KISTI의 과학향기

“태양폭발로 일어날 수 있는 최악의 사태는 미국 동북부와 같은 넓은 지역이 2~3일간 대규모 정전을 겪을 수 있다는 것입니다.”

미국항공우주국(NASA) 조세프 데이빌라 박사의 말이다. 그는 지난 2011년 3월 17일에 한국천문연구원을 찾아 ‘2013년 우주환경재난 전망과 대응’에서 발표했다. 이런 세미나가 열린 배경에는 2011년 2월 15일에 관측된 태양폭발이 있다.

이날 오전 10시 40분경(한국 시각) 강력한 태양폭발이 일어났다. 태양 정면에서 일어난 이번 폭발은 초속 900km의 태양폭풍을 동반했다. 약 3일 후에 지구에 도달한 태양폭풍은 일부 고위도 지방에 통신 장애를 일으켰다. 전문가들은 최근에 볼 수 있었던 가장 강력한 태양폭발이었다고 밝히고 있다.

이번 태양폭발은 여러 매체에서 다뤄졌다. 태양폭발이나 태양폭풍의 위험성에 대해 경고하는 내용이 주를 이뤘다. 그런데 대규모의 폭발이라고 하기에 우리가 겪은 현상은 미미하다. 실제로 태양폭풍은 통신장애와 대규모 정전을 일으킬까?

태양폭풍에 대해 알려면 우선 태양활동을 이해해야 한다. 사실 태양은 우리가 막연히 생각하듯 항상 일정하게 똑같은 빛을 내는 천체가 아니다. 우리 눈이 감지할 수 있는 빛인 가시광선으로 볼 때 태양은 꽤 일정한 상태를 유지한다. 하지만 자외선, 엑스선 등으로 시야를 넓히면 상황은 전혀 달라진다. 태양활동에 따라 큰 변화를 보이는 것이다. 흑점 출현, 홍염 분출, 플레어 폭발, 태양물질방출 등의 현상이 모두 이런 사례다. 태양에서 일어나는 이런 다양한 현상을 태양활동이라 한다.
태양활동 중 우주환경에 가장 큰 영향을 미치는 게 ‘플레어(flare)’와 ‘태양질량방출(CME·Coronal Mass Ejection)’이다. 플레어는 우리가 흔히 이야기하는 태양폭발이고, CME는 태양폭풍인데, 두 가지 현상은 대부분 함께 일어난다.

태양폭발은 태양의 자기에너지(magnetic energy)가 열이나 빛의 형태로 방출되는 현상이다. 쉽게 말해 빛의 폭발이라 할 수 있다. 반면 태양폭풍은 빛의 형태가 아닌 직접적인 물질이 방출된다. 따라서 두 현상에는 많은 차이점이 있다. 태양폭발의 영향은 즉각적이다. 이 때문에 방출된 빛은 8분 정도면 지구 근처까지 도달한다. 반면 지금까지 관측된 가장 빠른 태양폭풍은 초속 3,000km 정도다. 이 속도로 지구까지 도달하려면 최소한 하루나 이틀이 소요된다.

그렇다면 태양폭발이나 태양폭풍은 지구에 어떤 영향을 미치는 것일까? 먼저 태양폭발이 일어나면 강한 엑스선과 극자외선이 생긴다. 이런 파장은 지구 전리층까지 도착해 전자의 밀도를 높이는데, 이 때문에 통신이 끊어질 수 있다.

전리층은 30MHz보다 짧은 주파수의 전파를 반사하는 성질을 가지고 있다. 이런 성질은 원거리 통신에 이용돼 왔다. 그런데 태양폭발 때문에 전리층에 있는 전자의 밀도가 변하거나 자기장폭풍 때문에 전리층이 교란되면 통신에 장애가 온다. 현재 우리가 사용하는 위성통신뿐 아니라 위성을 활용한 항법 시스템은 여러 곳에 사용되고 있다. 이런 신호는 모두 전리층을 통과하고 있으므로 전리층의 밀도가 변하거나 교란되면 통신장애가 생기거나 항법시스템에 문제를 일으킨다.

태양폭풍은 대기권 밖의 우주비행사나 인공위성에 직접적인 영향을 미친다. 고에너지 입자에 노출된 우주비행사는 생명에 위협을 받고, 인공위성은 훼손되거나 수명이 단축될 수 있다. 또 태양폭풍은 지구자기장을 압축시키고, 고에너지 입자 일부는 지구 극지방의 대기권 상층부로 들어온다. 이렇게 들어온 태양폭풍은 지구 자기권을 변형시켜 지자기폭풍을 일으키고 극지방에 오로라를 만든다.

지구 자기권의 변형은 땅 속에 흐르는 자연전류(지전류)를 유도한다. 지전류가 흐르면 지상의 전력시스템에 장애를 가져올 수 있다. 이 때문에 대규모의 정전이 일어나거나 송유관이 부식돼 경제적으로 손해를 입을 수도 있다.


한국천문연구원에서 태양흑점을 관측한 이래로 태양흑점수가 평균 11년을 주기로 증가, 감소하는 것이 확인됐다. 이를 태양활동 주기라 한다. 전통적으로 1755년~65년 주기를 태양활동 제1주기라 한다. 2011년 현재는 태양활동 24주기의 상승기에 해당하며 태양활동극대기는 2013년 중반으로 예측되고 있다.

앞으로 점차 태양활동이 증가할 것이며 그에 따라 태양폭발과 태양폭풍도 점점 빈번해 질 것이다. 우리가 태풍이나 지진과 같은 자연재해를 완전히 제거할 수 없듯이, 태양활동에 의한 피해도 자연재해라는 인식을 가져야 한다. 태양활동에 의한 우주환경의 변화 역시 우리가 근원적으로 제거할 수는 없으며 그 특성을 정확히 알고 대비해야 피해를 줄일 수 있을 것이다.

개개의 태양폭발이나 태양폭풍 발생을 예측하는 것은 현재의 기술수준에서 매우 어렵다. 다만 대개의 경우, 특히 큰 태양폭발의 경우 태양폭풍이 같이 발생하기 쉽다. 태양폭풍의 경우는 언제 일어날지 예측하기 어렵지만 일단 태양폭풍이 발생하면 언제 지구에 도달해 영향을 줄지는 예측하기가 비교적 수월하다. 현재까지 대부분의 연구결과에서 대개 12시간의 오차 이내에서 태양폭풍의 지구도달 시각을 예측하는 것이 가능하다.


태양폭발과 그에 따른 태양폭풍으로 인해 통신에 장애가 생기는 것을 막을 수는 없지만 우리가 태양활동을 적절히 예보할 수 있다면 통신장애의 문제를 피할 수는 있을 것이다. 예를 들어 태양폭발에 의한 전리층의 급변은 일조지역의 비행통제에서 사용되는 통신 주파수에 영향을 준다. 때문에 단파(1~30MHz) 통신의 원활한 운용을 위해서는 전리층 변화에 영향을 받지 않는 높은 주파수로 주파수 운용을 변경하든지 대체 통신수단을 강구하면 된다.

한국천문연구원은 2007년부터 정부의 지원으로 ‘우주환경예보센터구축’사업을 수행하고 있다. 현재는 초보적인 우주환경감시 정보를 제공하고 있지만 2013년경에는 태양활동에 따른 우주환경예보를 수행할 수 있을 것이다. 이와 같이 국가적인 차원의 우주환경 변화를 예·경보하는 체계를 갖춘다면 통신장애에 대한 피해를 줄이고 안정적인 통신 환경을 이용할 수 있을 것이다.

글 : 김연한 한국천문연구원 태양우주환경연구그룹장