[논문]비행고도 상에서의 우주방사선 관측 및 모델 비교

이원형; 김지영; 장근일

doi:10.12985/ksaa.2018.26.2.091

비행고도 상에서의 우주방사선 관측 및 모델 비교
Radiation Dose Measurement and Model Comparison at the Flight Level 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.26 no.2, 2018년, pp.91 - 97

이원형 (기상청 국가기상위성센터) , 김지영 (기상청 국가기상위성센터) , 장근일 (기상청 기상레이더센터)

Abstract ▼ AI-Helper

High-energy charged particles are comprised of galactic cosmic rays and solar energetic particles which are mainly originated from the supernova explosion, active galactic nuclei, and the Sun. These primary charged particles which have sufficient energy to penetrate the Earth's magnetic field collide with the Earth's upper atmosphere, that is $N_2$ and $O_2$, and create secondary particles and ionizing radiation. The ionizing radiation can be measured at commercial flight altitude. So it is recommended to manage radiation dose of aircrew as workers under radiation environment to protect their health and safety. However, it is hard to deploy radiation measurement instrument to commercial aircrafts and monitor radiation dose continuously. So the numerical model calculation is performed to assess radiation exposure at flight altitude. In this paper, we present comparison result between measurement data recorded on several flights and estimation data calculated using model and examine the characteristics of the radiation environment in the atmosphere.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구는 비행고도에서 측정한 방사선 피폭량 자료와 대기 중 방사선 피폭량 추정모델을 이용하여 실측과 모델결과를 비교했다. ARMAS 프로젝트로부터 비행고도에서의 방사선 실측자료 및 NAIRAS모델의 결과를 이용하고, CARI-7 및 KREAM모델의 결과는 동일 비행경로를 이용하여 산출했다.
본 연구에서 사용한 자료들은 ARMAS프로젝트를 통해 공개되는 파일로부터 비행경로 상에서의 방사선 측정량과 동일경로 상에서 NAIRAS모델이 추정한 방사선 추정량이다. 또한 CARI-7모델과 KREAM모델을 이용해 동일한 비행경로 상에서의 방사선 추정량을 산출하여 비교하였다.
GCR과 SEP를 모두 고려하는 물리기반 모델이며, 입자수송모델로서 GEANT4와 대기모델로서 NRLMSIS00을 사용한다. 미국해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration)로부터의 태양흑점 수 및 GOES위성에서의 양성자 플럭스를 이용하여 전지구 상에서의 방사선 피폭률을 산출한다. KREAM모델 방사선 추정결과는 ARMAS 프로젝트에서 제공하는 비행경로를 이용하여 계산하였다.
방사선 추정모델인 NAIRAS, CARI-7, KREAM도 ARMAS 프로젝트에서 제공하는 자료와 같이 동일 비행경로에서의 방사선 피폭률을 계산하기 때문에 누적방사선량을 산출하기 위해 시간당 방사선 피폭량을 분당 방사선 피폭량으로 변환 후 누적방사선량을 산출했다.
실측과 모델로부터의 누적방사선량은 그 차이와 실측 대비 모델의 편차율을 비교하였다 (Table 1). 방사선 피폭률에 대한 분석은 시간, 고도, 지자기위도에 따른 방사선 피폭률의 변화에 대해 진행 하였다.
본 연구는 ARMAS프로젝트를 통한 비행고도상에서의 방사선 실측자료와 모델 추정결과를 몇 가지 사례연구를 중심으로 비교하였다.
0과 대기모델로서 US표준대기를 사용한다. 본 연구는 FAA로부터 제공된 CARI-7모델의 실행파일을 이용하여 ARMAS프로젝트에서 제공하는 비행경로에서의 방사선량을 계산하였다.
본 연구는 비행고도에서 측정한 방사선 피폭량 자료와 대기 중 방사선 피폭량 추정모델을 이용하여 실측과 모델결과를 비교했다. ARMAS 프로젝트로부터 비행고도에서의 방사선 실측자료 및 NAIRAS모델의 결과를 이용하고, CARI-7 및 KREAM모델의 결과는 동일 비행경로를 이용하여 산출했다.
선택한 항로의 방사선량 분석은 누적방사선량 및 방사선 피폭률에 대해 진행했다. 누적방사선량은 비행시간 동안 방사선 피폭률의 누적된 결과로서 연간 방사선 선량한도에 대한 비교가 가능하다.
방사선 추정모델인 NAIRAS, CARI-7, KREAM도 ARMAS 프로젝트에서 제공하는 자료와 같이 동일 비행경로에서의 방사선 피폭률을 계산하기 때문에 누적방사선량을 산출하기 위해 시간당 방사선 피폭량을 분당 방사선 피폭량으로 변환 후 누적방사선량을 산출했다. 실측과 모델로부터의 누적방사선량은 그 차이와 실측 대비 모델의 편차율을 비교하였다 (Table 1). 방사선 피폭률에 대한 분석은 시간, 고도, 지자기위도에 따른 방사선 피폭률의 변화에 대해 진행 하였다.
이 프로젝트를 위해 Flight Module (FM) 방사선 관측장비 제작 및 항공기 탑재가 이루어졌다. FM은 항공기에서 실시간 방사선 측정을 하는 부분과 측정자료를 지상으로 전송하는 부분으로 구성된다.

대상 데이터

, 2014). GCR과 SEP를 모두 고려하는 물리기반 모델이며, 입자수송모델로서 GEANT4와 대기모델로서 NRLMSIS00을 사용한다. 미국해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration)로부터의 태양흑점 수 및 GOES위성에서의 양성자 플럭스를 이용하여 전지구 상에서의 방사선 피폭률을 산출한다.
미연방항공청(Federal Aviation Administration, 이하 FAA)의 민간항공우주의학연구소(Civil Aerospace Medical Institute)에서 개발한 CARI-7 모델은 고도 100km까지의 대기 중 방사선량을 비행경로 또는 특정위치에 대해 계산하는 모델이다(Copeland, 2017). GCR을 기본으로 고려하며, 입자 수송모델로서 MCNPX 2.7.0과 대기모델로서 US표준대기를 사용한다. 본 연구는 FAA로부터 제공된 CARI-7모델의 실행파일을 이용하여 ARMAS프로젝트에서 제공하는 비행경로에서의 방사선량을 계산하였다.
방사선 측정 부분은 Teledyne 마이크로 방사선 측정기, GPS장치, 그리고 통신박스로 구성되어 있으며 Teledyne 마이크로 방사선 측정기는 무게 20gram, 가로 3.56cm, 세로 2.54cm, 높이 0.10cm의 초소형 방사선 측정기로 측정범위는 14 μrads부터 40 krads까지다(Fig 2.).
본 연구는 한국과 미국을 오가는 비행항로 4편을 선정하고 이들 항로에서의 방사선량에 대한 분석을 진행했다(Fig. 3). 항로는 인천-로스앤젤레스, 시애틀-인천, 오산-앵커리지, 그리고 시애틀-인천을 이동하는 경로이며 이들 중 2편은 서로 다른 날짜에 시애틀에서 인천으로 향하는 비행편이다.
본 연구에서 사용한 자료들은 ARMAS프로젝트를 통해 공개되는 파일로부터 비행경로 상에서의 방사선 측정량과 동일경로 상에서 NAIRAS모델이 추정한 방사선 추정량이다. 또한 CARI-7모델과 KREAM모델을 이용해 동일한 비행경로 상에서의 방사선 추정량을 산출하여 비교하였다.

데이터처리

미국해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration)로부터의 태양흑점 수 및 GOES위성에서의 양성자 플럭스를 이용하여 전지구 상에서의 방사선 피폭률을 산출한다. KREAM모델 방사선 추정결과는 ARMAS 프로젝트에서 제공하는 비행경로를 이용하여 계산하였다.

이론/모형

, 2013). GCR과 SEP를 모두 고려하는 모델이며, 입자수송모델로서 HZETRN과 대기모델로서 NRLMSIS00을 사용한다. 본 연구에서 ARMAS 프로젝트에서 배포하는 파일에서의 NAIRAS모델 추정결과를 사용하였다.
GCR과 SEP를 모두 고려하는 모델이며, 입자수송모델로서 HZETRN과 대기모델로서 NRLMSIS00을 사용한다. 본 연구에서 ARMAS 프로젝트에서 배포하는 파일에서의 NAIRAS모델 추정결과를 사용하였다.

성능/효과

4개 항로들의 누적유효방사선량은 항로 a, b, c, d에서 각각 60.16μSv, 80.47μSv, 43.35μSv, 68.23μSv이며 항로 b에서 가장 높고, 항로 c에서 가장 낮았다.
KREAM모델은 CARI-7모델과 같이 모든 경우에서 실측 대비 과소추정하는 경향을 보였으며, 실측 대비 편차율의 범위는 -18.48~-35.85%를 나타냈다. 앞선 두 모델들과 같이 KREAM모델의 추정결과 중 오차가 가장 작았던 항로는 실측값과의 차이가 –12.
그 결과 항로의 누적방사선량은 비행고도 및 지자기위도에 따라 크게 변하였으며(Fig. 4, 5), 실측치와 근접한 추정치를 보이는 모델의 순서는 NAIRAS, KREAM, CARI-7순서로 나타남을 확인했다(Table 1).
NAIRAS, CARI-7, 그리고 KREAM모델들 중 실측값과 가장 차이가 적었던 모델은 NAIRAS 모델이었으며, 그 뒤로 KREAM, CARI-7 순서이다. 세 가지 모델들의 공통적인 현상으로는 항로 d에서 실측값과 가장 잘 일치하는 현상을 보이고 항로 a에서 실측값과의 차이가 가장 큰 것으로 나타난다.

후속연구

특히 임신한 여성승무원의 경우 임신사실이 확인된 날부터 출산 시까지 2mSv 이내로 관리되도록 하고 있다. 따라서 본 연구에서 수행하고자 하는 승무원의 방사선 피폭에 대한 실측과 모델 간 비교연구는 항공운항 측면에서도 우주방사선이 승무원의 건강에 미치는 영향과 관련된 연구에 기여할 수 있을 것으로 생각한다.
추후 본 연구는 다수의 사례들에 대하여 비행고도, 지자기위도 등 여러 요소들에 따른 방사선 피폭량 변화 연구를 수행할 예정이며, 이러한 연구는 대기 중 방사선 피폭량 연구 및 추정 모델 개선에 도움을 줄 것이다. 또한, 항공운항 측면에서도 우주방사선에 의한 승무원의 방사선 피폭량이 그들의 건강에 미치는 영향을 이해하는데 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
추후 본 연구는 다수의 사례들에 대하여 비행고도, 지자기위도 등 여러 요소들에 따른 방사선 피폭량 변화 연구를 수행할 예정이며, 이러한 연구는 대기 중 방사선 피폭량 연구 및 추정 모델 개선에 도움을 줄 것이다. 또한, 항공운항 측면에서도 우주방사선에 의한 승무원의 방사선 피폭량이 그들의 건강에 미치는 영향을 이해하는데 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양계 밖에서 하전입자들은 어떻게 생성되는가?	지구로 유입되는 고에너지 하전입자들의 기원은 크게 태양계 밖과 태양계 내부로 나누어진다. 태양계 밖에서는 초신성 폭발현상이나, 활동은하핵 등으로부터 1~20GeV 에너지 범위를 갖는 고에너지 하전입자들이 생성되며, 이들 입자들을 은하우주선(Galactic Cosmic Rays, 이하 GCR)이라고 부른다(Chronis, 2009). 태양계 내부에서는 플레어와 같은 태양의 급격한 변화로 인해 수 keV ~ 수 GeV에너지 범위를 갖는 입자들이 생성되며, 이 입자들을 태양 고에너지 입자 (Solar Energetic Particles, 이하 SEP)라고 부른다.
	임계세기(Cutoff rigidity) 란?	GCR과 SEP는 하전입자이므로 지구로 유입할 때 지구자기장과 상호작용을 한다. 이로 인해 지자기위도에 따라 대기로 진입가능한 입자의 최소에너지 세기가 달라지며, 입자가 대기로 진입하기 위해 지구자기장을 통과할 수 있는 최소 에너지 세기를 임계세기(Cutoff rigidity)라 한다. 일반적으로 임계세기는 지자기위도가 낮을수록 크게 나타나며 임계세기보다 약한 에너지를 갖는 하전입자들은 지구자기장을 따라 극지역으로 유입된다.
	지자기위도에 따라 대기로 진입가능한 입자의 최소에너지 세기가 달라지는 이유는?	GCR과 SEP는 하전입자이므로 지구로 유입할 때 지구자기장과 상호작용을 한다. 이로 인해 지자기위도에 따라 대기로 진입가능한 입자의 최소에너지 세기가 달라지며, 입자가 대기로 진입하기 위해 지구자기장을 통과할 수 있는 최소 에너지 세기를 임계세기(Cutoff rigidity)라 한다.

참고문헌 (11)

Chronis, T. G., "Investigating possible links between incoming cosmic ray fluxes and lightning activity over the United States", Journal of Climate, 22(21), American Meteorological Society, 2009, 5748-5754

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Tobiska, W. K., et al., "Global real-time dose measurements using the Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety (ARMAS) system", Space Weather, 14, American Geophysical Union, 2016, 1053-1080.

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Regener, E. & Pfotzer, G., "Vertical Intensity of Cosmic Rays by Threefold Coincidences in the Stratosphere", Nature, 136(3444), 1935, 718

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Calson, P. & Watson, A. A., "Erich Regener and the ionisation maximum of the atmosphere", History of Geo- and Space Sciences, 5(2), Copernicus, 2014, 175

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ICRP, "The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection", ICRP, 2007
Mertens, C. J. et al., "Overview of the Radiation Dosimeter Experiment (RaD-X) flight mission", Space Weather, (14), American Geophysical Union, 2016, 921-934
Mertens, C. J. et al., "NAIRAS aircraft radiatio model development, dose climatology, and initial validation", Space Weather, 11, American Geophysical Union, 2013, 603-635

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Copeland, K., "CARI-7A: DEVELOPMENT AND VALIDATION", Radiation Protection Dosimetry, 175(4), Oxford University Press, 2017, 419-431
Latocha, "AVIDOS-A SOFTWARE PACKAGE FOR EUROPEAN ACCREDITED AVIATION DOSIMETRY", Radiation Protection Dosimetry, 136(4), Oxford University Press, 2009, 286-290

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Kataoka, "Radiation dose forecast of WASAVIES during ground-level enhancement", Space Weather, 12, American Geophysical Union, 2014, 380-386

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Hwang, J. et al., "Korean Radiation Exposure Assessment Model for aviation route dose: KREAM", KSS Fall meeting, Korea Space Science Society, Jeju, 2014

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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