“우주 향한 인류의 꿈 실현할 로켓이 폭발했다”...더 큰 문제는 ‘구멍’이 생겼다는 것 [교과서로 과학뉴스 읽기]

지난해 말 상공서 폭발한 스타십
폭발 ‘충격파’가 지구 전리층에 ‘구멍’
GPS, 통신 등 영향 미칠 수 있어 주의

지난해 말 발사됐던 스페이스X의 ‘스타십.’ 인류 역사상 가장 큰 발사체는 지난해 두 차례 시험 발사에서 큰 폭발과 함께 쓰라린 실패를 경험했습니다. 그런데 말입니다. 이 폭발 과정에서 예상치 못한 일이 발생했다고 합니다. 오존층에 커다란 ‘구멍’이 생긴 것인데요, 물론 회복되기는 했지만 인류가 예상하지 못했던 일이 발생한 셈입니다. 과연 그날 어떤 일이 있었을까요.

인류 역사상 가장 거대한 로켓의 발사

스타십 발사 상상도 [사진=스페이스X]

2023년 11월 18일(현지 시각), 미국 텍사스주 보카치카 해변에 있는 로켓 발사대 ‘스타베이스’에서 스페이스X의 스타십이 발사됐습니다. 스타십은 인류가 이제까지 개발했던 발사체 중 가장 거대하고 강력한 발사체로 분류됩니다. 세웠을 때 높이만 121m에 달할 뿐 아니라 최대 100명의 사람을 태울 수 있도록 설계됐습니다. 단순 비교하면 자유의 여신상 보다 큰 발사체입니다. 특히 1단 로켓(슈퍼헤비)은 물론 우주선(스타십) 모두 재사용이 가능한 만큼 스타십은 인류를 화성으로 보낼 수 있는 로켓으로 주목받고 있습니다. 스페이스X와 NASA는 2026년, 달에 사람을 보내는 ‘아르테미스 플랜’에 이 스타십을 활용한다는 계획을 가지고 있습니다. 지난해 4월 1차 발사, 11월 2차 발사를 거쳐 올해 3월 3차 발사, 그리고 6월 4차 발사 끝에 스타십은 발사에 성공합니다.

현재 과학자들이 주목한 것은 지난해 11월 18일 있었던 2차 발사입니다. 1~3차 발사 모두 폭발과 함께 실패를 맛볼 수밖에 없었는데요, 2차 발사는 1단 로켓 분리는 성공했지만 교신이 두절되면서 통제가 불가능했습니다. 결국 스페이스X의 엔지니어들은 만일의 사태에 대비하기 위해 공중에서 자동 폭발시킵니다. 스타십은 150km 상공에서 폭발합니다.

엄청난 연료를 가진 거대한 로켓이 공중에서 폭발한 만큼 그 파괴력 또한 엄청났을 겁니다. 러시아의 과학자 유리 야슈케비치는 지난 8월 학술지 ‘지오피지컬 리서치 레터스’에 스타십 폭발이 지구에 미친 영향을 정리한 논문을 발표합니다.

폭발 충격파, 전리층 1시간 동안 구멍 만들어

무선통신 방법 [사진출처=에듀넷]

연구진은 ‘전리층’에 주목했습니다. 전리층이란 지구 상공 50~1000km 지역을 의미합니다. 기체 분자와 원자가 이온화되어 있는 곳을 뜻하는데요, 이온화란 분자나 원자가 전자를 잃거나 얻은 상태를 의미합니다. 즉 전리층에는 양전하, 음전하를 띤 입자들이 존재하고 있습니다. 전리층은 지상에서 발사한 전파를 반사합니다. 인류는 이를 활용해 지구의 먼 지역까지 통신을 할 수 있습니다.

연구진은 북미와 카리브해 전역에서 위성항법신호(GPS)를 수신하는 2500여개 이상의 지상국에서 제공하는 자료를 조사했습니다. 그 결과 스타십 폭발이 음속보다 빠른 충격파를 만들었고, 이 충격파가 전리층에 커다란 구멍을 냈음을 확인합니다. 연구진에 따르면 멕시코 유카탄반도에서 미국 남동부에 이르는 지역까지 전리층에 구멍이 생겼는데, 이는 약 1시간 동안 지속된 것으로 조사됐다고 합니다. 로켓에서 발생하는 가스가 일시적으로 전리층에 구멍을 낼 수 있지만, 이번 경우에는 폭발로 발생한 충격파가 더 큰 영향을 미쳤다는 게 연구진의 설명입니다.

연구진은 수천 km에 달했던 이 전리층 구멍이 2022년 초 통가 화산 폭발로 발생한 구멍 만큼은 크지 않았지만 2013년 러시아에 떨어진 운석으로 발생한 구멍보다는 크다고 설명했습니다. 연구진은 “자연적, 인위적 교란은 전리층에 일시적인 영향을 미칠 수 있다”라며 “위성 항법뿐 아니라 전파천문학 등도 영향을 받을 수 있다”라고 우려합니다.

태양폭발과 비슷, GPS, 통신에 악영향

최근에는 잠잠해 보이지만 10여년 전만 해도 ‘태양폭발’이 쟁점이 된 적이 있습니다. 태양 표면에는 온도가 낮은 ‘흑점’이 있습니다. 온도가 낮다보니 태양 표면에서 열의 불균형이 발생하고, 결국 폭발이 일어납니다. 태양 표면에서 폭발이 일어나면 높은 에너지를 가진 입자들이 우주로 방출되는데, 이를 태양폭풍(태양풍)이라고 합니다. 태양폭발은 지구에도 영향을 미칩니다. 고에너지 입자들이 지구로 쏟아지는 만큼 전리층에 교란이 발생하는 겁니다.

이 경우 통신에 문제가 발생할 수 있습니다. 장거리 통신은 주파수 3~30㎒의 단파가 전리층에 반사되는 성질을 이용하는데 태양폭풍으로 전리층의 성질이 바뀌면 전파가 흡수되면서 통신이 끊기는 현상이 발생할 수 있습니다.

GPS도 마찬가지입니다. 지구 상공에 있는 인공위성 신호를 통해 지상에서 운영하는 GPS 신호는 전리층을 통과합니다. 기존 전리층의 영향을 덜 받도록 설계가 되어 있는데, 전리층에 일시적인 변화가 발생하면 순간적으로 GPS 신호 역시 오류를 일으킬 수 있습니다.

GPS 신호는 향후 더 많은 분야에, 더 많은 사람이 사용할 텐데 예상치 않았던 전리층의 변화는 인류에게 큰 불편을 안길 수 있습니다. 앞으로 스타십과 같이 거대한 로켓의 발사 빈도는 높아질 것입니다. 그 과정에서 실패 또한 잦아질 것이고요. 이 과정에서 전리층이 받는 영향 또한 커질 수밖에 없을 것입니다. 기술 발전이 우리 삶에 미치는 영향에 관해 면밀한 연구가 필요한 이유입니다.