제 출 문 본 보고서를 태양활동극대기를 대비한 우주전파환경 감시체계 확립방안에 관한 연구 과제 의 최종보고서로 제출합니다. 2007. 11. 20. 연구책임자 : 김 갑 성 ( 경희대학교 ) 연 구 원 : 최 광 선 ( 경희대학교 ) 이 청 우 ( 경희대학교 ) 김 일 훈 ( 경희대학교 ) 이 진 이 ( 경희대학교 ) - 1 -
요 약 문 1. 과 제 명 : 태양활동극대기를 대비한 우주전파환경 감시체계 확립방안에 관한 연구 2. 연 구 기 간 : 2007년 3월 - 2007년 11월 20일 3. 연구책임자 : 김 갑 성 4. 계획 대 진도 가. 월별 추진내용 월별 추진일정 세부연구내용 연구자 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1. 주요국의 예보 김갑성 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 현황 분석 최광선 2. 태양전파 및 우주 김갑성 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 환경 자료수집 김일훈 3. 관측자료에 의한 김갑성 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 전파환경 감시 시스 이청우 템 개발 4. 전파통신 간섭사례 김일훈 ---- ---- ---- ---- 수집 이청우 5. 태양활동과의 관련 이청우 ---- ---- ---- ---- ---- 성 분석 6. 전파예보방향검토 전체 --- ---- 분기별 수행진도 (%) 90% 10% 비 고 - 2 -
나. 세부 과제별 추진사항 1) 태양 활동 관측 및 분석 : 세부연구과제 내용 1, 2 항목 - 태양 활동 극주기 예보 사례 - 태양 상시 감시 체계 구축을 위한 관측소 리스트 작성 - 태양 관측 데이터를 근 실시간으로 취득하고 모니터링이 가능 한 관측소 리스트 작성 2) 우주전파환경 예보 : 세부연구과제 내용 1, 2 항목 - 미국의 우주환경센터(SWPC) 예경보체계를 정밀 분석 - 일본 통신종합연구소(NICT), 나고야 대학 STE Lab 등의 예경보 체계를 정밀 분석을 위한 현장 방문 견학 및 장비 현황 파악 - 호주 우주서비스센터(IPS Radio & Space Services)의 예경보체 계 정밀 분석 3) 우주전파환경 감시 및 예보에 요구되는 장비연구 : 세부연구과제 내용 2, 3 항목 - 경희대학교 우주환경 시스템 구축 - 미국의 우주환경 센터(SWPC), 일본 노베야마 태양 전파 관측소 의 우주전파 환경 감시 장비, 호주 컬구라 관측소의 태양전파 관측 장비 및 연구분야 현황파악 - 우주환경 소프트웨어 분석: SWB(Solar Weather Browser) 4) 전파연구소의 관측 자료를 활용할 수 있는 연구분야 조사 : 세부연구과제 내용 2, 3 항목 - 해외 태양 전파 관측소의 관측 데이터와 전파연구소 태양 전파 망원경 Type II, III 태양 전파 폭발 관측 데이터 신뢰성 조사 - 3 -
5) 연구 수행 자문을 위한 연구반 구성 및 운영방안 : 세부연구과제 내용 4, 5 항목 -연구반 운영 : 전반기 2차례 연구반 회의 ( 2007. 04. 20(금), 2007. 06. 25(월) ) 후반기 1차례 연구반 회의( 2007. 11. 01(목) ) - 우주전파환경 워크샵 개최 ( 2007. 11. 01(목) ) - 위성방송 사업자의 태양 간섭 잡음으로 인한 위성 수신 방해 현 상에 관한 원인 연구 - 4 -
5. 연구 결과 1) 태양활동을 감시하는 관측소 및 태양관측 데이터를 근 실시간 으로 획득할 수 있는 외국의 사이트들의 현황을 조사하였으며, 데 이터를 분석하고 우주환경 모니터링의 자료로서 활용방안 연구 2) 우주전파환경 관련기관으로 미국 SWPC, 일본 NICT, 나고야 대학 지구환경연구소(STEL), 호주 IPS, 미국 오웬스밸리 태양전파 망원경, 그리고 GONG 네트웍등의 운영현황을 파악하였으며, 각 연 구기관의 연구 활동 및 예 경보 체계 및 일반인을 대상으로 하는 서비스 제공의 종류와 사례들을 조사 하였음. 3) 국내외의 우주전파환경 감시 및 예보를 위한 장비를 조사. 특 히, 국내는 경희대학교 우주환경 감시를 위한 관측시스템, 전파연구 소, 한국천문연구원의 시스템을 조사하였고, 국외는 미국 우주환경 센터(SWPC), 노베야마의 전파헬리오그라프, 호주 태양관측소등을 조사하였음. 4) 경희대학교에서는 근 실시간으로 우주환경 모니터링을 위한 시스템을 구축하여 태양활동의 변화량을 디스플레이하고 있으며, FTP 사이트에서 태양활동 데이터를 받아 보여주는 소프트웨어인 SDIP(Solar Data Image Processing)를 개발 운영. 5) 민, 관, 군으로 구성된 우주전파환경 연구반을 전반기에 2회, 후반기에 1회 개최. 특히 우주전파환경 워크샵을 개최하여 태양의 활동 모델링 및 관측기기, 태양으로 인한 위성 간섭 사례, 우주환경 감시 및 장비에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있었음. 6) 태양 폭발 현상으로 인한 피해사례를 조사하였으며, 태양으로 - 5 -
인한 위성 간섭 피해를 사전 예측할 수 있는 방법에 대하여 연구하 였음. 6. 기대효과 기술적 측면 - 태양활동과 관련된 우주전파환경 모니터링 시스템 구축 - 개발단계인 예보시스템과 소프트웨어 개발 등의 기술력 증대 - 우주전파환경 예보를 위한 장비로 IPS 전파망원경 건립 계획(안) - 외국 연구소 예보 체계 분석 및 전파 예보 방향 연구 사회적 경제적 측면 - 급격한 우주환경 변화에 의한 위성의 고장, 통신장애등의 경제적 피해 최소화 - 우주환경을 감시함으로서 국가 기간산업인 통신, 전기, 항법등의 안정적 운용과 양질의 서비스 제공 - 일류의 일상생활이 지상에서 점차 우주로 확대됨으로서 우주환경 분야에 대한 관심이 증대 - 국내의 우주환경 분야 연구의 활성화 및 기술 개발은 군사, 의료 등 국내 다양한 분야에 활용될 것으로 기대. 문화적 측면 - 우주시대를 맞이하여 대 국민 홍보 및 국가적 위상 향상 - 6 -
7. 기자재 사용 내역 시설 장비명 규 격 수량 용도 보유현황 확보방안 비 고 모니터링용 42 인치 1 우주환경 유 LCD TV (FullHD) 모니터링용 모니터링용 30인치 1 태양활동 유 LCD 모니터 (2560x1600) 모니터링용 DB 용 PC Intel 1 데이터처리용 유 Core2Quad 데이터저장용 하드디스크 500GB 1 데이터저장용 유 8. 기타사항 없음. - 7 -
S UMMAR Y We have recognized the importance of investigation into the 'Space Radio Environment' because of damages by explosive solar activities. For example, intensive solar eruptions(x 9.0 and X 6.3) and huge solar radio bursts were observed for the two days, December 5 and 6, 2006. Consequently, it brought an unexpected obstacles of GPS and a large number of navigation systems. According to a researcher in NJIT, radio noises due to the solar radio bursts on December 5 and 6, 2006 were 10 times larger than before. This case clearly shows that the solar radio bursts can have direct effect on the earth globally. Actually the X-ray flux and radio burst from the flare observed by GOES12 were reported as R3(strong) by Space Weather Prediction Center (SWPC). These types of flares lead to HF radio blackouts. The effects range from minor degradation of HF communication, up to wide area blackouts. 'Space Radio Environment' affects our daily life adversely to economical and social losses. The space weather prediction is the system that foresee variations of space weather to reduce damages by changeable space whether. The space weather prediction system have been launched and investigated in America in order to report to the general public, organisations, industry and governments the - 8 -
impacts of space weather on every day life. Other countries -EU, Japan, Australia and many other countries- also have participated in the international network of space weather prediction in order to reduce the widespread damage. They develop a space weather prediction service and provide a real time forecast by website, E-mail and SMS. We also have been part of the international network and developed a newly space weather forecast service in Korea. Moreover, we make an efforts to establish a space weather forecast center in oder to provide the public with information about space weather systematically. In this research, we have established the space weather environment monitoring system, which monitors sun, solar wind, geomagnetic storm and other variations of space weather related to the solar activities in real time. Besides, we operate this system using our own software, SDIP (Solar Data Image Processing). Monitoring more information, we also operate SWB (Solar Weather Browser) at the same time. We organized an advisory committee with the public, the government, the military and we held the meeting three times. We also held the first workshop, which was composed of 8 presentations about Observations of solar activity and modeling, Satellite damages, Monitoring of space weather environment, Introduction to instrument for space whether monitor, and so on. - 9 -
The importance of space environment increases as the space utilization grows in the areas of communication, military application, and GPS navigation. Research institutes in the countries with developed space industries form a consortium to exchange space environment data and forecast to reduce the risks which might be caused by sudden changes in the space environment. On the other hand, studies on the space environment have been carried out in Korea individually and independently of each other, and the observation and forecasts have not been made systematically. Hence, it is urgent to coordinate these individual research and monitor the space environment systematically. It is also only through this well-organized cooperation to exchange the observed data with other research institutes in the world and join the international consortium of the space environment study. Finally, we have found that many countries in the world make an effort to protect the lives and properties of their own peoples through establishing the monitoring and prediction system of hazard space environments. It is encouraging that our domestic laboratory RRL have been in part playing a role of monitoring and prediction center for space environment. However we present the suggestions as follows in order to keep the better radio environment: - 10 -
1. The RRL should try to make sure of their own research domain in space environmental fields. 2. It is required to recruit and provide the expert man powers in the field of radio space environment. 3. The RRL should establish the ground based monitoring system of space radio environments as soon as possible. In this study, we propose the construction of IPS radio telescope. 4. We propose the RRL should participate in satellite project for space environments through global cooperations in the near future. - 11 -
목 차 표 목 차 15 그림목차 16 제 1 장 서 론 22 제 2 장 태양 활동 25 제 1 절 태양 활동 관측 및 분석 25 제 2 절 태양 관측소 리스트 작성 36 제 3 장 우주전파환경 예보 체계 38 제 1 절 미국의 우주 환경 센터 38 제 2 절 일본 정보통신연구기구(NICT) 56 제 3 절 나고야대학 지구환경연구소(STEL) 82 제 4 절 호주 IPS 전파 우주서비스 92 제 5 절 정보통신부 전파연구소(RRL) 124 제 4 장 우주전파환경 감시 체계 133 제 1 절 Hiraiso 태양 관측소의 관측 기기 134 제 2 절 경희대학교 태양관측 장비 137 제 3 절 노베야마의 전파 헬리오그라프 141-12 -
제 4 절 호주의 태양 관측소 147 제 5 절 미국 오웬스밸리 태양전파망원경 155 제 6 절 GONG(Global Oscilation Network Group) 160 제 7 절 전파연구소 태양전파 분광 관측기 163 제 8 절 지자기 연구기관 172 제 9 절 지상 자력계 176 제 10 절 코임브라천문대 태양정보시스템(COSIS) 1 7 9 제 5 장 예보 분석 시스템 183 제 1 절 우주기상예보 183 제 2 절 플레어 발생 예보 분석 196 제 6 장 경희대학교 우주환경연구 모니터링 시스템 205 제 1 절 개 요 205 제 2 절 우주환경 자료처리용 소프트웨어 208 제 3 절 우주환경 모니터링 시스템 211 제 3 절 SWB 소프트웨어 213 제 7 장 위성 전파 간섭 사례 219 제 1 절 전파 간섭 사례 220 제 2 절 위성 및 태양의 고도 방위각 계산 228 제 8 장 연구수행 자문을 위한 연구반 구성 및 운영 234-13 -
제 1 절 회의록 내용 234 제 2 절 우주환경 워크샾 240 제 9 장 결 론 242 부록 A. 태양활동관측자료 사이트 목록 246 부록 B. 워크샾 발표자료 254 참고 문헌 283-14 -
표 목 차 표 1 NOAA 스케일 47 표 2 지자기 폭풍과 태양 복사풍 레벨 48 표 3 전파 소실 48 표 4 SWPC 경고메세지 코드 49 표 5 경고 분류 및 발생빈도 51 표 6 전파 전달 장애연구프로젝트 구성원 59 표 7 IPS 관측 사이트 84 표 8 IPS 안테나 유효범위 85 표 9 호주에서 Ionosonde를 이용한 맵핑 위치 98 표 10 IPS 상품 및 서비스 118 표 11 IPS 메일링 리스트 119 표 12 전파연구소의 관측시설 및 데이터 활용 124 표 13 태양전파폭발 유형 분류 및 관련 현상 126 표 14 태양전파 관측자료 분석 요약 도표 127 표 15 태양전파분석을 위한 기호 요약 및 내용 127 표 16 우주전파환경 변화에 의한 지자기 변동 현상 129 표 17 지자기분석을 위한 기호의 의미 130 표 18 히라이소 Hα 망원경의 사양 133 표 19 히라이소 Hα용 CCD 카메라 134 표 20 White-Light 망원경 및 CCD 사양 134 표 21 RSTN과 SBRL 비교 157 표 22 GONG 사이트 161 표 23 광학 플레어의 면적과 중요도 198-15 -
표 24 X-선 플레어의 세기별 분류 199 표 25 전체 예보수와 관측수에 대한 예보 정확도 203 표 26 SWPC 경고 분류 및 발생빈도 206 표 27 예 경보 등급 기준(안) 238 그 림 목 차 그림 1. 태양활동 주기 27 그림 2. 태양흑점-플레어 28 그림 3. 태양활동 제 23주기 예보 29 그림 4. 태양활동 제 24주기 예측 33 그림 5. 태양활동과 극자기장 세기의 주기적 변화 34 그림 6. F10.7과 Ap지수 35 그림 7. 10.7cm 전파플럭스의 주기변화 35 그림 8. SWPC 홈페이지 47 그림 9. 7일 동안 3시간 K 인덱스 52 그림 10. 지자기 A 인덱스 53 그림 11. D층 흡수 예보 54 그림 12 GOES 자력계 데이터 54 그림 13. GOES 전자 플럭스 55 그림 14. GOES-11 위성에서 측정한 양성자 플럭스 55 그림 15. 전파 전달 58 그림 16. ACE위성과 우주환경변화(상상도) 61 그림 17. ACE위성 자료수신용 포물면 62-16 -
그림 18. 국제 태양계 관측년(IHY) 63 그림 19. 3차원 지구자기권의 변화 66 그림 20. 태양풍 관측용 전파망원경 85 그림 21. IPS 태양풍 속도 측정 86 그림 22. CT로 구한 속도와 관측치 비교 87 그림 23. 신틸레이션(scintillation) 관측 88 그림 24. 신틸레이션 관측 시 선 적 분 효 과 89 그림 25. 인체의 단층사진을 찍는 CT 방법 89 그림 26. 태양풍 CT 관측 90 그림 27. 태 양 풍 속 도 맵 91 그림 28. IPS g-값 맵 91 그림 29. 밀도 분포 91 그림 30. 태양풍 속도 분포 91 그림 31. 태양풍 속도와 g-값 예측 91 그림 32. IPSNET 95 그림 33. HAP 97 그림 34. 아니오노존데를 이용한 실시간 맵핑 100 그림 35. IPS 전파 우주서비스센터 홈페이지 101 그림 36. ACE 위성에 관측된 태양풍현황 104 그림 37. K 인덱스 맵 106 그림 38. 호주 주변지역(Australasia)의 Pc3 인덱스 107 그림 39. 주간과 야간의 전리층 구조 109 그림 40. Dourbes의 ionogram 111 그림 41. 이온층 측정 112 그림 42. 이온층 수직 주파수 112-17 -
그림 43. HAP 113 그림 44. 호주 주변 T 인덱스 맵 114 그림 45. 북아메리카 T 인덱스 맵 115 그림 46. 유럽 T 인덱스 맵 115 그림 47. 호주 주변 TEC 115 그림 48. 북아메리카 TEC 116 그림 49. 유럽 TEC 116 그림 50. 전세계 TEC 117 그림 51. IPS 방문자수 123 그림 52. 전파연구소 관측 네트웍 124 그림 53. 히라이소 Hα 망원경의 모습 133 그림 54. 히라이소 White-Light 망원경의 모습 135 그림 55. Ha 망원경 135 그림 56. 관측 네트웍 138 그림 57. 분광 관측 시스템 139 그림 58. 분광 이미지 140 그림 59. 하늘에서 본 노베야마 전파헬리오그라프 141 그림 60. 전파헬리오그라프용 안테나 142 그림 61. 강도 편파계 143 그림 62. 완성 당시(1971년)의 모습 145 그림 63. 1980년대 초의 사진 145 그림 64. 전파로 본 금성의 태양면 통과 현상 146 그림 65. 쿨구라 태양관측소 147 그림 66. 96개의 안테나로 배열된 전파헬리오그라프 148 그림 67. 컬구라 관측소 149-18 -
그림 68. Ha 이미지 149 그림 69. 전파폭발 유형 II 와 유형 III 개념도 149 그림 70. 컬구라 전파 폭발 분광 관측 데이터 151 그림 71. X-ray 플레어 전파 이미지 155 그림 72. OVSA 1-18GHz 전파 데이터 155 그림 73. OVSA의 구성도 156 그림 74. SRBL의 시스템 구조 158 그림 75. IRS-1과 IRS-3 안테나 163 그림 76. IRS-2 안테나 163 그림 77. IRS 시스템 164 그림 78. 유형 II 전파 폭발 165 그림 79. 유형 IV 전파 폭발 165 그림 80. 유형 II and 유형 III 전파 폭발 166 그림 81. 히라이소 비교 이미지 167 그림 82. 컬구라 비교 이미지 I 168 그림 83. 컬구라 비교 이미지 II 168 그림 84. Ulysses Type II 이미지 169 그림 85. Ulysses Type IV 이미지 169 그림 86. Ulysses Type II 와 Type III 이미지 170 그림 87. AGSO 홈페이지 화면 171 그림 88. USGS 산하 Geomagnetism의 홈페이지 172 그림 89. NSSDC의 홈페이지 화면 173 그림 90. NGDC의 홈페이지 화면 174 그림 91. 210MM 지상자력계의 위치 175 그림 92. SAMNET 지상자력계의 위치 176-19 -
그림 93. LANL 지상자력계의 위치 177 그림 94. 실시간 예보 방법 184 그림 95. ISM의 high-level 구조 185 그림 96. DSWA ISM 모델 186 그림 97. ISM 격자 구조 187 그림 98. 에너지 밀도 변화 188 그림 99. Polar Cap Potential 변화 188 그림 100. Polar Cap Field-Aligned Current 변화 189 그림 101. closed field line이 지속되는 자기권 변화 189 그림 102. 자기권을 통과하는 태양풍의 흐름 190 그림 103. 태양풍에 의한 전리층의 변화 191 그림 104. 쪽방향 IMF 동안 전리층의 전류 변화 191 그림 105. 북쪽방향 IMF 동안 자기권의 전류 폐쇄 192 그림 106. 200km에서 Nuclear burst의 2-fluid 시뮬레이션 결과 나타난 전자 밀도 193 그림 107. 위험지역에 있는 지구정지궤도 위성 194 그림 108. (a) Ha로 관측된 플레어 197 그림 108. (b) Two-Ribbon 플레어 197 그림 109. (a) soft X선(SXT) 이미지 197 그림 109. (b) 태양활동이 조용한 시기 관측 이미지 197 그림 110. 경희대학교 모니터링 시스템 206 그림 111. SDIP 실행 화면 207 그림 112. SolarFTP 실행화면 208 그림 113. URL입력 창에 웹주소 입력 후 실행 화면 208 그림 114. 모니터링 시스템 210-20 -
그림 115. LCD TV를 이용한 모니터링 시스템 211 그림 116. 19.5nm에서 관측된 SOHO/EIT 이미지 213 그림 117. 2002년 8월 17일에 관측한 태양이미지 214 그림 118. CACTus에 의해 관측된 CME 폭발모습 216 그림 119. Solar Weather Browser 모습 217 그림 120. 관측자 위치의 항성 시간각 와 경도 228 그림 121. 지평좌표계와 적도좌표계 231 그림 122. 지평좌표계 232 그림 123. 워크샵 단체 사진 240-21 -
제 1 장 서 론 폭발적인 태양활동의 변화는 태양-지구간의 지구 근접환경에서 지구의 전리층과 지상에 직 간접적인 영향을 미친다. 태양은 끊임 없이 자외선과 X-선 영역의 복사에너지를 방출하고 있다. 또한 태 양은 주로 양성자와 전자들로 구성된 태양풍(Solar Wind)과 초속 1000km를 상회하는 코로나 질량유출(Coronal Mass Ejection, CME)의 형태로 막대한 양의 플라즈마 물질, 고에너지 입자 그리고 자기력선을 우주공간으로 방출하고 있다. 그중 일부의 자외선과 X- 선 복사에너지는 지구고층대기와 상호작용하여 지구주변에 자기권 (Magnetosphere)이라는 독특한 우주환경을 형성하게 된다. 우주공 간이 인공위성의 중요한 활동무대가 되면서 우리 생활공간의 중요 한 일부가 되었으며, 우주전파환경은 점점 우리의 생활환경으로 가 까이 다가오고 있다. 우주전파환경의 급격한 변화는 인공위성, 지상 의 항법 시스템, 전기, 통신등의 피해를 초래할 수 있고, 이는 경제 적 사회적으로 큰 손실이라 할 수 있다. 태양의 급작스런 변화에 따른 우주전파환경에 대한 연구의 중요 성은 인간 생활의 직접적인 피해사례 등으로 확인할 수 있다. 한 예로 작년 12월 5일(X 9.0)과 12월 6일(X6.3)의 2일 간의 강력한 태 양 폭발 현상을 관측하였으며 이어 거대한 전파폭발이 일어나 대규 모적이고 심각한 GPS 장애를 일으켰다. 또한 수많은 항법장치들의 신호가 두절되는 예기치 못한 심각한 상황이 발생하였다. 뉴저지기 술연구소(NJIT)의 한 관계자는 당시 태양폭발로 인한 전파잡음은 종전기록보다 10배나 되는 것으로 밝혔다. 이 경우는 태양 전파폭 발이 전 지구적으로 직접적으로 영향을 미칠 수 있다는 것을 잘 보 여주는 것이다. 실제로 미국의 우주환경예보센터(SWPC)에서는 GOES12 위성에서 X-ray 플럭스와 전파 폭발에 대한 메시지를 R3 단계(Strong)로 분류하였다. 이는 전파감쇄의 결과를 초래하여 광범 - 22 -
위한 지역에서 HF 통신 두절, 항해 비행용 HF 통신두절, LF 항법 신호 감쇄등을 일으키는 것으로 분류하고 있다. 위에서 보듯이 우주전파환경이 일상생활에 미치는 영향으로 경제 적 사회적 손실이 크다 하겠다. 우주환경예보는 이러한 피해를 최 소화하기 위한 방안으로서 우주환경의 변화를 미리 예측, 예보하는 시스템이라 할 수 있다. 우주환경예보 시스템은 이미 1970년대에 미국이 주도해서 시작하였으며 국가적인 차원에서 민 관 군의 연 구소에서 활발하게 연구를 진행하고 있다. 또한 이미 조사를 한 것 처럼 EU, 일본과 호주등의 경우에도 우주환경예보에 대한 세계적 인 네트웍에 참여하고 있으며, 자국내의 피해를 최소화하기 위한 방안으로 우주환경예보 서비스를 개발하고 근실시간으로 정보를 제 공하고 있다. 이러한 정보를 필요로 하는 사용자들에게는 웹, E-mail, SMS 등의 방법으로 근 실시간으로 제공하고 있다. 우리나라의 경우도 이러한 흐름에 맞춰 전 세계적인 네트웍에 적 극적으로 동참하고 새로운 우주환경예보 서비스를 개발하고 관련 정보들을 필요한 사용자들에게 쉽게 전달할 수 있는 우주환경예보 센터를 건설하는데 노력을 기울이고 있다. 우리나라도 이제 우주시 대에 발맞춰 많은 인공위성들을 발사하고 우주센터를 건립등으로 우주환경의 중요성은 한층 높아지고 있다. 본 연구를 통해 경희대학교에서는 우주환경 모니터링 시스템을 구축하였다. 이는 근 실시간으로 현재의 태양, 태양활동에 따른 복 사풍 및 지자기 폭풍등을 모니터링하는 시스템이다. 또한 FTP를 이용하여 근 실시간으로 데이터를 받아 보여주는 SDIP (Solar Data Image Processing)라는 소프트웨어를 자체적으로 개발하여 운영하고 있다. 이와 함께 보다 많은 정보를 모니터링하기 위하여 SWB(Solar Weather Browser)라는 소프트웨어를 동시에 운영하고 있다. 연구수행 자문을 위한 민, 관, 군으로 구성된 연구반을 운영하여 3회에 걸쳐 회의를 하였으며, 한차례의 우주전파환경 워크샵을 개 - 23 -
최하였다. 이 워크샵의 발표는 총 8편이였으며, 그 내용으로는 태양 활동 관측 및 모델링, 태양간섭으로 인한 위성피해사례, 우주환경 감시 및 장비 소개등이였다. - 24 -
제 2 장 태 양 활 동 제 1 절 태 양 활 동 관 측 및 분 석 1. 개 요 현재 태양활동의 주요 감시 관측소는 미국 NJIT의 Big Bear 태 양 천문대(BBSO), 미국 국립태양천문대(NSO) 산하 Kitt Peak, Sacramento Peak 관측소, 그리고 미국 고고도 천문대 HAO 산하인 하와이 마우나 로아의 태양관측소(MLSO), 윌슨산 태양천문대, 하 와이 대학의 Mees 태양관측소, 프랑스의 파리 천문대, 호주의 컬구 라 관측소, 일본 Hiraiso 태양-지구 환경센터등 수많은 지상 관측망 이 활동중이다. 우주공간에서도 SOHO 위성이 대표적이라 할 수 있 고, 일본의 SOLAR-B, 최근에 발사되어 고해상도의 관측데이터를 얻고 있는 히노데 위성등이 가시광, X선, 자외선 파장대의 태양관 측상을 얻고 있다. 국내에서의 경우 태양관측을 수행하고 있는 곳 은 보현산 천문대내의 태양망원경, 서울대학교 내의 태양망원경 그 리고 전파연구소등이 있다. 각각의 관측소들은 태양의 플레어 현상 이나 CME 뿐 아니라 태양전파폭발등의 관측을 수행하고 있으며 실시간으로 데이터를 제공하기도 한다. 2. 태 양 활 동 주 기 예 보 가. 태양활동 주기 태양 표면의 흑점, 플레어, 코로나 질량 방출(CME), 폭발적 전파 - 25 -
방출(radio burst) 등의 여러 가지 활동현상으로 막대한 에너지의 복사선과 입자들이 태양-지구 및 행성간 우주 공간으로 방출되어 지구 주변에는 지자기 교란(geomagnetic disturbance), 양성자 사태 (proton event), 고층 대기의 밀도 증가로 인한 위성의 끌림(drag) 현상, 전파 통신장애 현상 등이 나타난다. 특히 21세기 정보 통신 기술의 발달로 인한 정보화 사회를 앞두고 각종 목적으로 발사된 위성들의 환경과 국가 기반 산업인 전자, 전기, 통신 시스템에 심각 한 영향을 주고 있으며, 나아가 인류의 생존을 위협하고 있는 이상 기후 현상도 태양 활동과 관계가 있음이 알려 지고 있다. 이렇듯 태양 활동은 지구 주변 환경뿐만 아니라 인간의 생활에 막대한 영 향을 미치고 있다. 태양 활동 예보는 크게 세 가지로 나누어지는데 1-2일 단위로 X선 폭발과 프로톤 증가를 예보하는 단기 예보, 태양 자전 주기의 반에 상당하는 12-15일 단위로 발생하는 플레어와 태양 흑점 수 를 예보하는 중기 예보, 11년 태양 주기 단위로 흑점 발생 수를 예 측하는 장기 예보가 있다. 장기 예보의 경우 전반적 태양 활동에 대한 평가를 내려, 중, 단기 예보에 도움을 주며, 중, 단기 예보의 경우 실질적인 우주 환경 및 우주 기상에 대한 예보 및 예상을 통 한 각종 계획수립에 사용되어질 수 있다. 중, 단기 예보의 경우 국 내외 학자들에 의해서도 연구가 되었지만 아직까지 국내의 장기 예 보에 관한 논문은 발표되지 않고 있다. - 26 -
그림 1. 태양활동 주기 태양 활동의 장기 예보는 태양활동 주기예보라 하며 해당 주기의 상대 흑점 수의 최대값과 그 최대값을 갖는 극대기를 결정해야 한 다. 태양 주기 예보 방법으로는 세 가지가 있는데, 첫 번째 방법은 연속된 데이터의 파워 스펙트럼을 통한 주기 분석으로 다가오는 주 기에 외삽하여 예보하는 방법으로서 태양 주기 자체가 매우 다양한 행동을 보여주고 있기에 이 방법은 많은 한계를 가지는 것으로 나 타나 지금은 거의 사용되지 않고 있다. 둘째 방법은 태양 활동의 장기간 경향을 분석하여 다가오는 주기에 외삽하는 장 주기 (Secular Cycle로서 약 80년 주기를 갖는 Gleissberg cycle )분석 방법으로서 1957년 최대치(19주기) 이후 태양 활동의 위축을 예보 했으나 주기 21, 22를 포함한 지난 35년은 큰 주기가 계속되었다. 세 번째 방법은 확장 주기의 개념을 사용한 프리커서 방법 (Precursor Method)이다. 확장 주기의 개념은 태양 주기의 시작은 - 27 -
전 주기가 끝나기 전에 시작한다는 것으로서 이 개념을 도입하여 전 주기의 쇠퇴기의 태양 활동에 직 간접적으로 관계되어진 여러 데이터를 이용하여 그 주기 태양 활동을 예보하는 것이 프리커서 방법이다. 이 방법은 현재 대다수 학자들에게 가장 효율적인 예보 방법으로 받아들여지고 있다. 그림 2. 태양흑점-플레어 현재 주기 23의 극대기를 앞둔 상태에서 그동안 많은 학자들이 위와 같은 방법을 사용하여 다양한 결과의 예보를 하였다. Khaled H. Bounar, Edward W. Cliver, Valentin Boriakoff(1997)는 주기 22 의 쇠퇴기 마지막 30%의 aa 지자기 지수를 이용한 프리커서 방법 으로 주기 23의 최대 상대 흑점 수를 158(±18)로 예보했으며, Schatten, K. et al(1996)은 SODA(SOlar Dynamo Amplitude) 지수 와 태양 활동의 적도 방향 진행을 고려하여 평균 상대 흑점 수가 2000년 5월±9개월에 138(±30)개로 나타날 것이라 예보했다. S. Bravo, G. A. Stewart(1997)는 극 코로나 홀의 크기 변화와 흑점 주기가 태양활동 주기의 약 반 정도의 시간 차이를 가지고 상관관 계가 상당히 좋음을 이용하여 주기 23을 2001년 초에 약 190개의 활동성을 보일 것으로 예보하고 있다. Zhang Quiqing(1997)은 주기 - 28 -
상승기 때의 흑점 변화율과 상대 흑점 수를 통계처리 하는 방법으 로 주기 23의 최대흑점수를 평균 정도의 활동성인 128개로 예보했 으며, Hanslmeier et al(1999)은 통계적인 여러 방법을 조합하여 2000년 초에 160개의 활동성으로 예보했다. 그 밖에 Wilson(1988)은 상대 흑점 수 175±40, Kopecky(1991)는 1년 평균 흑점 수로 최대 208.3, Makarov & Michailutsa(1992)는 1년 평균 흑점 수로 최대 210±10, Obridko et al(1992)는 1년 평균 흑점 수로 최대 200±25, Zhao(1991)는 100개 이상으로 예보했다. 정리하면, 통계적인 방법을 사용한 학자들은 진행 중인 주기 23을 상대 흑점 수 약 100개에서 200까지의 상당히 큰 폭으로 예보하고 있으며 프리커서 방법을 사 용한 학자들은 역대 두 번째 정도의 큰 주기로 예보하고 있다. 그림 3. 태양활동 제 23주기 예보 본 논문에서는 미 국립 지리자료센터(National Geographical Data Center, NGDC)의 FTP 사이트에서 구한 태양 상대 흑점 수와 흑점 지수 자료 센터(Sunspot Index Data Center, SIDC)의 각 주기 분 류자료에 통계적인 방법과 프리커서 방법을 적용하여 현재 진행중 인 주기 23의 상승 패턴을 분석하고 23주기의 최대값과 그 시기를 결정하였다. 또한 현재까지 진행된 23주기 상대 흑점 수 변화와 10.7cm 전파 플럭스 변화 데이터를 사용하여 나타난 결과에 대한 - 29 -
고찰을 하였다. 태양의 활동과 통계적 방법을 사용하는 이유를 제 공해온 간단한 흑점 관측에 대한 역사적 고찰, 태양 주기 예보에 사용되는 자료와 태양 활동 예보 방법을 소개하였으며, 주기 21과 22에서의 일일 상대 흑점 수를 이용하여 두 주기 속에 숨어있는 1000일 미만의 주기에 대한 분석을 하였으며, 통계적 방법과 프리 커서 방법을 이용한 주기 21, 22의 예보를 통한 검증과 주기 23의 예보 결과, 주기 21, 22, 23예보에 대한 결과 분석과 현재까지 진행 된 33개월의 주기 23의 데이터와의 비교, 결론 및 분석을 기술하였 다. 나. 태양 주기 23의 예보 예외적이었던 주기 19를 제외하면, R min 과 R max 사이의 상관 계 수는γ= 0.724 이고 이들 자료를 이용하여 최소자승법으로 구한 상 관 함수는 식 (3)과 같다. R max = 6.93 R min + 67.4 (3) 또한 AD 와 R max 의 상관 계수도 주기 19를 제외하면, γ = -0.789 로 구해지고 여기서 얻어진 함수는 R max = - 2.1 AD + 218.4 (4) 와 같다. 여기에서 - 부호의 의미는 역관계가 성립한다는 것이다. 위에서 얻어진 함수를 사용하여 주기 23의 태양 활동을 예보할 수 있다. 이미 진행중인 주기 23의 시작점의 최소흑점수가 R min = 8.0로 이를 (3)식에 대입하면 최대흑점수 값을 R max = 122.8로 구할 수 있고 이 R max 값을 (4)식에 넣어 극대기 도달기간을 AD = 45.5 개 월로 결정할 수 있다. 마찬가지로 24개월, 33개월 기울기와 최대 상대흑점수 간의 상관 계수는 각각 r = 0.852, r = 0.912 이며 여기서 얻어진 함수는 각각 - 30 -
R max = 32.3435 (24개월 기울기)+ 48.9042 (5) R max = 30.6534 (33개월 기울기)+ 42.685 (6) 이며 주기 23의 24개월 기울기, 33개월 기울기는 각각 2.02083, 2.26061이므로 주기 23의 흑점상대수 최대값과 극대기 도달기간은 각각 R max = 114.3, AD = 49.6 (24개월 기울기) R max = 120.0, AD = 50.7 (33개월 기울기) 로 결정되었다. 이상과 같이 최소 상대 흑점 수와 24, 33개월 상대 흑점 수 증가 율을 이용한 통계적 방법으로 주기 23의 활동성을 예보한 결과, 그 림 7에 나타난 바와 같이 극대기는 2000년 2월 - 7월 사이에 도달 되며 그때의 최대 흑점수가 114.3-122.8개로 예보되었다. 다. 제 24 태양주기 패널 1 NOAA, NASA 및 국제 우주환경서비스(ISES)에 제 24 태양활 동주기를 공식적인 예보 결정을 맡고 있는 위원단. 2 NASA의 지원을 받고 NOAA에 의해 임명된 패널 3 국제 회원자격 4 투표권을 행사하는 12명의 회원으로 구성 5 본 예보 내용을 11표로 가결함. 패널은 다음의 내용을 예측 발표한다. 임박한 태양활동 극소기 - 제 24주기의 시작점 - 31 -
제 24주기에 예상되는 최대 태양흑점수 최대 태양흑점수를 보이는 시각 현재 패널의 의견이 일치한 내용은 다음과 같다. 태양활동 극소기(Solar Minimum) : 2008년 3월(± 6개월) - 제 23 태양활동 주기의 끝점이자 24주기의 시작점 - 제 23 주기의 길이는 11.75년으로 평균주기 11년보다 긺. 제 24주기의 태양활동 극대기(Solar Maximum); - 2011년 10월로 최대 흑점수는 140개(± 20)로 예상 혹은 - 2012년 8월로 최대 흑점수는 90개(± 10)로 예상 * 태양활동주기의 평균 최대흑점수는 114개 * 다음의 태양활동주기는 극심하지도 평균적이지도 않음. - 그러나 다음주기의 활동정도가 평균이상일 것이다 혹은 평균이하 일 것이다 라는 예측에 대해서는 패널의견이 반반으로 갈렸다. 라. 태양활동 제 24주기의 예측 2008년 이후 적색선은 최대 흑점수 140개인 극대기가 2011년 10월 에 오는 예상 주기곡선이고 녹색선은 최대흑점수가 90개로 작고 극 대기가 1년 정도 이후인 2012년 8월에 오는 예상주기곡선을 나타낸 다. 1) 몇가지 논평 왜 패널의견이 여전히 갈리나 아직 태양활동 극소기에서 다소 떨어져 있기 때문이다. - 32 -
그림 4. 태양활동 제 24주기 예측 극대기의 예상 흑점수가 많고(140개) 적은(90개) 주요 차이가 무었 인가. - 많은 주기 - 태양주기가 20-30년 장주기로 지속하는 것을 가정 미약 주기 - 11년 주기를 가정 아직 할 일은 예상 활동정도가 크다고 예측하는 사람의 사고를 반대로 생각할 수 있게 만드는 요인은 - 태양활동 극소기가 2008년 3월 이후로 지연될 경우 활동정도가 미약하다고 예측하는 사람들이 활발할 것이라고 생각을 바꾸게끔 만들 수 있는 요인은 - 2008년 3월 이전에 태양 극지역의 자기장세기가 증가하거나 지 자기활동 세기가 증가할 경우 - 33 -
그림 5. 태양활동과 극자기장 세기의 주기적 변화. 태양 극 자기장의 세기는 대체로 태양활동 극소기에 최대를 보인다. 의견의 일치를 본 합의내용은 - 극소기는 2008년 3월경 - 매 3개월 마다 태양활동을 패널이 재평가 - 매년 예측결과를 새롭게 갱신 - 34 -
그림 6. F10.7과 Ap지수 F10.7 Observations and Predicts Observations Predicted in Advance 350 300 Radio Flux, F10.7 250 200 150 Observations 100 50 #21 #22 #23 #24 Schatten et al. Predicted in advance 0 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Year 그림 7. 10.7cm 전파플럭스의 주기변화. 그림과 같이 흑점수 로 분석학 태양활동 주기와 정확히 일치한다. - 35 -
제 2 절 태 양 관 측 소 리 스 트 작 성 1. 태 양 상 시 감 시 체 계 구 축 을 위 한 관 측 소 리 스 트 작 성 관측소 리스트는 전파 관측소, 광한+전파 관측소, 그리고 광학 관 측소로 구분하여 작성하였다. - 부록 A 참조 2. 태 양 관 측 데 이 터 를 근 실 시 간 으 로 취 득 할 수 있 는 관 측 소 리 스 트 작 성 현재 무수히 많은 연구소, 관측소 및 대학들이 지상과 우주에서 우주환경의 변화를 계속적으로 관측하고 있다. 우리나라도 여기에 관측자료를 독자적으로 획득하고 다른 한편으로는 여러 국가나 기 관에서 생산한 자료를 유효 적절하게 사용하는 방법을 강구해야 할 것이다. 우주환경예보에 필수적인 실시간대의 관측자료는 ACE위성 에서 관측하는 태양풍 정보 등이라 할 수 있다. 각국에서 제공하고 있는 실시간대의 우주천기 관련 관측자료들은 다음과 같은 주용 사이트로 정리하였다. 가. NOAA 산하 우주환경연구소(SWPC) 제공 : 오늘의 우주천기 - Today's Space Weather http://www.sec.noaa.gov/today.html 나. AA산하 우주환경연구소(SWPC) 제공 : ACE 위성 - 현재의 태양풍 자료 - 36 -
http://www.sec.noaa.gov/ace/ 라. SOHO 위성의 태양풍 자료 - http://sohowww.nascom.nasa.gov/ 마. 카나다의 지질조사소가 운영하는 우주천기자료실 - http://www.spaceweather.gc.ca/ 3. 우 주 환 경 에 관 련 자 료 들 이 가 장 잘 기 술 된 w e b s i t e 소 개 - 미국 텍사스주 Rice 대학교 http://space.rice.edu/istp/ 4. 태 양 전 파 망 원 경 - OVSA(Owens Valley Solar Array) 태양 전파 배열 망원경 http://www.ovsa.njit.edu/ 5. 우 주 환 경 모 델 링 NSSDC Center for Integrated Space Weather Modeling (CISM) Center for Space Environment Modeling (CSEM) - 37 -
제 3 장 우 주 전 파 환 경 예 보 체 계 제 1 절 미 국 의 우 주 기 상 예 보 센 터 ( S W P C : S p a c e W e a t h e r P r e d i c t i o n C e n t e r ) 우주기상예보센터(2007년 10월 1일로 SEC가 SWPC로 명칭이 바 뀜 - 이하 SWPC로 통칭)는 미국 코로라도주 볼더에 있는 국립해 양대기부(NOAA)/국립기상청(NWS) 산하의 연구소이다. 이 연구소 는 태양-지구간의 정보를 제공하며 지구환경에 대한 지속적인 감시 와 예측을 수행하고 있다. SWPC은 미국내 우주천기에 대한 경계 경보와 주의보를 발령하는 공식적인 기구이다. SWPC은 9개의 국 립 환경예보센터 중의 하나이며 태양 및 지구에서 발생하는 사건, 사고를 실시간으로 감시하고 예측한다. 또한 태양-지구간의 천문, 우주공간물리학 연구를 선도하고 태양, 지구물리적인 교란을 예측 하는 기술을 개발하고 있다. SWPC의 예보센터는 NOAA와 미공군 에 의해 공동 운용되고 있으며 우주공간에 있는 사람과 작업 장비 에 영향을 미칠 수 있는 장애요소에 대비한 국가적이고 세계적인 경보센터이다. SWPC은 관련 관측자료와 관측결과를 기증하는 다 수의 국내외 협력자들과 공동으로 업무를 수행하고 있다. SWPC의 서비스에 의존하는 관련 기관과 산업 분야는 다음과 같 다. 1 미국 전력송전망 기반시설 2 민간 항공산업 3 교통부(GPS 사용) 4 NASA 인간 우주비행 활동(우주 정거장) - 38 -
5 위성발사 및 운용 6 미 공군 작전 지원 7 민간 및 공공 사용자 (SWPC 웹사이트 접속자수 ~ 50만 이상/1 일) 우 주 천 기 의 경 제적 영 향 력 : NASA는 국제 우주정거장에 있는 10억불의 무기방어를 위해 SWPC의 자료에 의존하고 있다. 지난 1994년에서 99년 사이의 우 주 자산권 청구액 중 5억불은 우주 천기분야 몫이다. 우주천기서비스의 정밀도 향상으로 GPS의 효율이 1% 증가되면 연 간 1억 8천만불 상당의 경제적 가치가 발생된다. 연방 항공부는 각기 급파된 극지 항공편에 대해 단파(HF)통신 감 퇴를 고려할 운항관리자를 요구하고 있다. 항공 교통통제 통신이 항공편당 10만불로 산정된 경비와 절충된다면 항공편은 SWPC의 태양복사경보를 기초로 변경될 수 있다. 지난 2001년에는 23일 주 기로 25편의 항공기 항로가 전환되었다. 가. 조 직 우주환경 센터는 다음 3개의 분과와 고유의 직무영역을 갖고 있 다. 1 예 보 및 분 석 분 과 2 과 학 및 기 술 주 입 분 과 3 기 술 지 원 집단 - 39 -
1) 예보 및 분석 분과 본 분과는 우주천기 경보 및 주의보 발령하는 국가의 공식 출처 이다. 우주천기 예보캐스터와 운영전문가들로 구성된 팀은 하루 24 시간, 일주 7일 내내 일하고 지구 우주환경에 대한 감시와 예보업 무를 지속적으로 수행하고 있다. 예보센터는 의무 예보캐스터와 의 무 운영전문가가 매일 근무한다. 현재의 태양, 태양풍, 지자기ㅡ 고 에너지 입자 및 전파자료를 나타내는 디스플레이 뱅크는 근무 연구 자에게 우주환경 상태를 끊임없이 보여준다. 센터의 큰 창은 매일 순회 운영하는 모습을 보여준다. (1) 예보캐스터 임무 태양-지구활동의 예보를 처방하기 위해 현재의 자료, 기후학적인 통계 및 관련 연구결과의 통합을 수행한다. 국제우주환경 서비스 (ISES)와 함께 지역 경보센터의 하나로서 과학계와 사용자 단체에 게 예보서비스를 제공한다. 또한 세계 경보기관으로서의 특수 역할 을 수행하고 자료교환과 예보의 중추적 허브로서 활동한다. - 40 -
(2) 운영전문가 임무 NOAA와 다수의 다른 국가나 국제적 공급원으로부터의 위성 및 지상관측자료의 적시성과 완전무결상태를 보장한다. 태양, 지자기 사건자료의 정확성을 확인하고 경고 및 주의보를 발령한다. 여러 유형의 예보를 제시하여 사용자에게 선택의 다양성을 제공한다. 방송국 WWV, WWVH를 통해 지구 경보방송의 위급한 업데이트 공고를 지속한다. 2 ) 과 학 및 기 술 주 입 분 과 본 분과는 태양표면에서부터 태양-지구간의 자기-이온권역을 거 쳐 지구대기 끝에 이르는 지역을 지배하는 기본 물리과정의 이해에 역점을 두고 있다. 이들 과정은 기후학과 지자기, 이온층, 위성궤 도상의 전하분포, 고위도의 대기 밀도 등의 변화를 보면 아주 명백 하다. 이 분과의 연구는 우주천기 제공서비스의 개선에 고급응용 기술 개발이 가능하고 원형화될 수 있는 영역에 집중되어 있다. 그 것에 의해 국가가 우주 및 지상의 기술 체제와 우주상의 인간 활동 이 종종 위험에 노출될 수 있는 상태를 주의 또는 경고할 수 있다. (1) 태양지구 모델 및 이론 지구우주환경 연구에 헌신하고 본 연구를 우주천기운용에 적용하 는데 전력을 다한다. 직원들은 태양물리에서 지구 고층대기에 이르 는 분야의 전문기술을 갖고 있고 연구 공동체를 통한 밀접한 상호 협력을 유지한다. - 41 -
(2) 태양 지구 기기 및 자료 우주환경 자료가 효과적이고 적시적인 방식으로 처리, 확인, 해 석, 보급되는 것을 보장한다. NOAA의 정지 위성, 극지 위성, 태양 풍 위성을 포함한 다양한 위성에서 오는 자료 작업을 위해서 분석 도구를 개발한다. 연구자는 예보분석 분과를 지원할 새로운 자료공 급처와 개선된 감시체계를 탐구 조사한다. (3) 자료 및 정보에 대한 책무 1 위성 - 미국의 정지 및 극지 환경위성으로 취득되어 널리 사용되는 우주 환경자료에 대한 무한책임제 - 요구사항, 알고리즘 및 제품개발, 자료 및 기기의 유효성 포함 - 지상의 우주천기폭풍 발생을 사용자에게 경고하는 NASA ACE 위성의 실시간 태양풍 자료 포함. - 우주천기 운영을 위한 새로운 국내외 관측 역량을 시험하고 평가 하는 프로그램에 참여 2 쾌속 표준센터 - 연구 개발 모드에서 운용모드에 이르는 동적 우주환경모델 전용 의 시험대 설비. - 운용, 융합 및 수치모델 사용을 위한 자료 세트의 조립 포함. 3 공동 과학프로그램 - 42 -
SWPC의 과학자들은 공동연구, 모델개발, 관측능력 및 국내외 위원 회 참가 등 폭 넓은 과학 공동체에 적극 관련되어 있다. 4 출판물 SWPC의 연구자들은 기술 및 과학적 주제에 대해 다수의 심사저널 과 정부간행물에 논문을 출판한다. 3 ) 기 술 지 원 집단 SWPC의 IT 체계와 산업기반은 매일 예보센터를 운영하고 고객 에게 성과물 전달하며 진전하는 신과학과 기술을 SWPC 생산물과 자료체계로 녹여낸 혼합물을 지원하는 센터의 임무에 빠뜨릴 수 없 는 것이다. 기술지원 집단(이하 TSG로 통칭)은 이 구조와 하부기반 의 종합관리와 개발 및 유지에 책임이 있다. TSG 직원은 SWPC의 모든 소프트웨어와 장비에 대한 IT기능을 수행하는 시스템 관리자, 기술자 및 소프트웨어 개발자를 포함한다. SWPC 임무의 중요성으 로 인해 TSG는 하루 24시간, 일주 7일 기반의 작업을 담당하는 호 출직원을 유지한다. 더욱이 TSG직원은 NOAA의 지구물리자료센터 (NGDC)에 자료파일의 보관은 물론 정기적인 자료의 백업을 수행 한다. (1) TSG 의 직무 TSG 직원과 SWPC의 IT 기반은 우주천기 자료와 제품, 정보에 대해 실시간의 자료취득에서 분배에 걸친 완벽한 순환 사이클을 지 원한다. TSG와 IT시스템이 지원하는 주요 자료체계기능은 다음과 같다. - 43 -
1 취득 / 수집 2 처리 3 제품생산 4 분석 5 저장 6 전시 7 보급 8 상태 감시 및 보고 9 백업 TSG 요원은 시스템 교환과 인터페이스 개선을 위해 자료, 제품 제공자 및 SWPC 고객들과 정기적으로 상호 접촉한다. TSG 요원은 예보 분석 분과 및 과학 기술 주입분과와 예보센터의 도구, 제품, 서비스를 개선하기 위해 정기적으로 협력한다. TSG는 SWPC의 IT시스템에 적합한 입증 기술과 방법론을 선택하 기 위해 비교평가, 표준모델 및 시장분석 방법을 활용한다. (2) 교육, 다가감, 전달 비록 소수의 연구자들이 일일 체제의 이 분야에 관련되어 있지만 환경교육과 고객지원 문제에 역점을 둔 많은 활동은 SWPC에 의해 수행되는 작업을 생생하게 가시화 시킨다. Space Weather Week는 고객, 정부, 연구 및 상업분야 사람들을 참석케하는 연례회의를 말한다. 이 회의는 우주천기 기획으로 잘 알려져 있고 지극히 잘 운영되고 있다. SWPC은 회의 참석과 우수 정보를 안내할 수 있다. 사용자의 대부분이 그들의 질문에 응답하는 SWPC 웹사이트를 극 심히 사용하는 동안에 SWPC의 연구자는 수많은 전화 문의에 응답 - 44 -
하고 매주 이메일을 교환한다. 태양활동이 심한 기간 동안에는 문 의나 이메일 교환 량이 극적으로 증가한다. 매스컴은 이 우주천기 폭풍기간 동안 모든 형태의 뉴스나 과학단체와 광범위한 접촉을 요 구한다. 교실의 교사와 일반인이 사용할 재료는 때때로 공식 교사 훈련과정에 맞추어 개발되고 배포된다. 이 재료들은 가정교육, 지도 및 모든 수준의 공무원을 위한 우주천기 입문서로 사용된다. SWPC은 NOAA의 교육평의회 목표와 임무에 관계하였다. 과학교 사 연합 및 미국 기상학회와 같은 협의회를 지원하고 있다. 나. S W P C 제공 서 비 스 1. 홈 (1) 현재의 우주천기 1 최신의 태양상 2 NOAA의 활동 눈금자(1-5단계) 1 지자기 폭풍 2 태양복사 폭풍 3 전파 통신두절 3 위성 환경도 4 GOES 태양 X선 플럭스 2. 메 뉴 (1) 우주천기 토픽 topic 1 위성 디스플레이 i) ACE 위성 실시간 태양풍자료 ii) GOES X선, 입자, 마그네토미터 - 45 -
iii) GOES 태양 X선 영상기 iv) POES 오로라맵 v) POES 고에너지 입자. 2 대중 웹페이지 i) 지금의 우주날씨 Space Weather Now ii) 오늘의 우주날씨 Today's Space Weather iii) 우주천기 자료 및 제품 경보, 예보, 보고서/ 요약문 우주천기 모델 태양, 지자기 지수 기기 측정치 ACE위성 실시간 태양풍자료 GOES위성 자료 POES위성 자료 다. 경고 발생(Alert) 분류 1). 지구물리 경고발생 NOAA 스케일은 경고발생시 크게 다섯 단계로 나뉜다. - 46 -
그림 8. SWPC 홈페이지 표 1. NOAA 스케일 NOAA 우주환경 스케일 지자기 폭풍 태양 복사풍 전파 소실 분류 G5 S5 R5 Extreme G4 S4 R4 Severe G3 S3 R3 Strong G2 S2 R2 Mod er a te G1 S1 R1 Min or 2) 지자기 폭풍 레벨 및 태양 복사풍 레벨 지자기 폭풍 레벨은 지상의 자력계로 측정한 3시간 행성의 K 인 덱스에 의해 결정되고, 태양 복사풍 레벨은 GOES 위성의 양성자 - 47 -
플럭스 측정으로 결정한다. 표 2. 지자기 폭풍과 태양 복사풍 레벨 지자기 폭풍 레벨 태양 복사풍 레벨 3 시 간 행 성 K 지 자 기 폭 풍 플 럭 스 레 벨 태 양 복 사 풍 인 덱 스 레 벨 >1 0 Me V 입 자 레 벨 K = 5 G1 10 S1 K = 6 G2 10 2 S2 K = 7 G3 10 3 S3 K = 8 G4 10 4 S4 K = 9 G5 10 5 S5 3) 전파 소실 GOES 위성 측정된 X-ray 레벨에 의해 결정된다. 표 3. 전파 소실 전파 소실 X-ray 레벨과 플럭스 최고치 전파 소실 레벨 M1 and (10-5 ) R1 M5 and (5 x 10-5 ) R2 X1 and (10-4 ) R3 X10 and (10-3 ) R4 X20 and (2 x 10-3 ) R5-48 -
4) SWPC의 우주환경 메시지 코드 SWPC의 경고 메시지에는 각각의 이벤트 내용에 대해 우주환경 메시지 코드를 포함하게 된다. 표 4. SWPC 경고메세지 코드 코드 WMO ID* 주의, 경고, 경고발생, 메시지 요약 명 X-ray 플럭스 경고 및 이벤트 요약 NOAA 스케일 경고 확대 경고발생 계속 ALTXMF WOXX01 ALERT: X-ray 플럭스 M5 초과 R2 SUMXM5 SUMX01 SUMX10 SUMX20 WOXX01 WOXX02 WOXX02 WOXX02 요약 : X-ray 이벤트 M5 초과 요약 : X-ray 이벤트 X1 초과 요약 : X-ray 이벤트 X10 초과 요약 : X-ray 이벤트 X20 초과 Radio Burst Summaries ALTTP2 ALTTP4 WOXX04 WOXX04 경고발생 : Type II 전파 방출 경고발생 : Type IV 전파 방출 SUM10R WOXX03 요약 : 10cm 전파 폭발 지자기 경고, 경고발생, 및 주의 R2 R3 R4 R5 WARSUD WOXX10 경고 : 지자기 급격 충격 예기 SUMSUD WOXX10 요약 : 지자기 급격 충격 WARK04 WARK05 WARK06 WARK07 ALTK04 ALTK05 ALTK06 ALTK07 ALTK08 ALTK09 WOXX13 WOXX11 WOXX12 WOXX14 WOXX13 WOXX11 WOXX12 WOXX14 WOXX15 WOXX16 경고 : 지자기 K 인덱스 4 예기 경고 : 지자기 K 인덱스 5 예기 경고 : 지자기 K 인덱스 6 예기 경고 : 지자기 K 인덱스 7, 8, 9 예기 경고발생 : 지자기 K 인덱스 4 경고발생 : 지자기 K 인덱스 5 경고발생 : 지자기 K 인덱스 6 경고발생 : 지자기 K 인덱스 7 경고발생 : 지자기 K 인덱스 8 경고발생 : 지자기 K 인덱스 9 G1 G2 G3 or greater G1 G2 G3 G4 G5 경고 확대 경고 확대 경고 확대 경고 확대 WATA20 WATA30 WATA50 WATA99 WOXX20 WOXX21 WOXX22 WOXX23 주의 : 지자기 A 인덱스 20 또는 그 이상 예측 주의 : 지자기 A 인덱스 30 또는 그 이상 예측 주의 : 지자기 A 인덱스 50 또는 그 이상 예측 주의 : 지자기 A 인덱스 100 또는 그 이상 예측 전자 플럭스 경고발생 ALTEF3 WOXX30 경고발생 : 전자 2MeV 집적 플럭스 1000pfu 초과 - 49 -
양성자 플럭스 경고, 이벤트 경고발생, 이벤트 요약 WARPX1 WOXX32 경고 : 양성자 10MeV 집적 플럭스 10pfu 초과 예기 S1 to S5 경고 확대 ALTPX1 WOXX32 경고발생 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 10pfu 초과 S1 경고발생 유지 ALTPX2 WOXX32 경고발생 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 100pfu 초과 S2 경고발생 유지 ALTPX3 WOXX32 경고발생 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 1000pfu 초과 S3 경고발생 유지 ALTPX4 WOXX32 경고발생 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 10000pfu 초과 S4 경고발생 유지 ALTPX5 WOXX32 경고발생 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 100000pfu 초과 S5 경고발생 유지 SUMPX1 WOXX32 요약 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 10pfu 초과 S1 SUMPX2 WOXX32 요약 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 100pfu 초과 S2 SUMPX3 WOXX32 요약 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 1000pfu 초과 S3 SUMPX4 WOXX32 요약 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 10000pfu 초과 S4 SUMPX5 WOXX32 요약 : 양성자 이벤트 10MeV 집적 플럭스 100000pfu 초과 S5 WARPC0 WOXX31 경고 : 양성자 100MeV 집적 플럭스 1pfu 초과 예기 경고 확대 ALTPC0 WOXX31 경고발생 : 양성자 이벤트 100MeV 집적 플럭스 1pfu 초과 경고발생 유지 SUMPC0 WOXX31 요약 : 양성자 이벤트 100MeV 집적 플럭스 1pfu 초과 * WMO ID - WMO header identifiers appear on messages from NWWS Systems (National Weather Wire Service), but not on SWPC messages. 5) 우주환경 경고 체계 및 빈도 태양의 폭발성활동에 따른 지자기 폭풍, 태양 복사풍 그리고 전 파 소실에 대한 경고체계, 예상피해 사례 그리고 11년주기로 발생 했던 빈도수를 조사하였다. 이러한 경고체계는 크게 EXTREME, STRONG, SEVERE, MODERATE, 그리고 MINOR로 구분되어진 다. - 50 -
표 5. 경고 분류 및 발생빈도 분류 기호 분류 기준 영향대상 예상되는 장애 EXTREME SEVERE STRONG R5 X20 이상 통신/항법 수 시간동안 일조지역에서의 HF 통신 완전 두절 수 시간동안 해상, 비행용 LF 항법 신호 두절 위성 항법 위치 에러 증가 항법위치 에러로 항법 운용에 큰 장애 통신/항법 극지역에서의 HF 통신 불가 S5 10 5 Mev이상 일부 위성 손실, 위성체 메모리 고장 위성 위성 영상에 심각한 노이즈 발생 태양전지판의 영구적인 손상 1-2일간 다수 지역에서의 HF 전파 불가 통신/항법 수일간 위성 항법상태 저하 G5 Kp=9 수시간 LF 항법 통신 두절 위성 광법위한 위성체 표면 대전 위성회전, 상하향 링크장애, 위성 통제 장애 대부분의 일조지역에서의 1-2시간 HF 통신두절 R4 X10이상 통신/항법 1-2시간 LF 항법 신호 오차 발생 위성 항법에 약간의 이상발생 수일간 항법오차 발생증가 통신/항법 극지역 통과 HF 통신 불가 S4 10 4 Mev이상 기억소자 문제발생 위성 위성 촬영 이미지 노이즈 발생 태양전지 패널 운용 효율 감소 수 시간 동안 HF의 산발적인 장애 G4 Kp=8-9 통신/항법 위성항법 이상 LF 전파 항법 두절 위성 위성체 표면 대전 및 위성 위치 추적 장애 발생 R3 X1이상 일부지역에서 HF 통신 두절 통신/항법 1시간정도 LF 항법 신호 감쇄 S3 10 3 Mev이상 수일간 간헐적인 항법에러 발생 통신/항법 극 지역을 통과하는 HF 통신 감쇄 single event upset, 위성영상 노이즈 발생 위성 태양전지 효율 감소 G3 Kp=7 간헐적인 위성 항법 이상발생 통신/항법 간헐적인 LF 항법신호 및 HF 통신이상 위성체 표면 대전 가능성 대두 위성 위성 공기저항(drag)으로 저궤도위성 고도 조절 필요 R2 M5이상 일부지역 HF 통신 두절 통신/항법 수 십분 정도 LF 항법 신호 감쇄 발생빈도 (11년) 1회 3회 4회 8회 3회 100회 175회 10회 200회 350회 MODERATE MINOR S2 10 2 Mev이상 통신/항법 극지역 통과 HF 통신과 항해에 약간의 영향 가능성 25회 위성 드물게 single event upset 발생 가능성 통신/항법 고위도 지역에서 HF 전파 신호 감쇄 가능성 G2 Kp=6 위성 궤도 보정 필요 가능성 660회 위성 대기저항 증대로 위성 궤도 예측 곤란 가능성 순간적 LF 항법신호감쇄발생 R1 M1이상 통신/항법 2000회 일시적인 HF 통신 감도 저하 S1 10Mev이상 통신/항법 극지방 HF 통신에 미세한 영향 50회 위성 영향없음 통신/항법 영향없음 G1 Kp=5 1700회 위성 위성운용에 사소한 문제 발생 가능성 - 51 -
6) 지자기 K 인덱스 지자기 K 인덱스는 한시간에 15분씩 4번에 걸쳐 업데이트를 하 고 있다. 지자기 데이터는 중위도에 위치한 볼더, 콜로라도와 Fredericksburg, 버지니아, 그리고 고위도에 위치한 알래스카에서 의 관측 데이터를 결합하여 K 인덱스를 결정하고 있다. - K 인덱스 Warnings : 볼더 K 인덱스가 4, 5, 6, 그리고 7 또는 그 이상의 값이 기대될 때 Warning 보고됨. - K 인덱스 Alerts : 볼더 K 인덱스가 3시간의 주기로 4, 5, 6, 7, 8, 또는 9의 값에 이르렀을 때 Alert 보고됨. 그림 9. 7일 동안 3시간 K 인덱스 - 52 -
7) 지자기 A 인덱스 지자기 A 인덱스는 한시간에 15분씩 4번에 걸쳐 업데이트를 하 고 있다. 지자기 데이터는 중위도에 위치한 볼더, 콜로라도와 Fredericksburg, 버지니아, 그리고 고위도에 위치한 알래스카에서 의 관측 데이터를 결합하여 A 인덱스를 결정하고 있다. A 인덱스 Watchs : Fredericksburg, 버지니아(중위도)에서 관측된 A 인덱스값이 20, 30, 50, 또는 100이 예상될 때 보고됨. 그림 10. 지자기 A 인덱스 - 53 -
8) D 층 흡수 예보 - 이온층의 D 층(50-90 km 고도) 그림 11. D층 흡수 예보 9) GOES 자력계 매분마다 자동으로 업데이트 된다. 그림 12. GOES 자력계 데이터 - 54 -
10) GOES 전자 > 2 MeV 집적 플럭스 GOES 11과 GOES 12 위성의 전자 집적플럭스 값이 0.6Mev와 2Mev와 같거나 큰 경우 5분마다 자동 업데이트 된다. 그림 13 GOES 전자 플럭스 11) GOES 양성자 >10 MeV, 100 MeV 집적 플럭스 양성자 플럭스는 GOES-11 위성에서 10, 50, 그리고 100MeV 이 상의 에너지 경계값을 5분마다 평균 집적 양성자플럭스를 포함하고 있다. 큰 입자 플럭스는 위성의 SEUs(single event upsets)과 연관 있다. 그림 14 GOES-11 위성에서 측정한 양성자 플 럭스 - 55 -
제 2 절 일 본 정 보 통 신 연 구 기 구 ( N I C T ) 일본의 정보통신연구기구는 2004년 4월 구 <통신총합연구소>와 구 <통신방송기구>가 통합하여 독립행정법인 정보통신기구(NICT) 로 발족하였다. 이 연구소는 우리나라의 전파연구소(RRL)에 상응하 는 정부기관이다. 우리나라 전파연구소의 고유 업무인 우주 전파환 경 분야를 특성화시키기 위해서는 앞으로 보다 긴밀한 접촉과 협력 관계를 맺어야할 필요가 있는 기관 중의 하나이다. 본 연구에서는 그곳의 연구조직과 담당연구업무에 대해 기술하였 다. 1. 조 직 가. 제1연구부문 1) 신세대 네트워크 연구센터 2) 신세대 와이어레스 연구센터 3) 미래 ICT 연구센터 나. 제2연구부문 1) 지식창성 커뮤니케이션 연구센터 2) 유니버셜 미디어 연구센터 다. 제3연구부문 1)정보통신 시큐리티 연구센터 추진실 - 56 -
인시던트 대책 그룹 트레이서블 네트웤 그룹 시큐리티 기반그룹 방재, 감재 기반기술 그룹 2) 전자파 계측연구센터 추진실 전파계측 그룹 환경정보 센싱 네트웍 그룹 우주환경 계측 그룹 EMC 그룹 라. 마. 바. 사. 연 휴연 구 부 문 연 구 추 진 부 문 기 반 기 술 연 구 촉 진 부 문 정 보 통 신 진 흥부 문 2. 연 구 사 업 본 연구과제와 관련된 제 3연구 부문의 우주환경 계측그룹의 연 구사업을 소개하면 다음과 같다. 가. 전파 이용 피해 연구사업 - 57 -
그림 15. 전파 전달 지구를 둘러싼 전리권은 다음그림에 나타나 있는 바와 같이 방송 통신 전파의 전달에 큰 영향을 미쳐 GPS 위치 측정 정밀도를 악화 시키기도 하며 우리의 일상생활에 밀접히 관련되어 있다. 전파 전달 장애연구사업 팀은 전리권 난동 감시체계를 구축하고 전 리권 관측자료나 전리권폭풍 조기경계 등의 정보제공을 목적으로 하여 다음과 같은 연구업무를 수행하고 있다. 국내의 전리층관측, 자료제공업무 남극 쇼와기지에 대한 전리층관측 동남아시아지역에 대한 전리층 난동감시체계 구축 세계각국의 전리층자료의 관리 제공 전리층 난동발생 예측을 목적으로 한 연구개발 - 58 -
표 6. 전파 전달 장애연구프로젝트 구성원 직책 이름 E 메일 전화번호 (####@nict.go.jp) (042-327-####) 연구 매니져 石 井 守 加 藤 久 雄 mishii hisa 7540 6656 주임연구원 久 保 田 実 mkubota 5378 野 崎 憲 朗 nozaki 6886 斉 藤 亨 susaito 6584 전공연구원 陣 英 克 jin 6564 安 藤 嘉 章 ando 7532 梅 津 正 道 umetsu 6911 계약기술원 長 浜 則 夫 nagahaman 6898 川 村 眞 文 中 村 真 帆 kawamura maho 6495 6943 永 原 政 人 nagahara 6588 파견 등 馬 場 崎 伊 津 子 福 嶋 公 子 babasaki fukushima 6956 6587 山 崎 一 郎 ichi 5444 나. 우주환경 계측 예측 연구사업 1) 우주천기예보회의 매일 오후 2시 30분에 우주천기예보회의를 열어 우주환경변화에 대한 예보업무를 수행한다. 예보는 전화서비스(042-321-4949)나 네 트워크 등을 통해 일반에 공개되고 있다. 예보센터에는 위성과 지상관측으로 취득되는 자료를 거의 실시간으 로 모니터하고 있다. 1 우주천기 시험대 우주천기는 지상의 날씨 정도 친근감이 없는지만 엄격한 우주환 경은 방송 통신용 위성에 장애를 일으키고 사회생활에 영향을 미친 다. 이곳에서는 매일 거의 실시간으로 전송되어오는 위성이나 세계 각지의 관측자료에 접해가며 우주환경변동의 규명과 그 예측을 위 한 연구를 수행하고 있다. 정성적인 예보로부터 경험모델이나 수치 - 59 -
모델을 이용한 정량적인 예보를 목표로 연구하고 있다. 2 글로벌 지구관측 네트워크 지구는 커다란 자석으로 되어 있는 천체의 하나이다. 지구 자기 장은 태양에서 부는 플라즈마의 바람인 태양풍과의 상호작용에 의 해 변형되어 지구자기권을 형성하고 있다. 자기권 중에는 태양풍과 의 상호작용으로 플라즈마 대류운동이 발생하여 다양한 전류가 흐 르고 있다. 태양으로부터의 고속태양풍이나 CME(코로나 방출물질) 현상이 지구에 도달하면 지자기 폭풍과 같은 난동현상이 발생하여 전류계가 발달하고 그 영향이 지자기 변동으로 관측된다. 즉 지자 기변동을 관측하는 것으로 난동현상을 동반하는 자자기권내의 전류 계 변동을 모니터하고 분석할 수 있다. 자기권내의 총체적인 전류 계를 모니터하기위해서는 지자기를 한 지역에서 관측하는 것만으로 는 불충분하여 그 관측 망을 지구전체로 확장할 필요가 있다. 본 그룹은 독자적으로 개발한 실시간 자료수집 장치를 장착한 지자기 관측망을 전개하는 것과 동시에 국제적인 협력체제에 기초한 지자 기자료의 실시간 수집을 수행하고 있다. 더욱이 수집한 지자기자료 를 이용하여 지자기 난동현상을 상세히 해석하고 전리층전류나 에 너지 유입변동을 추정하는 등 지자기자료의 고도 이용에 관한 연구 를 수행하고 있다. 3 ACE 태양풍자료의 실시간 수신 지구는 우주에 떠있는 작은 섬과 같다. 이 섬엔는 태양에서 부는 바람과 파동이 밀려오고 있다. 때로는 엄청난 파도가 오기도 있다. 온다면 지구 근방의 우주환경을 교란하여 지구에는 자기폭풍이 발 생하고 오로라가 빛나기도 한다. 이때 인공위성의 부품이 고장나고 자세가 변하기도 하며 곤혹을 치른다. 사전에 이를 예측할 수 있 - 60 -
다면 이에 충분히 대비할 수 있을 것이다. 여기에서 우리는 장보통 신연구기구(NICT)와 미국의 해양대기청(NOAA)의 우주환경예보센 터(SWPC)등과의 국제협력사업으로서 실시간으로 ACE위성이 관측 하는 태양풍자료를 수신하는 시스템을 구축하였다. ACE위성은 미 국 항공우주국(NASA)가 1997년 8월 25일 발사한 것이다. ACE위성 은 태양과 지구의 인력이 같아지는 라그랑쥬(L1)점 근처에서 태양 풍을 관측하고 있다. 이 라그랑쥬점을 통과한 태양풍은 약 1시간 후에 지구에 도달하기 때문에 ACE위성은 태양풍의 파도를 지구에 밀려오기 약 1시간 전에 볼 수 있다. 본 연구소는 실시간의 ACE위성의 태양풍자료수신 시스템을 구축 함과 아울러 태양풍의 변화로부터 우주환경변화를 예보하는 우주천 기예보 연구를 진행하고 있다. ACE위성에 의한 우주천기예보 시스 템이 완성되면 우주환경예측이 한결 정밀해져 인공위성을 이용한 각종 시스템의 안정성이 향상될 것이 분명하다. 그림 16. ACE위성과 우주환경변화 (상상도) - 61 -
그림 17. ACE위성 자료수신용 포물면. ACE위성에서 실시간 태양풍자료를 수신하는 11m 포물면 안테나 안테나. 직경 11m 의 이 안테나는 지구에서 150만 km 떨어진 라그 랑쥬점에서 송출하는 신호를 수신하고 있다. 2) 우주천기 현상보고회 STE 현상보고회는 관측과 시뮤레이션이 일치하는 우주천기현상 의 이해를 목표로 하는 연구회이다. 우주천기현상이 어떤 모습으로 보이고 그것이 수치모의실험으로 재현 가능한지를 연구한다. - 62 -
그림 18. 국제 태양계 관측년(IHY, International Heliophysical Year) 1882-83년과 1932-33년에 시행된 국제극년에 자극되어 지구와 지 구공간의 전체적인 현상을 연구하기 위해 국제연합의 지원을 기반 으로 66개국 약 60000인의 과학자가 참가하여 1957-58년에 국제지 구관측년(IGY, International Geophysical Year)이라는 국제적 연구 사업이 수행되어 지상과 우주의 수천 관측지점에서 전체적인 동시 관측이 행해졌다. 이 국제지구관측년의 50주년을 기념하여 전세계 적인 지상관측망의 구축 등을 포함한 국제태양계관측년 으로 명명 된 국제연구사업이 2007-2009년에 계획되고 있다. 국 제태 양 계 관 측 년 의 주 요 목 표 - 태양계에서 일어나는 현상의 기초적인 물리과정에 대한 이해를 2돕는다. - 지금까지의 국제적 연구활동을 더욱 진척시키고 국제지구 관측년에서 계승한 것을 더욱 발전시킨다. - 우주물리나 지구물리의 흥미와 중요성을 전달한다. (1) 모니터링 예측기술 팀 - 63 -
연구매니져 亘 慎 一 주임연구원 國 武 学 長 妻 努 계약연구원 浅 井 佳 子 우 주 환 경 계 측 예 측 기 술 사 업 참 여 연 구 원 홍 보 활 동 大 高 一 弘 北 村 健 太 郎 堀 智 昭 片 岡 龍 峰 佐 川 永 一 菊 池 崇 飯 島 健 篠 原 学 三 宅 亙 田 代 真 一 山 崎 敦 元 場 哲 郎 橋 本 久 美 子 杉 浦 正 久 渡 辺 成 昭 제3 회 우 주 환 경 정 보 사 용 자 포 럼 (2 0 0 5. 0 8. 2 6. 개 최 ) 정 보 통 신 기 구 시 설 일 반 공 개 (2 0 0 5. 0 7. 2 2-2 3. 개 최 ) 우 주 천 기 에 대 한 산 학 연 의 제휴 (S C AT L I N E 제6 3 호 (2 0 0 5. 0 7. 2 0. )게 재 ) 지 자 기 폭 풍 (계 간 R e N o. 1 4 7 (2 0 0 5. 0 7 )게 재 ) 1월 에 발 생 한 우 주 폭 풍 에 대 하 여 (N I C T 뉴 스 N o. 3 4 9 ( 2 0 0 5. 0 4. ) 게 재 ) 우 주 천 기 예 보 시 스 템 연 구 (C R L N e w s N o. 3 3 0 (2 0 0 3. 0 9 )게 재 ) - 64 -
우 리 의 생 활 과 우 주 천 기 예 보 (정 보 통 신 저 널 9 월 호 게 재 ) 일 본 에 도 오 로 라 가? (C R L N e w s N o. 3 0 9 (2 0 0 1. 1 2. )게 재 ) 21세 기 의 우 주 이 용 시 대 를 지 원 하 는 우 주 천 기 예 보 (SCAT N E W S 제1 04호 ( 2 0 0 1. 1 1. 1 5. ) 게 재 ) 우 주 폭 풍 을 예 보 한 다 -우 주 천 기 예 보 (S p a c e W e a t h e r F o r e c a s t s )연 구 - (S C AT L I N E 제4 7 호 (2 0 0 1. 8. 2 0. )게 재 ) - 65 -
(2) 시뮬레이션 팀 수퍼컴퓨터를 이용하여 자기권, 전리권, 충격파 등을 다르고 있다. 우주공간의 다양한 에너지 전달 과정을 규명하고 있다. 그림 19. 3차원 지구자기권의 변화. 3차원 시뮬레이션으로 재 현한 substrom에 동반한 지구자기권의 변화. 중심의 검은 점이 지구를 나타내고 있으며 태양풍은 왼쪽에서 불어 오고 있다. 최근의 연구성과 1 실시간 자기권 MHD 시뮬레이션 2 자기권 재결합 하이브리드 시뮬레이션 3 입자 그로벌 시뮬레이션 4 복사선대 MeV전자 다이나믹스 5 복사선대 MeV전자변동예측 6 태양풍 자기루프 모델화 7 행성간 공간 충격파 전파 AMR 시뮬레이션 8 충격파 프로톤 가속 시뮬레이션 9 충격파 전자 가속시뮬레이션 - 66 -
참여하고 있는 구성원은 다음과 같다. 品 川 島 津 坪 内 寺 田 中 村 藤 本 裕 之 浩 哲 健 直 樹 雅 夫 桂 三 3) 소형위성 프로젝트 우 주 환 경 계 측 예 측 기 술 프 로 젝 트 연 구 원 우 주 환 경 계 측 그 룹 구 성 원 그룹 장 小 原 隆 博 연구매니져 石 井 守 亘 慎 一 秋 岡 眞 樹 加 藤 久 雄 国 武 学 久 保 田 実 주임연구원 品 川 裕 之 島 津 浩 哲 長 妻 務 野 崎 憲 朗 연구원 久 保 浅 井 勇 樹 佳 子 斉 藤 亨 전공연구원 陣 英 克 坪 内 健 深 沢 圭 一 郎 계약기술원 安 藤 梅 津 嘉 章 正 道 川 村 眞 文 특별연구원 藤 本 寺 田 桂 三 直 樹 (1) 태양지구환경예보 이메일 서비스 안내 정보통신연구기구에서는 태양과 지자기 난동현상의 예보와 현황 을 매주 금요일(이상현상이 발생할 때에는 수시)에 태양지구환경 예보 이라고 공지하고 있다. - 67 -
(2) 우주환경정보 전화서비스 우주환경정보 전화서비스는 태양과 지구의 근처에서 일어나는 물 리적현상과 단파통신 상황등을 전화를 사용한 음성정보로 24시간 제공하고 있고 정보는 매일 오후 3시경에 갱신되고 있다. 이 서비 스에는 태양활동이나 지자기활동의 예경보, 태양플레어나 지자기폭 풍의 속보, 태양흑점상대수, 지자기지수등의 정보가 포함되어 있다. (3) 우주환경 이벤트 자동통보 서비스 서문 : 정보통신연구기구에서는 실시간의 우주환경자료를 이용 하여 태양플레어와 프로톤현상 등의 우주환경 이벤트 속보를 이메 일로 자동적으로 통보하는 서비스를 하고 있다. 현재 태양플레어 속보 와 프로톤현상 속보 의 통보 및 태양플레어 개시통보 의 통보체제를 시험운용하고 있다. 시 스 템 개 요 GOES위성에 의한 태양X선 강도, 프로톤입자 자료가 미국 해양 대기청 (NOAA) 우주환경예보센터(SWPC)의 서버를 경유하여 5분 마다 NICT로 전송되어온다. 자동검출처리 프로그램은 이 실시간자 료를 감시하여 태양플레어와 프로톤 현상 등을 수차례 검출한다. 검출된 우주환경이벤트는 이벤트 데이터베이스에 저장된다. 정보처 리프로그램은 검출된 이벤트를 감시하여 소정의 기준을 만족시키고 있는 이벤트를 우주천기 사용자에 대해 전자메일로 통보한다. 각 속보의 통보조건은 다음과 같다. - 68 -
[태양플레어 개시 속보(시험운용)] X선 세기가 급증하여 그 수준이 M급 이상에 달할 때 [태양플레어 속보] M급 이상의 플레어가 발생했을 때 [프로톤 현상 속보] 10MeV이상의 프로톤 플럭스가 10PFU을 초과 현상이 발생했을 때 프로톤 현상발생 통보후 이하의 조건을 만족했을 때도 통보함. 10MeV이상의 프로톤 플럭스 수준이 100,1000,10000PFU를 초과 때 10MeV이상의 프로톤 플럭스 수준이 100,1000,10000PFU에서 내려 갈 때 10MeV이상의 프로톤입자 플럭스가 10PFU이상의 상태가 1일이상 계속되고 있을 때 프 로 톤 현 상 의 종 료 시 현상의 규모나 지속시간을 정확히 판정하기위해 플레어가 종료한 후에 태양플레어 속보를 내보낸다. 우주환경의 난동현상은 태양플 레어가 발생하고부터 일정시간 지연(1시간에서 수일정도)되어 나타 나므로 판정에 요구되는 통보지연은 대부분 문제가 되지 않다고 생 각된다. 단파통신의 영향은 태양플레어 발생직후 시작하는 것에 대해서는 시험운용중이지만 플레어 개시시각을 보다 빨리 알려주는 태양플레어 개시통보를 이용해주시기 바랍니다. 또한 이상현상이나 장애발생이 예상되는 수준은 각각의 시스템이 나 용도에 따라 다르다. 각종 장애가 발생할 가능성이 있다고 생각 되는 수준보다 낮게 기준을 설정한다. 각 사용자는 목적에 맞게 통 보되는 현상의 규모에 대응하여 적절한 행동계획을 책정하기 바랍 니다. - 69 -
이벤트 통보문 사례 각속보의 통보문의 예(PC용 형식)가 아래와 같이 나타나 있다. [태양플레어 개시속보] 2005년01월20일 15시54시JST 통보 GOES-12위성의 관측으로부터 05시51분UT에 M급을 넘는 태양X선강도의 급증이 검출되었다. [태양플레어 속보] 2003년10월31일13시55분JST 통보 GOES-12 위성의 태양 X선 관측으로부터 다음과 같이 강한X선 플 레어가 검출되었다. 개시시각(UT) 강도최대시각(UT) 종료시각(UT) 최대강도 04:2 6 04: 33 04:38 M2.1 [프로톤 현상속보] 2001년11월23일12시35분JST 통보 GOES-8 위성 관측으로부터 11월 22일 21시 25분UT 경 프로톤현상이 발생하였다. 11월 22일 23시 25분 UT이후 10MeV이상의 프로톤 플럭스가 1.1e+01PFU를 넘고 있다. 11월 23일 02시 35분 UT이후 10MeV 이상의 프로톤 플럭스가 1.9e+02PFU를 넘고 있다. 제공 : 정보통신기구 전파계측연구센터 보충설명) 1.1e+01는 1.1 10의 1승으로 1.1e+01 PFU는 11 PFU를 의미한다. 마찬가지로 1.9E+02는 1.9 10의 2승으로 190PFU를 말한다. - 70 -
용어해설 M급 플레어 : 태양플레어의 방출 X선 세기가 10의 -5승[W/m^2]이상에서 10의-4 승[W/m^2]미만의 활발 한 플레어. X급 플레어 태양플레어의 X선방출세기가 10의 -4승[W/m^2]이상의 매우 활 발 한 플레어. 프로톤 현상 : 태양플레어나 CME현상등에 의해 태양에서 고에너지 프로톤입자가 도래하는 현상. PFU : 양성자 플럭스 단위(Proton Flux Unit)의 약어 1PFU는 1초당, 1cm2 당 단위입체각에서 1개의 프로톤입자가 입사하는 것을 뜻한 다. 10PFU이상의 현상을 프로톤현상 이라 부른다. - 71 -
Japanese(EUC) English 알 림. NICT는 NASA의 STEREO탐사선의 실시간 비콘자료의 수신에 협력하고 있다. STEREO탐사기 태양상 자료(NASA제공) STEREO탐사선 태양풍자료 도표(NASA제공) 최신의 우주환경정보 최신의 태양지구환경정보 Mirror Site ISES각지역경보센터의 예경보 정보 ISES 각지역경보센터의 리포트 우주천기 뉴스 과거의 우주환경정보 과거의 태양지구환경정보 Mirror Site 태양지구환경정보 챠트 지자기활동 27일 챠트 과거의 우주천기 뉴스 - 72 -
태양 화상 데이터베이스 히라이소 태양전파 관측 시스템 STEREO탐사선 태양화상자료(NASA제 공) ACE위성 태양풍 도(최근1일) 과거의 ACE위성 태양풍 분포도(1일단위) 행성간공간 섹터구조 STEREO탐사선 태양풍자료 그림(NASA제공) 실시간 지자기 데이터베이스 실시간 AE/Dst지수 신경조직망에 의한 지자기폭풍 예측 IMAGE위성의 오로라 플라즈마권 화상 실시간 자기권 시뮬레이션 인터-마그네트 GMS/SEM 고에너지 입자 자료 (1999년 09월 17일에 관측종료) 전리권 세계자료센터 태양X선에 의한 단파 감쇠 맵 오로라 링크 태양지구환경예보 이메일 서비스 우주환경정보 전화서비스 우주환경 이벤트 자동검출 통보 서비스 우주환경정보 안내 태양지구환경정보 챠트 사용방법 사용자 포럼 개최이력 관련 웹사이트 - 73 -
전자파계측연구센터ー우주환경계측그룹 우주환경계측 예측기술 사업 모니터링 예측기술팀 태양흑점 X선 방사선 태양풍 지자기 2003.10.28. X17.2 flare 우주천기예보회의 : 매일 14:30- 우주천시 시험대 우주천기 용어집 세계 지자기 관측 남극쇼와기지 실시간지자기 리오미터 자료 극지 HF 레이다ー관측 ACE위성수신:실시간 태양풍자료 STE 현상보고회 국제태양계관측년 (1HY) 우주에서 본 오로라(NASA/IMAGE위성제공) 갱 신 :2 0 0 6 / 1 0 / 1 0-74 -
3. 예 보 서 비 스 가. 예보 설명 (1) 태양활동 현황 과거 24시간에 발생한 X선 난동, 광학(Hα)플레어 규모와 회수 를 근거로 결정한다. - 정온 : C급 플레어가 없고 광학 플레어가 없거나 서브플레어만 발생한 경우 - 다소 활동적 : C급 플레어 발생 또는 규모(중요도) 1 플레어 발 생 활동적 : M급 플레어 발생 또는 규모(중요도) 2 플레어 발생 매우 활동적 : X급 플레어 발생 또는 규모(중요도) 3이상의 플레어 발생 (2) 태양활동예측 금후 24시간에 발생할 플레어의 X선 강도 1 정온 : C급 플레어의 발생확률 50% 이하 2 점차 활발 : C급 플레어의 발생확률 50% 이상 3 활발 : M급 플레어의 발생확률 50% 이상 4 매우 활발 : X급 플레어의 발생확률 50% 이상 (3) 프로톤 현상 큰 규모의 플레어에 동반하여 방출되는 고에너지 양성자(태 양 우주선)의 위성관측 속보이다. 미국 GOES 위성이 관측한 10 MeV 이상의 에너지를 갖는 프로톤의 플럭스 값 (protons/cm^2 /sec/sr)에 따라 다음의 4단계로 나누어진다. 1 발생하지 않음 : F<10 2 발생하고 있음 : 10 F<100 3 강한 프로톤현상 발생 : 100 F<1000 4 초강력 프로톤현상 발생 : 1000 F - 75 -
(4) 지자기 활동 기상청 지자기관측소가 발표한 과거 24시간의 지자기 활동 지수 (K지수 : 3시간 단위로 1일 8개의 지수)의 1일 최대치 Kmax 값에 의해 다음의 4단계로 나누어진다. 1 정온 : Kmax 3 2 점차 활발 : Kmax=4 3 활발 : Kmax=5 4 매우 활발 : Kmax 6 금후의 지자기 활동의 예상으로 같은 4단계로 표시 그 원인이 명확 한 경우 1 태양플레어 때문 2 CME현상 때문 3 코로나 홀 때문 4 필라멘트 소실 때문 로 표시한다. (5) 안정 불안정 매우 불안정 지자기 난동의 이력, 금후의 지자기활동의 예측과 계절 의존 성에 기초하여 판단된 금후 24시간의 단파 통신상태를 표시한다. (6) 델린져 현상 규모(중요도)1 이상의 델린져 현상이 1일간에 발생할 확률에 따라 다음과 같이 표현한다. 1 발생치 않음 : 30% 이하 2 때때로 발생 : 30~50% 3 빈번히 발생 : 50% 이상 - 76 -
나. 태양 활동 중요한 활동영역의 태양면 좌표, 플레어 활동정도를 예측하여 알 려준다. (1) 좌표 태양면 경위도로 표시함. (2) 활동 정도 1 점차 활동적 : 해당 활동영역에 C급 플레어의 발생확 률 50% 이상 2 활동적 : 해당 활동영역에 M급 플레어의 발생확률 50% 이상 3 매우 활동적 : 해당 활동영역에 X급 플레어의 발생확 률 50% 이상 (3) 코로나 홀 경도 30도보다 적동[ 가까운 부분에 코로나 홀이 있는 경우 그 대략의 경도를 맞추어 공지한다. 근반이 될 관측자료는 He 10830분광단색상 및 무른Xtjschkfdud 망원경(Yokoh)를 이용한다. (4) 태양플레어 히라이소의 관측 및 울시그램 등으로 취득괸 정보를 근거로 원칙적으로 과거 3일간에 발생한 플레어 중 X 선 M급 이상 또는 광학규모(중요도) 1이상의 플레어를 공지한다. 발생시각 : 원칙적으로 개시시각으로 알려주지만 매우 완만히 세기가 증가하는 플레어의 경우 플레어강도의 최대시각으로 공지할 경우도 있다. X선 규모 : C, M, X의 알파벳 문자와 수자로 조합하여 나타낸 다. GOES 위성에 의해 모니터하고 있는 1-8A의 파장대의 강도 - 77 -
를 A 10^-B(W/m2)로 표시할 때 B의 수치가 6이면 C 5이면 M 4인 경우 X급이라 선두 문자를 나타낸다. 강도 숫자 A는 선두문자 뒤에 붙인다. 이를테면 관측된 플레어 세기가 이라면 이는M3.2 급의 플레 어라 한다. 광학적 규모 : Hα단색상으로 관측한 플레어의 규모(중요도)를 공지한다. 규모(중요도)는 Hα선으로 관측한 플레어의 면적(겉보기 구 면 적감소현상을 보정)으로 결정된다. (5) 규모(중요도) S/ 면 적 200 3/1200-2400 1/200-500 4/ >2400 2/500-1200 중요도의 숫자 뒤의 첨자는 플레어의 밝기 특징을 나타낸다. 각각 미약(F), 보통(N), 밝음(B)을 나타내는 문자로 그 밝기를 나타낸다. (6) 필라멘트 소실 히라이소의 관측 및 울시그램 등으로 얻은 정보를 근거로 원칙적으로 과거 3일간 발생한 필라멘트의 소실현상의 발생일시 및 대략적인 위치를 알린다. (7) CME 울시그램등으로 얻은 정보를 근거로 3일간에 CME가 발생하 고 있는 경우 공지한다. (8) 플레어 발생에 동반되는 전파난동현상 - 78 -
플레어 발생에 동반되는 전파난동현상이 2,8GHz로 관측된 경우 텐플레어 (파장이 10cm 전파로 관측한 플레어란 의미)로 보고한다. 강한 태양전파의 배경수준의 크기로 나타내고 단위는 태양플럭스 단위(1 태양플럭스=10-22W/(m2Hz)이다. 플레어 발생에 동반되 는 전파현상이 미터파대역에서 데가미터파대까지 관측되는 경우 전 파복사의 유형을 I형부터 V형으로 분류하여 보고한다. II형이 발생 한 경우는 충격속도의 추정치도 보고한다. (각각의 유형분류와 충격 속도의 추정에 대한 상세 내용은 3장을 참조바람). 보고에는 히라이 소의 태양전파관측자료를 이용하는데 관측시간 이외의 현상에 대해 서는 해외에서의 보고를 이용한다. 다. 지 자 기 활 동 이 속보는 기상청지자기 관측소의 보고에 근거한다. 일반적으로 중위도에 관측된 지자기폭풍은 급개시형(SC형)과 완개시형(SG형) 으로 나누어진다. 갑자기 시작된 지자기폭풍은 지자기 수평성분(H 성분)의 급격한 증가(SSC)로 시작하여 1~3시간 정도의 자기장증가 가 계속되고 이후 크게 감소하다가 회복된다. 서서히 시작하는 완 개시형 형태의 지자기 폭풍은 SSC를 동반하지 않기 때문에 개시가 명확하지 않지만 발달과정은 급개시형과 형태와 같다. 두 형태 모 두 시작부터 종료까지 1일에서 수일 정도 지속된다. 급개시형 지자 기폭풍의 경우는 정확히 개시시각을 보고할 수 있지만 완개시형 형 태의 경우 개시시각이 몇시 정도라고 표현된다. 최대 나노테슬라 라고 하는 것은 지자기 H성분의 최대변화량을 나타낸다. 일본의 평 균적 지자기수평성분의 강도는 약 30000 나노테슬라이다. 지자기변 동중에 SC와 같은 H성분의 급격한 증가로 시작하여 이후 지자기폭 풍으로 발달하지 않는 것도 있다. 이 H성분의 급증부분을 SI라 부 른다. 또한 한밤중을 중심으로하여 1시간전후 사이에 자기장이 증 가하는 현상이 있어 이것을 그 형상으로부터 지자기 베이(Bay : 만 - 79 -
형변화)라 부른다. (1) 프로톤현상 큰 플레어에 동반 방출된 고에너지 양성자(proton, 태양우주선)의 위성관측 속보이다. 플럭스 값은 단위면적, 단위입체각 단위시간당 관측된 10MeV 이상의 프로톤 개수를 말한다. 프로톤현상은 지속시 간이 길고 때로는 수일 계속되는 것도 있어 보고시에는 최대플럭스 에 도달하지 않은 경우에는 계속중으로 기록한다. (2) 전리층 드문드문한 E층에 의한 이상전파 일본상공의 E층 임계주파수가 F층의 임계주파수를 넘을 때 보고한 다. 라. 활동도 지수 (1) 흑점상대수 태양흑점수의 예보는 하루 또는 이틀전의 흑점상대수관측치 및 전달의 평균치, 이번 달에서 두달전까지의 12개월 이동평균 예보수 치를 공지한다. 매일 관측치는 세계경보본부(WWA)에서 입수하는 정보에 근거하여 전달의 월평균치와 당월에서 2개월전 까지의 예보 치는 각각브뤼셀(벨기에)의 태양흑점지수 자료센터가 발표하고있는 국제 월평균흑점수 R1의 잠정수치 및 12개월이동평균치 R12를 이 용한다. - 80 -
(2) 흑점면적 태양표면에 나타나는 흑점 면적을 모두 더해 수치로 나타낸다. 태양 시반구면적의 1/100을 단위로 나타낸다. (3) F10.7 세계시 3시에 히라이소에서 관측한 10.7cm(2.8GHz)의 태양전파강 도를 태양플럭스 단위로 보고한다. 세계시 3시에 플레어가 발생한 경우는 전후 정온수준의 태양전파강도를 보고한다. 히라이소에서 관측하지 못한 경우는 카나다 펜틱튼(penticton) 관측소에서 측정한 값(세계시 20시)을 보고한다. (4) 지자기 K지수 O시UT~24시UT까지 3시간마다 측정한 8개의 K지수를 모두 합산 한 값과 8개 지수 중 최대치를 나타낸다. (5) 태양흑점수 예보 태양흑점수에 대한 2개월전까지의 예보치는 브뤼셀에 있는 태양 흑점지수센터가 발표하고 있는 12개월 이동평균치 R12를 이용한다. 지자기활동이 정온한 때의 통신회선 최고사용가능주파수(MUF)와 최저사용가능주파수(LUF)는 태양흑점수를 파라미터로 넣어 예측할 수 있다. - 81 -
제 3 절 나 고 야 대 학 지 구 환 경 연 구 소 ( S T E L ) 나고야대학에는 지구우주환경연구소(SEL, Solar Terrestrial Environment Lab.)은 7개 부서로 나누어져 있다. - 대기권환경 - 전자기권 환경(토요까와) - 지자기권 환경(히가시야마) - 태양권 환경(우주선) - 태양권 환경(태양풍) - 총합해석 - 지오스페이스 연구센터 이중 태양풍을 연구하고 있는 고지마 교수 그룹이 태양전파망원 경의 제작 설계에 많은 경험과 노하우를 갖고 있는 바 이번 연구 에 많은 도움을 받았다. 1. 조 직 일본의 나고야 대학은 4개의 연구 분과와 한 개의 과학자들 의 방문을 위한 분과등 5개의 분과로 구성되어 있다. - 지구공간연구 센터 - 기술과 - 관리과 - 82 -
2. 연 구 장 비 가. 지구환경연구소(STEL) IPS 안테나 (1) 안테나 제원 전파번쩍임(IPS)현상을 관측하는 전파관측소의 위치와 안테나의 - 83 -
제원은 다음과 같다. Location of Observation Sites Map 1 (Baseline Geometry) Map 2 (Geographic Locations) Clickable Map Today's Picture of STEL IPS Antennas 표 7. IPS 관측 사이트 Longitude Latitude Altitude Fuji Station 138 deg.e 36'42" 35 deg.n 25'36" 1020 m Sugadaira Station 138 deg.e 19'16" 36 deg.n 31'12" 1280 m Toyokawa Station 137 deg.e 22'09" 34 deg.n 50'05" 16 m Kiso Station 137 deg.e 37'49" 35 deg.n 47'34" 1110 m An t en na Type: Cylindrical Parabolic Reflector Antenna Frequency: 327MHz Physical Aperture: 100m E-W, 20m N-S (Fuji, Sugadaira, Toyokawa) 74m E-W, 27m N-S (Kiso) Effective Aperture: - 84 -
표 8. IPS 안테나 유효범위 A_eff Fuji Station 1500 m 2 Sugadaira Station 1100 m 2 Toyokawa Station 1013 m 2 Kiso Station 1405 m 2 Polarization: Linear (Horizontal) Sky Coverage: 30 deg. from meridian transit, 25 deg.s to 40 deg.n in declination 그림 20. 태양풍 관측용 전파망원경. 수신주파수 327MHz, 크기 40mx100m 규모의 태양풍 관측용 전파망원경 나. 행성간 전파 번쩍임 현상 플라즈마는 매우 희박하기 때문에 지상에서 이를 광학적으로 관 측하는 것도 그 방출 전파를 관측하는 것도 가능치 않다. 또한 인 - 85 -
공위성이나 행성간 탐사선을 이용하여 직접 관측하더라도 제한된 궤도를 벗어날 수 없기 때문에 광대한 행성간 공간에 불어 나오는 태양풍의 전모를 모두 파악할 수 없다. 그런데 태양풍을 관측하는 방법이 전혀 없는 것은 아니다. 아래의 그림처럼 태양 주변에 위치 한 퀘이사나 펄서 등 시직경이 아주 작은 전파천체를 관측해 보면 이들 전파가 태양풍 플라즈마에 의해 산란되어 전파강도가 변동하 는 현상이 있다. 이를 행성간 반짝임(IPS: Interplanetary Scintillation)현상이라 부르는데 밤하늘에 빛나는 별들이 대기의 밀 도 변화에 따라 반짝반짝 거리는 것과 유사하다. 행성간 탐사선으 로 관측할 수 없는 태양부근이나 행성공전궤도평면에서 높게 떨어 진 공간상의 태양풍도 관측할 수 있다. 또한 이러한 전파천체는 다 수 존재하기 때문에 많은 전파천체의 IPS현상을 이용하면 태양풍의 3차원 구조를 단시간에 관측할 수 있다. 나고야댜학의 태양풍 연구 실에서는 이 IPS라 하는 특이한 관측방법을 이용하여 유럽과 미국 의 행성탐사선이 관측할 수 없는 광대한 공간을 지나오는 태양풍의 연구를 수행하고 있다. 구름의 움직임에 따라 지표면의 그림자도 움직이는 것처럼 전파 의 강도변화도 태양풍의 이동에 따라 지표면을 따라 이동한다. 이 움직임으로부터 태양풍 속도를 구할 수 있다. 그림 21. IPS 태양풍 속도 측정 - 86 -
(1) IPS국제 공동관측 IPS로 관측가능한 행성간 공간영역은 관측주파수에 따라 달라진 다. 태양풍연구실은 327MHz의 주파수로 IPS관측을 수행하고 있으 나 이 주파수로는 태양에서 20-200 태양반경의 거리범위내의 태양 풍이 관측가능하다. 이제까지 태양에 가장 가깝게 접근한 탐사선은 태양에서 60태양반경까지로서 본 연구소의 관측장비는 탐사선이 아 직 관측해보지 못한 영역을 관측할 수 있다. 20태양반경보다 더 가 까이에서 관측하기 위해서는 보다 높은 주파수로 IPS를 관측해야만 한다. 이를 위해 영국과 인도 등지의 전파천문관측소와 공동으로 태양 부근에서 지구까지의 드넓은 영역을 연구하고 있다. 또한 미 국캘리포니아 대학의 연구그룹과 협력하여 본 관측 자료를 준 실시 간으로 전송하고 지구주변의 태양풍의 상태를 예보하는 우주천기예 보 연구를 시작하고 있다. (2) 우주탐사선과 견줄 수 있는 관측정밀도 우주탐사선 유리시즈의 관측치와 CT로 구한 속도를 비교한 그 림. CT해석으로 구한 속도의 정확성과 그 관측영역의 넓이를 한눈 에 알 수 있다. 그림 22. CT로 구한 속도와 관측치 비교. 우주탐사선 유 리시즈의 데이터 - 87 -
다. 태양풍의 CT해석 (1) 신틸레이션(scintillation) 관측의 시선적분효과 태양풍에 의해 산란된 전파신호의 번쩍임(scintillation) 현상을 이 용하여 측정된 속도는 전파원과 지구를 잇는 시선을 가로지르는 태 양풍의 움직임을 반영한 수치이다. 그러나 어떤 방향과 속도로 태 양풍이 불고 있는지를 정확히 구할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 인체의 단층사진을 찍는 CT(컴퓨터 토모그라프) 방법을 응용 하여 정확한 태양풍 속도를 구하는데 성공하였다. 그림 23. 신틸레이션(scintillation) 관측 - 88 -
그림 24. 신틸레이션 관측 시선적분효과 그림 25. 인체의 단층사진을 찍는 CT 방법. (컴퓨터 토모그라프) (2) CT검사 및 원리 CT검사는 좌측 그림처럼 여러 각도로 우리 몸에 X선을 통과시켜 그 강도를 측정한 다음 이 측정치를 계산기로 해석하여 단층 사진을 구한다 우측그림과 같이 붉은색의 화살표를 따라 화살선상에 있는 수를 더한 값 이 그림과 같은 값(녹색)이 되기 위해 3x3행열 내부의 수가 얼마가 되어 야하는지를 컴퓨터로 추정하는 것이 CT의 원리이다. - 89 -
(3) 태양풍의 CT관측 태양의 자전을 이용하여 태양풍을 여러 각도에서 관측한 정보를 얻을 수 있다. 이것을 이용한 것이 태양풍의 CT해석이다. 그림 26. 태양풍 CT 관측 3. 우 주 환 경 서 비 스 나고야 대학의 STEL 연구소는 우주환경 연구와 관련하여 GEDAS(Geospace Environment Data Analysis System)에 포함되 어 있다. 특히 IPS 장비를 이용해서 태양풍 데이터를 실시간으로 제공하고 있다. 가. IPS 데이터를 이용한 우주환경 예보 - 90 -
(1) 태양풍 예보 그림 27. 태양풍 속도 맵 그림 28. IPS g-값 맵 (2) 지구에서의 태양풍 실시간 예보 그림 29. 밀도 분포 그림 30. 태양풍 속도 분포 (3) 지구에서의 태양풍 속도와 g-값 예측 그림 31. 태양풍 속도와 g-값 예측 - 91 -
제 4 절 호 주 I P S 전 파 우 주 서 비 스 ( I P S R a d i o a n d S p a c e S e r v i c e s i n Au s t a l i a n ) 호주의 우주천기 서비스는 호주 정부의 산업 관광 자원부 소속인 IPS전파 우주국에 의해 제공받는다. IPS는 호주 우주예보센터를 관리 운영한다. 그것을 통해 광범위한 서비스가 우주의 날씨에 영 향을 받는 다양한 수많은 사람들에게 제공된다. 이 서비스를 제공 하기위해 IPS는 호주 전 지역에 태양, 지자기, 이온층의 상태를 감 시하는 관측소망을 갖고 있다. 여기에는 호주 동부의 컬구라에 위 치한 태양관측소와 호주 서부의 리어만스 태양관측소(미 공군과 공 동으로 관리)가 포함되어 있다. IPS는 우주의 날씨상태를 지속적으 로 감시하는데 필수적인 광범위한 국제 자료에 접근할 수 있다. IPS 우주천기 서비스는 팩스나 전자메일로도 제공되지만 대부분의 인터넷 국제전산망인 월드 와이드 웹을 통해 고객에게 제공된다. 이 매체는 IPS가 많은 혁신제품을 생산하도록 해준다. 여기에서 IPS는 이온층 예보 서비스(I onospheric P rediction S ervice)의 약어 이다. IPS는 호주 국립전파통신 및 우주천기서비스를 제공하는 호주 우 주천기국으로 우주천기에 영향을 받고 IPS 에 의해 지원되는 체계 및 기술은 다음과 같다. 1 HF 전파 통신 및 감시체계 2 지구탐사, 전력 시스템보호 및 장거리 파이프라인 보호 3 위성 및 우주선 운영 4 우주환경분야의 국내외 연구를 위하여 지원 IPS는 고객을 지원할 우주환경자료의 수집을 위해 호주지역과 남극에 위치한 감시, 관측소의 광범위한 관측망을 운영한다. IPS는 전세계의 유사한 조직들과 정보를 교환하고 있다. - 92 -