전리층

3. 전리층의 구조 및 특성

전리층은 열권 및 중간권 내(고도 약 60km부터 500km 사이)에 위치하며, 전자 밀도의 차이에 따라 아래에서부터 차례로 D층(60km - 90km), E층(100 - 120km), F1층(150km - 220km), F2층(220km - 800km)의 4가지로 나뉜다.^[37][38] 각 층은 전자 밀도와 전파 반사 특성이 다르다.

위쪽 층으로 갈수록 자외선이 강하고 많은 전리가 발생하기 때문에 전자 밀도가 크며, 아래쪽 층은 전자 밀도가 작다. 야간에는 태양으로부터 자외선이 도달하지 않기 때문에 전자 밀도는 주간보다 작아진다. 따라서 지구 전체를 둘러싸는 전리층은 균질한 구형의 층이 아니다. 최하층인 D층은 야간에는 소멸한다. 또한 주간에는 F1층과 F2층으로 분리되지만, 야간에는 구분이 없어지고 하나의 F층(150km - 800km)이 된다.

전리층은 태양 활동, 계절, 낮과 밤 등에 따라 변화하며, 이러한 변화는 전파 통신에 영향을 미친다. 태양의 자기 활동이 클수록, 흑점 활동 영역은 증가된 코로나 가열과 EUV 및 X선 조사 증가의 원인이 되며, 특히 태양 플레어를 포함하는 일시적인 자기 폭발 동안 지구의 햇빛이 비치는 쪽의 이온화를 증가시키고 태양 고에너지 입자 사건은 극지방의 이온화를 증가시킬 수 있다. 따라서 전리층의 이온화 정도는 주야(하루 중 시간) 주기와 11년 태양 주기 모두를 따른다. 또한, 지역 겨울 반구가 태양에서 기울어져 있기 때문에 받는 태양 복사가 적으므로 이온화 정도에 계절적 의존성도 있다.

전리층은 태양풍, 지자기 폭풍 등 외부 요인에 의해 교란될 수 있으며, 이로 인해 통신 장애가 발생할 수 있다. 전리층을 흐트려뜨리고 이온화를 방해하는 작용도 존재하는데, 태양 플레어 현상에 수반되어 방출된 대전입자는 태양풍에 의해 날려와 지구에 도달하면 지구자기장과 상호작용한다.

3. 1. D층

• 초장파(30kHz 미만)는 전리층의 영향을 거의 받지 않는다.
• 장파(Low Frequency)는 주간에는 D층에서 반사되고, D층이 소멸하는 야간에는 E층에서 반사된다(중파와 유사하다).
• 중파(Medium Frequency)는 주간에는 D층에서 감쇠되므로, 주간 송신 거리는 지표파가 도달하는 수십 킬로미터 정도에 그친다. 하지만 D층이 소멸하는 야간에는 주로 E층에서 반사되어 수백에서 1000킬로미터 이상의 원거리까지 도달한다.
• 단파(High Frequency)는 항상 D층을 통과하여 주로 F층에서 반사되지만, 주간과 야간의 전리층 상태에 따라 전파 방식이 달라진다(주간에는 높은 주파수가, 야간에는 낮은 주파수가 반사된다).
• VHF・UHF 이상의 높은 주파수(짧은 파장) 전파는 전리층을 통과하므로 멀리 전파되지 않는다.

3. 2. E층

• 중파(Medium Frequency)는 주간에는 D층에서 감쇠되어 전파 거리가 지표파가 도달하는 수십 킬로미터 정도에 그치지만, D층이 소멸하는 야간에는 주로 E층에서 반사되어 수백에서 1000킬로미터 이상의 원거리까지 도달한다.^[37]

3. 3. F층

야간에는 구분이 없어지고 하나의 F층(150km - 800km)이 된다. 이에 따라 주간과 야간에는 전파의 전파 상태가 변화한다. 이것은 지구상의 주반구와 야반구에서는 전파 상황이 다르다는 것을 의미한다.^[38]

• 단파(High Frequency)는 항상 D층을 통과하여 주로 F층에서 반사되지만, 주간과 야간의 전리층 상태가 다르므로 전파 방식이 달라진다(주간에는 높은 주파수가, 야간에는 낮은 주파수가 반사된다).

4. 전리층과 무선 통신

전리층은 단파 대역의 전파를 반사하여 원거리 통신을 가능하게 한다. 이러한 특성으로 단파 통신은 1920년대부터 국제 통신이나 대륙 간 통신에 활용되었다.^[27] 그러나 전리층을 이용한 통신은 낮과 밤, 계절, 날씨, 11년 주기의 태양 흑점 주기에 따라 변동성이 크고 신뢰성이 낮다.^[27]

전파가 전리층에 도달하면 전파의 전기장이 전리층의 전자들을 진동시킨다. 일부 전파 에너지는 흡수되고, 진동하던 전자들은 재결합으로 손실되거나 원래의 파동 에너지를 재방출한다. 전리층의 충돌 빈도가 무선 주파수보다 낮고 전자 밀도가 충분히 높으면 전파가 완전히 굴절될 수 있다.^[28]

전리층은 플라스마 상태이므로 굴절률이 1보다 작아, 전자기파는 수직선에서 멀어지는 방향으로 굴절된다. 플라스마의 굴절률은 주파수에 따라 달라진다.^[28]

전리층에서 수직으로 입사하는 전파가 반사되는 주파수의 한계값을 '''임계 주파수'''라고 한다. 전송 주파수가 전리층의 플라스마 주파수보다 높으면 전자는 신호를 재방출하지 못한다. 임계 주파수는 다음과 같이 계산된다.^[28]

:$f\_\{\backslash text\{critical\}\}\; =\; 9\; \backslash times\backslash sqrt\{N\}$ (N은 m³당 전자 밀도, f_critical은 Hz 단위)

'''최대 사용 주파수(MUF)'''는 특정 시간에 두 지점 간 전송에 사용할 수 있는 상한 주파수이다.

:$f\_\backslash text\{muf\}\; =\; \backslash frac\{f\_\backslash text\{critical\}\}\{\; \backslash sin\; \backslash alpha\}$ ($\backslash alpha$는 도착각, 수평선에 대한 파의 각도)

차단 주파수는 전리층의 한 층에서 두 지정된 지점 사이의 전송에 필요한 입사각으로, 무선 전파가 그 층의 굴절을 통해 투과하지 못하는 주파수이다.

단파 통신에서는 MUF의 85%에 해당하는 주파수를 '''최적 사용 주파수(FOT)'''라고 하며, 이 주파수에서 전리층 반사를 가장 효율적으로 이용할 수 있다. 하지만 전리층 상태 변화로 인해 최고 사용 주파수가 낮아지면 갑자기 전리층 반사를 이용할 수 없게 될 수도 있다.

전파가 전리층에 입사할 때, 전리층에 의해 흡수, 굴절, 반사가 일어난다. 각 현상의 비율은 전리층의 전자 밀도, 전파의 주파수, 전파의 입사각에 따라 달라진다. 전파의 입사각이 전반사 조건을 만족하면 모든 에너지가 반사될 수 있다.

전파가 전리층을 투과할 때 받는 감쇠를 제1종 감쇠, 전리층을 반사할 때 받는 감쇠를 제2종 감쇠라고 한다.

전리층에 대한 전파의 입사각을 $\backslash theta$, 전파가 전리층에 수직으로 입사하는 경우 반사되는 최대 주파수(임계 주파수)를 $f\_0$라고 하면, 전파가 전리층에 비스듬히 입사하는 경우 반사되는 최대 주파수는 $f\_0\; \backslash sec\; \backslash theta$가 된다. 이를 정현 법칙(세컨트 법칙)이라고 한다.

실제로는 지구의 구형, 전기장 세기 등을 고려하여 전리층 반사에 의한 전파의 대략적인 거리 및 실용적인 상한 주파수를 추정할 수 있다.

주파수 대역별 전리층 반사 특성은 다음과 같다.

태양 활동이 활발하면 강력한 태양 플레어가 발생하여 지구에 강한 X선이 도달할 수 있다. 이 X선은 D층까지 투과하여 전자를 방출하고, 흡수가 급격히 증가하여 고주파(3~30MHz) 무선 통신 장애(페이드아웃)를 일으킬 수 있다. 이를 돌연 전리권 교란(SID)이라고 하며, 수 분에서 수 시간 동안 지속될 수 있다.

또한, 태양 플레어와 관련하여 고에너지 양성자가 방출되면 극지방 근처 대기로 침투하여 D층과 E층의 이온화를 증가시키는 극관 흡수(PCA) 현상이 발생할 수 있다. 극관 흡수는 일반적으로 약 1시간에서 수일까지 지속된다.

전자력 테더는 전리층을 이용하는 개방계 시스템으로, 우주 테더는 플라스마 접촉기와 전리층을 회로의 일부로 사용하여 지구 자기장에서 에너지를 추출한다.

5. 전리층 이상 현상

태양 플레어가 발생하면 전리층의 전자 밀도가 평상시보다 높아진다.^[39] 이 상태에서는 지상에서 발사된 전파가 전리층에 반사되지 않고 흡수되어, 단파를 이용한 장거리 통신에 장애를 일으킬 수 있다. 이를 '''데링저 현상'''이라고 한다.

돌발적으로 국지적인 지역에 약 100km 고도에 발생하는, 매우 밀도가 높은 전리층을 스포라딕 E층이라고 한다.^[37] 이 층의 상태에 따라서는, 일반적으로 전리층에서 반사되지 않는 초단파(VHF)가 반사되어, 텔레비전이나 라디오 방송 등에서 예상치 못한 혼신이 발생하는 경우가 있다.

지자기 폭풍은 지구 자기권의 일시적이며 강렬한 교란이다. 지자기 폭풍 발생 시, F2 층은 불안정해지고 부서지며 완전히 사라질 수도 있다.

최근, 전리층의 이상과 대지진의 상관관계가 지적되고 있다.^[40][41] 홋카이도 대학의 히오키 코우스케(日置幸介) 교수(지구물리학)의 조사에 따르면, 2011년 3월 동일본대지진 발생 40분 전부터 진원지 상공에서 전리층의 전자 밀도가 주변보다 최대 10% 정도 높아졌다는 것이 확인되었다. 2010년 칠레 지진(M8.8), 2004년 수마트라섬 지진(M9.1)에서도 유사한 변화가 발생했다. 하지만, 2003년 도카치 앞바다 지진(M8.0)에서는 미미한 증가에 그쳤다. 히오키 교수는 "메커니즘은 불명확하지만, 대지진의 직전 예측에는 유망한 방법이다"라고 기대하고 있다.

고에너지 양성자의 생성은 태양 플레어와 관련이 있다. 이들 입자는 지구의 자기장선 주위와 아래로 양성자가 나선 방향으로 움직이고 D와 E층의 이온화를 증가시키며 자극 근처의 대기로 투과한다. 극 관 흡수(PCA)는 전형적으로 평균 24~36시간으로 한 시간에서 수일까지 어느 곳에서나 지속한다.

6. 전리층 연구 및 모델

우주 연구 위원회(COSPAR)와 국제 전파 과학 연맹(URSI)이 후원하는 국제 프로젝트인 국제 표준 전리층(IRI)은 전리층에 대한 국제 표준 모델이다.^[22][23] 이 모델은 전 세계 전리층 음향기 네트워크, 비결합 산란 레이더(지카마르카, 아레시보, 밀스톤 힐, 말번, 생상탱), ISIS 및 알루엣 상층부 사운더, 그리고 여러 위성과 로켓의 현장 측정 장비에서 얻은 데이터를 기반으로 한다. IRI는 매년 업데이트되며, 전리층 하부에서 최대 밀도 고도까지 전자 밀도 변화를 설명하는 데 있어 총 전자 함량(TEC)을 설명하는 것보다 더 정확하다. 1999년부터 이 모델은 지구 전리층에 대한 "국제 표준"(표준 TS16457)으로 지정되었다.

'''전리층 모델'''은 위치, 고도, 연중 시기, 태양 흑점 주기의 위상, 지자기 활동의 함수로서 전리층을 수학적으로 설명한다. 지구물리학적으로 전리층 플라스마의 상태는 전자 밀도, 전자 및 이온 온도, 이온 조성의 네 가지 매개변수로 설명할 수 있다. 전파 전파는 전자 밀도에 따라 달라진다. 모델은 일반적으로 컴퓨터 프로그램으로 표현되며, 이온과 전자의 중성 대기 및 태양광과의 상호 작용에 대한 기본 물리학에 기반하거나, 다수의 관측에 기반한 통계적 설명 또는 물리학과 관측의 조합일 수 있다.

아이오노그램을 통해 다양한 층의 실제 모양을 추론할 수 있다. 비균질적인 전자/이온-플라스마 구조는 거친 에코 트레이스를 생성하는데, 이는 주로 야간, 고위도, 그리고 교란된 조건에서 관찰된다.

전 세계 항법 위성 시스템에 전리층이 미치는 영향을 이해하기 위해 다양한 모델이 사용된다. '''클로부차 모델(Klobuchar model)'''은 GPS의 전리층 효과를 보정하는 데 사용되며, 1974년경 존(잭) 클로부차(John (Jack) Klobuchar)에 의해 미 공군 지구물리 연구소(US Air Force Geophysical Research Laboratory)에서 개발되었다.^[29] 갈릴레오 항법 시스템은 '''NeQuick 모델'''을 사용한다.^[30] 갈릴레오(GALILEO)는 유효 이온화 수준을 계산하기 위한 3개의 계수를 방송하며, 이는 NeQuick 모델에 의해 시선 방향을 따라 범위 지연을 계산하는 데 사용된다.^[31]

전리층 연구를 위해 다음과 같은 방법들이 사용된다.

• 전리층에서 발생하는 광학 및 무선 방출에 대한 수동 관측
• 서로 다른 주파수의 무선파를 전리층에 반사시켜 관측
• 무관련 산란 레이더 (예: EISCAT, 쏜드레 스트롬피오르드, 밀스톤 힐, 아레시보, 고급 모듈형 무관련 산란 레이더(AMISR), 히카마르카 레이더)
• 초고성능 이중 오로라 레이더 네트워크 (SuperDARN) 레이더와 같은 결맞는 산란 레이더
• 반사파가 송신파와 어떻게 달라졌는지 감지하는 특수 수신기

7. 기타 행성의 전리층

태양계에서 상당한 대기를 가진 천체(즉, 모든 주요 행성과 많은 큰 위성)는 일반적으로 전리층을 생성한다.^[33] 전리층이 있는 것으로 알려진 행성에는 금성, 화성,^[34] 목성, 토성, 천왕성, 그리고 해왕성이 있다.

타이탄의 대기에는 고도 약 880km~1300km에 걸쳐 있으며 탄소 화합물을 포함하는 전리층이 있다.^[35] 전리층은 이오, 유로파, 가니메데, 트리톤, 그리고 명왕성에서도 관측되었다.

참조

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