전리층(이온화층 : Ionosphere)

이온화층(영어: Ionosphere)은 지구 대기의 한 이온화 영역입니다. 전리층은 태양의 고에너지 복사 및 우주선의 자극을 받아 전리된 대기 고층입니다. 60킬로미터 이상의 지구 대기권은 모두 부분적으로 전리 또는 완전 전리된 상태입니다. 전리층은 부분적으로 전리된 대기 영역입니다. 완전 전리된 대기 영역을 자기권이라고 합니다. 전리된 대기 전체를 전리층(電離層)이라고 하는데, 자기층을 전리층의 일부로 보는 사람도 있습니다. 지구 외에 금성, 화성, 목성은 모두 전리층이 있습니다. 전리층은 지상 약 50km에서 시작돼 약 1000km 고도까지 뻗어 있는 지구 고층 대기 공역에는 자유전자와 이온이 상당수 존재해 전파속도를 변화시키고 굴절·반사·산란을 일으켜 분극면의 회전을 일으키며 흡수됩니다.


지구외선(주로 태양복사) 대 중성, 원자 및 공기분자의 이온화 작용으로 인해 지표면에서 60킬로미터 이상 떨어진 지구 대기권 전체가 부분적으로 전리되거나 완전히 전리된 상태입니다. 전리층은 부분적으로 전리된 대기 영역입니다. 완전 전리된 대기 영역을 자기권이라고 합니다. 전리된 대기 전체를 전리층(電離層)이라고 하는데, 자기층을 전리층의 일부로 보는 사람도 있습니다. 지구 외에 금성, 화성, 목성에도 전리층이 있습니다.

이온화 작용으로 자유전자를 발생시키는 동시에 전자와 양이온의 충돌이 복합되고 중성분자와 원자에 전자가 부착되면 자유전자의 소멸을 일으킬 수 있습니다. 대기 각 풍계의 운동, 분극 전기장의 존재, 외부 하전 입자의 수시로 침입, 그리고 기체 자체의 확산 등이 자유로운 전자의 이동을 야기합니다. 고도 55km 이하의 영역에서는 상대적으로 대기가 조밀하고 충돌이 잦으며 자유 전자가 빨리 소실되고 가스가 전도되지 않는 성질을 유지합니다. 전리층 꼭대기에서 대기가 매우 희박합니다. 전리의 이동운동은 주로 지구의 자기장의 통제를 받습니다. 이를 자기권이라고 합니다.

전리층의 주요 특성은 전자밀도, 전자온도, 충돌주파수, 이온밀도, 이온온도, 이온성분 등 공간분포의 기본 파라미터로 표시됩니다. 그러나 전리층의 연구 대상은 주로 고도에 따른 전자 밀도의 분포입니다. 전자 밀도(또는 전자 농도)는 단위 부피당 자유로운 전자 수를 말합니다. 고도에 따라 달라지는 것은 각 고도의 대기 성분, 대기 밀도, 태양 복사 통과량 등과 관련이 있습니다. 전리층 내의 임의의 전자 밀도는 이러한 자유 전자의 발생, 소멸, 이동의 세 가지 효과에서 결정됩니다. 세 가지의 상대적인 역할과 구체적인 역할 방식은 지역에 따라 차이가 많이 납니다.

전리층의 발견으로 사람들은 전파 전파의 각종 메커니즘에 대해 더욱 깊은 인식을 갖게 되었을 뿐만 아니라 지구 대기권의 구조 및 형성 메커니즘에 대해서도 더욱 분명하게 이해할 수 있게 되었습니다.

 

연구

1899년 니콜라이 테슬라는 전리층을 이용한 장거리 무선 에너지 전송을 시도했습니다. 그는 지상과 전리층의 이른바 코놀리히빌리시 계층 사이에 극히 낮은 주파수파를 보냈습니다. 그의 시험을 기초로 그는 수학적 계산을 하였습니다. 그의 이 지역의 공진주파수 계산은 오늘날의 시험 결과와 15%도 차이가 나지 않습니다. 1950년대 학자들은 이 공진 주파수를 6.8Hz로 확인했습니다.

1901년 12월 12일 굴리엘모 마르코니는 대서양을 건너는 신호를 처음 받았습니다. 마르코니는 연을 통해 세워진 400피트 길이의 안테나를 사용했습니다. 영국의 송신소에서 사용하는 주파수는 약 500kHz로 그때까지의 모든 송신기의 100배에 달합니다. 수신된 신호는 모스 부호의 S(3시)입니다. 대서양을 건너려면 이 신호가 두 번 전리층에 반사되어야 합니다. 이론적 계산과 오늘날의 실험에서 마르코니의 결과를 의심하는 사람도 있지만, 1902년 마르코니는 대서양 횡단 전파에 이르렀습니다.

1902년 올리버 헤비세는 전리층 중 코노르 리해비사이층의 이론을 제시했습니다. 이 이론은 전파가 지구의 구면을 우회할 수 있다는 것을 설명합니다. 이 이론에 플랑크의 흑체 복사 이론이 더해져 전파천문학의 발전을 저해했을 수 있습니다. 사실 1932년에야 인류는 천체로부터의 전파를 탐지했습니다. 1902년 아서 케넬리(ArthurKennelly)는 전리층의 일부 전파-전자 특성을 발견하기도 했습니다.

1912년 미국 의회에서 1912년 방송법안이 통과되면서 아마추어 방송국에는 1.5MHz 이상만 근무할 수 있도록 명령했습니다. 당시 정부는 이 이상의 주파수를 무용지물이라고 판단했습니다. 1923년 전리층을 이용한 고주파 전파가 발견됐습니다.

1947년 에드워드 애플턴은 1927년 전리층의 존재를 입증한 공로로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 모리스 윌크스와 존 래클리프는 극장파장 전파의 전리층 전파를 연구했습니다. 비탈리 긴즈버그는 전리층과 같은 플라즈마 내에서 전자파가 전파된다는 이론을 내세웠습니다.

1962년 캐나다 위성 Alouette1이 하늘로 떠올랐는데, 그 목적은 전리층 연구였습니다. 1965년 Alouette 2 위성 발사와 1969년 ISIS 1호와 1971년 ISIS 2호 발사를 성공적으로 이끌었습니다. 이 위성들은 전부 전리층을 연구하는 데 사용됩니다.

 

메커니즘 형성

대기의 전리는 주로 태양 방사 중 자외선과 X선 때문에 발생합니다. 또 태양 고에너지 대전 입자와 은하 우주선도 중요한 역할을 합니다. 지구 고층 대기의 분자와 원자는 태양 자외선, 射线선과 고에너지 입자의 작용으로 전리되어 자유전자와 양, 음이온을 발생시켜 플라즈마 영역 즉 전리층을 형성합니다. 전리층은 거시적으로 중성을 나타냅니다. 전리층의 변화는 주로 시간에 따른 전자 밀도의 변화로 나타납니다. 전자 밀도가 균형을 이루는 조건은 전자 생성률과 전자 소실률에 달려 있습니다.

전자 생성률은 중성가스가 태양의 복사 에너지를 흡수해 전리를 일으켜 단위 부피 내에서 초당 발생하는 전자 수를 말합니다. 전자 소실률은 전자의 드리프트 운동을 고려하지 않을 때 단위 부피당 초당 소실되는 전자 수를 말합니다. 하전 입자는 충돌 등의 과정을 통해 또 재결합을 일으켜 전자와 이온의 수를 줄입니다. 하전 입자의 드리프트나 다른 운동도 전자나 이온 밀도를 변화시킬 수 있습니다.