이대영 천문우주학과 교수
 
태양폭발 현상
최근 언론을 통해 알려진 ‘태양 폭발’ 현상이라는 것은 태양 ‘플레어 폭발’ 현상을 말하는 것이다. 사실 태양이라는 별 자체가 폭발하여 부서지는 것은 아니므로 ‘태양 폭발’이라는 용어는 정확하다고 할 수 없으나, 일반인들에게 쉽게 전달하기 위해 이렇게 사용하게 되는 것으로 본다. 플레어 폭발은 태양 표면의 흑점 근처에서 발생하는 것으로 가시광선은 물론 가장 파장이 긴 전파(radio)로부터 에너지대가 높은 X-선까지 매우 넓은 전자기 스펙트럼 범위에 걸쳐 폭발적인 에너지 방출이 발생하는 것을 말한다.  이때, 전파 폭발 효과는 지구까지 도달하여 기존의 전파통신에 교란으로 작용할 수 있다. 또한 플레어 폭발은 수백 keV의 에너지를 갖는 고에너지 대전 입자를 다량 방출하며, 이중 일부는 지구에 도달하게 된다. 다행히 지구를 둘러싼 자기장이 이러한 고에너지 대전 입자의 침투를 대체로 막기는 하지만, 지구 자기권의 구조가 완벽한 방어막 역할을 하지는 못한다. 따라서 일부 입자는 극지방과 같은 고위도 지역에 침투하여 대기로 낙하할 수 있다. 최근 항공노선 중 일부는 극지역을 통과하는 노선이 이용되는데 때로는 이런 고에너지 방사성 입자에 탑승자들이 노출될 수 있다. 이와 같이 지구 근접 우주공간의 제반 물리적 상태의 교란을 우주기상(Space Weather)로 정의한다. 원천 학문적으로는 우주기상 교란의 원인이 되는 물리적 원리를 캐는 것이 이 분야의 목적이 되겠다. 실용적인 차원에서는 인간이 만든 위성 및 우주선과 같은 도구가 우주를 여행하는데 필요한 정보를 사전에 예보할 수 있게 하는 목적이 있는 분야이다. 보통 망원경을 이용하는 천문학이라고 하면, 대개의 경우 멀리서 오는 빛(광자)을 리모트센싱하는 것에 기반한 것으로 볼 수 있는 반면, 우주기상은 많은 부분이 지구 근접 공간을 직접 현상 탐사 및 관측을 통해 이해하고 예보하려는 것으로 볼 수 있다. 천문, 우주학 관련 분야가 발전해 감에 따라, 지구로부터 점점 더 먼 공간이 우주기상의 범주에 흡수된다고 볼 수 있다.
플레어 폭발로 방출되는 거대한 에너지는 태양 흑점에 연결된 자기장으로부터 나온다. 흑점은 태양의 다른 부분에 비해 대체로 온도가 좀 낮은 국부적 지역을 말하는데, 이곳에 자기장이 유난히 강하게 뭉쳐있다. 그래서 주변보다 어두워 보이며 검게 나타나서 흑점이라고 부른다. 사실 우리나라 고려시대와 조선시대의 고문헌에도 흑점 관측에 대한 기록이 있어 놀라울 따름이다. 비록 흑점이 온도가 낮고 어두워 보인다고는 하지만, 이것은 어디까지나 태양의 다른 영역에 비해 상대적으로 그렇다는 것이다. 실제 태양 흑점은 우주의 다른 별의 밝기보다 더 밝을 수 있다. 흑점에 몰려 있는 자기장은 태양 활동의 근원이 되는 에너지를 제공한다. 자기장이 국부적으로 모여 흑점을 이루는 것은 태양 저층 대기의 대류 운동 등과 연관이 있다. 태양의 흑점수는 일정한 주기를 갖고 변한다는 것은 익히 잘 알려져 있다. 특히, 11년 주기로 흑점수가 변하는 것이 가장 잘 알려져 있는데, 가령 2002년 즈음이 지난 흑점수 최대기였다. 이때를 흑점 주기 23이라고 하며, 약 11년 뒤인 2013년에 또 한 번의 흑점수 최대기인 주기 24가 예상된다.  
태양 흑점 극대기에는 플레어와 더불어 코로나 질량 분출 (Coronal Mass Ejection)이라는 현상도 자주 발생한다. 코로나 대기층은 태양의 가장 바깥 대기층으로서 우리가 평상시 보는 태양 광구의 강한 빛 때문에 육안으로는 보이지 않는다. 태양 광구 부분이 자연적 혹은 인위적으로 가려지는 식(eclipse)이 일어날 때만 코로나 대기층이 인지된다. 야간에 자동차 전조등을 정면으로 바라보면 밝은 전조등에 가려 자동차 주변은 볼 수 없는 것과 같은 이치이다. 코로나의 온도는 수백만 도에 이르는 것으로 알려져 있는데, 이는 태양 중심부의 온도와 비슷하다. 대기층은 별의 표면에서 멀어질수록 온도가 감소해야 하는 것으로 쉽게 생각할 수 있는데, 이런 상식적 기대와 크게 다르게 코로나의 온도가 수백만 도를 유지하고 있으니 미스터리가 아닐 수 없다. 그 물리적 이유는 아직도 확실히 규명되지 않고 있다. 그런데 태양 흑점의 존재와 연관하여 코로나 층은 국부적으로 갑작스런 폭발과 팽창을 하기도 한다. 이때 한번 폭발할 때마다 수백만 톤의 플라즈마(이온 및 전자) 물질을 방출한다. 어떤 경우는 코로나 물질 방출이 지구 쪽으로 향할 수 있다. 태양 흑점이 많아지는 극대기에는 이런 코로나 물질 방출 현상이 더 강하게, 더 자주 발생한다. 그러니 지구가 코로나 물질 방출에 노출될 수 있는 가능성도 높아지는 것이다. 
 



우주기상 교란과 연구동향
태양은 빛이라고 부르는 전자기파 뿐 만 아니라, 플라즈마 입자로 구성된 태양풍 (solar wind), 그리고 위에서 소개한 플레어 폭발 및 코로나 물질 방출 등을 통해 자신의 질량과 에너지를 항시 잃어 가고 있다. 그러나 그 정도는 태양 자신의 거대한 질량에 비해 매우 적은 양이니 우리가 살아 있는 동안은 크게 걱정할 필요는 없다. 오히려, 방출한 전자기파와 플라즈마 물질이 지구에 도달했을 때 당장 받는 악영향을 신경 써야 한다.  플레어가 폭발하거나 코로나 물질 방출이 지구로 향해 충돌하게 되면, 지구 주변 공간과 심지어 지상에는 여러 가지 교란 현상이 나타난다. 지구는 원래 대략 쌍극자 형태의 자기장으로 둘러싸여 있어서 외부 공간으로부터 날아오는 대전입자 (특히 Cosmic Ray라고 부르는 우주선)으로부터 인간의 주요 생활공간이 보호받고 있다. 그러나 강력한 태양풍이 불어오거나 코로나 물질 방출이 충돌하게 되면 지구 자기권은 완전한 보호막 역할을 하지 못한다. 자기권 자기장은 크게 동요받아 여기저기서 자기장의 크기가 크게 변한다. 이것은 지상에서도 관측 가능하며, 실제 자력계라는 자기장 관측 장비만 있으면 쉽게 모니터링 할 수 있다. 이러한 자기 폭풍이 발생하면 고위도 지역에서는 우리가 익히 잘 아는 오로라 발광이 나타난다. 자기장의 변화는 주변 공간 어디에선가 전류의 교란을 의미한다. 특히, 전리층에서의 전류 교란이 심하게 나타나게 된다. 이는 전자기파에 의존하는 통신에 지대한 영향을 미치게 된다. 또한, 지구 주변은 수많은 인공위성이 운영되고 있다. 자기 폭풍이 발생하면 이런 위성 상주 공간에 고에너지 대전 입자가 다량 출현하게 되어, 위성에 직접적인 전자기적 피해를 유발시켜 오작동의 원인이 된다. 
실제로 우주기상 교란으로 인한 피해가 발생한 사례는 어렵지 않게 찾아볼 수 있다. 가장 최근의 예로서, 2010년 4월 5일 미국 통신위성인 Galaxy 15가 연락이 두절된 사건이 있었다.  우주기상의 조사 결과, 이 사건이 발생한 시점에 강력한 우주 플라즈마 폭풍이 발생했음을 확인할 수 있었다. 과거의 유명한 사건으로는 1989년에 발생한 강력한 자기 폭풍으로 캐나다 퀘벡지역에 대규모 정전 및 통신 두절 사태가 발생한 것이 있다.  1991년에는 미국 뉴욕의 변전소 설비가 피해를 입는 우주기상 교란 현상이 있었다. 우주기상 교란의 예는 우리나라의 경우에서도 찾아볼 수 있다. 가령, KOMPSAT-1 위성의 궤도 예측 정밀도를 2003년 10월 하순부터 약 1개월간 조사해 본 결과 평소 수준의 약 8배 정도 급변한 것으로 나타났다. 또한 평소 수준보다 약 6배 더 많이 고도가 감소한 것으로 나타났다. 이것은 이 시기 즈음에 발생한 자기 폭풍으로 인해 위성 궤적이 놓인 고층 대기권 밀도가 변했기 때문이다. 사실 우리의 일상생활에서 우주기상의 교란 효과를 직접 느끼는 경우는 드물다. 그 이유는 우리나라의 경우는 중저위도에 해당하기 때문에 상대적으로 지상에서 받는 교란은 덜 심한 편이기도 하고, 일부 통신 교란의 경우는 관련 기관에서 그 정보를 일반에게 쉽게 노출하지 않기도 하기 때문이다. 또한, 위성을 다수 보유하여 우주 공간에 노출되는 일이 많은 선진국의 경우에 비해 우리나라의 경우는 아직은 보유 위성의 수와 우주 공간 탐사 및 노출의 정도가 작은 점도 있다. 그러나 우리나라는 중장기적으로 더 많은 위성 운영과 우주 탐사, 그리고 통신 사업의 추가 발전과 확대가 기대되기 때문에 우주기상이 점점 더 신경 써야 할 분야가 될 것이다. 미국의 한 보고서에 따르면, 우주기상의 급격한 변화로 인한 피해는 몇 년 전 미국 뉴올리언즈를 강타한 허리케인 카트리나에 의한 피해를 훨씬 넘어설 수 있다.
미국의 경우 NASA는 물론, 국립과학재단(NSF), 해양대기연구소(NOAA), 공군, 해군 등에서 우주기상과 관련된 기초 연구 및 예보, 경보를 위한 연구 개발 업무가 오랫동안 수행되어 왔다. 공군, 해군의 경우는 가령, 레이더 시그널이 태양 전파 폭발로 인한 전자기 교란을 받을 수 있기에 관련이 있다. NOAA에서 운영하는 우주환경예보센터(SWPC)는 이러한 우주기상의 변화를 상시 모니터링하고 예보하려는 목적으로 있으며, 이곳에는 미 공군 소속 군인들이 일부 상주하여 업무를 같이 보고 있다. 가까운 일본의 경우도 일본 항공우주연구소(JAXA)내 뿐만 아니라 여러 대학과 연구소에서 우주기상 관련 연구 및 개발이 꽤 오랜 역사를 갖고 있다. 물론, 그 외에 호주 및 유럽 여러 나라, 특히 상대적으로 고위도에 놓인 나라에서 우주기상에 대한 연구가 활발하다. 우리나라는 상대적으로 짧은 관련 역사를 갖고 있지만, 최근 충북대를 비롯한 여러 개의 대학 연구실과 한국천문연구원, 전파연구소, 극지연구소, 기상청 등에서 연구, 개발 활동이 빠르게 증가하고 있다. 특히, 위의 연구소들은 지상에서 우주기상을 모니터링 할 수 있는 태양 전파 수신기, 전리층 관측기, 지상 자기장 관측 자력계 등 여러 장비를 설치하였다. 따라서 국내의 연구 및 개발의 저변은 급속히 두꺼워지고 있다.