이 연구에서는 태양 및 지자기 활동에 의해 발생한 우주환경변화가 우리나라 위성인 아리랑위성1호(KOMPSAT-1)의 궤도에 미치는 영향을 분석하였다. 인공위성의 궤도변화는 정상적인 상태에서도 자연적인 섭동에 의해 지속적으로 발생하지만, 거대한 태양폭발에 의한 지구 주변 우주환경이 급격히 변화할 때 고층대기의 밀도변화로 인해 크게 발생한다. 특히 이러한 현상은 아리랑위성 1호와 같이 저궤도 상에서 운영되는 위성에 직접적인 영향을 미친다. 이 때, 태양활동에 의한 지구 주변 우주환경의 변화는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 하나는 태양 플레어 (Flare)가 폭발했을 때 고에너지 복사(Radiation)로 인해 지구 고층대기가 가열되어 팽창하고 이런 결과로 고층대기에 있는 중성입자밀도가 급격히 증가하는 것이다. 다른 하나는 코로나 물질 방출(Coronal Mass Ejections) 등에 의해 발생한 지자기폭풍기간 동안 플라즈마 대류와 입자들의 하강으로 전기장이 강해져 상당량의 줄가열(Joule heating)과 하강입자가열(precipitating particle heating)이 발생하고 이로 인해 중성입자밀도가 증가하는 것이다. 두 가지 원인에 대한 영향을 구분하여 알아보기 위해, 우리는 태양 및 지자기 자료를 면밀히 분석하여 2001년에서 2002년 동안 5개의 기간을 선정하였다. 그 결과 위성의 대기저항가속도는 태양의 극자외선(Extreme Ultra-Violet)의 증가와 함께 약 하루 정도의 시간 지연을 가지고 유사하게 변화하고 있음을 확인하였다(R=0.92). 그리고 지자기폭풍이 발생한 기간동안 대기저항가속도는 지자기폭풍에 의한 Dst 변화와 상당히 유사하게 그리고 거의 동시에 급격히 변화하는 것을 확인하였다. 마지막으로 우리는 위성의 대기저항가속도의 변화는 전반적으로는 오랜 기간 동안 고에너지 복사에 의한 효과로 나타나고 있으나 짧은 기간(하루 미만) 동안 크게 발생하는 대기저항가속도의 변화는 지자기폭풍에 의한 효과로 보고 있다.
이 연구에서는 태양 및 지자기 활동에 의해 발생한 우주환경변화가 우리나라 위성인 아리랑위성1호(KOMPSAT-1)의 궤도에 미치는 영향을 분석하였다. 인공위성의 궤도변화는 정상적인 상태에서도 자연적인 섭동에 의해 지속적으로 발생하지만, 거대한 태양폭발에 의한 지구 주변 우주환경이 급격히 변화할 때 고층대기의 밀도변화로 인해 크게 발생한다. 특히 이러한 현상은 아리랑위성 1호와 같이 저궤도 상에서 운영되는 위성에 직접적인 영향을 미친다. 이 때, 태양활동에 의한 지구 주변 우주환경의 변화는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 하나는 태양 플레어 (Flare)가 폭발했을 때 고에너지 복사(Radiation)로 인해 지구 고층대기가 가열되어 팽창하고 이런 결과로 고층대기에 있는 중성입자밀도가 급격히 증가하는 것이다. 다른 하나는 코로나 물질 방출(Coronal Mass Ejections) 등에 의해 발생한 지자기폭풍기간 동안 플라즈마 대류와 입자들의 하강으로 전기장이 강해져 상당량의 줄가열(Joule heating)과 하강입자가열(precipitating particle heating)이 발생하고 이로 인해 중성입자밀도가 증가하는 것이다. 두 가지 원인에 대한 영향을 구분하여 알아보기 위해, 우리는 태양 및 지자기 자료를 면밀히 분석하여 2001년에서 2002년 동안 5개의 기간을 선정하였다. 그 결과 위성의 대기저항가속도는 태양의 극자외선(Extreme Ultra-Violet)의 증가와 함께 약 하루 정도의 시간 지연을 가지고 유사하게 변화하고 있음을 확인하였다(R=0.92). 그리고 지자기폭풍이 발생한 기간동안 대기저항가속도는 지자기폭풍에 의한 Dst 변화와 상당히 유사하게 그리고 거의 동시에 급격히 변화하는 것을 확인하였다. 마지막으로 우리는 위성의 대기저항가속도의 변화는 전반적으로는 오랜 기간 동안 고에너지 복사에 의한 효과로 나타나고 있으나 짧은 기간(하루 미만) 동안 크게 발생하는 대기저항가속도의 변화는 지자기폭풍에 의한 효과로 보고 있다.
In this paper, we analyze the orbital variation of the Korea Multi-Purpose SATellite-1(KOMPSAT-1) in a strong space environment due to satellite drag by solar and geomagnetic activities. The satellite drag usually occurs slowly, but becomes serious satellite drag when the space environment suddenly ...
In this paper, we analyze the orbital variation of the Korea Multi-Purpose SATellite-1(KOMPSAT-1) in a strong space environment due to satellite drag by solar and geomagnetic activities. The satellite drag usually occurs slowly, but becomes serious satellite drag when the space environment suddenly changes via strong solar activity like a big flare eruption or coronal mass ejections(CMEs). Especially, KOMPSAT-1 as a low earth orbit satellite has a distinct increase of the drag acceleration by the variations of atmospheric friction. We consider factors of solar activity to have serious effects on the satellite drag from two points of view. One is an effect of high energy radiation when the flare occurs in the Sun. This radiation heats and expands the upper atmosphere of the Earth as the number of neutral particles is suddenly increased. The other is an effect of Joule and precipitating particle heating caused by current of plasma and precipitation of particles during geomagnetic storms by CMEs. It also affects the density of neutral particles by heating the upper atmo-sphere. We investigate the satellite drag acceleration associated with the two factors for five events selected based on solar and geomagnetic data from 2001 to 2002. The major results can be summarized as follows. First, the drag acceleration started to increase with solar EUV radiation with the best cross-correlation (r = 0.92) for 1 day delayed F10.7. Second, the drag acceleration and Dst index have similar patterns when the geomagnetic storm is dominant and the drag acceleration abruptly increases during the strong geomagnetic storm. Third, the background variation of the drag accelerations is governed by the solar radiation, while their short term (less than a day) variations is governed by geomagnetic storms.
In this paper, we analyze the orbital variation of the Korea Multi-Purpose SATellite-1(KOMPSAT-1) in a strong space environment due to satellite drag by solar and geomagnetic activities. The satellite drag usually occurs slowly, but becomes serious satellite drag when the space environment suddenly changes via strong solar activity like a big flare eruption or coronal mass ejections(CMEs). Especially, KOMPSAT-1 as a low earth orbit satellite has a distinct increase of the drag acceleration by the variations of atmospheric friction. We consider factors of solar activity to have serious effects on the satellite drag from two points of view. One is an effect of high energy radiation when the flare occurs in the Sun. This radiation heats and expands the upper atmosphere of the Earth as the number of neutral particles is suddenly increased. The other is an effect of Joule and precipitating particle heating caused by current of plasma and precipitation of particles during geomagnetic storms by CMEs. It also affects the density of neutral particles by heating the upper atmo-sphere. We investigate the satellite drag acceleration associated with the two factors for five events selected based on solar and geomagnetic data from 2001 to 2002. The major results can be summarized as follows. First, the drag acceleration started to increase with solar EUV radiation with the best cross-correlation (r = 0.92) for 1 day delayed F10.7. Second, the drag acceleration and Dst index have similar patterns when the geomagnetic storm is dominant and the drag acceleration abruptly increases during the strong geomagnetic storm. Third, the background variation of the drag accelerations is governed by the solar radiation, while their short term (less than a day) variations is governed by geomagnetic storms.
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문제 정의
3. 이 논문에서는 기간 A와 C에서 볼 수 있듯이, 복사에 의한 효과와 지자기폭풍에 의한 효과가동 시에 발생한 기간을 연구하였다. 연구 결과 위성의 대기저항가속도의 변화는 전반적으로는 오랜 기간 동안 복사의 의한 효과로 나타나고 있으나 짧은 기간(약 하루 동안) 크게 발생하는 대기저항 가속도의 변화는 우선적으로 지자기폭풍에 기인하는 것으로 추정된다.
이 논문에서 관심을 가지는 저궤도 위성의 실례로서 우리나라 최초의 실용위성인 아리랑 위성 1호를 대상으로 태양 및 지자기 활동의 영향을 분석하였다. 아리랑 1호는 임무 고도가 약 685㎞인 극궤도 상에서 운영되고 있으며, 항상 비슷한 조건의 영상 촬영을 위해 태양동기궤도를 유지하도록 되어있다.
이 논문에서는 복사에 의해 발생하는 태양의 EUV값의 변화를 살펴보기 위해 일반적으로 상호관계를 가지는 2.8㎓ 전파 플러스인 F10.7를 미국 국립 해양 대기청 NOAA 산하의 우주환경센터(Space Environment Center: SEC)'에서 제공하는 자료를 바탕으로 비교하였고, CME에 의해서 발생되는 지자기장의 변화 정도는 자기 폭풍시 발달하는 Ring current를 추정하기 위해 사용하는 매시간의 Dst 지수를 World Data Center for Geomagnetism?에서 제공하는 자료를 고려하여 비교하였다. 그리고 위성의 궤도결정을 1일 2회 즉, 12시간 데이터를 이용하여 추정된 대기저항가속도(drag acceleration)의 변화를 분석하였다.
지구 주변의 우주환경이 태양의 예기치 않은 활동에 의해 급격하게 변화하게 되면 운행 중인 위성체에도 영향을 미치게 된다. 이 논문에서는 위성에 미치는 우주환경의 여러가지 영향 중에서 위성의 궤도변화와 관련된 대기저항력(Drag force)에 의한 영향을 알아보기 위해 고층대기에 존재하는 중성 입자의 밀도변화에 대해서만 고려하기로 했다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 중성 입자밀도에 영향을 미치는 우주환경의 요인은 크게 두 가지로 나눌수 있다.
이 논문에서는 짧은 기간 동안의(10-12일) 아리랑 1호의 궤도변화를 우주환경과 연관하여 연구하였다. 이 연구에서는 5개의 사건을 선정하여 당시의 우주환경 변화와 위성의 궤도 변화를 연구하였지만, 향후에는 좀 더 장기간의 위성 자료와 그리고 다양한 우주환경의 변화를 선정하여 분석할 계획 이다.
이 논문에서는 태양 및 지자기 활동이 컸던 5개의 사건을 선정하여 그 기간 동안의 위성의 궤도변화를 살펴보았고 그 결과를 다음과 같이 정리하였다.
제안 방법
7를 미국 국립 해양 대기청 NOAA 산하의 우주환경센터(Space Environment Center: SEC)'에서 제공하는 자료를 바탕으로 비교하였고, CME에 의해서 발생되는 지자기장의 변화 정도는 자기 폭풍시 발달하는 Ring current를 추정하기 위해 사용하는 매시간의 Dst 지수를 World Data Center for Geomagnetism?에서 제공하는 자료를 고려하여 비교하였다. 그리고 위성의 궤도결정을 1일 2회 즉, 12시간 데이터를 이용하여 추정된 대기저항가속도(drag acceleration)의 변화를 분석하였다. 여기서 대기저항가속도의 단위는 m/day2이며, 1일 동안 대기저항력에 의해 유발되는 위성 진행방향 위치오차의 변화률을 의미한다.
그림 3. 기간 A동안에 발생한 Dst의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
그림 2. 기간 A동안에 발생한 F10.7의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
그림 5. 기간 B 동안에 발생한 Dst 의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
그림 4. 기간 B 동안에 발생한 F10.7 의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
그림 6. 기간 C동안에 발생한 F10.7의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
그림 9. 기간 D 동안에 발생한 Dst의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
그림 8. 기간 D동안에 발생한 F10.7의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
그림 12. 기간 E동안에 발생한 Dst의 변화와 대기저항저항가속도의 변화 비교.
그림 11. 기간 E동안에 발생한 F10.7의 변화와 대기 가속도의 변화 비교.
그림 3. 기간 A동안에 발생한 Dst의 변화와 대기저항 가속도의 변화 비교.
8㎓ 전파 플러스인 F10.7를 미국 국립 해양 대기청 NOAA 산하의 우주환경센터(Space Environment Center: SEC)'에서 제공하는 자료를 바탕으로 비교하였고, CME에 의해서 발생되는 지자기장의 변화 정도는 자기 폭풍시 발달하는 Ring current를 추정하기 위해 사용하는 매시간의 Dst 지수를 World Data Center for Geomagnetism?에서 제공하는 자료를 고려하여 비교하였다. 그리고 위성의 궤도결정을 1일 2회 즉, 12시간 데이터를 이용하여 추정된 대기저항가속도(drag acceleration)의 변화를 분석하였다.
위에서 선정한 기간 동안의 아리랑 1호의 대기저항가속도 데이터는 각각 하루 평균한 F10.7의 자료와 12시간 단위 로 평균한 Dst자료를 Y축으로, Day of Year(DOY)를 X축으로 두고 비교하였다. 이 때 Dst 지수는 대기저항가속도의 변화와 용이하게 비교하기 위해 (-)값을 취하였다.
하나는 태양 플레어가 폭발할 때 나오는 EUV 복사가 화학적 과정을 통해 고층대기의 밀도변화를 야기하는 것이고, 다른 하나는 지자기장의 변화로 주로 태양에서 CME가 터졌을 때 나오는 고에너지 입자들이 지구 자기장과 상호작용하여 전기장의 세기를 증가시켰을 때 발생하는 줄가열에 의해 고층대기의 밀도변화에 영향을 미치는 경우이다. 이 논문에서는 다양한 경우를 고려하기 위해 태양 복사가 우세한 기간, 그리고 지자기활동이 우세한 기간, 마지막으로 두 가지 영향이 모두 미치는 기간을 선정하였다. 선정한 5개의 기간 동안의 태양 및 지자기 활동 내용은 날짜 순으로 이름을 붙여 표 1에 정리하였다.
이론/모형
아리랑 1호는 임무 고도가 약 685㎞인 극궤도 상에서 운영되고 있으며, 항상 비슷한 조건의 영상 촬영을 위해 태양동기궤도를 유지하도록 되어있다. 아리랑 1 호의 궤도변화는 한국항공우주연구원 위성운영 센터에서 수행하는 궤도결정 결과를 이용하였다. 일상적으로는 하루에 한 번씩 위성으로부터 전송받은 약 24시간 동안의 GPS 데이터를 이용하여 궤도결정을 수행하고 있으며, 대기저항계수 추정을 고려할 경우 약 5m, 일반가속도추정까지 고려할 경우 최대 1.
성능/효과
1. 위성의 대기저항가속도는 태양의 극자외선의 증가와 함께 약 하루 정도의 시간 지연을 가지고 유사하게 변화하고 있음을 확인하였고(그림 8), 상관계수는 0.92였다. 이는 Jacchia et al.
2. 기간 D를 제외한 나머지 기간 중에 대기저항가속도는 지자기폭풍에 의한 Dst 변화와 상당히 유사하게 그리고 동시에 급격히 변화하는 것을 확인하였다. 이는 지자기폭풍이 컸던 기간 A, B, E 동안 Dst 변화와 대기저항가속도의 상관관계를 구해 각각 0.
앞서 말한 기간 C처럼 2002년 7월 20일에 태양의 동쪽 방향에서 발생한 X급 플레어는 기간 D 동안에 아무런 지자기 활동을 야기시키지 않아서 이 기간 동안의 Dst 변화는 거의 없었던 것으로 볼 수 있다(그림 9). 그림 8에서 F10.7과 대기저항가속도 사이에 상관관계가 있음을 인지하고 그 값을 구해본 결과(그림 10) 약 하루 정도의 지연 시간을 가지고 태양 복사가 영향을 미치고 있는 것을 확인하였다(r=0.92). 이는 태양 활동과 추론된 대기 밀도와는 최소 0.
Wang et aL(2002)에 따르면 대부분 지구에 영향을 미치는 CME는 태양의 중심에서 ±30도 내의 위치에서 발생하는 것들이다. 따라서 기간 C동안에 복사에 의한 효과는 있을 수 있지만, CME에 의해서 발생하는 지자기폭풍의 효과는 크지 않을 것으로 보았다. 그림 6에서 알 수 있듯이 이미 F10.
이 논문에서는 기간 A와 C에서 볼 수 있듯이, 복사에 의한 효과와 지자기폭풍에 의한 효과가동 시에 발생한 기간을 연구하였다. 연구 결과 위성의 대기저항가속도의 변화는 전반적으로는 오랜 기간 동안 복사의 의한 효과로 나타나고 있으나 짧은 기간(약 하루 동안) 크게 발생하는 대기저항 가속도의 변화는 우선적으로 지자기폭풍에 기인하는 것으로 추정된다.
7의 변화는 거의 없으며 247일에 약 1600m/day2까지 대기저항가속도가 증가한 이유는 Dst 지수변화로 충분히 설명할 수 있다(그림 12). 이는 기간 A 와 B에서처럼 급격히 증가하는 대기저항가속도는 지자기폭풍에 의해 발생하는 것으로 Dst와 동시에 유사한 모양으로 변하는 것을 확인하였다(R=0.69). 그림 5에서 대기저항가속도의 증가가 Dst 지수의 변화보다 앞서는 것처럼 보이는데 이는 그래프 작성 시 각각의 데이터를 12시간 평균값으로 사용했기 때문에 생기는 오차로 추정된다.
후속연구
이 연구에서는 5개의 사건을 선정하여 당시의 우주환경 변화와 위성의 궤도 변화를 연구하였지만, 향후에는 좀 더 장기간의 위성 자료와 그리고 다양한 우주환경의 변화를 선정하여 분석할 계획 이다. 결론적으로 이 연구를 통한 우주환경 변화와 위성궤도 변화 사이의 연과성은 안정된 위성 운용에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구에서는 5개의 사건을 선정하여 당시의 우주환경 변화와 위성의 궤도 변화를 연구하였지만, 향후에는 좀 더 장기간의 위성 자료와 그리고 다양한 우주환경의 변화를 선정하여 분석할 계획 이다. 결론적으로 이 연구를 통한 우주환경 변화와 위성궤도 변화 사이의 연과성은 안정된 위성 운용에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
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