자기 폭풍: 자기권의 혼란과 이로인한 지구 통신의 영향-델린저 현상

 

 

 

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자기 폭풍이란 그 이름처럼 지구자기장이 갑자기 불규칙하게 일시적으로 변하는 현상을 가르킵니다.

 

1741년 스웨덴의 천문학자 A.셀시우스가 오로라(Aurora)의 변화에 따라 지구자기가 변동하는 것을 최초로 발견했습니다. 태양풍은 태양으로부터 N또는 S의 극성을 지니고 있는 자기장을 가지고 옵니다. 만약 폭발적인 태양풍이 지구의 자기권과 접촉해서 이를 확대하거나, 혹은 태양풍이 남쪽 방향의 극성을 지니고 있다면, 지자기 폭풍이 일어날 것을 예상할 수 있습니다. 남쪽 방향의 자기장은 태양측 지구 자기권계면의 자기 재결합을 유발하며, 자기 에너지 및 입자 에너지를 지구 자기권에 급격하게 분사합니다.

지자기 폭풍 동안에, 이온층의 F2 층은 불안정해지고, 조각나며, 심지어 없어지기도 하며 이렇게 쏟아진 입자들은 때때로 전리층 폭풍이나 우주선폭풍을 동반하기도 하고, 극지방에서는 오로라를 생성해 내기도 합니다.

 

 

자기 폭풍으로 인한 다양한 생태계 영향

 

 

1. 생물_생태 시스템과 이주 동물에 대한 영향 
지자기장의 변화가 생물에 영향을 준다는 많은 증거가 있습니다. 육체적으로 스트레스 받는 인간의 생태 시스템이 지자기장의 변화에 기인한다는 연구도 있습니다.
태양의 변화가 생물체에 미치는 영향에 관해 가장 자세히 연구된 사례는 아마도 지자기 폭풍 동안의 전서구(통신을 위해 훈련된 비둘기)의 비행 능력의 저하를 들 수 있습니다. 비둘기 및 돌고래나 고래와 같은 이주(옮겨다니는) 동물은 신경 세포로 둘러싸인 자철광으로 구성된 내부 방향 기관을 가지고 있습니다. 비록 이것이 방향 설정을 완전히 결정하는 요인은 아닐지라도, 많은 비둘기가 원래의 장소로 돌아오는 임무에 실패하는데, 이러한 실패가 지자기 폭풍 때 발생합니다.

 

2. 방사능 방출로 인한 피해 

폭발로 인한 강렬한 태양 플레어는 핵폭발 시 약한 에너지 방출 피해와 맞먹는 고에너지 입자를 방출합니다. 지구의 대기와 자기권은 지상의 생명체를 이러한 피해로부터 지켜 주지만, 우주비행사는 잠재적으로 방사능에 치명적인 피해를 입을 우려가 있습니다. 고에너지 입자가 살아있는 세포를 관통할 경우, 유전자 손상, 암, 혹은 다른 건강 관련 문제의 원인이 될 수 있으며 다량 노출될 경우 즉각 치명타를 입을 수 있으며 30 MeV 이상의 태양 양성자는 특히 해롭습니다. 

1989년 10월, 태양이 고에너지 입자를 방출한 적이 있는데, 만약 달에서 단지 우주복만을 입은 우주 비행사가 이 폭풍을 정면으로 맞았다면 거의 즉사 했을 만한 양이었습니다. 이 때 방사능 노출 예상치는 7000 rem 정도나 되었습니다(달 토면 아래 방공호에 피신할 시간이 있다면, 미량의 방사능에만 노출되었을 것입니다). 미르 우주 정거장의 우주 비행사는 지상에서의 방사능 1년 노출치의 약 두 배에 해당하는 방사능에 매일 노출 되며, 1989년 말의 태양 폭풍 동안에는 1년치의 방사능 노출 한계를 단 몇 시간에 채울 수 있었습니다.

 

태양 양성자가 방출되면 고고도에서 비행하는 비행기 탑승객에 보다 많은 방사능을 노출시키기도 합니다. 비록 위험성이 낮기는 하지만, 인공 위성 검출기는 이러한 태양의 현상을 감시하며 승무원 등의 방사능 노출 정도를 줄이기 위해 항로나 고도를 조정하도록 도움을 줍니다.

 

3. 지구 환경에 미치는 영향

태양은 지구 대기 순환을 야기하는 열으로 비록 태양이 에너지의 원천으로 오랜 기간 가정되었지만, 근래의 태양 상수의 측정은 태양의 에너지가 11년의 태양 주기 동안 0.2%까지도 변할 수 있다는 것을 보여줍니다. 또한 0.5%에 이르는 일시적인 감소도 관측된 적이 있습니다. 대기 과학자들은 이러한 변화는 매우 중요하며, 시간이 지남에 따라 환경을 변화시킬 수 있다고 경고합니다. 식물 성장은 태양의 11년 주기의 태양 흑점 및 22년 주기의 자기 주기에 따라 변한다는 것을 나이테로 증명합니다.

태양 주기가 지난 300년간 거의 일정했음에도, 17세기와 18세기 사이의 70년 동안 매우 적은 수의 흑점이 관측(망원경의 보급에 비해)된 시기가 있는데 이러한 흑점수의 감소는 유럽에서 소빙하기를 유발했으며, 태양과 환경의 관련성을 보여준다고 할 수 있습니다. 최근, 태양의 변화와 환경과의 보다 직접적인 관련이 언급되었는데 적도 근처의 성층권 기류는 태양주기에 따라 방향이 변한다는 것입니다. 이러한 기류의 변화가 어떻게 지구의 순환 방식 및 기상에 영향을 주는지에 관한 연구가 현재 진행 중입니다. 

양성자 사건이 일아나는 동안은 보다 많은 고에너지 입자가 지구의 중간 대기층에 돌입합니다. 이러한 입자는 분자의 이온화를 야기하며, 대기 중의 오존을 파괴하는 화학 물질을 생성하는데, 이로 인해 더 많은 양의 해로운 태양 자외선이 지표면에 도달합니다. 1982년의 태양 양성자 사건 때에는 오존 밀도가 일시적으로 70% 감소하기도 했었다.

 

 

 

자기 폭풍으로 인한 지구 통신체계 영향

 

많은 통신 시스템은 무선 신호를 이온층에 반사시킴으로써 원거리 통신을 합니다. 이온층 폭풍은 모든 고도에서의 무선 통신에 영향을 미칠 수 있습니다. 일부 무선 주파수는 흡수되며 일부는 반사되는데, 이는 신호에 기복을 주며, 예측하지 못할 진로를 가지게 한다. 텔레비전나 라디오 방송은 비교적 태양 활동에 영향을 받지 않지만, 지상-공중, 배-해안, 아마추어 무선 등은 자주 혼란이 야기되며 고주파 무선 사용자는 통신 연결을 유지하기 위해 태양 및 지자기 경보를 참고해야 합니다. 

일부 군사 탐지 및 조기 경보 시스템 역시 태양 활동에 영향을 받습니다. 가시거리 외 레이다는 원거리의 비행기 및 미사일을 감시하기 위해 이온층에 신호를 반사시키는데 지자기 폭풍 동안 이 시스템은 무선 혼란에 심하게 방해를 받습니다. 일부 잠수함 탐지 시스템은 위치 추적 기술로 잠수함의 자기적 서명을 사용하는데 지자기 폭풍은 이러한 자기 신호를 왜곡하기도 합니다. 

미국 연방 항공청은 일상적으로 태양 폭발의 경보를 수신해서 통신 문제를 인지하여 불필요한 유지 보수를 없애고 있습니다. 항공기와 지상 통신 기지가 태양과 일렬로 놓인다면 무선 주파수 전파 방해가 발생할 수 있는데 이는 지구와 인공 위성 그리고 태양이 일렬일 때에도 마찬가지로 발생할 수 있습니다.

 

1935년 미국의 물리학자 델린저가 통신전파의 이상감쇄현상이 태양의 자전주기와 폭발과 관련됨을 발견하여 델린저현상이라 이름 붙여 졌습니다. 델린저 현상은 짧을 때에는 5∼10분, 길 때에는 수시간 계속되는데 최근 국제통신은 전리층의 영향을 받지 않는 짧은 파장의 전파를 사용하는 경우가 많기 때문에 이런 현상이 줄었습니다.