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밴 앨런대에 세번 째 벨트가 있다 ?





 2013 년 2월 28일 (현지 시각) 나사는 Van Allen Probes mission 의 관측 결과 지금까지 2개의 거대한 벨트로 구성되었더고 생각해온 밴 앨런 대 (Van Allen Belt) 의 세번째 벨트가 더 외측에 존재하는 것 같다고 발표했습니다. 1958 년 초창기 우주 탐사를 진행한 익스플로러 1호와 3호 (Explorer 1, 3)의 관측 결과 밝혀진 이 고에너지 입자의 벨트에 새로운 비밀이 밝혀진 셈입니다. 



 밴 앨런대의 기원은 태양과 우주에서 날아오는 고에너지 입자들이 지구의 자기장에 잡혀서 벨트 모양으로 존재하는 것으로 생각됩니다. 실제 밴 앨런대는 크기가 변화하는 두개의 도넛 모양 층으로 지구를 둘러싸고 있으며 각각 inner belt 와 outer belt 로 불리고 있습니다.


 inner belt 는 수백 keV 급의 에너지를 가진 전자와 100 MeV 급 에너지를 가진 고에너지 양성자들이존재하는 공간이며 보통은 지표에서 1000 km 정도에서 시작되지만 특수한 상황에서는 그보다 더 아래서 부터 존재할 수 있습니다. outer belt 는 지표에서 약 13000 - 60000 km 정도 떨어진 지역으로 최대 지구 반지름의 10 배까지 커질 수 있지만 대개는 4-5 배 정도입니다. 여기에는 0.1 - 10 MeV 급의 고에너지 전자들이 지구 자기장에 잡혀 도넛 모양으로 존재합니다. 



(밴 앨런 대의 간략화한 모습  Source : NASA  )    

 밴 앨런 대에 존재하는 고에너지 입자대는 다른 이야기로 하면 방사선대라고 할 수 있으며 실제로 인공 위성등에 영향을 줄 수 있기 때문에 인공 위성을 발사하기 전에 이를 고려해야 합니다. 저지구 궤도 (LEO) 를 도는 경우에는 밴 앨런대 안쪽이기 때문에 지구 자기장에 의해 고에너지 입자의 폭격에서 어느 정도 보호되지만 밴 앨런대 안쪽에서는 오히려 고에너지 입자의 농도가 높아져 기기등에 이상을 일으킬 수 있습니다. 또 생명체에도 유해한 영향을 미칠 수가 있습니다. 


 나사는 두개의 인공 위성으로 밴 앨런대를 탐사하는 Van Allen Probe mission 을 2012 년 8월 30일 부터 진행하고 있습니다. 성공적으로 발사된 밴 앨런 탐사 위성은 2년간의 임무를 진행할 계획인데 처음부터 꽤 놀라운 소식을 전해왔습니다. 그것은 밴 앨런대 외측에 약하지만 3 번째 방사선대가 있다는 것입니다.



(이번에 발견된 3 번째 밴 앨런대. 방사선 대는 노란색이고 그 사이 공간은 녹색으로 표시. 제일 밖에 3번째 방사선대가 존재 Two giant swaths of radiation, known as the Van Allen Belts, surrounding Earth were discovered in 1958. In 2012, observations from the Van Allen Probes showed that a third belt can sometimes appear. The radiation is shown here in yellow, with green representing the spaces between the belts. (Credit: NASA/Van Allen Probes/Goddard Space Flight Center) ) 





 나사의 과학자들은 이런 현상을 어느 정도 이론적으로 설명할 수 있다고 생각하고 있습니다. 더 흥미로운 부분은 이 세 번째 벨트와 태양과의 관계입니다. 2012 년 8월 31일 태양에서 강한 태양 폭발이 관측되었고 고에너지 입자들이 지구를 향해 발사되었습니다. 그 후 수일 만에 세번째 밴 앨런대가 모습을 드러냈고 4 주 정도 지속된 후 사라졌습니다. 


 이것은 밴 앨런대가 태양이나 기타 우주에서 오는 고에너지 입자에 의해 역동적으로 변하는 구조물이라는 사실을 보여주는 사례라고 하겠습니다. 밴 앨런대가 처음 발견된지 이미 50 년이 넘었지만 아직도 우리가 모르고 있는 미스테리들이 다수 존재한다는 점은 흥미롭습니다. 단순한 흥미를 넘어 사실 밴 앨런 대에 대한 연구는 위성의 안전성이나 우주 여행에서 안전 문제등을 감안할 때 매우 실질적으로 조사할 필요가 있는 문제라고 하겠습니다. 


 아무튼 이번 발견으로 지구 과학 교과서에 새로운 내용이 추가되야 할 것 같습니다. 



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