심우주 기후 관측 위성

1. 개요

심우주 기후 관측 위성(DSCOVR)은 1998년 앨 고어 부통령의 제안으로 시작된 프로젝트로, 지구 전체를 관측하여 기후 변화 연구 및 우주 환경 감시에 활용하기 위해 개발되었다. 원래 트리아나(Triana)라는 이름으로, 지구의 이미지를 인터넷으로 제공하고 알베도 측정을 통해 지구 온난화 지표를 파악하는 것을 목표로 했다. 프로젝트는 예산 문제로 중단되었다가 재개되어, 2015년 2월 스페이스X의 팰컨 9 로켓으로 발사되었다. DSCOVR은 태양풍을 측정하고, 지구의 실시간 영상을 제공하며, 코로나 질량 방출에 대한 조기 경보를 제공하는 역할을 수행하고 있다.

2. 역사

심우주 기후 관측 위성(DSCOVR) 프로젝트는 1998년 앨 고어 당시 미국 부통령의 제안으로 시작되었으나, 여러 차례 중단과 재개를 거쳐 2015년에야 발사되었다. 이 과정은 크게 초기 제안 및 개발 단계(1998~2001년)와 프로젝트 중단 및 재개 단계(2001~2015년)로 나눌 수 있으며, 자세한 내용은 하위 섹션에서 확인할 수 있다.

2.1. 초기 제안 및 개발 (1998년 ~ 2001년)

앨 고어 당시 미국 부통령이 1998년에 지구 전체를 관측하기 위한 목적으로 "트리아나(Triana)"라는 이름의 프로젝트를 제안했다. 이 이름은 크리스토퍼 콜럼버스의 탐험대 중 아메리카 대륙을 처음 발견한 선원인 로드리고 데 트리아나의 이름을 딴 것이다. 고어 부통령은 아폴로 17호가 촬영한 푸른 구슬 사진을 업데이트하여 지구에 대한 인식을 높이고 과학 발전에 기여하고자 했다.

이 프로젝트의 초기 목적은 지구 전체의 모습을 거의 연속적으로 관측하고, 그 이미지를 인터넷을 통해 실시간으로 제공하는 것이었다. 또한, 방사계를 이용하여 지구에서 반사되거나 방출되는 태양광의 양(알베도)을 측정하여 지구 온난화 연구에 활용하고자 했다. 과학적 목표는 지구에 도달하는 태양 에너지의 양, 구름 패턴, 기상 시스템, 지구 식생의 건강 상태, 그리고 오존층을 통과하는 자외선의 양을 측정하는 것으로 확장되었다.

1999년, NASA 감찰관실(NASA 감찰관실)은 트리아나 임무의 기본 개념이 동료 평가를 거치지 않았으며, 추가된 과학적 요소들이 NASA의 제한된 연구 자금을 최적으로 사용하는 것이 아닐 수 있다고 보고했다. 이에 미국 의회는 미국 국립과학원에 프로젝트의 과학적 가치를 평가하도록 요청했고, 2000년 3월에 발표된 보고서는 이 임무가 "강력하고 과학적으로 매우 중요하다"고 결론 내렸다.

2.2. 프로젝트 중단 및 재개 (2001년 ~ 2015년)

조지 W. 부시 대통령 행정부는 2001년 1월 조지 W. 부시의 취임 직후 이 프로젝트를 보류했다. 트리아나는 원래 발사 기회였던 STS-107(2003년 비운의 컬럼비아호 임무)에서 제외되었다. 150 상당의 우주선은 2001년 11월 고다드 우주비행센터에 질소로 보관되었고, 부시 행정부 기간 동안 그곳에 남아 있었다. NASA는 프로젝트에 대한 지지를 되찾기 위해 2003년에 우주선의 이름을 심우주 기후 관측 위성(DSCOVR)으로 변경했지만, 2005년에 NASA는 이 임무를 공식적으로 종료했다.

2008년 11월, 미국 국립해양대기청(NOAA)과 미국 공군의 자금 지원을 받아 우주선은 보관소에서 꺼내져 발사 가능성을 확인하기 위한 테스트를 거쳤다. 버락 오바마 대통령 행정부가 2009년에 취임한 후, 그 해 예산에는 우주선의 개조 및 발사 준비를 위해 9가 책정되었다. 그 결과 NASA는 EPIC 장비를 개조하고 NISTAR 장비를 재보정했다. 앨 고어는 그의 저서 우리의 선택(2009)의 일부를 DSCOVR 탑재체에 대한 논의를 다시 시작하려는 시도로 사용했다. 이 책에는 상원의원 바바라 미쿨스키와 빌 넬슨이 우주선 발사를 위해 노력한 입법 노력이 언급되어 있다.

2011년 2월, 오바마 행정부는 노후화된 고급 조성 탐사선(ACE) 우주선을 대체하기 위해 DSCOVR 우주선을 태양 관측대로 전환하기 위한 자금 확보를 시도했으며, 이를 위해 2012 회계연도 예산에 47.3를 요청했다. 이 자금의 일부는 미국 해군 연구소(NRL)가 우주선을 위한 코로나 질량 방출 이미저를 제작할 수 있도록 하기 위한 것이었지만, 필요한 시간 때문에 DSCOVR의 발사가 지연될 것이라는 우려가 있었고, 최종적으로 포함되지 않았다. NOAA는 2011년 예산에 개조 작업을 시작하기 위해 2를 배정했고, 2012년에는 29.8로 예산을 증액했다.

2012년, 공군은 발사체 구매 및 발사 운영에 134.5를 배정했으며, 이는 모두 스페이스X의 팰컨 9 로켓에 수주되었다. 2013년 9월, NASA는 2015년 초 발사를 목표로 DSCOVR의 구현 단계로 진행할 것을 승인했으며, 최종적으로 2015년 2월 11일에 발사되었다. NASA의 고다드 우주비행센터는 이 임무에 대한 관리 및 시스템 엔지니어링을 제공하고 있다.

2017년 다큐멘터리 불편한 진실 2: 돈의 권력에서 앨 고어는 DSCOVR 우주선의 역사와 기후 변화와의 관계에 대해 이야기한다.

3. 우주선 및 탑재체

DSCOVR은 SMEX-Lite 우주선 버스를 기반으로 제작되었으며, 발사 당시 질량은 약 570kg이다. 주요 과학 장비는 태양 관측용 플라즈마 자력계(PlasMag), 지구 관측용 NIST 고급 방사계(NISTAR) 및 지구 다색 영상 카메라(EPIC)이다. DSCOVR은 두 개의 전개식 태양 전지판, 추진 모듈, 붐, 안테나를 갖추고 있다.

DSCOVR은 태양풍 상태를 모니터링하고, 코로나 질량 방출에 대한 조기 경보를 제공하며, 지구 현상을 관측한다. L1 위치에서 태양과 지구의 햇빛이 비치는 면을 지속적으로 관측하며, 약 2시간마다 지구 전체 사진을 촬영한다.

이 우주선은 L1 주변을 6개월 주기로 헤일로 궤도를 돌고 있으며, 우주선-지구-태양 각도는 4°에서 15°까지 변한다.

3.1. 우주선 구조

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DSCOVR(심우주 기후 관측 위성)은 SMEX-Lite 우주선 버스를 기반으로 제작되었으며, 발사 당시 질량은 약 570kg이었다. 주요 과학 장비로는 태양 관측용 플라즈마 자력계(PlasMag), 지구 관측용 NIST 고급 방사계(NISTAR) 및 지구 다색 영상 카메라(EPIC)가 있다. DSCOVR은 두 개의 전개식 태양 전지판, 추진 모듈, 붐, 안테나를 갖추고 있다. 추진 모듈에는 145kg의 N₂H₄ 추진제가 있었다.

3.2. 과학 장비

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DSCOVR(심우주 기후 관측 위성)은 태양 관측용 플라즈마 자력계(PlasMag), 지구 관측용 NIST 고급 방사계(NISTAR) 및 지구 다색 영상 카메라(EPIC)를 탑재하고 있다. L1 위치에서 태양과 지구의 햇빛이 비치는 면을 지속적으로 관측하며, 약 2시간마다 지구 전체 사진을 촬영하여 실시간 영상을 제공한다.

* PlasMag (플라즈마 자력계): 태양풍을 측정하여 우주환경을 예측하고, 코로나 질량 방출(CME)에 대한 조기 경보를 제공한다.
* EPIC (지구 다색 이미징 카메라): 자외선부터 근적외선까지 10개의 채널을 통해 지구를 촬영하여 오존, 에어로졸, 구름, 식생 등을 관측한다.
* NISTAR (미국 표준기술연구소 고급 방사계): 태양이 비치는 지표면의 조도를 측정하여 지구 복사수지 변화를 조사한다.

3.2.1. PlasMag (플라즈마 자력계)

PlasMag(플라즈마 자력계)는 우주환경 예측을 위해 태양풍을 측정하는 장비이다. 기존의 위성 시스템과 지상 인프라에 손상을 줄 수 있는 태양 활동을 조기에 감지하여 경고하는 역할을 한다. 태양 입자가 지구보다 약 1시간 먼저 L1 지점에 도달하기 때문에, PlasMag는 코로나 질량 방출(CME)이 도착하기 15분에서 60분 전에 경고를 제공할 수 있다. 이는 태양풍의 자기장과 전자, 양성자, 알파 입자(헬륨 핵)의 속도 분포 함수를 측정함으로써 가능하다.

PlasMag는 다음 세 가지 장비로 구성된다.

* 자력계: 자기장을 측정한다.
* 패러데이컵: 양으로 대전된 입자를 측정한다.
* 정전 분석기: 전자를 측정한다.

3.2.2. EPIC (지구 다색 이미징 카메라)

지구 다색 이미징 카메라(EPIC)는 자외선부터 근적외선까지 10개의 서로 다른 채널을 통해 지구 과학 모니터링을 위한 지구의 태양광 반사면 이미지를 촬영한다. 오존과 에어로졸 수준, 구름 역학, 지표면 특성 및 식생 등을 관측한다.

EPIC의 주요 사양은 다음과 같다.

* 구경 직경: 30.5cm
* F값: 9.38
* 시야각: 0.61°
* 각도 샘플링 해상도: 1.07 각초
* 지구의 겉보기 크기: 0.45° ~ 0.53° (전체 너비 기준)
* 협대역 채널: 317, 325, 340, 388, 443, 552, 680, 688, 764, 779 nm
* 노출 시간: 약 40ms (각 채널)
* 이미지 해상도: 2048 × 2048 픽셀 (다운로드 전 1024 × 1024로 평균화)
* 최종 해상도: 25km

3.2.3. NISTAR (미국 표준기술연구소 고급 방사계)

미국 표준기술연구소(NIST)의 고급 방사계(NISTAR)는 태양이 비치는 지표면의 조도를 측정한다. 이 데이터는 자연과 인류 활동에 의해 발생한 지구 복사수지 변화를 조사하는 데 사용된다. NISTAR는 다음 4개의 채널을 이용하여 측정한다.

* 0.2~100μm 범위의 가시광선, 적외선 및 자외선의 총 복사량.
* 0.2~4μm 범위의 가시광선 및 근적외선, 자외선에서 반사된 태양 복사량.
* 0.7~4μm 범위의 적외선에서 반사된 태양 복사량.
* 0.3~1μm 범위의 보정.

4. 발사 및 운영

스페이스X의 팰컨 9 v1.1 로켓을 이용하여 발사된 DSCOVR은 두 차례 연기 끝에 2015년 2월 11일에 발사되었다. 발사 후 110일 동안 비행하여 지구로부터 1.5e6km 떨어진 태양-지구 L1 라그랑주점에 도착했다.

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2015년 7월 6일, DSCOVR은 EPIC 장비를 통해 지구의 첫 번째 전체 영상을 공개했다. EPIC은 지구의 일일 변화를 연구할 수 있도록 매일 지구 영상을 제공하며, 이 영상들은 2015년 9월부터 전용 웹 페이지에 게시되고 있다.

DSCOVR은 L1 지점에 위치하여 태양풍을 모니터링하고 지자기 폭풍에 대한 조기 경보를 제공한다. 이를 통해 정지 궤도 위성과 같은 전자 기술의 피해를 예방하고 대비할 수 있다.

2015년 7월 16~17일, DSCOVR은 지구 앞을 지나는 달의 모습을 촬영했다. 이 영상은 여러 색상 필터를 사용한 단색 영상으로 구성되어 있으며, 항상 달의 뒷면을 보여준다.

2015년 10월 19일, NASA는 EPIC이 촬영한 거의 실시간 지구 영상을 제공하는 웹사이트를 개설했다. 이 웹사이트에서는 지구가 자전하는 모습을 보여주는 영상을 매일 12개씩 공개한다.

2019년 6월 27일, DSCOVR은 자세 제어 시스템 문제로 안전 모드에 들어갔으나, 2020년 3월 2일에 소프트웨어 패치를 통해 정상 작동을 재개했다.

4.1. 발사

스페이스X의 팰컨 9 v1.1 로켓이 DSCOVR 발사에 사용되었다. DSCOVR은 두 차례 발사 연기 후 2015년 2월 11일에 발사되었다. 플로리다주 케이프커내버럴 공군기지(CCAFS)에서 발사되어 지구에서 1.5e6km 떨어진 태양-지구 L1 라그랑주점에 도달하는 데 110일이 걸렸다.

4.2. 궤도 및 임무 수행

심우주 기후 관측 위성은 지구-태양 간 라그랑주점 L1 지점에서 임무를 수행한다. 이 지점은 태양풍이 지구에 도달하기 약 60분 전에 감지할 수 있어, 지자기 폭풍 발생 15~60분 전에 조기 경보를 제공한다. 이를 통해 정지 궤도 위성 등 전자 장비의 피해를 예방하고 대비할 수 있다.

2015년 7월 6일, EPIC 장비는 약 150만 km 떨어진 곳에서 지구의 모습을 촬영하여 전송했다. 이후 EPIC은 매일 지구 전체의 변화를 관측하는 영상을 제공하며, 촬영 후 12~36시간 후에 전용 웹페이지에 공개된다.

2015년 7월 16일부터 17일까지는 지구를 통과하는 달의 모습을 촬영했다. 이 영상은 여러 색상 필터를 사용하여 촬영된 단색 영상들을 합성하여 만들어졌으며, 지구에서는 볼 수 없는 달의 뒷면을 보여준다.

2015년 10월 19일, NASA는 EPIC이 촬영한 지구의 실시간 영상을 제공하는 웹사이트를 개설했다. 이 웹사이트에서는 매일 12장 이상의 영상을 통해 지구가 자전하는 모습을 확인할 수 있다.

4.3. 운영상의 어려움 및 극복

2019년 6월 27일, 심우주 기후 관측 위성(DSCOVR)은 우주선의 자세 제어 시스템 일부인 소형 관성 측정 장치(MIMU)의 레이저 자이로스코프 이상으로 인해 안전 모드에 들어갔다. 운영자들은 레이저 자이로스코프 없이도 DSCOVR이 작동할 수 있도록 소프트웨어 패치를 프로그래밍하여, 각속도 정보는 별 추적기만 사용하도록 하였다. DSCOVR은 2020년 3월 2일에 안전 모드에서 벗어나 정상 작동을 재개했다.

5. 대한민국의 활용 및 기여

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