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TIMED

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1. 개요

TIMED는 NASA의 솔라 테라설 프로그램의 일환으로 제작된 위성으로, 중간권, 하부 열권 및 전리층(MLTI) 영역을 연구한다. 존스 홉킨스 대학교가 제작에 참여했으며, 전 지구 자외선 영상 장비(GUVI), 태양 극자외선 실험(SEE), TIMED 도플러 간섭계(TIDI), 광대역 방출 복사 측정을 사용한 대기 음향(SABER) 등 다양한 과학 장비를 탑재하고 있다. 2001년 발사된 TIMED는 대기 상층부의 장기적인 변화를 연구하며, 특히 SABER 장비를 통해 수증기와 이산화탄소 수준의 변화를 지속적으로 측정하여 기후 모델링 및 환경 영향 평가에 기여하고 있다. 2024년에는 작동이 중단된 코스모스 2221 위성과 근접 통과하는 사건이 발생하기도 했다.

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TIMED
TIMED 개요
저궤도에 있는 TIMED
저궤도에 있는 TIMED
명칭열권 • 전리층 • 중간권 • 에너지 및 역학
임무 정보
임무 유형전리층
대기 과학
우주 기상 연구
운영 기관NASA
COSPAR ID2001-055B
SATCAT26998
웹사이트TIMED at APL
임무 기간계획: 2년
경과 시간2001년 12월 7일 15:07 이후
우주선 정보
제조사응용물리학연구소
발사 질량660kg
크기높이: 2.72m
11.73m
깊이1.2m
전력406 와트
발사 정보
발사일2001년 12월 7일, 15:07:35 UTC
발사 로켓델타 II 7920-10 (델타 D289)
발사 장소반덴버그, SLC-2W
궤도 정보
궤도 기준지구 중심 궤도
궤도 종류저궤도
궤도 고도625km
궤도 경사74.1°
궤도 주기97.3 분
프로그램 정보
프로그램태양-지구 탐사 프로그램
이전 임무해당사항 없음
다음 임무히노데

2. 역사와 제작 배경

TIMED는 NASA의 솔라 테라설 프로그램의 일환으로 추진되었다. NASA는 연구원들의 아이디어를 공모하여 TIMED를 최종 선정하고,[23] 존스 홉킨스 대학교와 계약을 맺어 탐사선을 제작했다. 이후 존스 홉킨스 대학교가 디자인하고 NASA와 함께 제작하여 발사했다.[24][25]

3. 연구 대상 대기 영역

TIMED가 연구할 대기권의 중간권, 하부 열권전리층(MLTI) 영역은 지구 표면에서 60km에서 180km 사이에 위치하며, 태양 복사 에너지가 대기 중에 처음으로 전달되는 곳이다. 이는 지구 상층 대기 영역에 심각한 영향을 미칠 수 있으며, 특히 태양의 11년 주기 태양 활동 극대기 동안 가장 많은 양의 에너지가 방출될 때 더욱 두드러진다. 이러한 상호 작용을 이해하는 것은 지구물리학, 기상학, 대기광학 및 대기 과학의 다양한 주제에 대한 이해에도 중요하다. 태양 복사는 대기 조석의 주요 원동력 중 하나이기 때문이다. MLT의 변화는 현대 인공위성라디오 통신에도 영향을 미칠 수 있다.

4. 과학 장비

TIMED에는 다음 4가지 주요 과학 장비가 탑재되어 있다.

장비명설명
전 지구 자외선 영상 장비(GUVI)열권 하부에서 온도밀도의 변화를 측정하고, 오로라 및 태양 극자외선원의 중요성을 파악한다.
태양 극자외선 실험(SEE)태양 연 X선, 극자외선, 자외선 복사를 측정하는 분광기광도계이다.
TIMED 도플러 간섭계(TIDI)MLT 지역의 바람 및 온도 프로파일을 측정한다.
광대역 방출 복사 측정을 사용한 대기 음향(SABER)대기가 방출하는 열, 전 지구적 온도 프로파일 및 대기 냉각원을 측정하는 다중 채널 복사계이다.



이 외에도 데이터 처리 및 저장 장치(C&DH), 지구 대기 및 우주 사진 촬영 장비(GULV), 지구와의 통신 장비(RF 커뮤니케이션), 별 추적기와 위치 및 자세 조정 기능을 포함하는 하드웨어(G&C), 탐사선 제어 컴퓨터(GNS) 등의 장비가 탑재되어 있다. 위성 기기로 수집된 데이터는 대중에게 무료로 제공된다.

4. 1. 전 지구 자외선 영상 장비 (GUVI: Global Ultraviolet Imager)

수평선에서 수평선까지 횡 방향으로 스캔하여 열권 하부에서 온도의 공간적, 시간적 변화와 밀도의 구성 요소를 측정하고, 해당 지역의 에너지 균형에 대한 오로라 에너지원과 태양 물리학의 태양 극자외선원의 중요성을 파악한다.[1]

4. 2. 태양 극자외선 실험 (SEE: Solar Extreme Ultraviolet Experiment)

태양 극자외선 실험(SEE)은 MLTI 지역에 축적되는 태양 연 X선, 극자외선, 자외선 복사를 측정하도록 설계된 분광기 및 일련의 광도계이다.[29]

4. 3. TIMED 도플러 간섭계 (TIDI: TIMED Doppler Interferometer)

MLTI 지역의 바람 및 온도 프로파일을 전 지구적으로 측정한다.[1]

4. 4. 광대역 방출 복사 측정을 사용한 대기 음향 (SABER: Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)

'''광대역 방출 복사 측정을 사용한 대기 음향(SABER)'''은 광범위한 고도 및 스펙트럼 범위에서 대기가 방출하는 열, 전 지구적 온도 프로파일 및 대기 냉각원을 측정하도록 설계된 다중 채널 복사계이다.[33] 햄프턴 대학교에서 제작하였으며, 대기 열 방출과 적외선을 관측한다.[33]

4. 5. 기타 장비

C&DH는 데이터 처리 및 저장 장치이다.[26] 3개의 칩으로 구성되어 있으며, 각각 저장, 데이터 정리 등의 역할을 한다.[27]

GULV는 지구 대기 및 우주 사진 촬영 장비로, 존스 홉킨스 대학교가 제작했으며 적외선 촬영을 목적으로 한다.[28]

RF 커뮤니케이션은 지구와의 통신을 위한 장비로, 두 개의 칩을 이용한다.[30]

G&C는 별 추적기, 위치 및 자세 조정 기능을 포함하는 하드웨어이다.[31]

GNS는 탐사선의 자전 속도, 자세 등을 검사하고 명령을 내리는 제어 컴퓨터이다.[32]

5. 발사

2001년 12월 7일, 반덴버그 공군기지에서 델타 II 로켓에 실려 발사되었다.[34][35]

6. 위성 운영

TIMED는 발사 후 자세 제어에 사소한 문제를 겪었다. 마그네토쿼 설치 엔지니어가 실수로 실제 극성의 반대 방향을 기록하여 비행 소프트웨어에 부호 오류가 발생했고, 이 때문에 마그네토쿼가 의도대로 우주선의 회전을 늦추지 못했다. 이 문제는 궤도선의 자력계를 일시적으로 비활성화하고 부호 오류를 수정하는 소프트웨어 패치를 업로드하여 해결되었다.[4] 또 다른 소프트웨어 업데이트는 태양 센서의 결함 있는 테스트로 인해 발생한 문제를 해결했다. 이러한 수정 이후, 자세 제어 시스템은 의도대로 작동했다.[4]

6. 1. 코스모스 2221 위성과의 근접 통과

2024년 2월 28일 06:30 (UTC)경, TIMED는 작동이 중단된 코스모스 2221 위성과 10m 이내로 매우 가깝게 접근했다. TIMED와 코스모스 2221 모두 궤도를 바꿀 수 없었기 때문에, 이 근접 조우는 피할 수 없었다. 위성 추적 회사인 레오랩스(LeoLabs)는 이 만남 전에 위성 충돌 확률을 최대 8%로 추정했다. 두 위성은 서로에 대해 초고속으로 이동하고 있었으며, 충돌했다면 2,500개에서 7,500개 사이의 우주 쓰레기 조각이 생겼을 것으로 예상되었는데, 이는 2009년 위성 충돌인 이리듐 33과 코스모스 2251 사이의 충돌보다 더 많은 양이다. 이 아슬아슬한 근접 통과는 미국 항공우주국(NASA)에 특히 우려를 안겨주었으며, NASA는 콜로라도 스프링스에서 열린 제39회 우주 심포지엄에서 NASA의 새로운 우주 지속 가능성 전략 계획에 대한 더 광범위한 연설에서 이 사건을 강조했다.[5]

7. 과학적 성과

TIMED는 대기 상층부의 장기적인 변화 추세에 대한 과학적 이해를 높이는 데 기여했다. 특히 SABER 장비를 통해 수증기 및 이산화탄소 수준 변화를 관측하고, 이를 바탕으로 환경 영향 모델링을 지원한다.

7. 1. 수증기 및 이산화탄소 수준 변화

TIMED의 SABER 장비는 성층권중간권에서 수증기와 이산화탄소 수준에 대한 지속적인 기록을 수집해왔다.[6][7]

SABER는 하루에 1,500개의 수증기 측정을 수집할 수 있으며,[8] 광학 필터 결함으로 인해 수증기 수준을 과대평가하는 경향이 있었으나, 이 오류는 발견되어 수정되었다.[9] 수정된 데이터를 바탕으로 2002년과 2018년 사이에 하부 성층권의 수증기 수준은 10년마다 평균 0.25 ppmv (약 5%), 상부 성층권과 중간권에서는 10년마다 평균 0.1-0.2 ppmv (약 2-3%) 증가했다.[10] 메탄 수준의 증가는 메탄이 이산화탄소와 수증기로 산화되기 때문에 수증기 증가의 부분적인 원인으로 여겨지지만, 태양 주기에 의해 발생하는 변화도 원인일 수 있다.[11]

SABER는 대기 상층부의 이산화탄소 수준도 모니터링해왔으며, 110km 고도에서 CO2 수준이 10년마다 평균 12%씩 증가함을 발견했다.[12] 이 비율은 기후 모델의 예측보다 빠르다.[13]

7. 2. 환경 영향 모델링 지원

TIMED는 대기 상층부 데이터를 수집하여 환경 영향 모델링을 지원한다. 수증기와 이산화탄소는 온실 가스이며, 대기 상층부에서의 증가는 기후 모델에 반영되어야 한다. 또한, 대기 상층부의 수증기는 오존 고갈에 기여한다.[14]

8. 참여 기관

TIMED는 NASA가 솔라 테라설 프로그램을 만들고 몇 달 후, 연구원들이 제출한 아이디어 중 선정된 탐사선이다.[23] 존스 홉킨스 대학교와 계약을 맺고 디자인 및 제작을 함께 진행했다.[24][25]

TIMED 프로그램에는 미국의 여러 기관과 대학교, 그리고 국제 기관들이 참여했다. 주요 참여 기관은 다음과 같다.

8. 1. 미국

기관명위치
알래스카 대학교페어뱅크스, 알래스카
캘리포니아 대학교버클리, 캘리포니아
제트추진연구소(JPL)패서디나, 캘리포니아
콜로라도 대학교볼더, 콜로라도
국립 대기 연구 센터(NCAR)볼더, 콜로라도
국립 해양 대기청(NOAA)볼더, 콜로라도
존스 홉킨스 대학교 응용물리 연구소(APL)로럴, 메릴랜드
공군 연구소(AFRL)한스컴 공군 기지, 매사추세츠
스튜어트 복사 연구소(SRL)베드퍼드, 매사추세츠
미시간 대학교앤아버, 미시간
사우스웨스트 연구소(SwRI)샌안토니오, 텍사스
유타 주립 대학교로건, 유타
햄프턴 대학교햄프턴, 버지니아
컴퓨테이셔널 피직스(CPI)페어팩스, 버지니아
해군 연구소(NRL)워싱턴 D.C.
NASA 랭글리 연구 센터(LaRC)햄프턴, 버지니아
G&A 기술 소프트웨어햄프턴, 버지니아
NASA
제트추진연구소(JPL)
고다드 우주 비행 센터(GSFC)
케네디 우주 센터(KSC)
존스 홉킨스 대학교
유타 대학교
햄프턴 대학교


8. 2. 국제

국가기관명도시비고
영국호브미어 리미티드켄트잉글랜드
영국영국 남극 조사소케임브리지잉글랜드
캐나다CREES-요크 대학교토론토온타리오
스페인안달루시아 천체물리학 연구소그라나다
독일로스토크 대학교로스토크


참조

[1] 웹사이트 Trajectory: TIMED 2001-055B https://nssdc.gsfc.n[...] NASA 2020-05-14
[2] 웹사이트 Ten Successful Years of Mapping the Middle Atmosphere http://www.nasa.gov/[...] NASA
[3] 웹사이트 TIMED SDS Data Product Downloads http://www.timed.jhu[...] Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory 2020-09-15
[4] 서적 Space Systems Failures: Disasters and Rescues of Satellites, Rockets, and Space Probes Springer 2006
[5] 웹사이트 NASA's strategy for space sustainability https://www.thespace[...] 2024-04-22
[6] 논문 Yue 2019, p. 13452.
[7] 논문 Yue 2015, p. 7195.
[8] 논문 Yue 2019, p. 13458.
[9] 논문 Rong 2019, p. 3-4.
[10] 논문 Yue 2019, p. 13456.
[11] 논문 Yue 2019, pp. 13456, 13458.
[12] 논문 Yue 2015, p. 7197.
[13] 논문 Yue 2015, p. 7198.
[14] 논문 Yue 2019, p. 13459.
[15] 웹인용 TIMED Overview http://www.timed.jhu[...] 2018-07-14
[16] 웹인용 TIMED Mission http://www.timed.jhu[...] 2018-07-14
[17] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://earth.esa.in[...] 2018-07-14
[18] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-14
[19] 웹인용 Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics (TIMED) https://www.nasa.gov[...] 2018-07-14
[20] 웹인용 Ten Successful Years of Mapping the Middle Atmosphere https://www.nasa.gov[...] 2018-07-14
[21] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-14
[22] 웹인용 Ten Successful Years of Mapping the Middle Atmosphere https://www.nasa.gov[...] 2018-07-14
[23] 웹인용 An Overview of the TIMED Spacecraft http://www.jhuapl.ed[...] 2018-07-14
[24] 웹인용 An Overview of the TIMED Spacecraft http://www.jhuapl.ed[...] 2018-07-14
[25] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[26] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[27] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[28] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[29] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[30] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[31] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[32] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[33] 웹인용 TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) https://eoportal.org[...] 2018-07-15
[34] 웹인용 TIMED: 15 Years Exploring Our Interface to Space https://www.nasa.gov[...] 2018-07-15
[35] 웹인용 TIMED Marches On: Watching the Upper Atmosphere for 15 Years and Counting https://www.nasa.gov[...] 2018-07-15



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