전리층과 전파반사

전리층이란 간략하게 요약하면,   태양에너지(태양빛)에 의해 공기분자가 이온화 되어 자유전자가 밀집된층을 말한다.

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전리층(電離層) 또는 이온층은 태양 복사에 의하여 이온화된 대기의 층을 말한다. 전리층은 공중 전기에서 중요한 역할을 담당하고 있을 뿐 아니라 자기권의 가장 안쪽을 이룬다. 전리층은 전파 진행에 중대한 영향을 미치기 때문에 실용적인 관점에서 연구되어왔다.

 

지구 대기의 가장 안쪽 부분은 대류권이라고 하며 지표로부터 약 10km 높이까지를 말한다. 10km와 50km사이의 대기를 성층권이라고 하며, 50km부터 80km높이의 대기는 중간권이라고 한다. 오존층은 성층권에서 형성된다. 80km이상의 높이에 있는 대기의 층을 열권이라고 하는데, 대기가 매우 희박하여 자유전자들이 존재한다. 이들 자유전자는 주위의 양이온에게 포획될 때까지 짧은 시간동안 이동할 수 있다. 자유전자의 밀도는 전파의 진행에 영향을 주기에 충분한 정도이다. 이온화되어서 부분적으로 플라스마화 되어있는 대기의 층을 전리층이라고 한다. 플라스마안에서는 음전하를 띠는 전자와 양전하를 띠는 양이온이 존재하여 전자기력이 작용하여 서로 끌어당기고 있지만 각자의 에너지 상태가 너무 높아서 중성의 원자로 안정적으로 존재할 수 없다.

자외선과 X선 영역의 태양 복사는 중성의 원자나 분자를 이온화 할 수 있다고 생각된다. 이 주파수 영역의 광자는 전자를 떼어놓기에 충분한 에너지를 가지고 있기 때문이다. 그러나 동시에 자유전자들은 주변의 양이온과 인력이 작용하여 다시 중성원자로 돌아가는 재결합 작용 또한 일어나고 있다. 고도가 낮아서 기체의 밀도가 높은 곳에서는 기체 원자가 서로 가까이 있기 때문에 재결합의 속도가 빠르다. 두 작용이 균형을 이루는 속도가 이온화 정도를 결정한다.

이온화 정도는 태양과 그 활동에 달려있다. 전층의 이온화 정도는 태양으로부터 받는 복사의 양에 따라 대부분 결정된다. 따라서 전리층의 활동에는 일변화와 연변화가 있음을 예상할 수 있다. 예를 들면 겨울에 해당하는 반구는 태양을 등지고 기울어져 있는데, 그래서 적은 태양복사를 받게 된다. 또 태양의 활동은 흑점 주기와도 연관이 있는데, 흑점이 많을 때 태양은 더 많은 복사를 방출한다. 입사되는 태양복사의 양은 위도에 따라서도 달라진다. 한편 전리층을 흐트려뜨리고 이온화를 방해하는 작용도 존재하는데, 태양 플레어 현상에 수반되어 방출된 대전입자는 태양풍에 의해 날려와 지구에 도달하면 지구자기장과 상호작용한다.

전리층의 층들

대기 성분은 고도에 따라 달려지는데, 다양한 주파수에 실려 오는 태양복사 에너지는 성분에 따라 나뉘어진 지구 대기의 서로 다른 고도에서 작용하여 몇 개의 이온화 층을 만든다.

D층

D층은 가장 안쪽에 있는 층으로 지구 표면으로부터 50km에서 90km사이에 위치한다. 이 층에서 생기는 이온화는 리만 계열 알파 수소 복사인데, 파장은 121.5nm 이고 일산화질소를 이온화한다. 더하여 태양 흑점의 수가 50개 이상으로 활발할 때는 경X선(파장 1nm이하)이 공기(질소 분자와 산소분자)를 이온화시킨다. 밤 동안에는 우주선이 이온화를 시킨다. 이 층은 가장 고도가 낮고 대기의 밀도가 높기 때문에 재결합작용이 활발하다. 따라서 순수한 이온화 효과는 매우 낮고, 고주파수(HF; high frequency) 전파는 D층에서 굴절되지 않는다. 자유 전자와 다른 입자간의 충돌 빈도는 낮 동안에는 1초에 1000만번에 이른다. D층은 HF 전파를 흡수하는데, 주로 10MHz나 그보다 파장이 긴 전파가 이에 해당한다. 그보다 파장이 짧아지면 흡수되는 정도가 약해진다. 전파의 흡수는 밤에 약하고 한낮에 최대가 된다. 이 층은 일몰 후에 굉장히 약해지지만, 은하로부터 오는 우주선에 의해 약간 남게된다. D층의 활동의 일반적인 예로는 AM광대역 방송이 방송국에서 멀어짐에따라 엹어져 가는 것을 들 수 있다.

E층

E층은 중간에 위치한 층이다. 지표로부터 90km에서 120km에 위치한다. 이 층에서의 이온화는 주로 연X선(파장 1-10nm)과 원자외선 태양 복사가 산소 분자를 이온화하는 것이다. 이 층은 10MHz이하의 주파수를 가지는 전파만을 반사한다. 10MHz보다 짧은 파장에 대해서는 일부를 흡수한다. E층의 수직구조는 기본적으로 이온화와 재결합의 정도에 따라 결정된다. 밤이 되어 이온화의 주요 에너지원이었던 태양복사가 끊어지면 E층은 사라지기 시작한다. 이에 따라서 E층의 강도가 가장 높은 지점의 고도가 올라가게 되는데, 이는 하층일수록 재결합 속도가 빠르기 때문이다. E층의 강도가 가장 높은 지점이 상승하게 되면 전파가 닿는 거리가 길어지게 된다. 고층 대기 중성풍의 일변화 역시 E층의 수직구조에 영향을 준다.

산재 E층 (E_S층)

E_S층또는 산재 E층은 고도로 이온화된 작은 구름에 비유된다. 25MHz-225MHz에 이르는 전파를 반사할 수 있다. 산재 E층 현상은 수 분에서 수 시간 정도밖에 지속되지 않는다. 산재 E층이 생기면 평소에는 전파가 닿지 않는 곳의 전파를 수신할 수 있기 때문에 아마추어 무선사들을 무척 흥분시키는 현상이다. 산재 E층이 생기는 데에는 여러가지 이유가 있는데, 계속하여 연구되고 있다. 이 현상은 여름 동안에 가장 흔하게 발생하고, 겨울에는 발생 빈도가 낮다. 여름동안에는 신호 강도가 세어지기 때문에 인기가 있다. 보통 1000km 거리까지 전파가 도달한다.

F층

F층은 알플레톤 층으로 알려져 있기도 한데, 고도 120km부터 400km사이에 분포한다. 초단파장의 자외선(10-100nm)태양복사가 산소 원자를 이온화 시키는 층이다. HF 통신에서 F층은 전리층 중에서도 가장 중요한 층이다. F층은 밤 동안에는 한 층으로 합쳐져 있다가, 낮동안에는 나뉘어져 F₁층과 F₂층을 형성한다. F층은 공중파 방송에서 매우 중요하며, 태양을 향해있는 부분 중에서는 가장 두껍고 가장 반사도가 높은 층이다.

전리층 모델

일군의 대기 물리학자 그룹은 학술위원회와 컨퍼런스 등을 통해 전리층 모델(International Reference Ionosphere)을 만들고 수정해 오고 있다. 새로온 발견이 수용되면 모델이 업데이트 된다.

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자료2

두산백과

전리층

[ ionosphere음성듣기 , 電離層 ]

요약 태양 에너지에 의해 공기 분자가 이온화되어 자유 전자가 밀집된 곳을 전리층이라한다. 전리층은 지상에서 발사한 전파를 흡수 반사하며 무선 통신에 중요한 역할을 한다.

지표에서 약 50km 이상인 고도의 대기는 전자 또는 양이온이 많이 존재하며 전체적으로는 중성인데 일종의 이온화 플라스마를 형성하고 있는데 이 부분을 전리권(電離圈)이라고 한다. 이 전리권을 전자밀도의 수직분포의 모양에 따라서 세 영역으로 크게 나눌 수 있다. 

D 영역:90km 이하의 부분으로, 이 영역에서는 밤에 이온화가 거의 없어진다. 이 영역 내에 D층이라 부르는 전리층이 존재한다. 이 층의 최대전자밀도는 낮에 10⁵∼10³/㎤이다. D층은 매초 100kHz 이하의 장파를 제외하면 전파의 반사층이라 하기보다는 흡수층으로서 작용한다.

E 영역:90∼160km 고도에서 대기분자가 주로 이온화한 상태에 있는 영역을 E층이라고 한다. 이 층은 최대전자밀도가 10⁵/㎤ 정도로 저주파의 전파를 반사한다. 이 층에서는 중파를 반사한다.

F 영역:160km 고도 이상을 말한다. 대부분 대기원자가 이온화된 상태로 있는 영역이다. 이 영역 내에서는 F층(야간)과 F₁, F₂층(주간)이 형성된다. F 영역은 최대전자밀도가 10⁶/㎤ 정도로서 단파통신의 반사층으로서 아주 중요한 부분을 이루고 있다.

[네이버 지식백과] 전리층 [ionosphere, 電離層] (두산백과)

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자료3

지구과학사전

전리층

[ 電離層 , ionosphere음성듣기 ]

전리층은 영어의 ‘이온(ion)’이란 단어와 ‘영역(sphere)’이라는 단어가 결합되어 이루어진 것으로 고층 대기 구성물질의 이온화 정도에 따라 구분되는 영역을 일컫는 말이다. 전리층의 영역의 범위는 전리층을 보는 시각에 따라 차이가 있다. 전리층을 이용한 통신을 연구하는 사람의 관점에서 보면 최고 높이가 600∼800 km 사이지만 전리층의 물리적 특징을 연구하는 관점에서 보면 최고 2000 km까지 확장할 수 있으므로 전리층 영역은 지표면 상공 65 km부터 2000 km까지의 공간이라고 할 수 있다. 전리층은 다음과 같이 나눌 수 있다.

전리층의 존재가 알려진 초창기에 당시 통신에 주로 쓰던 고주파(High Frequency; HF)가 반사되는 층을 E층이라고 칭한 후에 그 성질이 E층과 구분되는 영역을 영문자 순서대로 D층과 F층으로 나누었으며 이를 다시 F₁층과 F₂층으로 나누었다. D층은 고도의 상승에 따라서 전자밀도가 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. 태양의 X-선이 지배적인 원천이 되는 70∼90 km의 범위에서 태양활동 극대기 때 전리정도가 최대가 된다. 태양활동의 극소기일 때에는 70 km 이하에서 우주선에 의한 전리가 지배적이다. E층은 고도 90∼ 60 km에 걸쳐 있으며 1902년 마르코니의 최초 대서양 횡단무선통신과 관련하여 전리층 반사를 설명할 수 있게 했다. 강하게 이온화된 간헐적인 입자들이 때때로 광범위한 고도에서 관측되기도 한다.

F층은 130 km 이상의 상공의 영역을 나타내며, 수직전자밀도의 윤곽으로 F₁과 F₂를 구분하고 있다. 그러나 야간에는 전리층에서의 전자 발생에 크게 기여하는 태양복사의 소멸로 이러한 구분이 되지 않고 있다. E층과 F층은 고주파 통신에서 무선파를 반사하는 역할을 하기 때문에 장거리 육상 및 해상 통신에 사용되고 있으며, D층에서는 초장파(VLF)와 극초장파(ELF)파가 반사되지만 고주파는 신호 감쇠를 일으키는 흡수 역할을 하고 있다.

[네이버 지식백과] 전리층 [電離層, ionosphere] (지구과학사전, 2009. 8. 30., (사)한국지구과학회)

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자료4

• [과학백과사전]

전리층(ionosphere )

  대기의 상층부에 있는 이온화(電離)된 공기의 층. 지구의 고층대기 중에는 대기의 분자 · 원자가 태양의 X선이나 자외선 또는 고에너지 입자의 조사(照射)를 받아 이온화함으로써 생성된 이온 및 전자(자유전자)가 다량으로 존재한다.

특히 전파의 전송에 영향을 미치는 전자는 고도 약 60km 이상의 고층부에 비교적 높은 밀도로 존재한다.

이 영역을 전리권이라 한다.

전리권의 이온이나 전자는 지구를 둘러싸고 몇몇 층상(層狀)으로 농담분포(濃淡分布)를 보이는데, 이들 층을 전리층이라 한다.

전리층의 존재가 시사된 것은 1902년 A. E. 케넬리와 0. 헤비사이드에 의해서였다.

1925년 E. V. 애플턴과 M. A. F. 바닛, G. 브라이트와 M. A. 튜브 등 영국과 미국의 2팀에 의해 독립적으로 최초의 전파반사실험이 이루어져 전리층의 존재가 확인되었다.

이후 실용면에서는 전리층에 의한 전파반사의 이용으로 원거리 무선통신이 발달하고, 학술면에서는 전리층을 통해 지구의 초고층 대기 및 태양 · 지구 관련 현상의 연구가 발전했다.

로켓 · 인공위성의 기술개발로 지구의 전리층을 직접 관찰하거나, 행성(금성 · 화성 · 목성 · 토성 등) 전리층도 관찰할 수 있게 되었다.

〔구조〕 지구대기의 분자 · 원자의 이온화에 의해 양전하(陽電荷)의 이온(양이온)과 음전하의 전자가 생성되는데, 고도 약 60km 이하에서는 대기밀도가 높아 전자는 곧바로 대기분자에 부착해 음전하의 이온(음이온)으로 바뀐다.

이들 하전입자는 대기분자 · 원자와의 화학반응을 거쳐 최종적으로는 양이온과 음이온 또는 양이온과 전자가 재결합함으로써 중성의 대기분자 · 원자로 되돌아가고 하전입자는 소멸한다.

하전입자의 밀도분포는 이온화에 의한 생성의 강도, 재결합에 의한 소멸의 속도, 생성에서 소멸까지의 수명기간중에 입자가 이동해 집적(集積)이나 발산을 함으로써 이루어지는 재분포의 효과에 따라 결정된다.

고도 약 60km 이상에서는 전자의 존재가 중요해지고, 약 80km 이상에서는 음이온이 극도로 적고 양이온과 전자가 같은 밀도로 존재한다.

전리층은 고도에 따라 몇몇 영역으로 나눌 수 있다.

고도 약 60~90km는 D영역으로, 주된 전리원은 태양의 X선(파장 10이하)과 자외선(1,216)이다.

D영역은 플레어에 수반되는 이상전리(델린저 현상 · 전파소실 현상) 및 태양우주선이나 오로라 입자에 의한 이상전리(전리층 폭풍)의 영향을 강하게 받는다.

고도 약 90~130km는 E영역으로, 주된 전리원은 태양의 X선(100~10)과 자외선(1,027~800)이다.

전자 밀도의 피크를 이루는 고도 100km 부근의 E층은 일조반구(日照半球)에서 형성된다.

E영역에서는 스포라딕E층(E로 약기)이 돌발적으로 나타나는 수가 있다.

고도 약 130~1,000km는 F영역인데, 태양의 자외선(800~100A)이 주된 전리원이다.

주간의 F영역 안에는 고도 170km 부근과 300km 부근에 각각 전자밀도가 가장 큰 F1층과 F2층의 2개 충이 형성된다.

F1층은 야간에 소멸하지 만 F2층은 주야에 걸쳐 존재하며 전리층 중에서 전자밀도가 최대인 층이다.

E층과 F1층은 태양복사선에 의한 이온화 생성과 재결합에 의한 소멸이 균형있게 형성되어 있지만, F2층의 형성에는 생성과 소멸 외에 하전입자의 확산에 의한 재분포가 중요한 역할을 한다.

F2층의 피크 고도를 경계로 위쪽을 톱사이드 전리층, 아래쪽을 보텀사이드 전리층이라 한다.

톱사이드 전리층에서 생성된 이온(주로 수소이온)과 전자로 이루어지는 기체(플라즈마)는 지구자기장의 자기력선을 쫓아 적도 상공 약 3만km의 고도에까지 퍼져 있다.

이 영역을 플라즈마권이라 한다.

〔전파와 전리층〕 전파는 전기장 및 자기장의 진동이 전파하는 파동이므로 전파가 침입해 오면 전리층의 이온이나 전자는 전파의 진동전기장으로부터 힘을 받아 진동한다.

하전입자의 진동에서 생기는 진동전류가 만드는 전자기장(電磁氣場)이 전파의 전자기장에 더해지기 때문에 굴절률이 변화해 전파의 굴절 · 반사가 일어난다.

전파에 의해 생기는 진동전류는 이온에 비해 극단적으로 질량이 작은 전자 쪽이 커서, 주로 전자가 전파의 전송에 영향을 미친다.

전자 의 진동에너지는 전파의 에너지에서 공급되는데, 전자의 진동중에 대기분자 · 원자와의 충돌로 전자의 진동에너지가 상설되는 경우에는 대기에 의한 전파의 흡수가 일어난다. 

전리층 D영역에서의 단파대(短波帶) 전파의 흡수가 가장 현저하다(델린저 현상).

전리층에서의 전자의 운동은 지구자기장의 영향을 받아 자기장 방향에 대해 반시계 방향으로 회전(왼쪽돌기)하는 성질을 가지므로 전리층에 침입한 전파는 진송의 성질이 서로 다른 정상파(定常波 ; 좌회전) 및 이상파(우회전)의 2가지 전파로 나누어진다.

〔전리층의 측정〕 전리층의 가장 표준적인 관측은 이오노존데(ionosonde)라는 전파탐사장치에 의해 이루어진다.

지상에서 상공의 전리층을 향해 펄스전파를 발사하면 송신전파의 주파수에 대응하는 전파밀도를 가진 고도에서 전파가 반사된다.

반사되어온 펄스전파를 지상에서 수신해 송 · 수신 두 펄스 사이의 시간차를 측정하면 반사점의 겉보기고도(전리층내를 전도하는 전파의 속도는 광속보다 느리지만, 편의상 광속으로 전해졌다는 가정하에 측정한 고도)를 알 수 있다.

F2층의 최대전자밀도의 고도에서 반사되는 전파의 주파수를 F2층 임계주파수라 한다.

이 보다 더 높은 주파수의 전파는 전리층을 뚫고 나가 버리므로 반사되지 않는다.

〔통신과 전리층〕 전리층에 의한 전파반사를 이용하는 무선통신이 이루어지고 있다.

D층 하부에서 반사되는 장파 · 초장파대의 전파는 중 · 장거리 통신에 알맞으므로 선박 · 항공기의 위치측정 등에 이용된다.

E층에서 반사되는 중파 · 단파대의 전파는 전송거리가 짧아 국내회선 정도의 중거리 통신에 이용된다.

F2층에서 반사되는 전파는 원거리 통신에 적합한데, 단파대가 높은 주파수의 전파는 국제통신 · 국재방송 등에 이용된다.

최근에는 인공위성과 지상을 잇는 우주통신이 발달, 전리층을 투과하는 높은 주파수대의 초단파 · 마이크로파가 사용되고 있다.

전리층은 우주통신에 대해 전파의 강도변동이나 전송시간 변동을 일으키는 장애물이 되는 수가 있고, 지상의 텔레비전 회선에 대해 Es층에 의한 이상전송은 혼신(混信)의 원인이 되기도 한다.

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