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- 천체물리학자들은 태양이 약 100년마다 이러한 초대형 태양 폭풍을 유발한다고 추정
- 시험 시뮬레이션에서 1859년의 악명 높은 "캐링턴 사건"과 유사한 태양 폭풍에 직면
- 플레어는 강렬한 X선과 자외선을 방출,태양에서 방출된 지 불과 8분 만에 지구를 강타
- 빛보다 약간 느린 속도로 양성자, 전자, 알파 입자는 약 10분에서 20분 후 지구에 도달
- 마땅한 해결책 없어 목표는 위성을 보호하고 피해 줄여야

만약 – 초대형 태양 폭풍이 온다면?
ESA 지상팀, 캐링턴급 태양 폭풍 대응 예행연습

비상 상황 대비 훈련:
극심한 태양 폭풍이 지구를 강타하면 어떻게 될까요? 우주 기관들은 궤도에 있는 위성을 보호하기 위해 어떻게 대응할까? 유럽 우주국(ESA)은 테스트 시뮬레이션을 통해 이 상황을 정확히 예행연습했다. 센티넬-1D 위성 지상팀은 역사상 가장 강력한 지자기 폭풍인 "캐링턴(Carrington) 사건*"을 모델로 한 태양 폭풍에 직면했다. 

*캐링턴 사건은 1859년 9월 1일 영국의 천문학자 리처드 캐링턴이 태양 플레어를 관측한 이후, 태양에서 방출된 강력한 코로나 질량 방출(CME)이 지구를 강타해 역사상 가장 강력한 지자기 폭풍을 일으킨 사건

▲ "캐링턴 사건" 규모의 초대형 태양 폭풍은 오래전에 발생했어야 한다. 하지만 우리의 위성 시스템은 이에 얼마나 잘 대비되어 있을까? © AI-generated (Copilot)

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통신 및 항법 장치 고장, 전자 장치 결함, 지구 궤도 충돌 위험: 다름슈타트에 있는 ESA 임무 통제 센터에서 11월 4일 발사된 센티넬-1D 위성 지상팀은 재앙적인 상황에 직면했다. 시험 시뮬레이션에서 그들은 1859년의 악명 높은 "캐링턴 사건"과 유사한 태양 폭발인 초대형 태양 폭풍에 직면했다.

이 기록적인 태양 폭풍은 소위 미야케 사건(Miyake event)*의 "빅 8" 중 하나다. 미야케 사건은 현대의 어떤 태양 폭풍보다 최소 10배 이상 강력했던 역사적인 태양 폭풍이다. 현대 문명은 지금까지 이러한 초대형 태양 폭풍을 피해 왔지만, 다음 태양 폭풍은 오래전에 발생했어야 했다. 천체물리학자들은 태양이 약 100년마다 이러한 초대형 태양 폭풍을 유발한다고 추정한다.

*이 현상은 일본 물리학자 후사 미야케의 이름을 따서 명명되었는데, 그는 박사과정 학생으로서 이러한 방사성 탄소 스파이크를 처음으로 발견하여 2012년 공동 저자들과 함께 저널 네이처에 결과를 발표했다.

긴급 시뮬레이션

ESA는 초대형 태양 폭풍 발생 시 어떤 일이 발생하는지, 그리고 예를 들어 위성 제어팀이 어떻게 대응할지 시뮬레이션했다. 센티넬-1D 지상팀은 다행히 가상으로만 캐링턴 사건의 재현을 경험했다. 무엇보다도 이 테스트는 위성 항법 장치 없이, 그리고 심각한 전자 간섭하에서도 팀의 대응 능력을 시험하기 위해 설계되었다. 또한, 관련 ESA 부서들의 협력 또한 시험대에 올랐다.

▲ 천문학자들은 태양이 약 100년마다 초대형 태양 폭풍을 일으킬 수 있다고 예측한다. 따라서 다음 초대형 태양 폭풍은 오래전에 발생해야 할 것이다. © NASA/SDO

"이러한 사건의 영향을 시뮬레이션하는 것은 팬데믹의 결과를 예측하는 것만큼이나 어렵다"고 ESA의 우주 기상 모델링 코디네이터인 호르헤 아마야(Jorge Amaya)는 설명했다. "우리는 사건이 발생한 후에야 사회에 미치는 진정한 영향을 느낄 수 있겠지만, 비상 상황 발생 시 즉각 대응할 수 있는 준비를 하고 계획을 세워야 한다. 이 훈련은 이처럼 중대한 사건에 대처할 수 있는 첫 번째 기회였다."

첫 번째 파동: 지구를 향한 방사선 소나기

오후 10시 20분, 모든 것이 계획대로 진행되고 있다. 성공적인 발사 및 분리 후, 관제 센터는 위성 신호를 기다리고 있다. 몇 분 후, 잡음이 섞인 통신이 관제 센터에 도달했다. 무언가 잘못되었다는 신호였다. 센티넬-1D를 비롯한 궤도상의 다른 위성들이 강력한 태양 복사선 폭발, 즉 X45 등급 플레어에 맞은 것으로 밝혀졌다. 이 플레어는 강렬한 X선과 자외선을 방출한다.

이 플레어는 태양에서 방출된 지 불과 8분 만에 지구를 강타했다. 플레어의 엄청난 전자기 에너지는 대부분의 위성 통신을 교란시켰다. 그 결과, 갈릴레오와 GPS 항법 시스템은 현재 오프라인 상태이며, 레이더 시스템, 통신 및 추적 데이터도 중단되었다. 대부분 지상국은 위성 및 탐사선과의 연결이 끊겼다.

2차 및 3차 파동: 고속 입자와 태양 플라즈마

하지만 이것이 전부는 아니다. 잠시 후, 태양 폭풍의 2단계가 시작된다. 지구는 태양 플레어 동안 태양 표면에서 방출된 고에너지 입자 파동에 강타당한다. 빛보다 약간 느린 속도로 이동하는 이러한 양성자, 전자, 알파 입자는 약 10분에서 20분 후에 지구에 도달한다.

이러한 영향은 북반구 전역에서 느껴진다. 강렬한 오로라는 고위도 지역뿐만 아니라 지중해와 카리브해까지 밝게 빛난다. 전자기 입자와 전자장의 유입은 전선과 파이프라인에 강한 전하와 전류 서지를 생성한다. 단락이 발생하고 변압기가 소손되며, 유럽 교류 전력망의 정밀하게 조정된 주파수 균형이 교란된다. 그 결과 광범위한 정전이 발생한다.

"태양 플레어는 팀원들을 깜짝 놀라게 했다. 하지만 그들이 다시 모인 후 카운트다운이 시작되었음을 깨달았다." 시뮬레이션 책임자 구스타보 발도 카르발류(Gustavo Baldo Carvalho)의 보고다. 플레어 발생 15시간 후, 태양 폭풍의 세 번째이자 가장 파괴적인 단계가 시작된다. 거대한 코로나 질량 방출 플라즈마가 초당 최대 2천km의 속도로 지구에 충돌해 파괴적인 지자기 폭풍을 유발한다. 지구 자기장은 압축되고 일부 지역에서는 "누출"된다.

▲ 유럽 우주 운영 센터(ESOC)의 센티넬-1D 지상팀. 그들은 방금 초대형 태양 폭풍 시뮬레이션을 완료했다. © ESA

궤도 충돌 룰렛

그러나 ESA 지상팀에게는 지구 궤도에서 일어나는 일이 특히 우려스럽다. 위성들이 현재 적색 경보를 발령했기 때문이다. 강력한 태양 폭풍으로 인해 지구 대기가 팽창해 저궤도의 항력이 증가하고 있다. ESA 우주 기상 모델링 코디네이터인 호르헤 아마야는 "이러한 폭풍이 발생할 경우 위성에 가해지는 항력이 400%까지 증가할 수 있으며, 대기 밀도가 국지적으로 최고조에 달할 수 있다"고 설명했다.

이로 인해 수많은 위성이 정상 궤도에서 이탈하게 된다. 특히 위성 밀도가 높은 저궤도에서는 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 위성들은 이제 서로의 궤도를 방해하여 충돌로 이어질 위험이 있다. 이는 우주 쓰레기에도 마찬가지다. 대부분의 대형 쓰레기의 궤적은 이미 지도화되고 모니터링되었지만, 현재 이들 역시 궤도를 이탈하고 있다.

"이 정도 규모의 사건은 데이터에 심각한 지장을 초래한다. 충돌 확률이 빠르게 변하기 때문에 충돌 예측이 점점 더 어려워지고 있다"고 ESA 우주 잔해물 사무국의 얀 시민스키(Jan Siminski)는 설명했다. "이제 상당한 불확실성 속에서 올바른 결정을 내리는 것은 균형을 맞추는 행위가 되었다. 회피 기동으로 충돌을 피할 수는 있지만, 다음 충돌 위험을 증가시킨다." 더욱이 이러한 기동은 많은 연료를 소모하여 위성의 수명을 단축시킨다. 

▲ ESA 시뮬레이션 테스트 중 시뮬레이션된 태양 폭풍의 특징. © ESA

파괴된 회로와 고장난 전자 장치

하지만 이것이 위성에 대한 유일한 위험은 아니다. 플레어와 이후 도착하는 플라즈마는 강화된 방사선과 고에너지 입자로 위성을 폭격하여 민감한 컴퓨터 기술과 전자 장치에 독이 된다. 점점 더 많은 회로가 고장 나고, 비트 오류와 단락으로 인해 탑재된 컴퓨터가 마비된다. 추적 시스템의 위성은 막대한 영향을 받고 GPS 항법도 거의 불가능하다. 많은 위성 센서도 고장 나고, 배터리 충전 장애는 혼란을 더욱 가중시킨다.

"저궤도 위성은 일반적으로 대기와 자기장에 의해 우주 위험으로부터 더 잘 보호되지만, 캐링턴 사건과 같은 규모의 폭발은 모든 우주선을 가차 없이 파괴할 것이다"고 아마야는 말했다. "태양에서 방출되는 엄청난 양의 에너지는 궤도에 있는 모든 위성을 손상시킬 수 있다.“

도대체 어떻게 해야 할까?
"만약 그러한 사건이 발생한다면, 마땅한 해결책이 없다. 목표는 위성을 보호하고 피해를 최소화하는 것이다"고 토마스 오름스턴(Thomas Ormston)은 설명했다. 구체적으로는 위성을 정지시키거나 대기 상태로 전환하는 것을 의미한다. 가능한 경우, 위성과 우주선의 방향을 조정하여 가장 위험한 순간에 지구 뒤쪽으로 이동시킬 수도 있다. 하지만 이는 충분한 사전 예열 시간과 전 세계적인 협력이 있어야만 가능하다. 그렇지 않으면 충돌 가능성이 더욱 높아진다.

"우리와 우리 시스템을 한계까지 몰아붙이는 것"

센티넬-1D 지상팀에게 시뮬레이션은 비교적 순조롭게 끝났다. 최악의 결과로부터 위성을 보호할 수 있었다. "영향의 규모와 다양성은 우리와 우리 시스템을 한계에 몰아넣었지만, 팀은 도전에 맞섰다"고 오름스턴은 보고했다. 그러나 이는 시작에 불과하다. 비상 상황에서는 하나의 위성만이 아니라 여러 위성이 영향을 받을 것이며, 지상 상황은 훨씬 더 심각할 수 있다.

▲ ISS 우주 정거장에서 촬영된 강렬한 오로라는 초대형 태양 폭풍 발생 시 열대 위도까지 확대될 것이다. © ESA/NASA, T. Pesquet

"이번 훈련은 시뮬레이션 캠페인을 확대하고 모든 임무 유형과 운영 당사자를 포괄하는 ESOC 내 더 많은 이해관계자를 참여시킬 수 있는 기회였다"고 그는 말했다. 통제된 환경에서 이 훈련을 실시함으로써 그러한 사건 발생 시 더 나은 계획, 대응 및 진행 방법에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있었다. 가장 중요한 발견은 "문제는 일어날지가 아니라 언제 일어날 것인가이다"고 카르발류(Carvalho)는 말했다.

미래의 리드타임을 연장하기 위해 ESA 비질(Vigil) 임무는 2031년 라그랑주 포인트 L5로 발사될 예정이다. 이 지점은 지구 궤도에 위치하며 태양과 지구가 이등변 삼각형을 이룬다. 비질 임무는 이 지점에서 지구에서 관측되기 전에 잠재적으로 위험한 태양 현상을 감지하도록 설계되었다. ESA 우주 기상 사무국의 스테판 크래프트(Stefan Kraft)는 "L5는 태양 관측을 4~5일 앞당길 수 있는 측정 지점이다"며 "이로 인해 리드타임이 길어진다"고 설명했다.

출처: 유럽 우주국(ESA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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