'반앨런대(Van Allen Belt)' 비밀 풀다

정한 주파수의 정전기 파동 발견

▲지구 방사선대는 적도 상공을 중심으로 도넛 모양으로 지구를 감싸고 있다. 초록색 부분은 방사선대의 안쪽벨트이다. 옅은 보랏색 부분은 방사선대의 바깥벨트이다. 안쪽벨트는 주로 양성자로 이뤄져 변하지 않는 그대로의 형태를 유지한다. 반면 바깥벨트는 주로 전자로 구성됐으며 변화무쌍하게 움직인다.[사진제공=천문연]

[아시아경제 정종오 기자] 태양에서 오는 방사선은 대부분 지구 바깥 대기권에서 차단된다. 이 때문에 인류는 지상에서 안전하게 생활할 수 있다. 지구 자기권은 태양에서 나오는 우주 방사선의 위협으로부터 지구를 보호하는 방패막 역할을 한다.

반면 지구 자기력선이 열려 있는 남북극 방향에서 유입된 일부 저에너지의 전자들은 지구 적도 주변에서 도넛 모양의 띠를 형성한다. 이 영역을 지구 방사선대 또는 반앨런대(Van Allen Belt)라고 부른다. 지구 적도 주변에서 도넛 모양의 띠를 형성한다.

방사선대는 다양한 에너지 대역의 전자로 구성돼 있다. 이들 각각이 다양한 플라즈마 파동과 상호 작용한다. 생성·소멸되면서 총체적 결과물로 안쪽과 바깥 쪽 도넛 모양의 현재 모습을 갖췄다. 방사선대는 강한 방사선 피해를 줄 수 있기 때문에 우주환경에서는 '위험 지대'로 통한다. 인공위성 궤도는 이 위험 지대를 피해서 설정된다.

황정아 한국천문연구원(원장 한인우) 박사가 이끄는 국제연구팀은 방사선대의 생성과 그 안정된 구조가 지속적으로 유지하는 원리에 대한 새로운 사실을 밝혀냈다. 황 박사 연구팀은 미국 항공우주국(NASA)의 '반 앨런 탐사선 위성(Van Allen Probes, VAP)'의 관측 자료를 분석했다.

지구 방사선대 특정한 주파수의 정전기 파동(frequency Upper-Hybrid~40㎑)을 발견했다. 이 파동과 특정 에너지 영역의 전자들(1-50keV)의 상관관계를 입증했다. 이는 지구 방사선대가 오랫동안 현재 형태를 유지할 수 있었던 비밀을 풀 수 있는 중요한 실마리가 된다.

지금까지 방사선대와 관련된 많은 연구는 태양활동이 활발할 때 플라즈마 파동과 입자의 상호작용에 주목해 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 확인했다. 특정 에너지 영역(hot electrons) 전자들과 상관관계를 설명했다.

이번 발견은 반 앨런 탐사선의 탑재체가 정밀한 고주파의 파동 관측이 가능했던 것이 주효했다. 방사선대 생성의 비밀을 풀기 위해 NASA에서는 2012년 '반 앨런 탐사선'이라는 쌍둥이 위성을 발사한 바 있다. 이 위성들은 현재까지 방사선대에 상주하며 관측을 계속하고 있다. 천문연은 NASA와 함께 위성 데이터 수신국을 운영하고 공동 연구를 진행 중이다.

이번 연구논문은 미국 플라즈마 물리학 저널(Physics of Plasmas) 6월20일자(논문명: Roles of hot electrons in generating upper-hybrid waves in the earth's radiation belt)에 실렸다.

☆지구의 반앨런대는?
=https://youtu.be/bWMUO33xpPg

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr