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외기권

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목차

1. 개요

외기권은 행성의 대기층 중 가장 바깥쪽 영역으로, 대기 기체 분자들이 우주 공간으로 흩어져 나가는 곳이다. 지구의 경우, 외기권은 수소와 헬륨으로 주로 구성되며, 지표면에서 약 500~1,000km 상공의 열권 경계에서 시작하여 최대 10,000km 이상까지 확장된다. 외기권은 대기가 희박한 천체에서는 지표면에 직접 접해 있는 '표면 경계 외기권' 형태로 나타나기도 하며, 수성, 달, 유로파 등에서 관측된다. 외기권의 하한 경계는 열권계면 또는 외기권 기저로 불리며, 태양 활동에 따라 고도가 변동한다.

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외기권

2. 지구의 외기권

지구의 외기권은 지구 대기권의 가장 바깥층으로, 열권 상층부에서 시작하여 우주 공간으로 이어진다. 외기권의 낮은 경계는 '열권계면' 또는 '외기권 기저'라고 불리며, '임계 고도'라고도 한다. 이 고도 이상에서는 대기 온도가 거의 일정하게 유지된다.[5] 지구에서 외기권 기저의 고도는 태양 활동에 따라 약 500km에서 1000km 범위에 있다.[6]

외기권에서는 대기 기체분자나 원자가 우주 공간으로 유출된다. 외기권은 행성간 매질 또는 우주 공간의 일부로 간주될 수 있으며, 인공위성 궤도 중 저궤도 상반부와 중궤도 하반부에 해당한다.

2. 1. 낮은 경계

외기권의 낮은 경계는 열권 또는 외기권 기저로 알려져 있으며, 고도는 약 250km에서 500km 사이로 태양 활동에 따라 달라진다.[5][6] 열권 가장자리에서 외기권의 낮은 경계는 지구 표면 위 500km에서 1000km 사이로 측정되기도 한다. 외기권 기저는 임계 고도라고도 불리며, 다음 두 가지 방법 중 하나로 정의된다.

# 입자들 사이의 원자 충돌이 거의 일어나지 않는 높이

# 구성 원자들이 탄도 궤도를 그리는 높이

외기권에서 분자의 평균 자유 행로는 1 압력 규모 높이와 같다. 압력 규모 높이는 주 구성 원자들의 밀도 규모 높이와 거의 같고, 크누센 수는 평균 자유 행로와 일반적인 밀도 변화 규모의 비율이므로, 외기권은 이 영역에 위치한다.

외기권 고도의 변화는 위성에 대기 항력을 발생시켜 궤도 유지를 위한 조치가 없으면 위성이 궤도에서 이탈하게 하므로 중요하다.

달에서 본 지구와 외기권의 수소 외피인 지구 코로나. 이 자외선 사진은 1972년 달에 있는 아폴로 16호 우주 비행사가 작동하는 카메라로 촬영했다.

2. 2. 상부 경계

외기권의 상부 경계는 이론적으로 태양 복사압의 영향이 지구의 중력에 의한 수소 원자의 속도를 초과하는 고도로 정의된다. 우주에서 지구 코로나로 관찰 가능한 외기권은 지구 표면으로부터 최소 100000km까지 확장되는 것으로 보인다.[7] 외기권은 지구 대기와 행성간 공간 사이의 유동적인 영역이다.

원칙적으로 외기권은 입자가 여전히 중력에 의해 지구에 묶여 있는 거리를 포함하며, 즉, 입자는 여전히 지구로 되돌아가는 탄도 궤도를 갖는다. 외기권의 상한 경계는 태양 복사 압력이 원자 수소에 미치는 영향이 지구의 중력보다 커지는 거리로 정의할 수 있다. 이는 달까지 거리의 절반, 즉 200000km 근처에서 발생한다.[7]

지구의 외기권, 에너지 중성 원자 (ENA) 및 자기권.


외기권의 최외층은 수소와 헬륨으로 구성되어 있으며, 지오코로나라고 불린다.[12] 지오코로나는 적어도 약 24만 km (약 38 지구 반지름)에 걸쳐 펼쳐져 있으며,[13] 더 멀리 달 궤도 너머까지 뻗어 있다.[14]

3. 다른 천체의 외기권

수성, 세레스, 달, 유로파, 가니메데와 같은 여러 큰 자연 위성들은 그 아래에 더 밀도가 높은 대기 없이 외기권을 가지고 있으며,[3] 이를 '''표면 경계 외기권'''이라고 한다.[4] 여기서 분자들은 표면에 충돌할 때까지 타원 궤도로 방출된다. 소행성과 같이 표면에서 방출된 분자가 우주로 탈출하는 작은 천체는 외기권을 갖는 것으로 간주하지 않는다.

달의 대기나 수성의 대기처럼 천체의 대기가 매우 희박하다면, 전체 대기가 외기권으로 간주된다.

3. 1. 수성의 외기권

수성의 대기는 매우 희박하여 전체가 외기권으로 간주된다. 수성의 표면 경계 외기권 형성에 관해서는 여러 가설이 존재하며, 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca)과 같은 원소가 포함되는 것으로 알려져 있다.[8] 각 물질은 충돌, 태양풍 및 지상 천체의 탈가스작용과 같은 과정의 결과로 제안되었으며, 이러한 과정은 원자 또는 분자가 행성의 외기권을 형성하게 한다.[8]

운석은 최대 80km/s의 속도로 수성 표면에 일반적으로 충돌하는 것으로 보고되었으며, 이는 접촉 시 운석과 표면의 레골리스를 증발시킬 수 있다.[9] 이러한 배출은 충돌력으로 인해 혼합된 물질의 구름을 형성할 수 있으며, 이는 기체 물질과 화합물을 수성의 외기권으로 운반할 수 있다. 충돌하는 동안, 충돌하는 물체의 이전 원소는 냉각, 급랭 과정을 거쳐 다시 형성될 수 있는 분자보다는 원자로 대부분 분해된다. 이러한 물질은 Na, NaOH 및 O2로 관찰되었다.[9] 그러나, 운석 충돌을 통해 다양한 형태의 나트륨이 수성 외기권으로 방출되었지만, 전체 나트륨 및 칼륨 원자의 농도에 대한 작은 동인으로 작용한다고 이론화되어 있다.[9] 칼슘은 충돌의 결과일 가능성이 더 높지만, 그 운송은 나트륨, 칼륨 및 철(Fe)과 같이 충돌 순간에 방출된 원자보다는 이전 산화물 또는 수산화물의 광분해를 통해 완료되는 것으로 생각된다.[9]

수성의 외기권 형성에 대한 또 다른 가능한 방법은 독특한 자기권과 태양풍의 관계 때문이다. 이 천체의 자기권은 태양풍의 풍화로부터 불완전한 보호막이라고 가정된다. 만약 정확하다면, 태양풍이 자기권을 넘어 수성의 표면에 도달하여 외기권에서 물질의 가능한 원천이 되는 표면의 구성 요소를 스퍼터링할 수 있는 자기권의 틈이 존재한다.[10][11] 이러한 풍화 작용은 나트륨과 같은 원소를 침식시키고 대기 중으로 운반할 수 있다. 그러나 이러한 발생은 일정하지 않으며 외기권의 모든 원자 또는 분자를 설명할 수 없다.[11]

4. 인공위성 궤도와의 관계

외기권의 높이 변화는 인공위성에 대기 항력을 발생시켜, 궤도 유지를 위한 추가적인 조치가 없을 경우 인공위성이 궤도에서 이탈하는 원인이 되기 때문에 중요하다.[1]

외기권의 하한 고도는 태양 활동에 따라 약 250km에서 500km 사이에서 변한다.[1] 외기권의 하한은 열권의 가장자리에서 500km에서 1000km 사이로 측정되기도 한다.[1]

외기권의 상한은 이론적으로 태양 복사압의 영향이 수소 원자의 속도에 미치는 영향이 지구 중력을 초과하는 고도로 정의된다.[1] 지구 코로나로서 우주에서 관찰 가능한 외기권은 지구 표면에서 최소 60,000 마일까지 확장되는 것으로 여겨진다.[1] 외기권은 지구 대기와 행성간 공간 사이의 유동적인 영역이며, 상한은 때때로 10000km으로 추정된다.[1]

참조

[1] 웹사이트 NASA's LADEE Spacecraft Finds Neon in Lunar Atmosphere http://www.nasa.gov/[...] NASA 2015-08-17
[2] 웹사이트 Exosphere - an overview | ScienceDirect Topics https://www.scienced[...]
[3] 웹사이트 Why LADEE Matters https://www.nasa.gov[...] NASA Ames Research Center 2013-08-20
[4] 웹사이트 Is There an Atmosphere on the Moon? https://www.nasa.gov[...] NASA 2014-01-30
[5] 서적 'Planetary Aeronomy: Atmosphere Environments in Planetary Systems' Springer Publishing 2004
[6] 웹사이트 Exosphere - overview http://scied.ucar.ed[...] UCAR 2011
[7] 웹사이트 The Exosphere https://scied.ucar.e[...] 2022-10-05
[8] 간행물 Mercury's exosphere origins and relations to its magnetosphere and surface https://www.scienced[...] 2007-06-01
[9] 간행물 Impacts as sources of the exosphere on Mercury https://www.scienced[...] 2008-06-01
[10] 간행물 Evidence for Magnetospheric Effects on the Sodium Atmosphere of Mercury https://www.science.[...] 1990-05-18
[11] 간행물 Evidence for space weather at Mercury https://agupubs.onli[...] 2001-09-25
[12] 간행물 ジオコロナ撮像装置LAICAの開発 https://confit.atlas[...] 2014-04-07
[13] 웹사이트 42年ぶりに地球水素コロナ全体像の撮影に成功 https://www.astroart[...] 2023-11-06
[14] 간행물 SWAN/SOHO Lyman‐ α Mapping: The Hydrogen Geocorona Extends Well Beyond the Moon https://agupubs.onli[...] 2019-02


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