10㎏ 한국 위성, 슈퍼태양폭풍 뚫고 우주 날씨 관측 성공

누리호로 발사한 큐브 위성군 도요샛
전리권 플라즈마 밀도 및 온도 60시간 연속 관측

사진제공=한국천문연구원

[서울경제]

무게 10㎏의 작은 큐브 위성 ‘도요샛’이 슈퍼 태양 폭풍 속에서 우주 날씨를 관측·분석하는 데 성공했다.

한국천문연구원 연구진은 4일 큐브 위성 도요샛을 이용해 슈퍼태양폭풍이 전 지구에 미치는 영향을 성공적으로 관측했다고 밝혔다. 큐브위성 도요샛은 기존 위성에 비해 작은 나노급 위성이다. 하지만 지난해 5월 발생한 강력한 태양폭풍 기간 동안 전리권(지표로부터 약 60~1000㎞ 공간) 플라즈마의 변화에 대한 다양한 데이터를 확보할 정도로 우수한 성능을 자랑한다. 지난해 5월 10~12일(세계시 기준) 발생한 태양폭풍은 2003년 11월 이후 발생한 가장 강력한 우주폭풍으로 ‘슈퍼태양폭풍’으로 불린다. 당시 우리나라 강원도를 비롯한 전 세계 여러 지역에서 슈퍼태양폭풍이 야기한 오로라가 관측되기도 했다.

일반적으로 상부 전리권 플라즈마 밀도는 적도 부근에서 최대가 된다. 태양폭풍이 발생할 경우 최대 플라즈마 밀도 지역이 위도 25~30도 지역으로 이동하고 적도 지역의 밀도는 낮아진다. 이러한 현상을 적도 이온화 이상 현상(Equatorial Ionization Anomaly)이라고 한다. 지난해 5월 발생한 태양폭풍은 적도 지역 플라즈마를 자기 위도 40도까지 이동시켰는데, 도요샛을 비롯한 여러 나라의 위성 관측 자료를 이용해 이 현상을 포착했다. 해당 연구 결과는 우주환경 관련 연구성과를 집중적으로 다루는 학술지인 Space Weather지에 7월 26일자로 게재되기도 했다.

연구진은 도요샛 관측 자료와 미국 국방부에서 운용하는 국방기상위성 DMSP(Defense Meteorological Satellite Program), 유럽우주국(ESA)에서 운용하는 스웜(Swarm) 위성군 자료를 함께 분석해, 도요샛 관측 자료가 해외 중대형 위성 자료와 비견될 만큼 신뢰성 있다는 점을 확인했다. 특히 도요샛은 해외 위성의 관측 자료가 비어 있는 고도 500㎞의 여명-황혼 궤도에서 독자적 연속 관측을 수행함으로써 저비용 큐브위성의 이점을 확인했다.

도요샛 위성은 플라즈마 측정 센서인 랭뮤어 탐침을 이용해 전리권 플라즈마의 밀도와 온도를 약 60시간 연속 관측했다. 태양폭풍 발생 전에는 적도 부근의 전자 밀도가 높았다가 폭풍 발생 후에는 고밀도 전자들이 적도로부터 점차 멀어지며 중위도 지역으로 이동하는 현상을 관측했고, 폭풍 개시 후 극 지역에서 전자 온도가 급격히 상승하는 것도 관측했다. 이는 태양풍이 지구 자기장과 충돌함에 따라 전리권 플라즈마 특성이 크게 변했다는 것을 의미한다.

이같은 태양폭풍 기간의 전리권 변화는 GPS 위치 오차 증가, 통신 장애, 전력망 손상 등의 피해를 발생시킬 수 있다. 또한 위성의 궤도도 변화시킬 수 있는데, 실제로 이 시기 도요샛들의 평균 고도가 약 200m ~ 500m 하강한 것으로 나타났다. 도요샛이 관측한 전자 온도 및 플라즈마 분포 변화는 기존 연구에서 제안된 지구 저궤도 우주날씨 변화 메커니즘을 보완하는 중요한 근거 자료로 활용될 전망이다.

한편 도요샛 위성은 군집 편대비행을 통한 우주날씨 관측 임무 수행을 위해 한국천문연구원과 한국항공우주연구원이 공동으로 개발해 2023년 5월 25일 나로우주센터에서 누리호로 발사한 큐브위성군이다. 총 4기 (가람, 나래, 다솔, 라온으로 명명됨) 큐브위성 중 현재 2기(나래와 라온)가 정상 운영 중이다.

서지혜 기자 wise@sedaily.com