23.10. Ionospheric Storms
전리층 폭풍은 태양 입자(solar particle)와 전자기 복사(electromagnetic radiation)의 대규모 유입으로 인해 발생합니다. 전리층과 자기권 사이에는 강한 결합이 존재하는데, 이는 두 체제가 동시에 교란될 수 있음을 의미합니다.
전리층 폭풍의 징후에는 강화된 전류(enhanced currents), 난류(turbulence) 및 파동 활동(wave activity), 자유 전자의 비균질 분포(nonhomogeneous distribution of free electrons)가 포함됩니다. 클러스터(cluster)를 통과하는 신호의 섬광(scintillation)을 유발하는 이러한 전자 클러스터링(clustering)은 GNSS(Global Navigation Satellite System)에 특히 문제가 됩니다.
전리층 폭풍 영향의 지속 기간은 몇 분에서 며칠에 걸쳐 지속됩니다. 일반적으로 이러한 전리층 폭풍은 지자기 폭풍(geomagnetic storms)의 지속 시간처럼 보일 수 있습니다.
전리층 폭풍의 강도는 현지 시각의 기능(function of local time), 계절, 태양 주기 내의 시간에 따라 크게 달라집니다.
또한 전리층 폭풍의 발생 빈도는 한 가지 중요한 주의사항이 있는 지자기 폭풍과 유사합니다. 자기 적도(magnetic equator)의 양쪽에서 위도가 약 ± 10°에 이르는 띠(band)인 적도 부근의 전리층은 지자기 폭풍이 없더라도 일몰 후부터 자정 무렵까지 매우 교란될 수 있습니다. 이러한 현상은 태양의 외부 자극보다는 전리층의 내부 전기역학과 관련이 있습니다. 교란(disturbance)은 예측하기 매우 어렵고 해당 지역의 기후 통계로 가장 잘 설명됩니다.
23.11. Solar Flare Radio Blackouts
무선 정전(radio blackout)은 주로 고주파(HF, High Frequency)(3-30 MHz)에 영향을 미치지만, 해로운 영향은 초고주파(VHF, Very High Frequency)(30-300 MHz) 이상으로 확산되어 *페이딩(fading) 및 수신 능력 감소를 초래할 수 있습니다. 이러한 정전(blackout)은 지구의 햇빛이 비치는 쪽을 이온화하는 태양 플레어의 방출로 인해 전자 밀도가 높아진 결과입니다.
이 과정은 태양 플레어(flare)에서 나오는 X선과 EUV(극자외선, extreme ultraviolet) 폭발로 구성되어 대기 중 자유전자(free electron)의 수가 90km 이하로 증가하며, 이는 다시 중성 대기(neutral atmosphere)와의 상호작용을 증가시켜 전파(radio wave)가 이 지역을 통과할 때 손실되는 전파 에너지의 양을 증가시킵니다. 대규모 플레어 이벤트(event) 동안, 손실된 전파 에너지의 양은 전리층으로부터의 복귀 신호(return signal)를 일반 전파 수신기(radio receiver)에서 사용하기에는 너무 작게 만들기에 충분합니다. 이 과정의 순효과는 HF 전송(transmission)의 정전(blackout)입니다.
햇빛을 받는 쪽에서의 태양 플레어 전파 정전(solar flare radio blackout)의 지속 시간은 X선 EUV 광자의 도착으로 시작하여, X선과 EUV 광자의 감소와 함께 강도가 약해지는 태양 플레어의 지속 시간을 밀접하게 따릅니다. 보통 무선 정전은 몇 분 동안 지속되지만, 몇 시간 동안 지속될 수도 있습니다.
23.12. Effects of Space Weather on Aircraft Operations
23.12.1. Communications
저위도부터 중위도에서의 HF 통신은 line-of-sight VHF 통신이 옵션(option)이 아닌 대양 횡단 비행(transoceanic flight) 및 경로(route) 동안 항공기에 의해 사용됩니다. HF는 스킵 모드(skip mode)가 지구의 곡률 주위에 신호를 보낼 수 있도록 합니다. 태양 플레어가 발생하고 태양 광자가 전리증의 낮은 고도에 있는 전자 밀도를 빠르게 변화시켜 페이딩(fading), 노이즈(noise) 또는 완전한 정전(blackout)을 일으킬 때, 햇빛을 받는 쪽의 HF 통신은 불리한 영향을 받을 수 있습니다. 일반적으로 이러한 중단(disruption)은 수십 분에서 몇 시간 정도로 수명이 짧기 때문에 정전(outage)은 상당히 빨리 끝날 수 있습니다.
고위도와 극지방의 HF 통신은 일부 우주 기상 현상으로 인해 더 오랜 시간 또는 때로는 며칠 동안 악영향을 받습니다. 고위도와 극지방의 전리층은 국지적 이온화(local ionization)를 변화시키고 가파른 국지적 이온화 변화도(steep local ionization gradient)를 제공하여 HF 전파 방향을 바꿀(deflect)뿐만 아니라 국지적 흡수(local absorption)를 증가시키는 하전 입자를 위한 싱크(sink)입니다.
위성 통신 신호(satellite communication signal)는 전리층의 대부분을 통과하며 넓은 지역에서 널리 사용되는 통신 수단입니다. 일반적으로 위성 통신에 사용되는 주파수는 전리층이 투명하게 보일 만큼 충분히 높습니다. 하지만, 전리층이 난류이고 균일하지 않을 때, 진폭(amplitude)과 위상(phase) 모두에서 반짝거리는 섬광(불꽃, scintillation)이라고 불리는 효과는 전송된 신호에 영향을 미칩니다. 섬광은 도플러 이동 전파(Doppler-shifted radio wave)를 수신기가 추적하지 못하게 하고 잠금 상실(loss-of-lock)을 초래할 수 있습니다.
23.12.2. Navigation and Global Positioning System (GPS)
우주 기상은 GPS에 계산된 위치의 오차를 증가시키고, 수신기에 대한 잠금 상실(loss-of-lock)을 유발하고, 태양 전파 노이즈(solar radio noise)로 전송된 신호를 압도함으로써 세 가지 방식으로 악영향을 미칩니다.
23.12.3. Radiation Exposure to Flightcrews and Passengers
특정 상황에서 발생하는 태양 복사 폭풍은 승무원과 승객에게 방사선량을 증가시킵니다. 고위도와 고고도에서는 입자로부터의 차폐가 가장 적기 때문에 더 높은 고도의 극지 비행에 대한 위협이 가장 큽니다. 증가된 방사선량은 저위도 및 중위도 비행에서는 크게 문제가 되지 않습니다.
23.12.4. Radiation Effects on Avionics
항공기 항공 전자 시스템(aircraft avionic system)의 전자 구성 요소는 우주선(cosmic rays), 태양 입자 및 대기에서 생성되는 2차 입자의 높은 이온화 상호 작용으로 인해 손상되기 쉽습니다. 이러한 구성 요소가 점점 작아지고 따라서 더 민감해짐에 따라 손상 위험도 증가합니다.
- 페이딩 (fading) : 수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신 전파의 강도가 급격하게 변동되는 현상.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 23-5~6 해석
※ 이로써 [FAA, AVIATION WEATHER]의 해석을 전부 마무리했습니다.