전리층이란 (우주전자파연구센터 제공)

[별지기]

전리층은 영어의 이온(ion)이란 단어와 영역(sphere) 이라는 단어가 결합되어 이루어진 것으로 고층 대기 구성 물질의 이온화 정도에 따라 구분되는 영역을 일컫는 말이다. 즉, 물리적으로 보면 구성 입자들의 이온화 정도가 매우 중요한 물리적 요인으로 작용하는 영역이다. 전리층의 영역의 범위는 전리층을 보는 시각에 따라 차이가 있다. 전리층을 이용한 통신을 연구하는 사람의 관점에서 보면 최고 높이가 600-800km 사이지만 전리층의 물리적 특징을 연구하는 관점에서 보면 최고 2,000km까지 확장할 수 있으므로 전리층 영역은 지표면 상공 65km부터 2,000km까지의 공간이라고 할 수 있다.

전리층은 태양으로부터 복사되는 극자외선(EUV : Extreme Ultra-Violet)과 X-선과 같은 전자기 방사(빛의 일종)와 먼 은하로부터 오는 우주선(cosmic ray)이 지구의 상층 대기의 구성 원자를 이온화시킴으로써 생성된다. 고층 대기 높이에 따른 이온화 정도는 빛의 파장 함수로써 간단히 나타낼 수 있으므로 태양 복사세기와 전리층을 이루고 있는 중성가스의 이온화 정도에 의존한다. 따라서 태양복사가 대기를 투과하는 복사 경로가 길어질수록 복사강도가 약해지므로 결과적으로 태양의 천정각에 의존하며 최대 이온화가 나타날 때는 천정각이 0。 일 경우이다. 즉, 태양이 머리 위에 있을 때가 전리층 구성원소들의 이온화 정도가 가장 크며 이 때가 전리층의 전자밀도가 가장 높게 나타나게 되는 것이다.

태양에서 복사되는 대부분의 에너지는 약 5 x 103 Jm2의 선속(flux)을 가지고 있는 수소 Ly-α(121.6nm)와 그보다 수 십배 약한 헬륨 Ly-α(30.4nm)선에 집중되어 있다. 지표면에서 보면 Ly-α는 지표면으로부터 60km까지 전자 생성에 크게 기여를 하며 80km정도에서 가장 큰 영향을 준다. 태양의 활동이 조용한 시기의 X-선은 약 90km에서 가장 큰 영향을 주며, 태양 플레어에서 나오는 X-선은 지표면에서도 원자를 이온화시킬 만큼 강한 에너지를 가지고 있다.

전리층은 다음과 같이 나누어 구분하고 있다. 전리층의 존재가 알려진 초창기에 당시 통신에 주로 쓰던 HF(High Frequency)파가 반사되는 층을 E층이라고 칭한 후에 그 성질이 E층과 구분되는 영역을 영문자 순서대로 D층과 F층으로 나누었으며 이를 다시 F1층과 F2층으로 나누었다. 또한, 태양의 활동이 약 11년을 주기(극성변화를 고려하면 22년)로 변화함에 따라서 전리층에서의 전자밀도가 변화한다.

D층은 고도의 상승에 따라서 전자 밀도가 급격하게 증가하며 전자의 최대밀도가 태양의 복사량이 최대가 되는 태양정오 이후에 일어나며 태양의 복사량이 최저가 되는 밤에는 밀도가 급격하게 낮아진다. D층의 전자밀도는 여름에 가장 크며 계절적 변화 또한 매우 심하다. 그리고 태양의 X-선이 지배적인 원천이 되는 70 - 90km의 범위에서 태양활동 극대기 때 전리정도가 최대가 된다. 태양활동의 극소기일 때에는 70km이하에서 우주선에 의한 전리가 지배적이다.

E층은 고도 90 ~ 160 km 에 걸쳐 있으며 1902년 마르코니의 최초 대서양 횡단 무선통신과 관련하여 전리층 반사를 설명할 수 있게 했다. 강하게 이온화된 간헐적인 입자들이 때때로 광범위한 고도에서 관측되기도 한다.

F층은 130km이상의 상공의 영역을 나타내며, 수직전자밀도의 윤곽으로 F1과 F2를 구분하고 있다. 그러나 야간에는 전리층에서의 전자 발생에 크게 기여하는 태양 복사의 소멸로 이러한 구분이 되지 않고 있다.

F2층의 전자밀도는 낮과 밤의 차이가 약 100배로서 주간에는 1012/m3이고 야간에는 5x1010/m3정도의 값을 가진다. 적도 이상변동은 지자기 적도를 중심으로 ±20 ∼ 30。범위 내의 F2층의 전자밀도가 태양의 천정각에 대한 존속성에서 크게 이탈되는 현상으로 적도부근의 태양 복사가 가장 크므로 적도부근의 전자밀도가 가장 크리라고 생각되지만 실제의 경우에는 지자기 적도로부터 남북으로 떨어진 지역에서 전자밀도가 최대값을 가지는데 이러한 현상을 분수 메커니즘으로 설명하고 있다. E층과 F층은 HF통신에서 무선파를 반사하는 역할을 하기 때문에 장거리 육상 및 해상 통신에 사용되고 있으며, D층에서는 VLF와 ELF파가 반사되지만 HF파는 신호 감쇠를 일으키는 흡수 역할을 하고 있다. 위치 측정에 많이 사용되는 GPS 위성 신호는 전리층을 통과하면서 시간적 지연으로 인하여 위치 정밀도를 낮추기 때문에 전리층에 대한 연구가 매우 중요하다.