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천문연, 항공기 탑승 시 우주방사선 피폭량 확인할 수 있는 웹서비스 시작 2022-10-05

천문연, 항공기 탑승 시 우주방사선 피폭량 확인할 수 있는 웹서비스 시작

- 우주방사선 예측 모델 KREAM 개발해 대국민 서비스 

- 실시간으로 은하우주방사선과 태양우주방사선 종합 예측


■ 한국천문연구원(이하 ‘천문연’)은 항공기 탑승 시 우주방사선에 피폭되는 양을 확인할 수 있는 대국민 웹서비스를 시작한다. 천문연은 국내 연구진이 개발한 독자적인 우주방사선 예측 모델 ‘KREAM(Korean Radiation Exposure Assessment Model for Aviation Route Dose)’을 바탕으로 우주방사선 피폭량을 계산해 확인할 수 있는 웹사이트를 오픈했다. 


□ 웹사이트(kream.kasi.re.kr)에 접속해 여행 날짜와 입·출국 공항 혹은 도시명을 입력하면 승객과 승무원들이 탑승할 예정인 항로의 우주방사선 피폭량 예측 정보를 사전에 계산해볼 수 있고, 여행이 끝난 이후 과거 기록에 해당되는 항로의 피폭량 또한 확인할 수 있다. 


□ 천문연이 개발한 항공기 우주방사선 예측 모델 KREAM은 우주방사선의 주요한 원인인 은하우주방사선과 태양우주방사선을 모두 고려해 피폭량을 계산한다.


□ 현재 대부분의 국내 항공사는 CARI-6M*으로 우주방사선을 측정하고 있다. 하지만 CARI-6M은 태양 우주방사선을 고려하지 않고 연중 변화가 거의 없이 일정한 은하 우주방사선만을 고려한 모델이다. 그러나 승무원들의 피폭량은 태양 우주방사선인 `태양 양성자 이벤트'(SPE : Solar Proton Event)** 발생 시 급격히 증가한다.

  * 미국 Civil Aerospace Medical Institute에서 개발한 방사선 유효선량(effective dose) 계산 프로그램으로 미 연방항공청(FAA)에서 우주방사선 측정을 위해 사용 권고

  ** 태양흑점 폭발이나 ‘코로나 질량 방출’(태양풍 폭발 현상) 등 태양에 갑작스러운 변화가 생길 때, 지구로 오는 양성자 수가 급증하는 이벤트


□ KREAM 모델의 개발은 천문연과 관련 기관들의 10년 넘는 동안의 우주방사선 연구의 성과다. 천문연은 2013년도부터 KREAM 개발에 착수했으며, 2016년 기상청 국가기상위성센터와 KREAM 모델 개발 연구를 완료했다.


□ 2020년부터 현재까지 천문연은 한국원자력안전재단과 KREAM 모델의 현업화와 고도화 연구를 진행하고 있으며, 국토교통부와 협조해 국제선 항공기에서 우주방사선 실측 실험과 관측값 검교정을 체계적으로 수행했다.


□ 최근 5년간(2017~2021년) 항공 승무원의 연간 평균 방사선 피폭선량이 병원·원전 등 기타 방사선 작업 종사자의 2~7배에 달한다. 이는 승무원의 방사선 피폭량을 신뢰도 있는 모델로 정확하게 계상하는 노력이 필요하다는 것을 의미한다.


□ 이에 천문연은 국내 항공기의 우주방사선 실측 실험을 지속적으로 수행하고 태양 활동에 따른 우주방사선 관측자료를 분석해 KREAM 모델의 신뢰도를 향상시킬 예정이다.


□ 현재는 대한항공이 운항하는 항공로에 한해서만 피폭량을 계산하고 있다. 추후에 단계별로 확장하여 타 항공사가 운항하는 항공로에 대해서도 서비스할 예정이다.


□ KREAM 개발 총괄책임자인 천문연 황정아 책임연구원 (UST 한국천문연구원 캠퍼스 대표교수)은  “항공기 우주방사선 안전관리를 위한 생활주변방사선안전관리법 개정안이 최근 통과됐고, 체계적이고 신뢰도 있는 우주방사선 측정과 평가 프로그램이 절실한 시점에 한국의 독자적인 예측 모델을 개발했다”며, “KREAM 모델 서비스를 활용해, 승객 및 승무원의 항공기 우주방사선 안전관리를 위한 신뢰성 있는 데이트베이스를 지속적으로 구축해 나갈 예정이다”고 전했다.  (보도자료 끝. 참고 사진 및 자료 있음.)


[문의]

한국천문연구원 우주과학본부 황정아 책임연구원 (Tel: 042-865-2061)

한국천문연구원 우주과학본부 손종대 선임연구원 (Tel: 042-869-5906)



[참고자료 1] 그림 및 참고영상

천문연이 개발한 KREAM 웹사이트 이미지

그림 1. 천문연이 개발한 KREAM 웹사이트 이미지

우주방사선 피폭량 계산기 이미지

그림 2. 우주방사선 피폭량 계산기 이미지

그림 3. 우주방사선 예측 모델 이미지

그림 3. 우주방사선 예측 모델 이미지


한국천문연구원 우주환경감시실

그림 4. 태양 폭발 및 우주환경을 감시하는 한국천문연구원 우주환경감시실

다운로드 영상 링크: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLIKHbneRuQN-w~~.mp4


태양활동관측위성(Solar Dynamics Observatory, SDO)이 촬영한 태양 이미지 링크: https://sdo.gsfc.nasa.gov/gallery/main


[참고자료 2] 참고 설명

- KREAM(Korean Radiation Exposure Assessment Model for Aviation Route Dose) : 

 항공방사선량 분석 시스템인 KREAM은 지구 대기로 입사되는 은하우주선, 이벤트에 따른 태양 양성자 스펙트럼을 이용하여 양성자 스펙트럼을 계산하는 양성자 스펙트럼 생성부와 양성자 스펙트럼을 이용하여 입자수송을 계산하고 방사선 피폭량 지도를 생성하는 전지구 방사선량 지도 생성부, 표준대기를 기준으로 생성된 상기 피폭량 지도를 실시간 대기에 맞추어 현재 대기 구성에서의 피폭량 지도로 변환하는 전지구 방사선량 지도 변환부로 구성되어 있다. 

 모델의 입력값으로는 태양 흑점 개수 데이터와 정지궤도 위성인 GOES 위성에서 관측한 10MeV 이상 에너지를 갖는 양성자 플럭스를 입력값으로 사용하여 실시간 전지구 우주 방사선량 지도를 산출한다. 그리고, 방사선량 지도를 사용하여 실시간 변화하는 비행경로, 시간 등에 따른 순간 방사선 피폭량 및 누적 피폭량 값을 계산한다. 구동을 위해 필요한 데이터가 미리 계산되어 저장된 데이터베이스 부를 포함해 주어진 경로 외에도 임의의 경로, 시간정보가 주어지면 해단하는 노선의 피폭량 값을 산출할 수 있다

KREAM 서비스 홈페이지 : kream.kasi.re.kr


- 우주방사선 : 우주방사선이란 태양과 태양계 외부에서 생성되어 지구로 향하는 고에너지의 1차 우주방사선과 이들과 대기를 구성하는 원자들이 충돌하여 생성되어 지표에 도달하는 2차 우주방사선을 통칭한다.

 우주방사선의 존재는 1912년에 오스트리아의 과학자 Victor Francis Hess가 수행한 열기구 실험에서 전위계를 이용한 이온화율을 통해 처음 알려지게 되었다. 열기구 실험을 통해 기구의 고도가 높아질수록 이온화율이 증가한다는 것을 발견하였으며, 이것이 방사선의 기원이 되었고, 그 기원이 우주에서 왔다는 것을 암시하였다.


우주방사선은 크게 태양계 밖에서 기인한 은하 우주선(Galactic cosmic rays)과 태양 활동에 기인하는 태양 우주선(Solar cosmic rays)으로 구분한다. 은하 우주선(Galactic Cosmic Rays, GCR)은 태양계 외부에서 초신성잔해(supernova remnants, SNRs), 활동성 은하핵(Active Galactic Nucle, AGN), 중성자별(neutron star) 등에 의해 발생된다고 알려져 있다. 이들은 주로 하전입자(charged particle)로 구성된 고에너지 입자이다. 이러한 하전 입자로 구성된 은하 우주선은 지구로 유입되면서 우주 관측 장비와 전자 장비들과 상호작용하며 안정적인 작동을 방해하고, 우주선(Spacecraft) 승무원의 건강에 영향을 주어 장기 임무에 위험을 초래할 수 있다.


오랜 기간에 걸친 우주선의 관측을 통해 은하 우주선의 플럭스(Flux)가 태양권(Heliosphere)내의 자기장에 의해서 변화되는 것이 확인되었다. 태양권 안으로 진입하는 은하 우주선은 태양권 내의 자기장과 태양활동에 의해 영향을 받는다. 태양 주기의 태양 활동 극대기에 가까워질수록 태양 플레어(flare), 코로나 질량 방출(Corona Mass Ejection, CME)과 같은 태양 활동이 많아지며, 태양 흑점수도 증가하게 되고, 태양권 내의 자기장도 강해져서 자기장의 영향을 받아 지구로 유입되는 은하 우주선의 플럭스의 양이 감소하게 된다. 태양 활동 극소기에 가까워질수록 태양 활동이 작아지면서 태양권 내의 자기장에 의한 차폐 효과가 약해져서 지구로 유입되는 은하 우주선의 양이 많아지게 된다. 이처럼 은하 우주선의 플럭스는 태양 활동에 따른 11년 주기의 흑점수 변화와 서로 반대되는 경향성을 가진다.


한편 태양 우주선(Solar cosmic rays)은 태양 플레어(Solar flare) 또는 코로나 질량 방출(Coronal Mass Ejections; CMEs) 등과 같은 태양에서 높은 에너지를 가진 입자들이 갑작스럽게 방출하는 현상에 기인한다. 또한 태양폭발에 의해서 태양 자기장이 태양권으로 분출되면서 발생하는 태양풍의 영향을 받아 우주선의 플럭스가 갑자기 증가하는 현상과 우주선의 플럭스가 갑자기 감소하는 현상 등 우주선 중성자 관측기에서 검출되는 일시적인 변화 현상도 있다.


우주선을 구성하는 고에너지 입자들이 지구 대기권에 들어오는 과정에서 지구 자기장의 영향을 받게 된다. 저에너지 1차 우주선은 지구 자기장에 의해서 차폐되어 대기로 들어올 수 없게 된다. 지구 극지방의 경우에는 지구 자기장에 의한 차단 효과가 적어서 저에너지 은하 우주선도 입사되어 지구 대기권과 충돌하여 2차 우주선을 생성하기도 한다. 지구로 유입되는 1차 우주선에 대한 지구 자기장의 차단 효과를 나타내는 지표로 차단 견고도(Cut-off rigidity)를 사용한다. 이 차단 효과를 에너지와 비슷한 다른 단위인 GV를 사용한다. 지구로 유입되는 입자들의 에너지가 차단 견고도보다 높을 때만 입자들이 지구 대기로 들어올 수 있게 된다.


1차 우주선은 위의 과정을 거쳐 지구로 유입되면서 지구의 대기를 구성하는 산소, 질소, 아르곤 등과 부딪히고 반응한다. 이 과정에서 수백 MeV 이상의 에너지를 가진 파이온, 뮤온, 전자, 양성자, 중성자 그리고 광자 등의 2차 우주선 입자들이 만들어진다. 결과적으로, 이러한 2차 우주선 입자들이 방사선원으로 우리 일상에 영향을 미치게 된다.


- 방사선 산출 모델 특징

                                                      <우주방사선 피폭량 계산 프로그램별 주요 특징>

프로그램

개발국

개발기관

입력값

주요특징

CARI-6

미국

Civil Aerospace Medical Institute

· 출발지 및 도착지 공항명

· 비행고도 및 해당 고도에서의 비행시간

· 이륙시간 및 착륙시간

· 날짜

· LUIN99, LUIN2000에 의한 선량률 데이터를 기본으로 누적선량 계산

CARI-6M

· 항공로 기점별 위·경도, 고도

· 경과시간

· 날짜

EPCARD

독일

GSF institute

· 출발지 및 도착지 공항명

· 비행고도 및 해당 고도에서의 비행시간

· 이륙시간 및 착륙시간

· 날짜

· MC 프로그램 FLUKA를 기반으로 제작

JISCARD

일본

NIRS (National Institute of Radiological Sciences)

· 출발지 및 도착지 공항명

· 비행고도 및 해당 고도에서의 비행시간

· 이륙시간 및 착륙시간

· 날짜

· CARI-6 코드와 함께 실행

PCaire

캐나다

PCAIRE inc

· 출발지 및 도착지 공항명

· 비행고도 및 해당 고도에서의 비행시간

· 이륙시간 및 착륙시간

· 날짜

· TEPC(tissue equivalent proportional counter)등의 실측 데이터 이용

SIEVERT

프랑스

DGAC, IRSN, Paris Observatory, IPEV, Air France-asoperational adviser

· 출발지 및 도착지 공항명

· 비행종류(subsonic/supersonic)

· 날짜

· SiGLE 모델을 통해 GLEs를 고려하여 계산

KREAM

한국

한국천문연구원

· 출발지 및 도착지 공항명

· 비행고도 및 해당 고도에서의 비행시간

· 이륙시간 및 착륙시간

· 날짜

· GEANT4 코드 기반, BO’11 모델로 GCR, GOES 양성자 측정값으로 SCR을 계산


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