벌써 네 번의 시험발사를 하고 있는 Starship 발사체는 사상 최대 규모의 발사체답게 그간의 다른 발사체와는 다르게 지구 환경에도 눈에 띄는 영향을 주고 있습니다. 얼마 전에 신문기사에 아래와 같은 기사가 여러 매체에서 실렸는데, 좀 더 알아보기 위해서 해당 논문 원문을 보고 간단히 요약해 봤습니다.
논문 원문 Link : https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/2024GL109284
1. 서론: Starship 발사와 이온층 연구
2023년 11월 18일, SpaceX는 지금까지 만들어진 가장 크고 강력한 로켓인 Starship의 2차 발사가 있었습니다. 이 발사는 많은 이들의 주목을 받았는데요, 이번 글에서는 이 발사가 지구의 이온층에 어떤 영향을 미쳤는지에 대해 이야기해 보려고 합니다. 이온층은 지구 대기의 높은 곳에 위치한, 전하를 띤 입자들이 많은 영역인데, 우리 일상에 중요한 역할을 합니다. 특히, GPS와 같은 위성 기반 시스템에 크게 영향을 미치게 됩니다.
2. Starship 발사와 두 번의 폭발
우선, Starship에 대해 간단히 설명해볼게요. Starship은 두 개의 주요 부분으로 나뉘는데, 첫 번째는 Super Heavy 부스터이고, 두 번째는 실제로 우주로 날아가는 Starship 우주선입니다. 2023년 11월 18일, SpaceX는 이 Starship을 발사했어요. 발사 2분 40초 후, Super Heavy 부스터는 고도 약 90km에서 Starship과 분리되었고, 곧 폭발했습니다. 하지만 Starship은 계속해서 상승하여 149km 고도에 도달한 후, 약 8분의 비행 끝에 폭발했죠.
이 폭발은 단순 로켓 발사 이상의 의미를 가지게 됩니다. 로켓 발사와 폭발이 이온층에 어떠한 영향을 미쳤는지, 그리고 그 결과로 어떤 일이 발생했는지가 이 연구의 주제입니다.
3. 초음속 충격파와 V자형 이온층 교란
로켓이 초음속으로 비행하면 공기 중에 충격파가 발생하게 됩니다. 이는 마치 물 위에 돌을 던졌을 때 퍼져 나가는 물결처럼, 대기 중에서도 충격파가 퍼져 나가게 됩니다. 이번 Starship 발사에서도 이러한 충격파가 발생했고, 연구진은 이 충격파가 이온층에 미친 영향을 분석했습니다.
가장 흥미로운 점은, 이 충격파로 인해 이온층에 V자형의 큰 교란이 발생했다는 것입니다. 이 교란은 북쪽으로 약 2,000km까지 퍼져 나갔는데요, 이는 이전에 보지 못한 독특한 현상이었습니다. 보통 로켓 발사로 인해 발생하는 충격파는 로켓의 비행 경로를 따라 발생하고, 남쪽으로 전파되는 경우가 많습니다. 그런데 이번에는 북쪽으로도 상당히 멀리 전파된 것입니다.
4.이온층의 전자 밀도 감소
로켓이 대기를 통과하며 초음속으로 비행할 때, 충격파 외에도 다양한 물리적 변화가 발생합니다. 이번 연구에서는 로켓의 폭발이 이온층의 전자 밀도(Total Electron Content, TEC)를 감소시키는 현상도 관찰되었습니다. 이 현상은 주로 로켓 연료의 화학 반응으로 인해 발생하는데, Starship 폭발에서는 연료의 화학적 영향이 아닌, 물리적 충격파로 인한 것이었습니다. 이는 인공적으로 만들어진 비화학적 이온층 감소로서, 이번 연구에서 처음으로 관찰된 현상입니다.
5. 연구 방법
이 연구에서는 GNSS(GPS와 같은 위성 항법 시스템) 수신기를 사용하여, Starship 발사와 폭발이 이온층에 미친 영향을 분석했습니다. GNSS 수신기는 이온층을 통과하는 신호의 변화를 감지할 수 있는데요, 이를 통해 이온층의 전자 밀도 변화를 측정할 수 있습니다. 연구진은 이러한 데이터를 이용해 이온층에서 발생한 V자형 교란과 전자 밀도 감소 현상을 분석했습니다.
6. V자형 충격파의 속도와 각도
Starship 발사로 인해 발생한 충격파는 고도 100~150km에서 약 14도(북쪽)와 7도(남쪽)의 각도로 전파되었습니다. 이 각도는 마하각도라고 불리며, 이는 충격파가 발생한 위치에서의 로켓 속도와 관련이 있습니다. 충격파의 속도는 약 750m/s에 달했으며, 이 충격파는 약 2,000km 떨어진 곳까지 전파되었습니다.
연구진은 이 충격파가 고도 300km에서 이온층을 통과할 때 발생한 이온층 교란을 분석했으며, 이로 인해 V자형의 큰 교란이 발생했음을 확인했습니다.
7. 북쪽으로의 교란 전파
이번 연구에서 특히 주목할 만한 점은, 이온층 교란이 북쪽으로도 멀리 전파되었다는 것입니다. 보통 로켓 발사로 인한 이온층 교란은 남쪽으로 전파되지만, 이번에는 북쪽으로 약 2,000km까지 전파된 것이죠. 이는 매우 이례적인 현상으로, 연구진은 이 현상이 Starship의 빠른 속도와 높은 고도에서 발생한 폭발 때문이라고 분석했습니다.
8. 비화학적 이온층 감소
로켓 발사나 폭발로 인해 이온층의 전자 밀도가 감소하는 현상은 보통 연료의 화학 반응으로 인해 발생합니다. 하지만 이번 연구에서는 Starship 폭발로 인해 발생한 충격파가 이온층의 전자 밀도를 감소시키는 데 기여한 것으로 보입니다. 이는 비화학적 이온층 감소 현상으로, 이번 연구에서 처음으로 관찰된 것입니다.
이 현상은 주로 대규모 지진이나 화산 폭발과 같은 자연재해에서 관찰되는 현상과 유사합니다. 그러나 이번 경우에는 Starship 폭발로 인한 충격파가 주요 원인이었다는 점에서 차이가 있습니다.
9. 결론
이번 연구는 SpaceX의 Starship 발사가 이온층에 미친 전례 없는 영향을 분석한 것입니다. 특히, 북쪽으로의 장거리 교란 전파와 비화학적 이온층 감소 현상이 처음으로 관찰되었습니다. 이 연구는 로켓 발사가 지구 대기의 상층부에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 기여를 했으며, 향후 더 많은 연구가 필요할 것입니다.
Starship과 같은 대형 로켓 발사는 기술적으로나 과학적으로 많은 관심을 끌고 있습니다. 이러한 연구는 우리가 살고 있는 지구의 대기와 우주 공간이 어떻게 상호작용하는지를 이해하는 데 도움을 줄 것입니다.
내용이 조금은 어려운 면이 있어서 초등학생 아이에게 알려주기에는 아직 저의 말빨이 무리가 있네요.