2024년 5월 G5 지자기 폭풍 때 한반도 상공 전리권 변화: 한국천문연구원 준 실시간 전리권 감시 시스템 관측 결과를 중심으로

1. 서론

2024년 5월 12일, 강원도 화천에서 오로라를 찍었다는 소식이 있었다. 오로라가 자주 나타나는 지역인 오로라 타원체(aurora oval)에서 멀리 떨어진 우리나라에서 오로라를 보기는 매우 드문 일로 2003년 10월 보현산 천문대에서 붉은 오로라를 관측한 이후로 21년 만의 일이다[1].

오로라는 지구 밖에서 오는 고에너지 입자가 지구 대기와 부딪혀 에너지를 전달하고, 지구 대기가 다시 이를 방출하는 과정에서 나오는 빛이다. 오로라는 지자기 남북극을 중심으로 고리 모양으로 일어난다. 태양 폭발로 고에너지 입자가 많이 들어오면 이 고리가 넓어져 평소 오로라를 보기 힘든 지역에서도 볼 수 있으나, 우리나라는 고리 중심에서 멀리 있어 보기 어렵다. 그러나 21년 만에 일어난 강력한 태양 폭발과 지자기 폭풍 덕분에, 우리나라에서도 오로라를 볼 수 있었다.

태양 폭발로 나온 플라스마는 자기장을 가지고 있어 지구 자기장과 결합할 경우, 고에너지 입자가 지구로 들어와 우주 환경을 크게 바꾼다. 특히 전자가 밀집한 지구 전리권을 교란시켜 무선 통신, 위성항법시스템에 영향을 주고 인공위성이 다니는 수백 킬로미터 상공의 대기 밀도를 높여 위성의 고도를 떨어뜨릴 수 있다. 2022년 2월 스타링크 위성 38대가 추락한 것도 이 때문으로 알려졌다[2–5]. 이번에 일어난 태양 폭발은 지구에 최고 등급(G5) 지자기 폭풍을 일으켰고, 대한민국을 포함한 전 지구 우주환경을 크게 변화시켰다.

따라서 이 논문에서는 한국천문연구원이 개발한 준 실시간 전리권 감시 시스템에서 관측한 자료를 중심으로 이번 G5 지자기 폭풍 때 우리나라 상공의 전리권이 어떤 변화를 겪었는지 살펴보고, 그런 변화를 일으킨 원인이 무엇인지 짚어본다.

2. 2024년 5월 9일 태양 폭발과 지자기 교란

이번 G5 지자기 폭풍을 일으킨 태양 폭발은 Fig. 1(a)에 보이는 태양 남서쪽의 AR13664 활동 영역에서 일어났다. 지구의 15배 정도 크기를 가진 대형 흑점군에서 5월 9일 08시 45분(UT)경 X2.3급 태양 플레어가 발생했고, X선량은 09시 13분경 최고점을 기록했다, 이와 동반해 코로나 물질 방출(coronal mass ejection, CME)이 일어나 자기장을 가진 플라스마 덩어리가 평균 속도 1,250 km/s(최고 속도 1,893 km/s)로 지구로 향했다[6]. Fig. 1(b)는 SOHO(Solar and Heliospheric Observatory) 위성에 실린 LASCO(Large Angle and Spectrometric Coronagraph)에서 관측한 시간에 따른 CME의 분출 모습을 보여준다[6]. 이번 플레어와 CME는 특별히 강하지 않았지만, 앞서 오던 다른 CME들과 상호작용으로 복잡한 자기 구조가 형성되어 G5급 지자기 폭풍이 발생한 것으로 보인다.

Fig. 1. Sunspots and CME associated with the May 2024 geomagnetic storm. (a) Giant sunspot group (AR13664) observed by the SDO HMI. (b) Sequence of CME images from SOHO LASCO, associated with the G5 geomagnetic storm. CME, coronal mass ejection; SDO, solar dynamic observatory; HMI, helioseismic and magnetic imager; SOHO, Solar and Heliospheric Observatory; LASCO, Large Angle and Spectrometric Coronagraph.

Download Original Figure

이 CME는 5월 10일 16:36 UT경 지구에 도착해 지구 자기장을 교란시켰다. Fig. 2(a)는 태양풍 밀도와 속도, 행성 간 자기장, 지자기 폭풍의 세기를 나타내는 Dst와 Kp 지수의 시간에 따른 변화이다. 태양풍 밀도와 속도가 증가하면 태양풍 입자들이 지구 자기장으로 들어와 환전류(ring current)의 세기를 강화한다. 환전류는 지구 북반구를 위에서 내려봤을 때 시계 방향인 서쪽으로 흐르고, Dst는 이 전류가 만드는 자기장의 세기를 나타낸다. 환전류가 만드는 자기장은 지구 자기장과 반대 방향이므로 지자기 폭풍이 일어나면 Dst가 0보다 작아진다. 이번 지자기 폭풍에서 Dst는 –412 nT까지 떨어졌는데, 이 값은 2003년 10월에 일어난 대규모 지자기 폭풍인 할로윈 스톰(Halloween Storm) 때보다 더 떨어진 수치이다. Kp는 자기장 교란 정도를 보여주는 지수로 G5급임을 나타내는 9까지 올라가는 경우는 드물다. 행성 간 자기장(interplanetary magnetic field, IMF)은 태양풍에 실려 나오는 태양의 자기장으로, 남북방향 성분인 IMF Bz는 지자기 폭풍의 시작 시점과 밀접한 관련이 있다. 태양 자기장과 지구 자기장이 반대 방향일 때(IMF Bz < 0) 두 자기장이 결합하기 쉬워지고, 결합한 자기력선을 따라 태양풍에 실린 고에너지 입자들이 지구로 들어오면서 지자기 폭풍이 시작되기 때문이다. 고에너지 입자가 들어오는 신호가 오로라이므로 Fig. 2(b)에서 보듯이 지자기 폭풍이 시작되면 오로라가 더 밝아지고 적도 방향으로 확장한다.

Fig. 2. Solar wind and magnetic parameters, along with auroral images. (a) Solar wind density, solar wind speed, IMF Bz, Dst, and Kp index presented from top to bottom. Kp indices corresponding to G5, G4, G3, below G3 level geomagnetic storms are marked in red, orange, yellow, and green, respectively. (b) DMSP/SSUSI aurora observations on May 10 in the northern hemisphere: (top) before and (bottom) during the storm. The times of these auroral images are indicated by arrows on the Kp index plot. IMF, interplanetary magnetic field; DMSP, Defense Meteorological Satellite Program; SSUSI, Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager.

Download Original Figure

3. G5 지자기 폭풍과 대한민국 상공의 전리권 변화

한국천문연구원은 동아시아 전리권 변화를 감시하기 위해 국내 GNSS(Global Navigation Satellite System) 자료를 실시간으로 수집하고 TEC(total electron content)와 ROTI(rate of TEC index)를 산출하는 시스템을 개발해 시험 운영 중이다. ROTI는 시간에 따른 TEC의 변화량으로 전리권 교란 정도를 나타낸다. TEC와 ROTI는 위도 25.5–41도, 경도 120–135.5도 범위로 0.5도 간격의 맵 형태로 제공하며 15분마다 정보를 갱신한다. 또한, GNSS 신호 교란을 확인할 수 있는 신틸레이션 관측소를 보현산, 제주, 마이크로네시아, 그리고 남극 세종기지와 장보고 기지에 설치해 운영 중이다. 이 시스템에서 수집한 자료에 따르면 G5 지자기 폭풍 기간 동안 TEC는 평소보다 70%나 감소했으며, 24시간 이상 지속하였다. 또한, 보현산과 제주 관측소에서 평소에 나타나지 않는 강한 신틸레이션을 관측하였다.

Fig. 3(a)는 지구 자기장 교란이 전리권에 미치는 영향을 시간 순서대로 보여준다. TEC는 일본의 정지궤도 항법위성(Quasi-Zenith Satellite System, QZSS) 자료로부터 추정하였다. 지자기 폭풍 전인 5월 9일(초록색 점선)과 비교했을 때, 5월 11일 10 UT(19 LT)부터 TEC가 빠르게 감소하였고, 12 UT(21 LT) 부근에서 증가하기 시작해 18 UT(03 LT) 경에는 낮과 비슷한 수준인 40 TECU(TEC Unit, 1 TECU = 10¹⁶ electrons/m²) 정도에 도달하였다. 5월 12은 TEC 변화가 거의 없이 20 TECU 미만을 유지하다가, 다음 날 00 UT 이후 정상으로 돌아왔다. Fig. 3(b)는 한국천문연구원 준 실시간 전리권 감시 시스템에서 제공하는 TEC 지도로, 지자기 폭풍에 의한 TEC 감소를 보여준다. 지자기 폭풍 전에는 35–40 TECU였으나, 지자기 폭풍 후에는 10–20 TECU 정도로 줄었다. 이러한 TEC 감소는 한반도 주변 대부분 지역에서 일어났다. Fig. 3(c)은 5월 11일 보현산과 제주 관측소에서 관측한 강한 신틸레이션을 보여준다. 우리나라에서 이렇게 강한 신틸레이션이 나타나는 것은 드문 현상으로, 지자기 폭풍이 전 지구 전리권에 영향을 미쳤음을 의미한다. 강한 신틸레이션이 발생한 시간은 Fig. 3(a)에 빨간 상자로 표시하였으며, 밤에 나타난 급격한 TEC 증가와 관련 있는 것으로 보인다.

Fig. 3. Ionospheric and thermospheric disturbances during the storm. (a) QZSS TEC at Daejeon GNSS station, along with the Dst index. The green dashed line represents the TEC level on May 9 for comparison. (b) Comparison of TEC maps before and after the storm. (c) GNSS scintillations (S4 index) observed at Bohyun (BHAO) and Jeju (JEJU) stations. Different GNSS satellites are represented by distinct colors. (d) DMSP/SSUSI O/N₂ maps over three consecutive days. These maps are synthesized from observations at successive orbits each day. As the satellite moves westward, the observation times (UT) shift with longitude. QZSS, Quasi-Zenith Satellite System; TEC, total electron content; GNSS, Global Navigation Satellite System; DMSP, Defense Meteorological Satellite Program; SSUSI, Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager.

Download Original Figure

지자기 폭풍 기간 TEC 감소는 보통 열권 구성 성분 또는 전리권의 고도 변화와 관련이 있다[7,8]. 이번에 나타난 낮 동안 TEC 감소는 열권 구성 성분의 변화와 좀 더 관련이 있는 것으로 보인다. 그림 3(d)는 NASA TIMED(Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere, Energetics and Dynamics) 위성의 GUVI(Global UltraViolet Imager)에서 관측한 산소원자(O)와 질소분자(N₂)의 비율(O/N₂)이다. O/N₂는 낮 동안 산소원자와 질소분자에서 나오는 방출선의 세기로 추정하기 때문에 낮에만 자료를 얻을 수 있다. 또한, TIMED 위성의 궤도 경사각은 74°로, 지자기 폭풍 기간 중 적도 부근 지방시(local time)가 오전 8시 30분이므로 여름인 북반구에서만 관측자료가 있다. 지자기 폭풍이 일어나면 가열에 인한 대기 팽창으로 열권의 O와 N₂의 비율이 변하는데, 그림에서 보듯 북반구 중·고위도 지역에서는 O/N₂가 감소하였다(짙은 파란색). 저위도에서는 O/N₂가 증가(붉은색)하는 것처럼 보이나, 이는 O/N₂ 산출 시 전자밀도 증가에 의한 영향을 제거하지 못한 결과로 보인다[9,10]. 한반도 부근에서는 O/N₂ 감소 영역이 보다 남쪽으로 확장했고 이 현상은 5월 12일까지 계속되었다. 다음 장에서 설명하겠지만, O/N₂ 분포는 지자기 폭풍 중에 우리나라에 나타난 TEC 감소를 이해하기 위한 단서를 제공한다.

4. 토의와 결론

한국천문연구원은 전리권 변화를 감시하고 원인을 연구하기 위해 국내·외 전리권 관측 시스템을 구축해 왔고[11], 이를 통해 2024년 5월에 있었던 G5 지자기 폭풍동안 중요한 관측 자료를 얻을 수 있었다. 이 장에서는 수집한 자료의 의미를 분석하고, 앞으로 필요한 관측에 대해 알아본다.

이번 지자기 폭풍 동안 우리나라에 나타난 주목할 만한 현상 두 가지는 (1) 밤 동안 TEC 증가와 (2) 저위도 전리권 교란인 플라스마 버블과 비슷한 수준의 강한 신틸레이션이다. 일반적으로 지자기 폭풍 기간에 나타나는 TEC 또는 전자 밀도 변화는 전기장, 열권 구성 성분, 그리고 바람 변화와 연결해서 이해한다. 전리권 전자 밀도는 고도와 대기 구성 성분에 민감하게 반응하는데, 열권의 중성 대기 구성 성분이 고도에 따라 변하기 때문이다. 전리권 전자밀도는 대기 중 모든 이온의 총량과 같다. 이온의 대부분을 차지하는 산소 이온은 질소나 산소분자와 반응해 소멸하는데, 높은 고도에서는 질소와 산소 분자 밀도가 낮아서 산소 이온이 오래 살아남을 수 있고, 낮은 고도에서는 이들의 밀도가 높아 산소 이온이 빠르게 소멸한다. 지자기 폭풍이 일어나면 극지방으로 많은 에너지가 들어와 대기를 가열해 팽창시킨다. 이 때문에 높은 고도에서 평소보다 질소와 산소 분자가 늘어나 산소 이온이 빠르게 사라지므로 전리권 전자밀도가 감소한다. 대기의 가열은 주로 오로라 지역에서 일어나고 팽창한 대기는 들어오는 에너지양, 즉 오로라의 세기에 비례해 저위도로 확장한다. 따라서 오로라가 우리나라에서 보일 정도로 강하게 일어났던 이번 지자기 폭풍에서, 5월 11과 12일에 나타난 낮은 TEC는 이와 관련이 있으며 TIMED/GUVI가 관측한 O/N₂ 분포를 통해 확인할 수 있다.

그러나 밤에 TEC가 증가하고 강한 신틸레이션이 발생한 이유는 명확하지 않다. 지자기 폭풍이 전리권의 높이를 변화시켜 전자밀도를 바꿀 수 있다. 하지만 Fig. 3(a)에서 보듯 TEC가 감소하다가 밤에 다시 증가하는 현상은 단순히 전리권 고도 변화만으로는 설명하기 어렵다. 지자기 폭풍 기간 중 EIA(equatorial ionization anomaly, 지자기 적도 플라스마가 자기력선을 따라 높은 위도로 이동해 적도에서는 감소하고 위도 ±10°–15°에서 증가하는 현상)가 중위도까지 확장해 TEC 증가를 불러올 수 있지만[12–14], 이는 확인이 필요하다. 5월 11일 18시에서 21시 사이에 나타난 신틸레이션은 보현산과 제주관측소 기준 남쪽에서 나타났으므로 우리나라 북쪽에서 보인 오로라와는 관련이 없는 것으로 보인다. 열권 바람에 의한 전리권 고도 상승과 이에 따른 플라스마 불안정성이 결합해 신틸레이션이 발생할 수 있으나, 다른 관측자료와 함께 분석하는 것이 필요하다.

전리권과 고층대기는 전 지구가 연결된 시스템으로 대한민국 상공에서 일어나는 현상을 지역 관측 자료만으로는 이해하기 어렵다. 극지방으로 들어오는 에너지와 대기 순환, 구성 성분의 변화 등에 대한 전 지구 관측 정보가 필요하다. 이를 위해 한국천문연구원은 국외 관측소를 설치하고 위성 프로그램을 개발 중이다. 2025년 발사 예정인 차세대중형위성3호 탑재체 ROKITS(Republic of Korea Imaging Test System)도 그 중 하나로, 오로라를 포함한 전 지구 전리권-고층대기 관측 자료를 제공할 것이다. 또한, 올해 말 고층대기 바람을 관측하는 페브리-페로 간섭계(Fabry-Perot Interferometer, FPI)를 보현산 천문대에 설치해 대기 순환을 비롯한 열권 변화 정보를 수집할 예정이다.