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지구 방사선대의 비밀을 풀다 - 반 앨런 프루브 위성 관측으로 새로운 플라즈마 파동 발견 2017-07-04

■ 지구 고유의 자기장으로부터 생성된 지구 자기권은 태양에서 나오는 우주 방사선의 위협으로부터 지구를 보호하는 방패막 역할을 한다. 지구 자기력선이 열려 있는 남북극 방향에서 유입된 일부 저에너지의 전자들은 지구 적도 주변에서 도넛 모양의 띠를 형성하며, 이 영역을 지구 방사선대 또는 반앨런대(Van Allen Belt)라고 한다.

 

■  방사선대는 지구 주변의 우주환경을 이해하는 데 도움을 주며 특히 우주 날씨 변화와 관련해 인공위성에 심각한 피해를 줄 수 있기 때문에 천문학자들의 주요 연구대상이다.

 

■ 한국천문연구원(원장: 한인우) 황정아 박사가 이끄는 국제연구팀은 방사선대의 생성과 그 안정된 구조가 지속적으로 유지되는 원리에 대한 새로운 사실을 밝혀냈다.

 

■ 황 박사 연구팀은 NASA의 반 앨런 프루브 위성(Van Allen Probes, VAP)의 관측 자료를 분석해 지구 방사선대 특정한 주파수의 정전기 파동(frequency Upper-Hybrid~40kHz)을 발견했다. 더불어 이 파동과 특정 에너지 영역의 전자들(1-50keV)의 상관관계를 최초로 입증했다. 이는 지구 방사선대가 오랫동안 현재 형태를 유지될 수 있었던 비밀을 풀 수 있는 중요한 단서가 된다.

 

□  지금까지 방사선대 관련한 많은 연구들은 태양활동이 활발할 때 플라즈마 파동과 입자의 상호작용에 주목해서 입자들의 가속 과정을 설명했다. 반면 황 박사 연구팀은 태양활동이나 다른 전자기 파동(electromagnetic waves) 현상이 거의 관측되지 않는 극소기, 우주환경이 아주 조용한 상태에서 정전기 파동(electro-static waves)의 존재를 확인하고, 특정 에너지 영역(hot electrons) 전자들과의 상관관계를 입증했다.

 

□  이번 발견은 반 앨런 프루브의 탑재체가 정밀한 고주파의 파동 관측이 가능했기 때문에 이룬 쾌거이다.

 

□  방사선대 생성의 비밀을 풀기 위해서 NASA에서는 2012년 반 앨런 프루브 라는 쌍둥이 위성을 발사했고, 이 위성들은 현재까지 방사선대에 상주하며 관측을 계속해오고 있다. 한국천문연구원은 NASA와 함께 위성 데이터 수신국을 운영하고 공동 연구를 진행 중이다.

 

□  이번 연구논문은 미국 플라즈마 물리학 저널(Physics of Plasmas) 6월 20일자에 게재됐으며, 미국물리학회 홈페이지에 주목할 만한 과학 논문으로  소개됐다.

 

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그림 설명: 지구 방사선대는 적도 상공을 중심으로 도넛 모양으로 지구를 감싸고 있다. 그림의 초록색 부분은 방사선대의 안쪽벨트이고, 파란색 부분은 방사선대의 바깥벨트이다. 안쪽벨트는 주로 양성자로 이루어졌으며 거의 변하지 않는 그대로의 형태를 유지하고, 바깥벨트는 주로 전자로 이루어졌으며 늘 변화무쌍하게 움직인다. 연구팀은 방사선대를 관측하는 NASA 반 앨런 프루브 쌍둥이 위성의 자료를 통해 바깥벨트의 생성과 유지 원리의 단서를 밝혀냈다.
그림 출처: Andy Kale, University of Alberta(https://phys.org/news/2013-12-mysteries-earth-belts-uncovered-van.html)

 

[논문]
- 게재지: 미국 플라즈마 물리학 저널(Physics of Plasmas)
- 제목: Roles of hot electrons in generating upper-hybrid waves in the earth's radiation belt
- 저자: 황정아, 신대규, Peter H. Yoon, William S. Kurth, Brian A. Larsen, Geoff D. Reeves, 이대영
- 게재일자: 2017년 6월 20일

- 논문 바로보기: http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4984249?journalCode=php

- 미국물리학회 홈페이지에 주목할 만한 과학 논문으로 기사 소개: “Making waves with the hot electrons within Earth’s radiation belts” by Physic.org, 20 June 2017

 (https://phys.org/news/2017-06-hot-electrons-earth-belts.html)

 

[관련자료]

■ 관련 이전 보도자료
세 번째 반-알렌 벨트의 생성 원인 규명 - 한국천문학자가 포함된 연구진 네이처에 논문 발표(2013.09.30)
https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/2492

천문연, 미 항공우주국 NASA와 우주환경 공동연구 - 29일 NASA 위성 수신국 개소(2012.05.23)
https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/2454?cPage=2

 

■ 관련 동영상 링크

VAP 위성 발사와 활동 모습. 태양활동에 따라 지구 방사선 벨트의 변화를 보여주고 있음(출처 NASA)

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=bWMUO33xpPg
태양 활동에 따른 지구 방사선 벨트의 변화에 관한 영상(출처 NASA)

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=sF_Gbs1yj6w

 

[ 용어 설명] 

지구 방사선대 : 태양에서 오는 태양풍(Solarwind) 대부분은 지구 자기권에 막혀서 지구로 들어오지 못하지만, 그 중 일부는 지구의 자기력선이 열려 있는 부분인 양 극지역을 통해서 지구로 유입된다. 이때 유입된 일부 저에너지의 전자들은 지구 적도 주변에서 도넛 모양의 띠를 형성하며, 이 영역을 지구 방사선대 또는 반앨런대(Van Allen Belt)라고 한다. 방사선대는 다양한 에너지 대역의 전자로 구성되어 있고, 이들 각각이 다양한 플라즈마 파동과 상호 작용하면서, 생성·소멸되면서 총체적인 결과물로 현재와 같은 형태를 지니게 된다. 방사선대는 강한 방사선 피해를 줄 수 있기 때문에 우주환경에서는 ‘위험 지대’로 통하며, 인공위성의 궤도는 되도록 이 위험 지대를 피해서 설정되고 있다.

태양풍 : 태양풍은 태양에서 불어오는 바람이라 할 수 있다. 이 태양풍에는 양성자와 전자 등 미립자들이 포함되어 있으며, 매초 약 100만 톤의 질량이 태양에서 방출된다. 태양풍이 발생하면 보통의 태양플레어보다도 현격히 많은 전자파(자외선, 가시광선, 적외선, 전파), 자기장파, 입자선, 입자 등이 발생된다. 이것들은 보통 지구의 자기권과 대기권을 통과할 때 대부분이 소멸한다.

플라즈마 : 플라즈마란 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말한다. 이때는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠게 된다. 우주 전체를 보면 플라즈마가 가장 흔한 상태라고 할 수 있다. 번개, 북극 지방의 오로라, 대기 속의 이온층 등이 플라즈마 상태이다. 대기 밖으로 나가면 지구 자기장 속에 이온들이 잡혀서 이루어진 방사선대, 태양으로부터 쏟아져 나오는 태양풍 속에도 플라즈마가 존재한다. 별의 내부나 그를 둘러싸고 있는 주변 기체, 별 사이의 공간을 메우고 있는 수소 기체도 플라즈마 상태이다.

-문의- 
☎ 042-865-2061, 우주과학본부 태양우주환경그룹 황정아 책임연구원 

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