태양과 전리층이 단파통신에 미치는 영향

□ 들어가는 글

현대사회는 다양한 통신의 욕구와 함께 가히 폭발적인 주파수의 수요를 요구하고 있으나 한정된 전파자원은 이를 모두 충족하기 어려워 여러 가지 첨단 기법을 통한 대응을 모색하고 있다.

초협대역 디지털화, 다양한 망 연동, 변조방식의 다각화는 물론이고 통신거리에 따른 효율적 스펙트럼 활용 등으로 주파수 이용의 효율화를 극대화하기 위한 노력은 오늘도 계속되고 있으며, 특히 챗GPT를 비롯한 생성형 AI를 이용한 기기들이 활성화되면서 IoT를 이용한 네트워크의 확장성과 거대함으로 전파의 가치는 더욱 빛을 발하고 있는 것이 현실이다.

보다 넓은 대역폭의 확보를 위해 사용주파수 영역은 점점 높아지고 있으나, 전파의 특성상 주파수가 높아질수록 직진성도 높아 가시거리를 벗어난 통신에 어려움이 있고, 기지국이나 중계기의 수가 늘어나는 등 매개변수의 숫자가 급속히 증가함은 어쩔 수 없는 현상이다.

본 글에서는 이미 오래전부터 사용되었고, 지금도 항공, 선박, 국방, 재난통신 등에 유용하게 활용되고 있는 단파통신에 대해 논하고, 단파통신에 직접적인 영향을 주는 전리층과 이의 생성과 소멸 등에 영향을 미치는 태양활동과의 연관성을 알아봄으로써 매우 적은 안테나 인입전력으로 지구 반대편까지도 중계기 하나 없이 통신이 가능한 단파를 이용한 통신영역을 고찰하여 보고자 한다.

□ 전리층에 가장 영향을 많이 미치는 요소

단파통신의 주된 목적은 적은 RF Power로 원거리 통신을 구현하는 데 있고, 이를 위하여는 지구상공 60~400 km 정도에 위치하는 전리층(電離層, ionized layer)이라는 기체분자가 이온화된 층과 지구 사이를 전파가 반복하여 반사하며 퍼져나가기에 가능하다.

전리층에 영향을 미치는 주요 파라미터는 여러 가지가 있으며, 각 파라미터는 전리층의 상태와 단파통신의 품질에 중요한 영향을 미친다. 가장 중요한 파라미터는 다음과 같다.

1. 태양 활동(Solar Activity)

태양 흑점 수(Sunspot Number, SSN) : 태양 흑점 수는 태양의 활동성을 나타내는 지표로, 태양의 자외선과 X선 방출에 영향을 미친다. SSN이 높을수록 태양 활동이 활발하고, 이는 전리층의 이온화 수준을 증가시켜 HF 통신에 유리하도록 하는 역할을 한다.

태양 플럭스 지수(Solar Flux Index, SFI) : SFI는 태양에서 방출되는 전파 에너지를 측정한 지표로, 일반적으로 10.7cm 파장(2800 MHz)의 전파망원경을 기준으로 한다. SFI가 높을수록 전리층의 전자 밀도가 증가하여 전파의 반사와 굴절이 개선되어 통신 품질이 향상되는 효과를 가져온다.

2. 태양 플레어(Solar Flares)

태양 플레어의 강도와 빈도는 태양의 급격한 에너지 방출로 인해 자외선 및 X선의 급증을 초래한다. 이는 전리층의 이온화 상태를 급격히 변화시키고, 특히 단파통신에 큰 영향을 미친다. 강한 플레어는 전리층의 이온 밀도를 급격히 증가시킬 수 있으며, 동시에 전파의 흡수 및 왜곡을 유발할 수 있다.

3. 태양풍(Solar Wind)

태양풍의 밀도와 속도는 태양에서 방출된 플라즈마가 지구로 이동하면서 전리층에 영향을 미치게 된다. 태양풍의 밀도와 속도가 증가하면, 지구의 자기장이 압축되고, 전리층의 이온화 상태가 변화할 수 있다. 이는 통신 품질에 영향을 미치며, 특히 태양풍의 급격한 변화는 전파전파(電波傳播)에 심각한 영향을 줄 수 있는 요인이 된다.

4. 지구 자기장(Geomagnetic Activity)

K Index와 A Index라는 지표로 구분되며 이는 지구 자기장의 불안정성을 나타낸다. 자기 폭풍의 강도와 지속 시간을 측정함으로써 값을 도출하며, 높은 K Index와 A Index는 지구 자기장의 교란을 의미하고, 전리층의 이온화 상태에 부정적인 영향을 미쳐 통신 품질을 저하시킬 수 있다.

5. 자외선 방출(UV Radiation)

태양 자외선(UV) 방출은 전리층의 이온화 상태에 직접적인 영향을 미친다. 태양의 자외선 방출이 증가하면 전리층의 전자 밀도가 증가하여, 전파의 굴절 및 반사 특성이 개선될 수 있다.

6. 기상 조건(Weather Conditions)

전리층의 계절적 및 일일 변화는 계절, 일일 주기, 그리고 지리적 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 낮과 밤, 계절의 변화에 따라 전리층의 이온화 상태는 달라질 수 있으며, 이러한 변화는 단파통신의 전파 경로와 품질에 영향을 미칠 수 있다.

7. 태양의 주기(Solar Cycle)

태양은 약 11년 주기로 활동성이 변화하며, 이를 태양 주기(Solar Cycle)라고 한다. 주기가 낮은 최소기에는 태양의 활동이 적어 전리층의 이온화가 낮아지며, 최대기에는 활동이 활발하여 이온화가 증가한다.

위에서 각 항목별로 열거한 것과 같이 전리층에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터는 태양의 활동(태양 흑점 수와 태양 플럭스 지수), 태양 플레어, 태양풍, 지구 자기장 활동(K Index와 A Index), 자외선 방출 등이다. 이들 파라미터는 전리층의 전자 밀도와 이온화 상태를 결정짓는 중요한 요소들로, 단파통신의 품질을 예측하고 조정하는 데 중요한 정보를 제공한다. 따라서 전리층의 상태는 상당히 많은 매개의 변수들로 인하여 예측이 까다롭고 매일 변화한다고 보아도 무방할 것이다.

(표 1) 각종 태양 지수 관측 데이터

(표 2) 실시간 태양 관측 자료

□ 전리층의 상태와 단파통신의 품질을 결정하는 주요 요소들

단파통신의 품질을 결정하는 전리층과 태양활동은 SFI(Solar Flux Index), SSN(Sunspot Number), SSN(Smoothed Sunspot Number), A Index, K Index로 구분되며 각 항목에 대해 아래에 그 내용을 정리하여 보았다.

1. SFI(Solar Flux Index)

단파통신에서 SFI(Solar Flux Index)는 태양활동을 측정하는 중요한 지표로, 단파통신 환경에 큰 영향을 미친다. SFI는 태양에서 방출되는 전파 에너지를 나타내며, 주로 10.7cm(2800 MHz) 파장의 전파 망원경을 이용하여 측정한다. 이 파장대의 전파는 태양활동과 밀접하게 연관되어 있어, SFI 값은 태양의 활동 수준을 간접적으로 반영한다고 보아도 과언이 아니다.

SFI와 단파통신의 관계로는 SFI는 이온층의 상태를 예측하는 데 사용되며, 이온층은 단파통신에서 전파를 반사시켜 지구의 먼 거리까지 통신이 가능하게 하는데 SFI 값이 높으면 태양으로부터 더 많은 에너지가 이온층에 도달하여 이온화가 강화된다. 이로 인해 이온층의 반사 능력이 증가하고, 단파통신의 전파전파(電波傳播)가 더욱 원활해진다.

SFI 값을 통하여 단파통신에 영향을 주는 정도를 보면 다음과 같이 정리된다.

SFI 70 이하 : 태양활동이 매우 낮아, 이온층이 약해져 단파통신이 어려워질 수 있음.

SFI 70~90 : 보통의 태양활동 수준으로, 중간 정도의 단파통신 성능을 기대할 수 있음.

SFI 90~150 : 태양활동이 활발하여, 단파통신이 매우 효율적으로 이루어짐.

SFI 150 이상 : 매우 강한 태양활동으로, 단파통신이 최적의 조건에서 이루어지며, 전 세계적으로 좋은 통신 상태가 유지됨.

즉 SFI 값이 높을수록 이온층의 밀도가 높아지며, 특히 F2층의 반사율이 증가하게 된다. 이는 더 먼 거리를 통신할 수 있게 하며, 높은 주파수 대역의 사용도 가능하게 한다. 반면, SFI 값이 너무 높아지면 극지방에서는 흡수 효과가 증가하여 통신 장애가 발생할 수도 있다.

따라서 SFI는 단파통신에서 이온층의 상태를 예측하고 최적의 통신 조건을 설정하는 데 중요한 역할을 한다. 높은 SFI 값은 더 나은 통신 품질을 의미하며, 단파통신을 효과적으로 활용하기 위해서는 이 값을 지속적으로 모니터링하는 것이 중요하다고 본다.

(표 3) 전파 망원경으로 측정한 SFI 수치

2. SSN(Sunspot Number, 흑점수)

SSN(Sunspot Number)은 단파통신에서 또 하나의 중요한 지표로, 태양 활동을 측정하는 데 사용된다. SSN은 태양 표면에 나타나는 흑점의 수를 기반으로 계산되며, 태양활동의 변화를 나타내는 중요한 척도 중 하나이다. 흑점이 많을수록 태양활동이 활발하다는 의미가 되는 것이다.

SSN의 계산법을 살펴보면 SSN은 태양의 표면에서 보이는 흑점의 개수를 측정한 값으로, 흑점의 그룹 수와 개별 흑점 수를 합하여 산출된다. 이 값은 태양활동 주기의 변동을 반영하며, 일반적으로 11년 주기로 변하게 된다. 주기의 최대점에서는 SSN이 높고, 최소점에서는 SSN이 낮게 나타난다.

SSN을 계산하는 전통적인 방법으로, 스위스의 천문학자 루돌프 울프(Rudolf Wolf)에 의해 도입되었으며, SSN은 다음과 같이 계산된다.

SSN=k×(10g+f) 여기서 g는 그룹의 수, f는 관측된 흑점의 총 수, k는 관측 장소와 기기의 보정을 위한 계수이다. 이 공식을 통해 흑점이 많을수록 SSN값이 커지게 된다.

SSN과 단파통신의 관계로는 이온층에 미치는 영향으로 볼 때 SSN값이 높아지면 태양으로부터 더 많은 자외선 및 X-선 복사가 발생하여 지구의 이온층을 강하게 이온화시킨다. 특히 F2층의 전자 밀도가 증가하여 높은 주파수 대역의 전파가 더 멀리 전파될 수 있다.

통신 품질에 미치는 영향으로는 높은 SSN값은 단파통신에 유리한 조건으로 작용한다. 더 많은 주파수 대역이 이온층에서 반사되어 먼 거리의 통신이 가능해지며, 전 세계적으로 좋은 통신 상태를 기대할 수 있다. 낮은 SSN(태양활동 저조) 상황에서 SSN값은 이온층의 반사 능력이 약해지므로, 단파통신의 거리가 짧아지고 통신 품질이 떨어진다. 이 경우, 낮은 주파수를 사용하여 통신할 수밖에 없으며, 일부 주파수 대역에서는 통신이 불가능할 수도 있다.

태양활동은 앞에서도 언급하였듯이 약 11년 주기로 변동한다. 주기의 최대점에서는 SSN이 높아지고, 이때 단파통신의 성능이 최적화된다. 반대로, 주기의 최소점에서는 SSN이 낮아져 통신 조건이 악화된다. SSN값의 변동은 이온층의 상태를 예측하고 최적의 통신 주파수를 선택하는 데 중요한 역할을 한다.

SSN의 중요성을 기준으로 본다면 단파통신에서 태양활동의 변화를 이해하고, 이온층의 상태를 예측하며, 최적의 통신 조건을 설정하는 데 필수적인 지표라고 할 수 있다. 특히, 장거리 통신 및 DX(원거리 통신)를 하는 아마추어무선사들에게 SSN은 매우 중요한 정보로, 이 값에 따라 통신이 가능한 주파수 대역과 시간을 결정할 수 있다고 보아야 할 것이다.

3. SSN(Smoothed Sunspot Number)

단파통신에서 또 하나의 중요한 지표 중 하나가 Smoothed Sunspot Number(SSN 또는 SSN-S)인데 위에서 언급한 SSN(Sunspot Number)와는 다른 지표이다. 이것은 태양흑점수의 변동성을 보다 안정적으로 파악하기 위해 사용되는 값으로, 일반적으로 '평활흑점수' 또는 '평균흑점수'로도 불린다. 이 값은 단기적인 태양활동 변화를 제외하고, 장기적인 태양활동 패턴을 이해하는 데 도움이 된다.

Smoothed Sunspot Number는 특정 달의 흑점수와 그 주변 달들의 흑점수를 평균 내어 계산한 값이다. 이는 태양활동의 장기적 변동 추세를 확인하기 위해 사용되며, 개별 달의 급격한 변화나 잡음을 제거하고, 보다 매끄러운(평활화된) 곡선을 그래프로 제공하여 태양활동의 주기를 이해하는 데 유용하게 사용된다.

평균 산출 방법으로는 SSN은 일반적으로 13개월 이동 평균을 사용하여 계산된다. 특정 달의 SSN 값을 계산하기 위해 해당 달을 중심으로 앞뒤 6개월의 흑점수를 포함해 총 13개월의 데이터를 평균하여 도출한다. 예를 들어, 2024년 6월의 SSN값을 계산하려면 2023년 12월부터 2024년 12월까지의 월별 흑점수를 합산한 뒤 13으로 나누면 된다.

Smoothed Sunspot Number와 단파통신의 상관관계는 이온층의 장기적인 상태를 예측하는데 유용하다. 일반적인 흑점수는 월별로 큰 변동이 있을 수 있으나, SSN은 이러한 변동을 완화하여 더 안정적인 이온층 상태 예측을 가능하게 한다. 이로 인해 단파통신에 사용할 최적의 주파수 대역이나 통신 조건을 장기적으로 예측할 때 SSN 값이 활용된다.

SSN은 태양 활동 주기의 변동을 파악하는 데도 사용된다. 태양활동은 약 11년 주기로 변하며, SSN값이 증가하면 태양활동의 극대기를, 감소하면 극소기를 나타낸다. 이 주기를 기반으로 단파통신의 성능을 예측하고, 활동 극대기에는 최적의 통신 조건을 기대할 수 있다.

SSN 값을 통해 단파통신 애호가 및 전문가들은 향후 몇 년간의 태양 활동 수준을 예측할 수 있으며, 이를 통해 적절한 통신 계획을 세울 수 있다. SSN이 높을수록 이온층 반사가 강해져 먼 거리의 통신이 가능해지고, 반대로 SSN이 낮아질 때는 통신 거리가 제한될 수 있기 때문이다. 또 하나의 중요한 이유로는 SSN은 단기적인 태양활동의 잡음을 제거하고, 장기적인 경향을 분석하는데 매우 유리하기 때문이다. 특히 태양활동의 극대기와 극소기를 더 정확히 파악할 수 있어, 장기적인 통신 전략 수립에 유용하다. 즉 DX(원거리 통신)와 같은 활동에 유리한 시기를 파악하는 데 도움이 된다.

4. A Index

A Index는 단파통신에서 지구 자기장의 불안정성을 측정하는 지표로, 특히 단파(HF) 대역의 통신 상태를 평가하는 데 사용된다. A Index는 지구의 자기장이 얼마나 불안정했는지를 나타내며, 이 값이 높을수록 단파통신 환경에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 크다. A Index는 지구 자기장의 하루 평균 변동 정도를 수치로 나타낸 것으로, 주어진 하루 동안의 자기폭풍의 강도를 표현한다. 이 지표는 특정 지역에서 자기장의 변동성을 시간별로 측정한 후 이를 평균하여 얻은 값이다.

A Index는 0에서 400 이상까지의 범위를 가질 수 있으며, 일반적으로 0에서 100 사이의 값을 가진다. 아래의 표에서 그 값의 크기에 따른 단파통신의 영양을 알아보도록 하겠다.

0~7 : 매우 안정적, 지구 자기장이 평온하며 단파통신에 유리한 조건.

8~15 : 약간의 불안정, 통신에 경미한 영향.

16~29 : 불안정, 통신에 영향이 있으며, 일부 지역에서는 신호 저하 발생.

30~49 : 매우 불안정, 통신 상태가 악화되고, 신호 손실 발생 가능.

50 이상 : 극도로 불안정, 강한 자기폭풍으로 인해 심각한 통신 장애가 발생할 수 있음.

A Index는 하루 동안 3시간마다 측정된 K Index 값을 이용해 계산된다. K Index는 짧은 시간 동안의 자기장 변동을 측정한 값이며, 이를 0부터 9까지의 스케일로 표현한 것이다. 하루 동안 측정된 8개의 K Index 값을 변환하여 A Index를 계산한다.

단파통신에 미치는 영향으로는 A Index가 높아지면 지구 자기장이 불안정해지고, 이로 인해 이온층이 교란된다. 이온층의 교란은 HF 전파의 반사 및 굴절 능력을 저하시켜 단파통신의 전파전파(電波傳播)가 불안정해지거나 중단될 수 있다. 특히, A Index가 30 이상일 때는 단파통신의 품질이 크게 저하될 수 있다.

A Index가 높을 때, 고위도 지역에서는 자기폭풍으로 인해 이온층의 반사가 약해지고, 이로 인해 전파가 흡수되거나 우회해 버릴 수 있다. 이는 통신이 전혀 불가능해지거나 매우 불안정해지는 결과를 초래할 수 있다.

중위도에서는 고위도보다는 영향을 덜 받지만, 여전히 통신 품질이 저하될 수 있으며, 특히 A Index가 20 이상으로 높을 경우 영향을 받을 수 있다. 태양 활동과의 연관성은 태양 폭발이나 코로나 물질 방출(CME)과 같은 현상에 의해 크게 영향을 받는다. 이러한 태양활동이 지구에 도달하면, 지구 자기장이 교란되어 A Index가 상승한다. 따라서, 단파통신을 계획할 때는 A Index와 함께 태양활동을 모니터링하는 것이 매우 중요하다.

A Index는 단파통신의 성능을 예측하고, 통신 장애를 미리 대비하는 데 중요한 역할을 한다. 특히, A Index가 높은 날에는 통신 상태가 불안정할 가능성이 크기 때문에, 통신 계획을 세울 때 이 값을 참고하는 것이 유용하다. A Index는 이온층의 상태를 간접적으로 반영한다. 낮은 A Index는 이온층이 안정적이라는 것을 의미하며, 높은 A Index는 이온층이 교란되고 있다는 신호이다. 이를 통해, 단파통신에 적합한 주파수를 선택하고, 통신 품질을 최적화할 수 있다.

5. K Index

K Index는 단파통신에서 지구 자기장의 단기적인 변동성을 나타내는 지표로, 특히 단파대역의 통신 상태를 예측하는데 중요한 역할을 한다. K Index는 지구 자기장이 얼마나 불안정했는지를 3시간 단위로 측정한 값이며, 지구 자기폭풍과 같은 현상으로 인해 발생하는 자기장의 교란 정도를 평가하는 데 사용된다.

K Index는 지구 자기장의 수평 성분이 3시간 동안 지구 자기장의 변화를 0에서 9까지의 스케일로 표현한다. 이 값은 특정 지역에서의 자기장 변동을 측정한 후, 이를 로그 스케일로 변환하여 계산된다. K Index는 0에서 9까지의 정수로 나타내며, 이 범위는 지구 자기장의 안정성과 교란 정도를 나타낸다. 아래의 표를 통해 그 정도를 표현하도록 하겠다.

0~1 : 매우 안정적, 자기장이 거의 변동하지 않음.

2~3 : 약간의 변동, 통신에 미치는 영향이 거의 없음.

4~5 : 불안정, 통신에 경미한 영향을 줄 수 있음.

6~7 : 자기폭풍 수준, 통신 품질이 저하될 가능성이 큼.

8~9 : 강한 자기폭풍, 통신 장애가 발생할 수 있음.

K Index의 측정방법은 지자기 관측소에서 측정된 자기장 데이터를 기반으로 계산된다. 3시간 동안의 자기장 변화를 분석하고, 이 변화를 정량화하여 0에서 9 사이의 값으로 표현한다. 이 값은 로그 스케일로 변환되므로, K Index의 작은 변화라도 실제 자기장 변동은 매우 큰 차이를 나타낼 수 있다. 단파통신에 미치는 영향으로는 K Index가 높을수록 지구 자기장이 불안정해지고, 이로 인해 이온층이 교란되고, 이온층이 불안정해지면 HF 전파의 반사 및 굴절 능력이 저하되므로 통신 거리가 줄어들거나 신호가 왜곡될 수 있다.

특히 K Index가 5 이상일 때는 자기폭풍이 발생할 가능성이 높아지며, 이로 인해 이온층의 상태가 급격히 변할 수 있다. 이때 HF 통신 품질이 크게 저하되거나, 특정 주파수 대역에서는 통신이 불가능해질 수도 있다. 지역적 차이로 K Index는 전 세계적으로 동일하게 나타나는 것이 아니라, 관측소의 위치에 따라 다를 수 있다. 일반적으로 고위도 지역에서 K Index가 더 높게 나타나는 경향이 있으며, 이는 고위도 지역이 태양활동에 의한 자기폭풍의 영향을 더 많이 받기 때문이다.

K Index는 태양활동, 특히 태양 플레어나 코로나 물질 방출(CME)과 밀접한 관계가 있다. 태양활동이 활발해지면 태양에서 방출된 입자들이 지구 자기장에 영향을 미쳐 K Index를 상승시킨다. 이로 인해 단파통신 환경이 악화될 수 있다. K Index는 HF 통신 상태를 단기적으로 예측하는 데 중요한 역할을 한다. K Index가 높을수록 통신 품질이 저하될 가능성이 크므로, 이 값을 실시간으로 모니터링하면서 통신 계획을 세우는 것이 유리하다. 또한 K Index가 높아지면 자기폭풍이 발생할 가능성이 커지며, 이는 단파통신에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 K Index를 확인함으로써 자기폭풍 발생 시 대응할 수 있는 시간을 확보할 수 있다.

(표 4) Solar Cycle 25

□ 각 지수 간의 상관관계

단파통신에서 Solar Flux Index(SFI), Smoothed Sunspot Number(SSN), A Index, K Index는 모두 태양활동과 지구 자기장의 상태를 나타내는 지표로, 이들 간의 상관관계를 이해하는 것은 통신 상태를 예측하고 최적의 통신 전략을 수립하는 데 매우 중요하다. 이 지표들은 서로 다른 측면에서 태양과 지구의 상호작용을 설명하며, 각각의 지표는 단파통신에 중요한 영향을 미치기 때문이다.

각 지표의 개요와 영향을 정리하여 보면 다음과 같다.

첫째, Solar Flux Index(SFI)는 태양에서 방출되는 전파 에너지를 측정한 값으로, 주로 10.7cm(2800 MHz) 파장의 전파 망원경으로 측정된 것을 기준으로 한다. SFI는 이온층의 이온화 정도를 나타내며, 값이 높을수록 이온층의 전자 밀도가 증가하여 더 좋은 단파통신 조건을 제공한다.

둘째, Smoothed Sunspot Number(SSN)는 태양 흑점수를 장기적인 관점에서 평활화한 값으로, 태양활동의 장기적인 변동을 나타낸 값이다. SSN이 높을수록 태양활동이 활발하다는 것을 의미하며, 이온층의 상태가 좋아져 단파통신이 유리해진다.

셋째, A Index는 지구 자기장의 하루 평균 변동 정도를 나타내며, 자기 폭풍의 강도를 평가하는 데 사용된다. 이 값이 높을수록 지구 자기장이 불안정하며, 이온층이 교란되어 단파통신에 부정적인 영향을 미친다.

넷째, K Index는 지구 자기장의 3시간 단위 변동성을 나타내는 지표로, 자기폭풍의 발생 여부를 파악하는데 유용하다. K Index가 높으면 단파통신의 성능이 저하될 수 있다.

그럼 지수 간의 상관관계를 살펴보도록 하겠다.

첫째, SFI와 SSN의 직접적인 상관관계로는 SFI와 SSN은 모두 태양활동의 지표로, 둘 사이에는 밀접한 상관관계가 있다. SSN이 높을수록 태양활동이 활발하다는 것을 의미하며, 이에 따라 SFI도 높아진다. 높은 SSN과 SFI는 이온층의 전자 밀도를 증가시키고, 더 높은 주파수의 전파가 지구를 둘러싸는 이온층에 의해 반사되어 먼 거리까지 전파될 수 있게 한다. 이 때문에 SSN과 SFI가 모두 높을 때 단파통신 조건이 가장 좋다고 할 수 있다.

둘째, SFI와 A Index/K Index의 관계로는 SFI는 이온층의 이온화를 촉진하여 통신에 유리한 조건을 만들지만, A Index와 K Index는 지구 자기장의 불안정성을 나타내기 때문에, 높은 A Index와 K Index는 이온층의 교란을 초래하여 단파통신을 저해한다. 일반적으로, 태양에서 발생하는 강력한 플레어(Flare)나 코로나 물질 방출(CME) 상태는 SFI를 증가시키지만, 동시에 지구 자기장을 교란시켜 A Index와 K Index를 상승시킬 수 있다. 따라서 SFI가 높아도 A Index와 K Index가 높다면, 단파통신 상태가 악화될 수 있다.

셋째, SSN과 A Index/K Index의 관계로는 SSN이 높다는 것은 일반적으로 태양활동이 활발하다는 의미이며, 이로 인해 SFI가 상승하고 이온층의 상태가 좋아지게 된다. 그러나 활발한 태양활동은 때로는 강력한 자기폭풍을 일으킬 수 있다. 이러한 경우 A Index와 K Index가 상승하게 되어, 단파통신에 부정적인 영향을 미친다. 즉, SSN이 높으면 장기적으로 통신 조건이 좋아질 가능성이 크지만, 단기적으로는 A Index와 K Index의 상승으로 인해 통신 장애가 발생할 수 있다.

넷째, A Index와 K Index의 상관관계는 A Index와 K Index는 모두 지구 자기장의 불안정성을 나타내지만, 측정 기간이 다르다. K Index는 3시간 단위의 변동성을 나타내며, A Index는 하루 동안의 평균 변동성을 나타낸다. K Index가 높은 경우, 이는 단기적으로 지구 자기장이 매우 불안정하다는 것을 의미하며, 이로 인해 A Index도 높아질 가능성이 크다. 따라서 두 지표는 서로 밀접하게 연관되어 있으며, 일반적으로 함께 상승하거나 하강하는 경향이 있다.

다음으로 통신 상태 예측에서의 적용을 고려한다면 ‘좋은 통신 상태’는 SFI와 SSN이 높고, A Index와 K Index가 낮을 때, 이온층은 안정적이고 고도로 이온화되어 있어, 장거리 HF 통신에 매우 유리한 조건이 된다.

‘불안정한 통신 상태’를 논하면 SFI와 SSN이 높지만, A Index와 K Index도 높은 경우, 이온층의 이온화가 활발해 통신 조건이 좋을 수 있지만, 지구 자기장의 불안정성으로 인해 신호 왜곡이나 통신 장애가 발생할 수 있다.

‘나쁜 통신 상태’를 가정하면 SFI와 SSN이 낮고, A Index와 K Index가 높은 경우, 이온층의 이온화가 약하고 지구 자기장이 불안정해 단파통신이 매우 어려워지는 경우라고 할 수 있겠다.

결론적으로 얘기한다면 Solar Flux Index, Smoothed Sunspot Number, A Index, K Index는 단파통신에서 서로 밀접하게 연관되어 있으며, 이들 지표를 종합적으로 분석함으로써 통신 상태를 예측할 수 있다. 높은 SFI와 SSN은 좋은 통신 조건을 의미하지만, 높은 A Index와 K Index는 이온층 교란으로 인한 통신 장애를 유발할 수 있으므로, 통신 계획을 세울 때 이들 지표를 모두 고려하는 것이 중요하다고 하겠다.

(표 5) NOAA에서 측정한 우주기상 관련 지표와 예보 자료

□ 위 지표를 관측하거나 예보하는 기관

Solar Flux Index(SFI), Smoothed Sunspot Number(SSN), A Index, K Index와 같은 태양활동 및 지구 자기장 지표를 직접 관측하고 예보하는 주요 기관과 단체는 다음과 같이 조사되었다.

1. 미국 국립해양대기청(NOAA) 우주기상예보센터(SWPC)

NOAA의 우주기상예보센터(Space Weather Prediction Center, SWPC)는 태양활동과 지구 자기장을 모니터링하고 예측하는 주요 기관 중 하나이다. SWPC는 SFI, SSN, A Index, K Index를 포함한 다양한 우주기상 지표를 실시간으로 관측하고 예보한다.

2. 미국 국립전파천문대(NRAO)

NRAO(National Radio Astronomy Observatory)는 SFI를 관측하는 주요 기관으로, 특히 캐나다 브리티시 컬럼비아주 펜틱턴에 위치한 도미니언 전파천문대(Dominion Radio Astrophysical Observatory)에서 10.7cm 파장의 태양 전파를 측정하여 SFI 데이터를 제공하고 있다.

3. 국제지구자기권과 태양권 연구소(GFZ)

GFZ(Helmholtz Centre Potsdam-GFZ German Research Centre for Geosciences)는 독일의 포츠담에 위치하며, 지구 자기장 관련 데이터를 제공하는 기관이다. 이곳에서 A Index와 K Index를 산출하는 주요 관측소가 운영되고 있으며, 이를 통해 지구 자기장의 변동을 분석하고 있다.

4. 국제 태양천문학연구소(SIDC)

SIDC(Solar Influences Data Analysis Center)는 벨기에 왕립천문대에 소속된 기관으로, SSN을 계산하고 배포하는 주요 기관이다. 이곳은 전 세계에서 수집된 흑점 데이터를 분석하여 SSN값을 산출한다.

5. 영국 천문대(British Geological Survey-BGS)

BGS는 영국에서 지구 자기장을 모니터링하며, A Index와 K Index를 계산하는 데 기여하고 있다. BGS는 영국과 전 세계의 지구 자기장 데이터를 수집하고 분석하는 역할을 한다.

6. ESA(European Space Agency)

유럽우주국(ESA)은 태양활동과 관련된 다양한 연구와 관측을 진행하며, 우주기상 예보와 관련된 정보를 제공한다. ESA의 우주기상포털(Space Weather Coordination Centre, SWE Portal)을 통해 다양한 지표를 모니터링할 수 있다.

이들 기관들은 각자 전문 분야에서 태양활동 및 지구 자기장에 대한 데이터를 수집하고, 전 세계에 실시간 예보 및 정보를 제공한다. 이러한 정보는 단파통신, 위성 운영, 항공기 운항 등 여러 분야에서 중요한 역할을 한다. 이 외에도 단파통신의 원활한 운영을 위한 관측 및 예보 활동은 다양한 기관과 단체에서 진행하고 있으며, 이들은 태양활동과 지구 자기장의 상태를 모니터링하여 통신 품질을 유지하고 예측하는 데 도움을 주고 있다.

(표 6) 한눈에 볼 수 있는 우주 기상정보

다음은 SFI, SSN, A Index, K Index 외에도 단파통신의 원활한 운영을 위한 관측 및 예보 활동을 수행하는 주요 기관과 프로그램을 알아본다.

1. International Space Environment Service(ISES)

ISES는 여러 국가의 우주기상 예보 센터가 협력하여 구성된 네트워크로, 우주기상 및 태양활동에 대한 정보를 전 세계에 제공한다. ISES는 태양 플레어, 태양풍, 자기폭풍 등 다양한 우주기상 요소를 모니터링하며, 단파통신을 포함한 여러 분야에 대한 예보를 제공하고 있다.

2. 우주기상센터(Space Weather Centers)

우주기상센터는 각국의 우주기상연구 및 예보를 담당하는 기관들로, 태양활동, 지구 자기장, 우주 환경의 변화를 모니터링하고 예보한다. 예를 들어, 일본의 JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency), 한국의 KASI(Korea Astronomy and Space Science Institute) 등이 이와 관련된 활동을 진행하고 있다.

3. 전파 천문학 연구소(Radio Astronomy Research Institutions)

전파 천문학 연구소들은 태양 전파를 관측하여 SFI와 같은 지표를 제공하며, 이 데이터는 단파통신의 예보와 분석에 사용된다. 미국의 NRAO(National Radio Astronomy Observatory)와 영국의 Jodrell Bank Observatory가 대표적이다.

4. 태양 및 지구 물리 연구소(Solar and Terrestrial Physics Institutes)

태양 및 지구 물리 연구소들은 태양활동과 지구 자기장의 상호작용을 연구하며, 이로부터 얻은 데이터는 단파통신을 포함한 다양한 분야에 활용되고 있다. NASA의 Goddard Space Flight Center와 연합 태양연구소 (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences)가 주요 연구소이다.

5. 해양 대기청(NOAA)의 연계 기관

NOAA는 SWPC(Space Weather Prediction Center) 외에도 National Centers for Environmental Prediction(NCEP)의 우주기상 모니터링 및 예측 서비스를 통해 다양한 우주기상 데이터를 제공한다.

6. 국제 전파 과학 협회(International Union of Radio Science, URSI)

URSI는 전파 과학 및 기술에 관한 국제적 협력을 지원하며, 태양활동과 지구 자기장 변화에 대한 연구 결과를 공유하고 있다. 이 기관은 단파통신의 효율성을 높이는 연구를 지원하기도 한다.

7. 단파통신 동호회 및 전문가 네트워크

단파통신 동호회(Amateur Radio Clubs)와 전문가 네트워크는 SFI, SSN, A Index, K Index와 같은 지표에 대한 정보를 수집하고 이를 활용하여 회원들에게 실시간 통신 상태를 알려주고 있다. 예를 들어 ARRL (American Radio Relay League)은 단파통신 예보와 관련된 정보를 제공하며, IARU(International Amateur Radio Union)는 국제적인 단파통신 연구 및 협력을 지원하고 있다.

8. 우주 날씨 연구 및 예보 기관

우주 날씨 연구 기관들은 태양의 활동과 우주 날씨의 변화를 연구하며, 단파통신에 대한 예보를 제공하는 프로그램을 운영한다. ESA의 Space Weather Coordination Centre(SWCC)와 ESA의 Space Weather Service(SWS)가 이에 해당한다.

위에서 열거한 기관과 프로그램은 다양한 우주기상 및 지구 자기장 데이터를 수집하고 분석하여 단파통신의 원활한 운용을 지원한다. 이를 통해 태양활동에 따른 통신 상태 변화를 예측하고, 통신 품질을 유지하기 위한 정보를 제공하여 단파통신의 효율성을 극대화하는데 기여하고 있다.

□ 마치면서

단파통신에서 가장 중요한 요소는 전리층의 상태와 변화이고, 이는 태양활동과 직접적인 관련이 있는 만큼 전리층에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터인 태양의 활동(태양 흑점 수와 태양 플럭스 지수), 태양 플레어, 태양풍, 지구 자기장 활동(K Index와 A Index), 자외선 방출 등과 전리층의 전자 밀도와 이온화 상태를 결정짓는 중요한 요소을 파악함으로써 단파통신의 품질을 예측하고 조정하는 것이 매우 중요한 일이 아닐 수 없다.

위성, MW, LTE, 5G 등 다양한 통신방식이 있으나 항공기나 선박에서는 아직도 직간접적으로 단파를 이용한 통신을 이용하고 있고, 전력공급 및 인터넷이 완전히 두절된 전시나 재난 상황에서도 단파통신은 최후의 통신수단으로 엄연히 존재하고 있다.

천혜의 자연적 현상인 전리층을 이해하고 이를 통신에 활용함으로써 매우 적은 RF Power로 효율적 통신이 가능한 단파통신은 앞으로도 적절하게 사용될 것임이 분명하며, 백업 통신망을 위해서도 간과하여서는 아니 될 분야라고 확신한다.

<참고문헌 및 표 출처>

- NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration) 사이트

- SWPC(Space Weather Prediction Center) 사이트

- NRAO(National Radio Astronomy Observatory) 사이트

- Space Weather Alerts 사이트

※ 위 글은 한국전파진흥협회(RAPA)에서 발행하는 웹진에 5회에 걸쳐 게재되었습니다.

1) RAPA Webzine Vol.35 : 한국전파진흥협회

2) RAPA Webzine Vol.36 : 한국전파진흥협회

3) RAPA Webzine Vol.37 : 한국전파진흥협회

4) RAPA Webzine Vol.38 : 한국전파진흥협회

5) RAPA Webzine Vol.39 : 한국전파진흥협회