전리층이란?

출처,우주전파센터 http://spaceweather.rra.go.kr

 

 

   

전리층의 변화 현상은 일일, 계절, 위도, 태양활동 주기에 따른 변화 등 크게 4가지로 나눌 수 있습니다.

일일변화는 전리층 생성의 주요한 원인인 태양 복사의 존재 유무에 따라서 밤과 낮의 전자밀도가 차이가 발생합니다. 특히 야간에는 F1, F2층의 구분이 사라집니다. 계절 변화는 사계절에 따라서 F2층의 높이가 변하는데 우리나라의 경우 춘, 추분에서 F2층의 임계주파수인 foF2값이 연중 최대 값을 가지며 여름과 겨울에는 상대적으로 낮게 측정됩니다.

그리고 전리층은 저위도, 중위도, 고위도마다 변화 양상이 각기 다르게 나타나며 태양 활동 주기에 따라서 foF2 측정값이 2배 이상 차이가 나기도 합니다. 특히 태양활동 주기 변화에 있어서 foF2 값의 변화를 가지고 예측이 가능할 정도로 태양활동과 밀접한 관계가 있습니다.

       

전리층은 지표면 상공 약 50km부터 2,000km까지의 공간을 일컫는 것으로 입자들의 이온화가 매우 중요한 물리적 파라미터로 작용하는 영역입니다. 전자밀도 분포에 따라서 C, D, E, F1, F2층으로 나눌 수 있는데, 이온화를 일으키는 주원인은 태양으로부터 방출되는 자외선과 X선과 같은 전자기 복사 때문입니다.

그 외에 태양과 자구 자기권으로 유입되는 강력한 전하입자와 은하 우주선도 전리층 이온화에 커다란 영향을 미칩니다. 태양의 복사는 대기를 통과할 때 점차적으로 흡수되기 때문에 잔여 이온화력은 대기경로의 길이에 의존하는데, 결과적으로 태양의 천정각(χ)에 의존합니다. 최대 이온화율은 태양이 머리 위에 있을 때(χ=0) 일어나지만 이온화 정도는 지리적 위치와 시간적 변화(일일, 계절, 년)에 따라 다르게 나타납니다. 태양 복사와 전하입자에 의한 이온화정도는 전자와 양이온의 충돌적인 재결합과 중성의 가스 원자 및 분자에 전자가 붙는 현상 등에 의해 나타나는 이온화 손실정도와 균형을 이춥니다. 전리층의 구조는 태양의 이온화 플럭스(flux), 중성대기의 수직 분포 및 흡수 효율, 그리고 태양의 천정각 등을 이용하여 수학적 모델로 나타낼 수 있는데, 1931년 Chapman은 등온, 단일 성분의 대기에 대해 단색 태양 복사(monochromatic solar radiation)에 의해 나타나는 전리층 모델을 처음 개발하였습니다. 이것은 E층과 F1층의 형성에 대해 합리적으로 근접하고 있는 것처럼 보이지만 D층과 F2층에 대한 설명으로는 빈약합니다. 특히 90km이하 고도인 전리층의 최저 부분에서 이온화의 절대적인 원천은 은하우주선이며, 결과적으로 이 고도에서 전자 밀도변화는 태양의 천정각 의존성에 지배를 받지 않습니다.

D층은 대체로 50∼90km의 범위에 걸쳐 있는데, 이 부분의 전자밀도는 고도의 상승에 따라 급속도로 증가합니다. D층은 낮과 밤의 전자 밀도 변화가 상당히 크며, 이 편차는 고도간격 70∼90km 사이에서 가장 크고 일반적인 최대 전자 밀도는 108∼109전자/㎥가 됩니다. 또한 D층의 전자 밀도는 계절의 변화에 따라 뚜렷하게 변하는데, 여름에 최대 값을 가지며 겨울에 최소 값을 가집니다. 70∼90km 지점에서는 태양의 X선이 이온화에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 이온화율은 태양 주기의 최고점에서 가장 큽니다.

E층은 고도 90∼130km 범위를 일컫는데, 이 층은 Chapman모델에 근사하게 따르는 규칙적인 층으로, 전자밀도는 태양의 천정각에 따라 크게 변하며, 최대 전자 밀도는 정오 가까이에서 나타납니다. 최대 전자 밀도의 고도는 약 110km이고, 약 3MHz의 최대 플라즈마 주파수에 부합하는 약 1011전자/㎥의 밀도 값을 보이며, 밤에는 플라즈마 주파수가 0.4∼0.6MHz까지 떨어집니다. 또한 E층은 태양의 극대기에서 최대 층밀도를 보입니다. 이 부분에는 스포래딕 E라고 불리는 것들이 나타나는데, 이것은 국지적으로 전자밀도가 주위보다 가끔 몇 배씩 높아지는 현상을 일컬으며 중위도에서는 여름의 낮 시간에 가장 빈번하게 일어납니다.

F층은 130km이상의 상공을 가리킵니다. F층은 F1층과 F2층으로 나눌 수 있는데 이 구분은 낮에만 나타납니다. F1층은 최대 전자밀도가 2×1011/㎥인 130∼210 km고도 범위이고, E층처럼 F1층은 Chapman모델에 유사하게 따르지만 태양 천정각 의존성은 E층과는 다릅니다. F2층은 전자밀도가 가장 크게 나타나는 지역으로 낮의 1012/㎥부터 밤에 5×1010/㎥까지 걸쳐있는데, F2층은 바람, 확산 그리고 다른 역학적인 효과에 의해 강하게 영향을 받기 때문에 Chapman공식에 의해서 잘 나타낼 수 없습니다.

전리층 현상

전리층 현상	특징	생성원인
스포라딕 E 층	HF 통신 장애, VHF 통신 두절 늦봄에서 초가을 집중, 주간에 빈번	전리층 E영역에서의 고밀도 전자구름
단파두절 (델린저)	HF 통신 수분에서 수시간 단절 태양활동 극대기에 빈번	플레어에 동반된 강한 X선
전리층 폭풍	수일동안 지속, U/VHF 통신 장애 급격한 태양활동과 연관	지자기 섭동, 태양코로나 코로나 구멍
신틸레이션	F층의 발생과 관련되는 자정에 최대 위성 통신 장애, 전파감쇠의 주원인	불규칙 전자밀도 분포

우주전파센터는 이천 및 제주 상공에 전리층 변화를 15분 간격으로 관측하고 있습니다.
아래의 그림은 제주도의 전리층 상태를 나타낸 이미지이며 관측데이터는 실시간으로 SWPC 및 WDC에 전송하고 있습니다.

.우주전파센터 http://spaceweather.rra.go.kr