 이상 |
|
| 전리권 기상 | R2 이하 G2 이하 |
R3 G3 |
R4 이상 G4 이상 |
|
| 상황구분 | 관측등급 | 예상피해 | ||
|---|---|---|---|---|
| 기상위성운영 | 극항로 항공기상 | 전리권기상 | ||
| 보통 | 낮음 | 영향없음 | 영향없음 | 영향없음 |
| 일반 | ||||
| 관심 | · 위성운영에 대한 지상국의 조정 필요 · 저궤도 위성의 궤도변화 가능성 |
· 극항로 항공기 승무원 및 승객의 방사능 노출 · 극지망에서 HF 통신 및 항해 영향 |
· HF 통신 가능 한계 · 저주파통신 10여분간 품질 저하 |
|
| 주의보 | 주의 | · 위성궤도 오차증가 · 위성 통신 신호 감쇄 · 저궤도 위성 궤도끌림 현상 발생 |
· 극지방 HF통신 효율 저하 · 극항로 항공기 방사능 노출 |
· GPS 신호 감쇄 |
| 경보 | 경계 | · 위성 표면대전 및 위치추적 문제 · 저궤도 위성 궤도끌림 현상 발생 · 메모리 장치 문제로 인한 관측영상 에러값 발생 · 인공위성 직접훼손 · 위성통신, 위치추적 장애 |
· 극지방 HF통신 장애 · 극항로 항공기 방사능 노출 |
· GPS 통신 장애 |
| 심각 | · 위성 표면대전 및 위치추적 문제 · 저궤도 위성 궤도끌림 현상 발생 · 메모리 장치 문제로 인한 관측영상 에러값 발생 · 인공위성 직접훼손 · 위성통신, 위치추적 장애 |
· 수 시간동안 태양방면의 반구에서 HF통신 불가능 · 극항로 항공기 방사능 노출 |
· GPS 통신 장애 | |
우주기상탑재체
2018년 12월에 발사된 천리안위성 2A호의 우주기상탑재체(KSEM : Korean Space wEather Monitor)를 통해 국내 최초의 지구정지궤도 상 우주기상 관측이 이루어지고 있다.우주 위험기상 현상은 발생 빈도는 낮으나 한 번의 발생으로 광범위한 피해와 영향을 초래할 수 있기 때문에 위성궤도에서의 조기탐지, 현상분석, 상황 전파 및 대응 기술개발이 필요하다. KSEM에는 3종(입자측정기, 자력계, 위성대전 감시기)의 센서가 탑재되어 있다. 입자측정기는 지구로 유입되는 양성자 및 전자의 유입량(플럭스)을 측정하며, 자력계는 지구자기장의 변화량을 측정한다. 그리고 위성대전 감시기는 천리안위성 2A호의 내부대전량을 측정한다. KSEM에서 관측된 자료는 우주 위험기상의 실시간 감시 및 조기탐지, 위성체의 안정적인 운영을 위한 정보 제공, 우주과학기술의 발전을 위한 학술연구 등에 활용되고 있다.
태양활동
- 1플레어(Solar Flare)
- 짧은 기간(수 분에서 수 시간)내에 매우 한정된 영역에서 엄청난 에너지(~1025 Joule)를 폭발적으로 방출하는 현상이다. 플레어는 주로 태양흑점에서 발생한다. 플레어의 발생 원인은 태양 자기장이 불안정해지면서 자기장의 구조가 붕괴되면서 발생하는 것으로 알려져 있다. 플레어 발생 시 고에너지 양성자 방출과 코로나 질량방출이 동반되기도 한다. 플레어가 발생하면 감마선에서부터 전파에 이르는 광범위한 전자기파가 방출되지만 플레어의 강도 를 구분하기 위해 주로 X-선 관측자료가 사용된다. 플레어는 전자기파를 방출하기 때문에 플레어 발생에 의한 우주기상 영향은 주로 통신 분야(예로, 위성통신 장애, 항공통신 장애, GPS 신호수신 장애 등)에 나타날 수 있다.
- 2태양 양성자 이벤트(Solar Proton Event)
- 태양 플레어가 발생 할 때 태양대기에 있던 고에너지의 양성자들이 매우 빠른 속도(수 시간 내에 지구 도달)로 유입되는 현상이다. 발생원인은 플레어 발생 시 일부 양성자들이 태양대기 밖으로 방출되기 때문인 것으로 알려져 있다. 태양 고에너지 양성자 유입에 의한 우주기상 영향은 주로 방사선량 증가로 나타난다. 고에너지 양성자가 지구대기로 유입되면서 비행고도 상의 방사선량을 증가시켜 항공기 승무원들의 건강에 영향을 줄 수 있다. 또한 위성이 고에너지 양성자에 의해 기기적 손상을 입을 수도 있다.
- 3코로나질량방출(Coronal Mass Ejection)
- 코로나 질량방출은 태양 대기로부터 거대한 양의 태양 물질이 짧은 시간 내에 방출되는 현상이다. 방출된 물질은 전자와 양성자를 포함한 하전입자 (플라즈마)로 구성되어 있다. 빠른 속도로 방출된 코로나 물질의 경우 그 전면에 충격파가 동반되기도 한다. 코로나 질량방출의 발생 원인은 태양 표면 에서의 자기장과 플라스마 불안정에 기인된것으로 알려져 있다. 코로나 질량방출은 플레어에 비해 더 다양한 피해를 줄 수 있다. 코로나 질량방출에 의해 위성궤도 영향, 위성 오작동, 지자기폭풍 유발 등의 피해가 나타날 수 있다.
- 4고속태양풍(High Speed Stream)
- 태양으로부터 우주공간으로 나가는 플라즈마(전자, 양성자, 헬륨 원자핵 등으로 이루어진 대전입자)의 흐름을 태양풍이라고 하며, 코로나 홀에서 방출 되는 빠른 속도의 태양풍(500 km/s 이상)을 고속태양풍이라 한다. 고속 태양풍은 앞서 방출된 저속의 태양풍을 압축하여 동회전 상호작용 지역 (Co-rotating Interaction Region : CIR)을 만들고 지구 자기권에 도달할 때 지자기교란 등의 영향을 초래할 수 있다.
지자기 활동
- 1지구 자기권(Magnetosphere)
- 지구 자기권은 대기의 최상부로서 자기장에 에너지가 대기의 열운동 에너지보다 커서 입자들이 지구 자기장에 의해 지배되는 공간을 말한다. 지구 자기 장은 태양으로부터 지구로 유입되는 고에너지 하전입자 뿐만 아니라 태양계 밖에서 유입되는 은하우주선(Galactic Cosmic Ray)등 우주 위험기상으로 부터 지구의 생명체와 자산을 보호해주는 역할을 한다. 태양풍과 지구 자기권 사이의 경계면을 자기권계면(Magnetopause) 이라 하는데, 이곳을 기준 으로 그 안쪽은 우주기상에 의한 위험에 상대적으로 안전한 영역이다. 지구 자기권은 태양풍에 의해 태양 쪽을 바라보는 면은 압축되고 반대쪽은 길게 늘어진 모양을 가지며 태양풍의 세기에 따라 지구 자기장은 항상 가변적이다.
- 2자기권계면 압축(Compressed Magnetopause)
- 태양으로부터 강한 코로나 질량방출이나 고속 태양풍이 발생하면 지구자기장이 평상시보다 압축되게 된다. 자기권계면의 위치가 위성의 정기궤도보다 더 압축되면 정지 궤도기상위성은 지구 자기장의 보호를받지 못하고 태양풍의 위험에 그대로 노출된 상태가 된다. 이러한 경우에는 태양 고에너지 입자 에 의한 위성체 손상이나 오작동, 위성통신 장애 등이 발생할 수 있다.
- 3자기폭풍(Magnetic Storm)
- 자기폭풍은 전 세계에 걸쳐 대규모로 지자기에 심한 교란이 발생하는 현상이다. 이런 변화는 규모에 따라 수 시간에서 수일 동안 지속된다. 자기폭풍을 일으키는 직접적인 원인은 태양으로부터 유입된 다량의 플라즈마가 발생시키는 전류이다. 이 전류를 환전류(Ring Current)라 부른다. 이 환전류는 지구 자기장의 수평성분 세기를 급격히 감소시킨다. 지구 자기장 변화를 감시하는 지수로는 대표적으로 Kp 지수와 Dst 지수가 있다. 자기폭풍으로 인하여 지구 자기장의 세기가 급격히 변동하게 되면 위성궤도에서의 전자기적 변화가 일어나 위성체 및 위성운영에 영향을 줄 수 있다. 지구자기장 변화는 전리층에도 영향을 주어 GPS 위치 오차 발생, 통신교란 등 일시적인 장애가 나타날 수 있다.