<뉴스브릿지>'전리층' 진동, 지표면의 변화 알려줄까?

[EBS 뉴스]

서현아 앵커 

'전리층'이라고 들어보셨습니까? 

지구 상공 약 60~1,000km에 이르는 층으로, 대기 중 가장 끝에 있는 얇은 층을 말하는데요. 

여기서 발생하는 진동으로 지구 표면의 변화를 알아내는 연구가 최근 발표됐다고 합니다. 

자세한 소식 이효종 과학커뮤니케이터와 함께 알아봅니다. 

어서 오세요.

최근 국제 천문 학술지에 게재된 전리층에 관한 소식 갖고 오셨습니다. 

먼저 전리층이 뭔지 설명 부탁드리겠습니다.

이효종 과학커뮤니케이터

전리층이란 지구 대기 상공에 약 60km에서 1,000km까지의 범위에 해당되는 영향을 말하는데요.

영어로는 이오노스피어(Ionosphere)라고 부릅니다. 

근데 이 단어의 뜻 그대로 이오노스피어(Ionosphere) 즉 플라즈마 이온들이 모여 있는 층을 말하는 것이죠.

이 영역에 플라즈마 이온들이 존재하는 이유는 태양에서 날아오는 에너지 때문인데요.

태양이 내뿜는 강력한 이온화 방사선이 지구 대기층의 기체 분자 또는 원자를 때리면서 원자 속에 전자가 떨어져 나가고 이로 인해서 플라즈마 이온 상태가 되어 존재하는 대기층 이것을 우리가 전리층이라고 부르는 것입니다.

서현아 앵커 

이온화 그리고 플라즈마 같은 용어가 조금 어렵게 느껴지기도 하는데 어떤 개념인지 설명 부탁드릴 수 있을까요?

이효종 과학커뮤니케이터 

미국의 존경받는 물리학자 리처드 파인만이 남긴 유명한 말이 있습니다.

모든 물질은 원자로 이루어져 있다라는 말인데요.

여기서 말하는 원자는 물질을 구성하는 가장 기본적인 단위입니다.

그런데 이 원자 혹은 원자가 여러 개 모여 있는 분자는 외부로부터 강하게 충격을 받았을 때 원자를 구성하는 전자가 튀어나가서 이온 상태가 됩니다.

여기서 말하는 이런 이온 상태가 되는 현상을 우리가 이온화 또는 전리라고 부르는데요.

전리층은 이렇게 이온화가 진행되고 있는 층을 말하는 것입니다.

서현아 앵커 

네 그런데 이 전리층이 지구상에서 가장 놀라운 자연 현상으로도 꼽히죠, 오로라의 서식지로도 알려져 있다고요?

이효종 과학커뮤니케이터 

네 맞습니다.

이 층에 속한 플라즈마 이온들은 단순히 이온 상태로 존재하는 것이 아니라 끊임없이 전자가 떨어져 나갔다가 다시 들어왔다가 하는 일들이 계속해서 무한히 반복되고 있는데요.

이런 상태를 우리가 동적 평형 상태라고 부릅니다.

지구로 입사하는 고에너지의 하전 입자 또는 방사선과 같은 강렬한 복사선들을 이런 과정을 통해서 흡수하는 일을 전리층이 담당하고 있습니다.

이와 같은 현상의 일례를 극적으로 관찰할 수 있는 것이 이제 말씀해 주셨던 오로라 현상인 것이죠.

또 이온 상태로 존재하는 플라즈마칭은 전기적인 특성에 굉장히 큰 상호작용을 하기 때문에 전파 영역대 중 파장이 상대적으로 짧은 단파라고 부르는 그 영역을 반사시키거나 굴절시키거나 이런 일들을 합니다.

그래서 이것을 이용해서 과학자들 또는 기술자들이 단파 통신을 위한 장비를 개발해서 사용하기도 했고 또 오늘날의 HAM이나 혹은 단파를 이용한 다양한 통신 수단에 오늘날까지도 잘 사용하고 있습니다.

서현아 앵커 

네 굉장히 역동적인 작용을 일으키고 있네요.

그러니까 전리층이 전파를 반사시켜서 지구 멀리까지 통신이 가능하도록 한다는 건데, 그런데 이 전리층에서 발생하는 아주 특별한 떨림이 있다고요?

이효종 과학커뮤니케이터 

네 맞습니다.

몇몇 과학자들이 전리층에서 발생하는 떨림에 주목을 하고 연구를 좀 진행을 했었는데요.

이 떨림이 만들어지는 원리는 전리층도 결국에는 물질이잖아요.

플라즈마로 이루어져 있는 물질이기 때문에 공기를 타고 흐르는 압력의 에너지 제가 지금 말하고 귀로 들리는 것처럼 소리라고 하는 것이 결국에는 그런 압력 에너지를 전달하는 매개인 것인데요.

이 소리의 압력에 전리층도 반응을 합니다.

때문에 지구 표면상에서 발생한 큰 폭발 등과 같은 이벤트로부터 발생하는 큰 인간의 귀로는 들을 수 없는 초저역대의 강렬한 음압이 발생을 하는데 이것이 주변 공기 분자들을 타고 맹렬히 지구상을 퍼져나가게 될 테고요.

이것이 전리층에 닿으면 진동을 발생시키게 되는 것이죠.

이것은 다시 말해서 초저주파음에 의해서 생기는 전리층의 떨림을 우리가 잘 분석하고 알아낼 수 있다면, 지구상에서 일어나는 폭발 현상이라든지, 아니면 이 초저주파음을 발생시킬 수 있는 다양한 현상들을 감지할 수 있는 기술로써 전리층을 이용할 수 있다는 것일 텐데요.

실례로 2022년 1월 15일, MIT 헤이스택 관측소에서 이 전리층의 떨림을 통해 통가 왕국의 훙가 통가-훙가 하파이(Hunga Tonga-Hunga Ha'apai) 화산에서 발생한 화산 폭발을 감지한 사례가 있습니다.

서현아 앵커 

그렇다면 과학자들이 이 전리층의 떨림을 어떻게 포착할 수가 있습니까?

이효종 과학커뮤니케이터 

여러 방법들이 있을 수 있을 것 같습니다.

하지만 기본적으로 사용할 수 있는 방법은 반사를 통해서 거리를 계속해서 측정하는 방법일 텐데요.

전리층의 전파를 송수신하면서 나타나는 변화 즉 전리층에서 반사되는 단파 영역의 전파를 송신하고, 이것을 다시 수신하는 과정을 통해서 지구로부터 전리층까지의 거리를 계속해서 측정을 하는 것입니다.

만약 폭발이나 지진 혹은 화산 활동과 같은 이벤트 우리가 알고 있는 초저주파음의 영역의 소리를 발생시키는 이벤트로 알고 있는데요.

이때 발생한 그 음이 전리층에 도달하게 되면 전리층이 미세하게 흔들리면서 전리층과 지구 사이의 거리가 변하게 될 텐데 이렇게 되면 레이더는 이때 나타나는 그 미세한 변화를 실시간으로 측정을 할 수 있게 되는 것이죠.

그래서 비유하자면 전리층 일종의 지진계와 같은 역할을 하는 것이고 그 지진계와 같은 역할을 우리가 송수신 레이더를 통해서 정밀하게 기록을 하는 것입니다.

서현아 앵커 

말하자면 전리층 분석을 통해서 지표면에서 일어나는 사건들을 실시간으로 관측할 수도 있다는 얘기인데 그런데 전리층 분석에 한계도 있다고요?

이효종 과학커뮤니케이터 

아쉽게도, 지금까지의 전리층 분석은 약 1킬로톤의 TNT가 한 순간에 폭발하는 수준 이상이 되어야만 감지를 해낼 수 있는 비교적 둔감한 민감도 때문에, 이것을 실용적으로 이용하기에는 다소 한계점이 있었습니다.

일례로 1945년, 히로시마에 투하된 핵 미사일의 폭발 위력이 약 TNT 15킬로톤 수준이라는 점을 감안한다면, 전리층 분석의 민감도를 상대적으로 굉장히 낮다 이렇게 이해해볼 수 있을 것입니다.

서현아 앵커 

네 엄청난 폭발 수준이 돼야 한다는 건데 그렇다면 이 분석 기술의 민감도가 개선이 되어야 할까요?

이효종 과학커뮤니케이터

네 그렇죠.

그래서 미국 공군 연구소의 물리학자 케니스 오벤버거(Kenneth Obenberger)와 그의 연구팀은 바로 이 전리층의 떨림을 분석하는 레이더를 국소적인 위치에 설치해, 그 부근에 국한하여 발생하는 폭발 등의 이벤트를 감지하는 방법을 새로이 창안을 해서 개발을 했는데요.

기술의 민감도를 기존 대비 약 1000배 정도 향상시킨 기술에 대한 내용을 담은 논문을, 2023년 4월 국제천문학술지 'Advancing Earth and Space Science'을 통해 세상에 공개했습니다.

서현아 앵커 

굉장히 의미 있는 성과로 보이는데 그렇다면 이 연구는 어떻게 이루어졌을까요?

이효종 과학커뮤니케이터 

오벤버거와 그의 협력 연구팀은 2022년 3월에  뉴멕시코에서 2번의 TNT 1톤 수준의 폭발 실험을 준비하고, 폭발이 이루어지는 주변에 송신기(TX)와 수신기(RX)를 설치하여 전리층의 다양한 층들 중 E층에서의 변화를 관찰했습니다.

기존 기술의 민감도라면 절대로 감지할 수 없는 약한 폭발 실험이었음에도 불구하고, 폭발이 일어난 지 약 6분 뒤에 연구팀이 폭발로부터 발생한 전리층의 미세한 떨림을 관측해내는 데 성공을 했다라는 내용을 논문으로 발표를 한 것입니다.

비교적 국소적인 위치의 송수신 레이더를 설치하는 것으로서, 1킬로톤의 폭발만 감지를 할 수 있어 실용성이 없었던 기술을 단 1톤 정도의 폭발력만으로도 감지해낼 수 있게 만든 것이 이번 연구의 핵심인 것 같습니다.

서현아 앵커 

네 굉장히 혁신적으로 민감도를 개선했다는 생각이 드는데 그렇다면 이 기술은 어디에 사용할 수 있겠습니까?

이효종 과학커뮤니케이터 

오벤버거에 따르면 사람이 인위적으로 만든 폭발은 물론 그동안 기술적인 민감도의 한계 때문에 대양 영역의 깊은 곳에서 발생하는 비교적 작은 규모의 화산 폭발 이런 것들을 감지할 수 있을 것으로 보고 있습니다.

서현아 앵커 

네 그러면 이 전리층 분석 기술이 자연재해를 사전에 예보하는 어떤 경보 시스템으로도 활용이 될 수 있을까요?

이효종 과학커뮤니케이터 

그렇게 됐으면 정말 좋겠다고 생각을 했는데 그렇게도 응용할 수 있다는 내용을 연구자가 이야기를 했습니다.

연구를 진행한 오벤버거에 따르면 지구에 국한하지 않고도 해당 기술을 적용할 수 있는 연구 사례까지도 이야기를 했는데요.

예를 들어서 행성 탐사를 위한 연구에도 이 기술을 응용할 수 있을 것으로 봤습니다.

두꺼운 대기층으로 둘러싸여 있는 금성의 예를 좀 들어보면 이 금성 같은 경우에는 표면을 관측하는 일이 사실 대기층이 너무 두껍기 때문에 어렵습니다.

그런데 이 금성의 대기층에다가 대기층에서 발생하는 전리층의 흔들림을 포착할 수 있는 기능을 여기 말하는 송수신 기능을 위성에 탑재해서 이 금성 대기층의 전리층의 흔들림을 파악할 수 있다면 금성 표면에서 일어나고 있는 다양한 지질학적인 어떤 변화, 행성 지질학적인 변화를 우리가 이해할 수 있는 그런 연구로도 적용될 수 있는 이런 이야기들을 했습니다.

서현아 앵커 

굉장히 잠재력이 큰 분야로 보이는데 앞으로의 발전이 기대가 됩니다.

전리층에 대한 연구 계속 기대해 보겠습니다.

오늘 말씀 잘 들었습니다.