Ionosphere, Ionospheric Layer   전리층, 이온층

1. 전리층 / 이온층 (Ionosphere) 이란?

  ㅇ 지구 상층의 이온화된 층
     - 플라즈마 형태의 영역
        . 지구 상층 대기를 구성하고 있는 분자나 원자가,
        . 태양으로부터의 자외선,X선, 은하로부터의 우주선 등의 복사 에너지에 의하여,
        . 전리되어 분자,원자,이온,전자 등이 혼재하는 영역

  ㅇ 전리층 높이
     - 지구로부터 대략 65 ~ 2000 ㎞ 에 위치함
     - 특히, 전파 영향이 큰 80 ~ 400 ㎞ 를 말함
        . 80 ㎞ 이하에서는, 대기 밀도가 높아, 해리(이온화) 보다는 재결합이 압도적임
        . 400 km 이상에서는, 기압이 10-6 mmhg 정도로 거의 진공에 가까움

  ※ 전리층 발견
     - 1882년 밸푸어 스튜어트가 지상 관측 자기장 변화로부터 대기 상공의 전리권 존재 제안
     - 1902년 커널리와 해비사이트가 각각 대기 상층부 전리권 존재 주장 


2. 전리층의 구분

  ㅇ 전리층의 전자 밀도는 태양활동, 계절, 시각, 위도, 경도 등에 의해 변화
     - 극지방과 적도지방   :  지구 자계의 영향을 받아  큰 차이가 남
        . 저 위도 적도지방 :  전리층의 불규칙성이 높음
        . 고 위도 극지방   :  강하입자에 의한 전리작용이 더해져(오로라 현상) 특히 복잡하게 변화됨

  ㅇ 특히, 태양 영향에 따라 낮과 밤에 따라 달리 층 형성됨
     - 낮 : D, E, F1, F2
     - 밤 : E, F


3. 전리층 파 (Ionospheric Wave) 이란?

  ㅇ 지상 80~400 km의 전리층에서 반사되거나 산란되는 전파

  ㅇ 전파의 굴절,반사,산란 이외에도 감쇠,편파면의 회전 등이 발생됨
     - 저주파(30 MHz 이하) : 주로, 반사 위주로 원거리 전파 가능
     - 고주파(100 MHz 이상): 전리층을 통과하며 산란,회절,흡수 일어남


4. 전리층 파의 영향

  ㅇ 전리층 영향
     - 특히, 단파대 (HF) 전파(電波)를 사용하는 경우에, 소 전력 장거리 통신 가능
        . (例, 단파 방송 등)

  ㅇ 통상, 
     - 수백 MHz 이하 주파수대(주로, 단파 HF대,초단파 VHF대 이하 지상파 통신)에서 만 영향을 줌   
     - 그 이상 주파수대에서는, 위성통신 등에서 응용
        . 군지연,패러데이 회전(편파 특성에 영향을 줌),페이딩/신틸레이션(Scintillation) 등 발생

  ㅇ 무선주파수대역별 영향
     - 장파(LF),중파(MF)대 전파  :  주로, D,E층의 영향을 받음

     - 단파대(HF) 전파  :  주로, F층에 지배됨
        . 장거리 육상 및 해상 통신에 일부 이용됨

     - 초단파(VHF)대 이상  :  대부분 일부 감쇠 및 통과

  ㅇ 전리층 감쇠에 대한 호칭
     - 제1종 전리층 감쇠  :  전리층을 관통할 때 받는 감쇠
        . 감쇠량은, 전자 밀도의 크기에 비례하고, 주파수의 제곱에 반비례 함
        . 상층 전리층(E층)에서 반사되면서 하층 전리층(D층)을 통과하면서 받는 감쇠
        . 야간 보다 주간에 감쇠가 큼
     - 제2종 전리층 감쇠  :  전리층에서 반사될 때 받는 감쇠
        . 감쇠량은, 사용 주파수와 최고 사용 주파수(MUF)의 비(比)에 관계


5. 전리층의 주요 층별 특징 및 영향 

  ※ (전리층의 구분은, 전자 밀도에 따라 높이 및 층상구조로 구분)
     - 전자 밀도 크기순 : D < E < F1 < F2

  ㅇ D층 (약 70~90 km)
     - 낮에 만 존재하고 밤에는 사라짐
     - VLF,LF 파는 반사, MF 파는 흡수, HF 파는 부분 흡수, VHF 파 이상은 통과

  ㅇ E층 (약 90~130 km)
     - 낮과 밤 모두 존재
     - 파장 100~400 m 전파를 반사함
     - MF,HF 파는 반사, 그 이상 주파수대는 작은 감쇠

     - 스포라딕 E층 (Sporadic-E, Es)
        . E층의 높이에서 전리도가 높고 출현이 불규칙한 스포라딕 E층(Sporadic-E, Es)
           .. 전자들이 구름을 형성하며 이동함
           .. 불규칙한 반사층을 형성하며, 초단파(VHF)의 이상 전파현상을 일으키는 일이 있음

  ㅇ F층 (약 130~수백Km, 하절기 F1 및 F2 층)
     - 주로, 하절기 주간에 만 존재
     - F층은, F1(약 170~230 km)과 F2층(약 200~500 km)으로 나누어짐
        . F1층 : HF 파 반사, 그 이상 주파수대는 낮은 감쇠
        . F2층 : 밤낮 모두 존재, HF 파 반사 (장거리 통신용)

    


6. 전리층의 요란 (Ionospheric Disturbance)

  ㅇ 원인  :  태양 플레어 (solar flare)
     - 태양에서 방출된 강한 X선,자외선 복사가, 약 8분 후 지구 도달
     - 이것이, 상층 대기 전리층 특히 D층의 급격한 이온화 증가시킴
    
  ㅇ 결과  :  델린저 현상 (Dellinger phenomena) (라디오파 중 단파의 통신 두절 현상)
     - 태양 플레어로 D층이 과도하게 이온화되어 단파가 흡수되는 현상
     - 원인  :  태양 플레어로 인한 X선 증가 → D층 전자 밀도 증가 → 전파 흡수(Absorption) 급증
                → 단파 (HF) 통신 두절 (Radio Blackout) (특히 낮 동안)
     - 특징
        . 발생 시간  :  수분 이내 (매우 급격)
        . 지속 시간  :  수분 ~ 수십 분 (짧음)
        . 영향  :  단파 통신 두절 (radio blackout), 항공통신,해상통신 장애
        . 영향 범위  :  태양이 비추는 지구 반구 (주간 지역)
     - 자기 폭풍과의 차이
        . 일반 지자기 폭풍  :  수 시간 ~ 수일 지속 (입자 폭풍 영향)
        . 델린저 현상  :  즉각적, 단시간 (전자기 복사선 영향)

  ※ [참고]  자기 폭풍 (Geomagnetic Storm)
     - 태양 활동으로 인해 지구의 자기장이 크게 (대규모) 교란되는 현상
        . 태양 입자가 지구 자기장을 교란하는 장시간 전리층/자기권 요란
     - 원인  :  고속 태양풍 → 지구 자기권과 충돌 → 전류계(환상전류 등) 변화 → 자기장 교란
     - 특징
        . 발생 시간  :  수십 분 ~ 수 시간 후 시작
        . 지속 시간  :  수 시간 ~ 수일 (김)
        . 영향  :  전리층 구조 변화 (F층 교란, 전자 밀도 변동), 단파(HF) 통신 저하,
                   위성 통신 및 GPS 오차 증가, 극지방 중심 오로라 증가, 전력 송전망 장애 등
        . 영향 범위  :  지구 전체 (특히 고 위도)