지구 대기 중 입자의 산란과 연관이 있는 전자기파

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-09

영국 다트머스 대학 소속의 연구진이 수행한 연구는 지구에 대한 우주 기후의 영향을 조명했으며, 최초로 지구의 복사대(radiation belts)를 난타하는 플라즈마 파(plasma waves)가 대기 중 하전된 입자(charged particles)를 산란시키는데 책임이 있다고 제안했다. 연구는 플라즈마 파와 지구 복사대로부터 전자의 낙하 사이의 연관관계를 분석한 연구 중 가장 세부적인 분석이다. 복사대는 GPS, 인공위성, 통신 시스템, 전력망 및 유인 우주 탐험(manned space exploration) 등을 방해할 수 있는 태양 활동에 의해 기인하는 우주 기후의 변화에 따라 영향을 받는다. 관련 연구는 Geophysical Research Letters 저널에 발표됐다. 다트머스 대학 우주 물리학자들은 나사가 후원하는 연구팀의 일원으로 밴 앨런 복사대(Van Allen radiation belts)를 연구했다. 밴 앨런 복사대는 지구를 둘러싸고 있는 자기장인 지구의 자기권(magnetosphere)에 위치하는 하전된 입자의 도넛 형태의 벨트이다. 우주 기후를 보다 더 우수하게 예측하고자 하는 필요에 따라, 다트머스 대학 연구진은 입자가 비로 하강하는 것을 평가하기 위하여 더 낮은 고도에서 측정 장치를 실은 풍선인 수십 개의 BARREL(Balloon Array for Radiation belt Relativistic Electron Losses)과 높은 지구 상공의 쌍둥이 인공위성인 나사의 Van Allen Probes를 통하여 상호 보완적인 위와 아래의 복사대를 연구했다. 나사의 BARREL 연구팀은 2014년 3월 복귀하는 3개월 동안 임무를 수행할 20개의 풍선을 남극 대륙에 배치했다. BARREL의 임무는 신비에 싸인 밴 앨런 복사대의 이해를 개선하는데 있다. 지구를 둘러싸고 있는 두 개의 거대한 도넛 모양의 복사대인 밴 앨런 복사대는 유입되는 에너지, 일광으로부터의 입자 및 때때로 인공위성이 혹독한 복사 노출 등에 반응하여 축소되거나 확장될 수 있다. 남극 대륙에서 연구팀은 남극 인근 자기장을 하강하는 밴 앨런 복사대로부터 대기로 산란되는 하전된 입자를 감지하는 장치를 실은 20여 개의 풍선을 진수했다. 각각의 풍선은 3주 동안 극 주변을 이동했다. 연구팀은 나사의 두 개의 Van Allen Probes로부터 얻은 관측과 BARREL 자료를 조정하여 밴 앨런 복사에서 지구로 하강하는 입자가 어떻게 일어나는지에 대한 이해를 개선할 것으로 기대된다. 인공위성인 Van Allen Probes는 입자, 전기장 및 자기장 또는 복사대 환경에서 극지대에서 만나는 지구의 자력선(magnetic field lines)을 따라 하강하는 전자를 포함한 기본적인 모든 요인 등을 측정했다. 위에 언급한 요인과 관련된 정보를 얻기 위하여, 풍선은 최적의 관찰이 수행될 수 있는 남극 대륙에서 진수됐다. 낙하하는 전자가 대기와 충돌할 때, 전자는 X-선을 생성하고, 풍선에 설치된 측정 도구는 이와 관련된 과정을 실제로 기록하는 것이다. 연구진은 입자가 어떻게 대기를 어떻게 밀어 올리는지를 이해하고 대기 소실을 측정할 예정이라고 다트머스대학 물리 천문학부 소속의 조교수이며, BARREL의 주조사관인 Robyn Millan은 밝혔다. 연구진의 주요 초점은 우주에서 발생하는 공정에 있다. 밴 앨런 복사대에 존재하는 입자는 결코 지상에 도달하지 않으며, 따라서 건강 위협이 되는 것으로 여겨지지 않고 있다. 더 정확히 말하자면 X-선이 흡수되기 때문에, 우리가 이러한 X-선을 관찰하기 위한 고도로 풍선을 보내야만 하는 것이다. 새로운 연구에서, BARREL 연구진의 핵심 목표는 지구의 적도 근처 우주로 나가는 플라즈마라고 불리는 이온화된 기체와 산란된 입자를 동시에 측정하는 것이다. 연구진은 특히 전자기 이온 사이클로트론 파(electromagnetic ion cyclotron waves)라고 불리는 특별한 종류의 플라즈마 파를 동시에 측정하는 것과, 수년 동안 해결되지 못했던 문제인 이러한 파가 입자의 산란에 책임이 있는지 여부에 대하여 관심을 가지고 있다. 연구진은 풍선과 Van Allen Probe 인공위성 및 지구 대기 개발 계획(GARP)의 하나로, 세계적인 기상 관측에 참여하고 있는 미국의 정지 기상 위성인 GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)가 동일한 자력선 근처에 있었던 시기인 2013년 남극 대륙에서 측정을 얻었다. 연구진은 인공위성 자료를 파-입자 상호 작용 이론(wave-particle interaction theory)을 테스트하는 모델에 입력했으며, 얻어진 결과는 파의 산란(wave scattering)이 입자 낙하의 원인이었다고 제안했다. 이것은 이론에 대한 최초의 실질적인 정량적 테스트라고 Millan은 밝혔다. 그림1> 지구의 복사대로부터 전자의 낙하를 평가하기 위하여 남극 대륙 상공의 보다 더 낮은 고도에 다트머스 연구진과 BARREL(Balloon Array for Radiation belt Relativistic Electron Losses) 동료 연구진 3010895_physorg_20150106_FIG1.jpg http://phys.org/news/2015-01-electromagnetic-linked-particle-fallout-earth.html