태양풍으로부터 인간을 지켜라!
―지구 밖에서 벌어지는 우주날씨를 쉽게 이야기해주는 책

그런데 우주에도 날씨가 있을까? 있다! 눈이나 비, 바람처럼 친숙한 날씨는 아니지만, 지구 바깥도 태양 때문에 계속 환경이 바뀐다. 태양은 언뜻 평온해 보이지만 사실은 쉼 없이 폭발하면서 엄청나게 많은 물질을 주위로 뿜어내고 있다. 이를 태양풍이라고 하는데, 빠른 속도로 지구로 향하는 고에너지 입자들과 온갖 전자기파가 지금 이 순간도 지구를 때리고 있다. 이렇게 태양으로 인해 나타나는 이러한 환경 변화를 우주날씨(또는 우주환경, 우주기상)라고 한다.
태양이 지구에 미치는 영향이 매섭기는 하지만, 모든 게 다 무시무시한 것은 아니라서 오로라 같은 아름다운 광경을 보여주기도 한다. 오로라는 우리가 지구에서 맨눈으로 볼 수 있는 대표적인 우주날씨다.
《우주날씨 이야기》는 우주날씨가 무엇인지, 우주날씨가 지구에 사는 우리에게 어떤 영향을 미치는지를 이야기한다. 이를 위해 태양의 폭발과 흑점, 태양풍, 우주방사선, 지구 자기장, 전리층, 오로라, 밴앨런대, 플라스마 같은 우주날씨의 다양한 요소들과 인공위성 이야기를 펼친다.
눈이나 비 같은 날씨 현상은 지표면으로부터 10킬로미터 이내에서 발생한다. 하지만 기술이 발전하여 전기를 사용하고 무선통신을 하고 GPS를 쓰고 인공위성을 쏘아 올리고 우주를 탐사하는 지금은 지표에서 100킬로미터 위쪽(보통 연구자들은 100킬로미터 아래는 기상청이 관할하고, 100킬로미터 위쪽은 한국천문연구원이 관할한다고 말하곤 한다)은 물론이고 먼 우주의 날씨까지 모두 중요하다.
우주날씨의 변화는 지상에 있는 우리가 보통 잘 느끼지 못한다. 지구의 자기장이 훌륭한 방패막이 역할을 하고 있기 때문이다(지구뿐 아니라 행성의 자기장은 너무나 중요해서 그 행성에 생명체가 살 수 있느냐 없느냐의 중요한 기준이 되기도 한다). 하지만 때로는 큰 재난으로 다가온다. 유난히 큰 규모의 태양폭발 등 예기치 않은 태양의 변화가 지구 자기장을 교란시키면 태양에서 날아오는 방사선 입자들(고에너지 입자)이 그대로 대기권에 들어올 수도 있고, 교란된 자기장으로 인해 전리층처럼 전기를 띤 대기층에 비정상적인 전류(유도전류)가 흘러 무선통신에 영향을 미치기도 하고, 거대한 전류가 직접 지상에 있는 전력시설이나 통신시설을 파괴할 수도 있다.
평소에는 잘 느끼지 못하지만 한 번 크게 발생하면 치명적인 영향을 주는 것이 우주날씨다. 특히 대부분의 나라와 도시 사람들이 최첨단 기기에 둘러싸여 사는 현대 사회에서는 태양의 강렬한 활동 한 번에 시스템이 크게 무너질 수도 있다.
사정이 이러니 하늘에서 맨몸으로 태양의 영향을 그대로 받아야 하는 인공위성이나 우주선, 우주비행사에게 태양 활동의 변화는 항상 주시해야 할 중요한 문제다. 태양풍의 영향으로 인공위성이 고장 나는 일도 드물지 않게 일어나며, 만약 우주비행사가 태양풍과 정면으로 마주친다면 후쿠시마 원자력발전소 근처에서 1,140년 동안 받게 될 우주방사선을 한 번에 받게 될 수도 있다.
이처럼 현대문명을 지탱하는 시스템을 태양으로부터 지키기 위해서는 태양의 활동을 예측하고 우주날씨를 예보하며 연구하는 것이 필수적이다.

인공위성 만드는 물리학자 황정아가 들려주는 우주날씨 이야기
―그리고 실제 제작자로서 들려주는 인공위성들의 활약과 임무들

《우주날씨 이야기》의 지은이 황정아 박사는 카이스트 물리학과 대학원 시절부터 인공위성을 만들었으며, SBS 드라마 <카이스트>에 등장한 사차원 소녀의 실제 모델로도 유명하다. 2013년 ‘올해의 멘토’로 미래창조과학부 장관 표창을 받았고, 2016년에는 ‘한국을 빛낼 젊은 과학자 30인’에 선정되었다. 지은이는 우주방사선과 오로라로 대표되는 우주날씨를 연구하고 우리나라의 인공위성 제작에 직접 참여하는 한편 비행기를 타고 다니며 북극항공로의 우주방사선 안전기준 및 관리정책을 연구하여 관련 법의 초안을 마련했다. 현재는 한국천문연구원에 재직하며 새로운 인공위성을 제작하고 있다.
얼마 전 일론 머스크가 세운 스페이스엑스가 세계 최초로 1단 추진 로켓을 발사에 재사용한 뒤 착륙시키는 데 성공하여 화제가 되었다. 스페이스엑스는 앞으로 수많은 인공위성을 발사하는 한편 화성여행을 실현하겠다는 계획을 발표했다. 2018년 우리나라에서도 전남 고흥의 나로우주센터에서 누리호 엔진시험발사체를 성공적으로 발사하면서 우주탐사에 대한 기대가 점점 커지고 있다. 세계 각국이 우주를 연구하고 우주를 탐험하고 싶어 하며 우주개발에 노력을 다하고 있다. 우리나라 역시 우주 연구와 탐사에 적극적으로 나서고 있으며, 그 과정에서 황정아 박사 같은 젊은 과학자들이 큰 역할을 하고 있다.
지은이는 태양폭발과 우주방사선, 오로라 외에도 우리나라의 우주탐사 계획과 인공위성 개발에 관한 이야기, 우리 선조가 이미 900년 전에 오로라와 태양 흑점의 관측 기록을 남겼다는 이야기, 냉전시대에 시작된 인공위성 개발 경쟁에 얽힌 비화, 점점 늘어나는 우주쓰레기 때문에 앞으로 우주탐사는커녕 인공위성도 띄우지 못할지도 모른다는 걱정 그리고 작은 크기의 인공위성인 큐브샛 같은 차세대 인공위성 개발에 관한 이야기를 폭넓게 들려준다.
《우주날씨 이야기》는 직접 몸으로 부딪치고 밤을 새우며 인공위성 제작에 헌신한 실제 개발자의 경험담을 생생히 들을 수 있는 좋은 기회를 선사한다. 더불어 과학으로 인류의 미래를 책임지고 세상을 더 안전하게 만들고자 하는 지은이의 관심과 헌신을 느낄 수 있다.

태양계의 끝, 어디까지 가봤니?
―‘지구인’들에게 중요한 ‘미션’은 자연에 대한 호기심과 겸손임을 가르쳐주는 책

2019년은 인류가 달에 첫발을 내디딘 지 50년이 되는 해다. 우주를 향한 인류의 위대한 도약으로 평가되는 달 착륙 50주년은 우주탐사에 대한 우리의 현 상황을 짚어보고 다음 50년을 준비하기에 적절한 시점이다. 우주를 향한 인류의 호기심은 수많은 인공위성을 우주로 올려 보내게 했고, 보이저 쌍둥이는 이제 막 태양권을 벗어나 본격적으로 먼 우주를 탐사하기 시작했다. 이제는 우주여행도 그리 먼 미래의 일이 아니다. 본격적으로 눈앞에 다가온 우주시대를 맞이한 지금, 인공위성과 우주선이 나가고 인간이 살게 될 우주의 환경을 제대로 이해하는 일의 중요성은 새삼 강조할 필요가 없다.
《우주날씨 이야기》를 읽으면 인류의 삶이 우주환경의 변화, 즉 우주날씨와 밀접하다는 사실을 충분히 이해하게 될 것이다. 우리는 지구에 발을 딛고 사는 지구인이지만, 이미 우주의 날씨와 떼려야 뗄 수 없는 우주인으로 살고 있다. 태양폭발 때문에 발생할 수 있는 우주재난에 대비해야 한다는 실용적인 측면에서도 우주날씨에 대한 정확한 이해가 필요하다. 또한 태양계의 일원인 지구에 살고 있는 지구인으로서, 우리 주변 환경을 이해하고자 하는 순수한 과학적 목적에서도 우주날씨는 매우 중요하다.
《우주날씨 이야기》를 읽고 나서 우리가 배울 수 있는 것은 자연의 경이와 미래에 대한 긍정적인 시선과 우주에 관한 과학적 호기심의 중요성이다. 이것이 이 책을 그저 흥미로운 우주과학 교양서에 머무르지 않게 해준다. 《우주날씨 이야기》는 우주날씨와 인공위성에 관한 과학적 지식을 전달하는 것은 물론 미래 인간의 생존을 다시 생각하게 만드는 재미있는 과학 입문서다.
태양은 우리가 살아가는 데 소중한 에너지를 공급해주지만, 우리에게 치명적인 태양풍을 쏟아내기도 한다. 이 무시무시한 태양풍을 막아주는 건 지구의 자기장. 지구의 자기장에 문제가 생기면 우리의 생활에도 문제가 생긴다. 전기와 무선통신, 인공위성의 시대에는 지상의 날씨뿐 아니라 우주의 날씨도 중요하다. 인공위성 만드는 과학자 황정아 박사는 현대인이라면 반드시 알아야 할 우주날씨를 알려줄 최고의 안내자다.
- 이강환(서대문자연사박물관 관장, 천문학자)

태양은 태양, 지구는 지구. 그렇게 따로일 리가 없다. 《우주날씨 이야기》는 태양과 지구가 어떻게 얽혀 있고 우리 삶에 어떤 영향을 미치는지 과학적 사실을 바탕으로 적나라하게 알려준다. 우리는 이제 지구를 넘어 우주공간을 인식하고 느끼며 살아야 한다. 이 책은 말하자면, 지구를 떠나지 않고도 우주적 삶을 살 수 있도록 이끄는 최적의 가이드북이다. - 이명현(과학저술가, 천문학자)

달에 다녀온 지 50년이 되었다. 과학과 기술의 발달로 우리의 이동수단은 비약적으로 발전하고 있다. 하지만 새로운 문제가 속속 드러나고 있다. 특히 우주날씨 문제가 심각하다. 태양풍과 우주방사선에 관한 지식과 대책이 없다면 인류의 우주여행은 불가능하다. 《우주날씨 이야기》는 이 분야 최초의 교양서로서 저자가 분야 최고의 전문가인 황정아 박사다. 이보다 더 좋을 수는 없다. - 이정모(서울시립과학관 관장, 생화학자)

우주날씨가 급격히 변화할 때 생기는 이러한 피해는 앞으로 더욱 심각해질 것이다. 미국 해양대기청에 따르면 1994년부터 1999년 사이에 우주날씨 변화가 일으킨 인공위성 고장과 손실로 청구된 보험료가 자그마치 5억 달러(약 6,000억 원)에 달했다고 한다. -7쪽

태양의 표면을 망원경으로 관측하면 검은 점, 먼지 같은 것이 보이는데, 이것이 흑점이다. 갈릴레이가 망원경으로 처음 흑점을 관측했다고 알려져 있다(앞서도 언급했지만 우리나라의 기록은 이보다 500년이나 앞서 있다). 거대한 흑점은 가끔 맨눈으로도 볼 수 있지만 눈에 매우 치명적이므로 절대 준비 없이 시도해서는 안 된다. 망원경으로 태양을 관측할 때는 더더욱 주의해야 한다. 망원경은 빛을 모으는 역할을 하기 때문에 빛의 세기를 줄여주는 장비(태양 필터) 없이 태양을 보면 매우 위험하다. -41쪽

그렇다면 태양 표면에 발생한 흑점과 우리 지구는 어떤 관계가 있을까? 태양의 활동이 가장 약한 시기를 태양 극소기라고 하는데, 이때 태양의 흑점 개수도 가장 적어진다. 15세기 중반부터 19세기 중반까지 이어진, 작은 빙하기라 불리는 ‘소빙기’ 시기 가운데 17세기 말에는 실제로 태양 흑점이 거의 나타나지 않았다. 당시의 기후에 관한 묘사는 미술작품에도 남아 있다. 여름에도 기온이 섭씨 7도를 넘지 못했던 유럽의 풍경을 네덜란드 화가 피터르 브뤼헐(1525~1569)이 풍경화에 담은 것이다. -44쪽

태양과 지구 사이의 우주공간은 태양풍이라는 물질로 완전히 채워져 있다. 태양풍은 지금 이 순간에도 태양으로부터 끊임없이 흘러나오고 있다. 항상 존재하는 태양풍이 어떤 이유 때문에 매우 빠른 속도로 지구에 도착하면 지구의 우주날씨에 큰 영향을 미친다. 따라서 우주날씨를 제대로 알려면 먼저 태양풍에 관해 알아봐야 한다. 태양풍을 이루는 물질이 바로 ‘플라스마’ 상태의 전하를 띤 입자들이다. -49쪽

플라스마는 태양으로부터 지구는 물론이고 태양계의 모든 행성들을 향해 쉴 새 없이 뿜어져 나온다. 지구에도 매초 약 100만 톤이나 되는 엄청난 양이 날아온다. 게다가 각각이 엄청난 고에너지 입자들이다. 태양풍의 속도는 초속 200~900킬로미터이며, 평균 속도는 초속 450킬로미터다. 보통 총알의 속도가 초속 900미터인 것을 감안하면, 태양풍 입자들의 속도는 총알보다 대략 1,000배나 빠르다. 이렇게 엄청나게 빠른 플라스마의 흐름은 자체적으로 거대한 에너지를 갖고 있는데, 더 중요한 사실은 이것이 전하를 띤 입자의 흐름이라는 사실이다. -51쪽

지구의 남극과 북극 지역에서 관측되는 오로라도 태양풍의 영향으로 생긴다. 태양풍에 포함된 이온들이 지구의 자기장과 처음 만날 때 대부분은 지구 자기권 바깥으로 다시 빠져나가지만, 그중 일부는 지구 자기장에 갇힌다. 지구 자기권으로 침투해 들어온 이 태양풍 이온들 중 일부가 지구 자기장이 열려 있는 공간인 남극과 북극 근처의 상층 대기와 만나 오로라를 만든다. -54쪽

지구 표면으로부터 지구 자기장이 영향을 미치는 바깥 경계까지의 영역을 통틀어 지구 자기권Earth’s magnetosphere이라고 한다. 지구 주변의 자기력선과 자기장은 지구에 생명체가 살아남는 데 결정적인 역할을 하고 있다. 지구 자기권이 먼 은하에서 오는 우주선cosmic ray과 태양에서 오는 고에너지 입자들, 태양풍 입자들을 막아주는 거대한 방패 역할을 하기 때문이다. -68쪽

지구 자기권을 구성하는 다양한 영역들 중 우주날씨와 가장 관련 깊은 영역은 바로 밴앨런대(밴앨런 방사능대Van Allen belt, 밴앨런 복사대)다. 거대한 지구 자기권의 여러 영역 가운데 지구와 가장 가까운 이 영역은 두 개의 도넛 모양으로 지구를 감싸고 있는 강력한 방사선대다. 그래서 이 영역을 지구 방사선대라고도 한다. 이 지역에는 항상 고에너지 전자와 고에너지 양성자가 밀집해 있는데, 이 고에너지 입자들이 바로 방사선의 정체다. 이 입자들은 우주날씨가 지구에 미치는 여러 영향들 중 가장 중요한 요소다. -75쪽

태양폭발이 발생할 때 태양 표면에서 나오는 고에너지 입자들 중에서 양성자가 평상시보다 비정상적으로 많이 분출되는 사건을 태양양성자사건이라고 한다. 태양양성자사건이 일어나면 극지방처럼 위도가 높은 항로를 비행하거나 높은 고도를 비행하는 정찰기의 비행기 승무원과 탑승객은 더욱 많은 방사선에 노출되기도 한다. -86쪽
일반적인 날씨와 우주날씨의 경계는 높이에 따라 구분한다. 지상 날씨에 영향을 미치는 ‘대기’ 영역과 천문학에서 말하는 ‘우주’ 영역은 보통 고도 100킬로미터에서 나뉜다. 연구자들은 100킬로미터 아래는 기상청이 관할하고, 100킬로미터 이상은 한국천문연구원이 관할한다고 말하곤 한다. -96쪽

일상생활과 밀접한 날씨에는 온도, 습도, 강수량이라는 세 가지 기본 요소가 있다. 그럼 우주날씨에도 이런 기본 요소가 있을까? 물론 있다. 태양이 방출하는 자기장, 입자, 전파를 ‘우주날씨의 3요소’라고 한다. 우주날씨의 3요소는 우주날씨에서 가장 중요한 변수이며 우주날씨를 예보하는 기준이 된다. -117쪽

세계 각국에서 너 나 할 것 없이 경쟁적으로 우주날씨를 연구하고 있고, 물론 우리나라도 이에 질세라 활발하게 우주날씨 연구를 진행하고 있다. 개중 어떤 분야는 우리나라가 전 세계에서 가장 앞서 나가고 있다. 예를 들면 우리나라는 코로나 물질방출 현상과 지자기폭풍을 연결하는 실험 모델을 가장 먼저 개발하고 있다. -122쪽

기상청에서 매일 날씨 예보 일지를 작성하는 것처럼, 한국천문연구원에서도 과학자들이 일주일씩 순번을 정해서 매일 ‘우주환경 예보 일지’를 작성한다. 이 예보 일지에는 우주날씨 3요소인 당일의 R, S, G 우주날씨 지수와 함께 3일 뒤까지 예측한 우주날씨 지수가 기록된다. 또한 그날 하루 동안의 종합적인 우주날씨의 개황도 기록한다. -122쪽

우주날씨 이벤트 중 대표적인 현상은 태양 표면에서 고에너지 물질들이 뿜어져 나오는 코로나 물질방출이나 태양플레어다. 이 여파가 지구에 도착하면 지구 주변을 돌고 있는 인공위성에서 관측되는 입자들의 양이 짧은 시간 안에 급증하고 지구 주변의 자기장값이 크게 요동친다. 자기장의 교란이 큰 규모라면 지상에서 측정하는 자기장 측정기까지도 자기장 교란을 크게 기록한다. 과학자들은 이런 상황을 ‘지자기폭풍이 지구에 도착했다’고 표현한다. -126쪽

우리별 위성의 발사는 러시아가 스푸트니크 1호를 발사한 1957년보다 35년, 미국이 익스플로러 1호를 발사한 1958년보다 34년 뒤진 기록이다. 실제로 우리나라의 우주개발 기술은 우주개발 선진국과 30여 년의 격차가 있다. 하지만 짧은 우주개발 역사에도 불구하고 우리나라 과학자들은 벌써 우주발사체를 개발하고 있다. 2018년에는 발사체의 핵심이라고 할 수 있는 엔진의 성능 시험도 성공했다. -142쪽

모든 위성은 이렇게 적어도 세 단계EM-QM-FM의 본체-탑재체 세트를 만들어야 한다. 따라서 미션을 설계하고, 제작하고, 위성을 궤도에 올린 후 정상 운용하고, 그 자료를 인공위성에서 지상국으로 내려 받아 연구 논문을 쓰기까지 최소 10년은 걸리는 장기 프로젝트가 된다. 과학기술위성 1호도 나와 이렇게 10년 가까운 시간을 보냈다. -144쪽

최근 우주탐사 분야에서 가장 각광받고 있는 것은 큐브샛Cubesat이다. 큐브 위성이라고도 불리는 큐브샛은 한 개의 단위라고 할 수 있는 1유닛unit이 부피 1리터(가로, 세로, 높이 모두 10센티미터), 질량 1.33킬로그램을 넘지 않는 초소형 인공위성이다. -161쪽

북극항로 운영에 가장 영향을 주는 인자는 우주방사선과 그로 인한 통신장애다. 북극항로는 우주방사선에 노출될 위험이 클 뿐 아니라 통신 장치와 항법 장치들이 오작동을 일으켜 사고가 일어날 가능성이 다른 항공로보다 훨씬 높다. -185쪽

우리나라는 우주개발 중장기계획에 따라 2023년과 2025년에 달로 탐사선을 보낼 계획이다. 달 탐사나 화성 탐사 같은 심우주 탐사를 설계할 때도 가장 중요하게 최우선으로 고려해야 할 요소가 바로 우주방사선이다. 유인 우주탐사 또는 먼 우주로의 우주여행을 계획할 때 우주방사선 문제는 결정적인 걸림돌이 될 수 있다. 우주를 향한 인류의 도전이 계속되고 있는 한 인공위성과 우주방사선 문제는 반드시 해결해야 할 중요한 문제다. -213쪽

화성은 자기권이 거의 없기 때문에 화성의 전리층이 태양풍에 직접 닿게 되었고, 그 결과 대기가 갈수록 양파 껍질 벗겨지듯 조금씩 벗겨져나가고 있다. 갈수록 엷어지는 화성의 대기가 그나마 있는 자기장을 유실시키고 화성을 더욱 척박한 땅으로 만들고 있는 것이다. 외계에서 살아 있는 생명체를 발견하려면 가장 먼저 고려해야 할 사항이 행성에 자기장이 있는지의 여부다. 자기장이 없으면 태양풍과 우주방사선으로부터 생명을 보전할 수 없다. -237쪽

들어가기

1장 우주날씨의 시작, 태양
우리의 어머니별, 태양
태양은 얼마나 크고 얼마나 뜨거울까
태양에서는 무슨 일이 일어날까
개기일식, 태양을 관측할 절호의 기회
망원경, 태양을 관측하는 커다란 눈
태양의 까만 점은 그저 점일까
태양이 뿜어내는 바람
태양의 일생

2장 지구를 지켜주는 자기장
지구를 지키는 쉴드
지구를 둘러싼 자기장
본격적인 우주시대의 시작을 알린 밴앨런대
지구 자기권의 대혼돈, 지자기폭풍
지자기폭풍이 만드는 아름다운 오로라

3장 전기로 가득 찬 하늘과 오로라
지구의 대기권
전리층이 없으면 통신도 없다
전자는 전리층의 키맨
맨눈으로 볼 수 있는 우주날씨, 오로라
우주날씨의 세 가지 요소
우주날씨 예보, 어떻게 하나
전 세계의 우주날씨 예보
참고 | 우주날씨 3요소의 등급

4장 폭발하는 태양으로부터 인공위성을 구하라!
드라마 주인공이 된 대학원생
내 첫 인공위성, 과학기술위성 1호
우주날씨에 민감한 인공위성
인공위성은 무슨 일을 할까
새 세대 인공위성, 큐브샛
로켓 나로호
참고 | 할로윈 폭풍으로 피해를 입은 인공위성들과 사후 조치

5장 생명을 위협하는 우주방사선
극지방에 쏟아지는 우주방사선
우주방사선을 피할 수 없는 사람들
다시마와 미역만으로 우주방사선을 막을 수 있을까
우주방사선은 생명체에 어떤 영향을 미칠까
우주방사선을 예보한다
인공위성도 무서워하는 우주방사선
참고 | 생활주변방사선 안전관리법과 그 시행령

6장 지구 바깥에 쓰레기가 돌고 있다
인공위성을 위협하는 인공 우주물체
하늘에서 인공위성이 쏟아져내려
우주쓰레기를 치우자!
우주물체 감시는 전 인류의 일

7장 먼 우주의 우주날씨
얇은 자기권으로 겨우 버티는 행성
기체로 된 거대 행성의 우주날씨
태양계 행성의 지위는 잃었지만 깊은 우주의 시작이 된 행성의 날씨
인공위성의 고향에서 만난 지구인의 유서
먼 우주로 향하는 보이저 탐사선
태양계와 태양권
태양권의 끝, 태양권계면
태양권 바깥은 미지의 세계

나가기
참고자료