[보고서]오로라 발생과 극지 고층대기 교란 및 기후 변동성과의 상관 관계 규명

지건화

오로라 발생과 극지 고층대기 교란 및 기후 변동성과의 상관 관계 규명
Occurrence of aurora and their correlations with polar upper atmospheric and climate variabilities 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국해양연구원 부설 극지연구소
연구책임자	지건화
참여연구자	김정한 , 이창섭 , 권혁진 , 김지은 , 이지희 , 김은솔 , 함영배 , 조유진 , 최윤승 , 황희진 , 홍상범 , 남승일 , 이방용 , 최태진 , 김성중 , 윤영준 , 박기태 , 박지연 , 김관혁 , 김용하 , 송인선
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2023-02
과제시작연도	2022
주관부처	해양수산부 Ministry of Oceans and Fisheries
등록번호	TRKO202300014473
과제고유번호	1525013568
사업명	극지연구소운영지원(주요사업비)
DB 구축일자	2023-09-19
키워드	오로라.극지고층대기.자기권.대기 중력파.우주기상.기후변동성.Aurora.Polar upper atmosphere.Magnetosphere.Atmospheric gravity wave.Space weather.Climate variability.

초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
○ 오로라 연구 및 내륙 무인관측시스템 구축
· 남극 장보고기지 오로라 이미지 관측자료 분석을 통한 오로라 발생의 시공간적 분포도 작성 및 분포 특성 연구:
· 극관-오로라대 경계 연구
· 오로라 발생과 전리권-열권 변화, 자기권-전리권 상호작용의 상관관계
· 장보고기지-내륙기기 간 우주환경 관측 시스템 구축을 위한 시험 운영
· 북극 스발바드 및 남극 장보고기지 필터 오로라 카메라 개발 및 시험 관측

○ 오로라 발생에 동반되는 극지 고층대기 전리권-열권 변동성 이해
· 남극 장보고기지와 북극 스발바드 전리권 전자밀도 분포특성의 비대칭성 연구
· 남극 장보고기지 상공 전리권 전자밀도 불균일성과 오로라 발생의 상관관계 연구
· 이온-중성입자 상호작용에 의한 극지 전리권-열권 변동성의 상관관계 연구
· 오로라에 의한 극지 고층대기 변동성과 서브 오로라대 고층대기에 미치는 영향
· 북극 열권 바람 관측용 페브리-페로 간섭계 관측자료 분석 소프트웨어 개발

○ 극지 고층·저층대기 화학적 변화의 수송 이해 및 수치모델 모의실험 체계 구축
· 오로라 입자에 의한 극지 열권-중간권-성층권의 화학적 변화와 화학 물질의 자오면 수송 모의를 위한 이온화 및 대기 중력파 모수화 개선 및 수치모델 모의실험
· 고에너지 입자에 의한 극지 대기의 화학적 변화 수치모델 연구
· 남극 세종기지 유성레이더 관측자료 장기 분석을 통한 중간권 권계면 바람 특성 연구
· 남극 세종기지 중간권 관측자료 분석을 통해 대기 중력파 활동도 연구
· 남극 세종기지 중간권-열권 하부 바람 관측을 위한 광학-레이더 관측 비교 연구
· 남극 세종기지 2차원 중간권 온도 관측기 설치

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

IV. R&D Results
○ Characteristics of the temporal and spatial distributions of aurora in the upper atmosphere in the polar region
· Investigation of the characteristics of the temporal and spatial distributions of aurora observed in the northern and southern polar regions
· Expansion of the

IV. R&D Results
○ Characteristics of the temporal and spatial distributions of aurora in the upper atmosphere in the polar region
· Investigation of the characteristics of the temporal and spatial distributions of aurora observed in the northern and southern polar regions
· Expansion of the auroral observations to the polar cap near the magnetic pole along the K-route

○ Understanding of the variabilities of the magnetosphere and the polar upper atmosphere including the ionosphere, the thermosphere, and the mesosphere associated with the occurrence of aurora
· Correlation between the aurora and the upper atmospheric variabilities observed in the polar region
· Correlation between the aurora and the magnetosphere-ionosphere coupling in the polar region

○ Understanding of the chemical and dynamical changes in the polar upper and lower atmospheres induced by auroral particles
· Transport processes of the chemical and dynamical changes in the polar upper and lower atmospheres induced by auroral particles
· Numerical modeling study on the thermodynamic and chemical changes of the polar thermosphere, mesosphere, and stratosphere by auroral particles and their transports in the latitude-height cross-section

(source : SUMMARY 6p)

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 2
보고서 초록 ... 3
요 약 문 ... 4
SUMMARY ... 6
CONTENTS ... 8
목차 ... 10
제 1 장 서론 ... 12
1. 연구개발의 목적 ... 12
2. 연구개발 배경 및 필요성 ... 12
제 2 장 국내․외 연구개발 현황 ... 15
1. 국내수준 ... 15
2. 국외수준 ... 15
3. 국내외 주요연구기관 현황 ... 16
제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 17
1. 극지연구소 우주환경 및 극지 고층대기 연구 현황 ... 17
2. 극지연구소 남북극 극지 인프라 현황 ... 18
3. 남극 장보고과학기지 상공 고층대기 오로라 발생의 시공간적 분포 이해 ... 29
4. 오로라 발생과 극지 고층대기 전리권-열권-중간권 변동성 이해 ... 34
5. 극지 고층대기 화학적 변화의 물질 수송 이해 및 수치모델 연구 ... 44
6. 극지고층대기 및 우주환경 관측인프라 구축 ... 52
제 4 장 연구개발결과의 활용계획 ... 56
1. 기대효과 ... 56
2. 연구결과 활용계획 ... 56
제 5 장 참고문헌 ... 57
부록 1 KPDC 등록 이행실적 ... 64
부록 2 데이터 관리 계획서 ... 65
끝페이지 ... 78

표/그림 (50)

표 우주환경에서 극지 고층대기-저층대기로의 에너지 흐름과 그에 따른 극지 고층대기 및 저층대기에서의 역학적, 화학적 변동성 연구 개요

표 Various forms of solar energy enter into the Earth’s upper atmosphere along the geomagnetic field lines in the polar region

표 Ground-based observations for the upper atmosphere and space environment performed in the polar region in Korea Polar Research Institute (KOPRI)

표 King Sejong Station was established in 1988 at the tip of the Antarctic peninsula (62˚ 13' S, 58˚ 47' W)

표 Spectral Airglow Temperature Imager (SATI) at KSS. It measures airglow emissions occuring at the upper atmosphere to observe the temperature in the region

표 All Sky Camera(ASC) at King Sejong Station, Antarctica. It measures airglow emissions to observe the gravity waves in the upper atmosphere

표 A new optical observatory was installed at KSS in 2017 with all sky camera and Fabry-Perot interferometer (FPI)

표 All sky cameras to observe airglow emissions (top) and proton aurora (bottom) at Jang Bogo Station, Antarctica. The proton auroral ASC is also operated in Svalbard, Norway

표 Fabry-Perot Interferometer installed at Jang Bogo Station, Antarctica in March 2014 to observe the neutral winds and temperature in the polar upper atmosphere

표 Vertical Incidence Pulsed Ionospheric Radar (VIPIR) installed at Jang Bogo Station, Antarctic in Feb. 2015 to monitor the polar ionosphere

표 Search Coil Magnetometer installed at Jang Bogo Station, Antarctica in Feb. 2016 to observe the Earth’s magnetic field in the polar region

표 Neutron monitor has been installed at Jang Bogo Station, Antarctica in the 2015-2016 summer season and it will be completed in the 2017-2018 summer season

표 Dasan Station (78˚ 55' N, 11˚ 56' E) and Kiruna, Sweden (67˚ 51' N, 20˚ 13' E) are located in the polar cap and auroral regions, respectively

표 Fabry-Perot Interferometer (FPI) installed at Dasan Station, Svalbard, Norway in Oct. 2015 for the simultaneous observations for the neutral winds and ion drift in the polar cap region

표 Fabry-Perot Interferometer (FPI) installed at Esrange, Kiruna, Sweden in Oct. 2016 for the simultaneous observations for the neutral winds and ion drift in the auroral region

표 All Sky Camera installed at KHO, Svalbard, Norway to observe aurora with 630.0nm, 557.7nm, 427.8nm filters near the polar cap/cusp region

표 EISCAT radar for the observation of the polar ionosphere. The current radar (left) will be replaced with the next generation EISCAT-3D radar system (right)

표 2018년 오로라 전천카메라 관측의 월별 시간적 분포

표 (왼쪽) 장보고기지 무인 우주환경 관측소 초기 모델 설치로 Iridium을 활용한 장비 상태 감시와 지상 연구 장비의 안정적인 전원 공급 성능 시험 수행. (오른쪽) 지상에서의 지구 자기장 세기 측정을 위해 설치한 fluxgate 자력계

표 양성자 오로라의 이미지를 각도에 대한 파장의 이미지로 재조합 (왼쪽), 오로라가 나타난 영역만을 추출하여 프로파일 평균값을 나타냄(오른쪽). Red 혹은 Blue shifted 된 프로파일을 기대하였으나 656.3 nm 기준 짧은 파장쪽으로 Shift 된 프로파일은 가우시안의 형태를 보이며, 양성자 오로라의 프로파일로 확인하기 위한 검증 작업 필요

표 2020년 장보고과학기지 오로라 발생 분포도

표 2018-2021(top-to-bottom) 오로라 발생의 시공간적 분포. 이 분포도는 장보고기지의 위치가 약 23LT(02MLT)부터 오로라대에 접근하기 시작하여 04LT(08MLT)에 오로라대에 들어왔다가 다시 극관지역으로 멀어진다는 것을 보여줌

표 장보고과학기지에 설치해 운영중인 소형 오로라 카메라 (왼쪽). 2021-2022 하계 기간 빙저호 캠프에 설치한 무인 우주환경 관측 시스템 상 소형 오로라 카메라 (오른쪽)

표 중위도(MH), 오로라대(EISCAT), 극관(ESR)지역에서의 전리권 전자 고도 분포 특성. 태양활동, 지자기 활동, 계절, 시간에 따른 분포 특성을 보여주고 있음 (Kim et al., 2020)

표 2017-2018 기간 동안 장보고기지 상공 전리권에서의 신틸레이션 발생율

표 장보고기지 전리권 레이더(JVD) 관측과 GPS TEC 관측 자료 비교

표 남반구 동지 (June Solstice) 기준 60일 평균 세종기지 유성레이더와 FPI 동-서(a), 남-북(c) 방향 바람의 시간에 따른 변화 비교. 고도에 따른 동-서(b), 남-북(d) 바람세기 변화

표 전리권 관측과 TIEGCM 수치모델 결과에서 나타난 극지 전리권 전자밀도의 계절적 변화. 관측과 수치모델 결과가 서로 반대의 결과를 보임

표 오로라가 발생하는 16-18UT에 전리권 전자밀도 증가 현상 발견

표 북극 EISCAT 스발바드 레이더(ESR)와 남극 장보고기지 전리권 레이더(JVD)에 관측된 전리권 전자밀도의 시간-고도 분포. TIEGCM 수치모델 결과와도 함께 비교

표 남극 장보고기지 전리권 레이더로 관측된 전리권 이온 바람 (빨간색 화살표) 및 패브리-페로 간섭계로 관측된 열권 중성 바람 (파란색 화살표)의 태양풍 자기장 Y 성분이 +인 경우 (위) 및 -인 경우 (아래)에 대한 분류 결과

표 오로라 발생 시 지자기 활동지수와 열권 바람의 주기적 변동성

표 지자기 위도와 지자기 지방시에 대해 벡터로 표현한 TIEGCM 모델과 Resolute, 키루나 FPI로 관측된 열권 바람 (왼쪽). 키루나 FPI로 관측된 지자기 활동이 없는 시기의 열권 바람의 지자기 지방시에 따른 변화 (오른쪽)

표 MTM에서 관측된 P1(2), P1(4) intensity(좌측)와 산출된 온도(우측)

표 2007~2021 기간 동안 동서 방향 (zonal)의 일평균 (a), 월평균 (b), 월평균 바람의 15년 climatology (c) 및 표준 편차 (d)

표 2005-2013년 전체 기간 동안 MEE 전자에 의한 오존 변화와 온도 변화. 중간권 상부에서는 온도가 감소하는 경향을 보이고 중간권 하부에서는 증가하는 경향을 보인다

표 (위) 2019년 9월 남반구 성층권 돌연 승온이 일어날 시점에서 남반구에서 준6일 주기의 행성파의 전파 방향 (벡터), 행성파 운동량 강제력 (color shading) 및 경압 불안정 지역 (dark shading) (아래) 준 6일 주기 행성파 전파를 나타내는 Eliassen-Palm 플럭스의 (좌) 남북 성분 및 (우) 연직 성분 (Lee et al. 2020, 2020 가을 우주과학회 발표)

표 2009년 1월 11일부터 19일까지 5 hPa 부근에서 (상) 4차원 및 (하) 2차원 전파에 대한 산악 중력파 운동량 속의 수평 분포 [Fig. 13 from Song et al. (2020)]

표 (a) 산악, (b) 전선, (c.) 대류, (d) 대류권 제트 불균형 및 (e) 성층권 제트 불균형에 의해서 만들어진 것으로 판단되는 관성 중력파의 레이 역추적 경로 [Yoo et al. (2020)의 Fig. 9에서 발췌]

표 유성레이다에서 추정된 수평 바람 분산의 시간-고도 단면도

표 유성에코를 1-day, daytime, nighttime 세 그룹으로 나눈 후, 각 그룹에 대해 가우시안 피팅을 적용하여 FWHM 결정

표 각 그룹별 유성에코로부터 결정된 온도

표 왼쪽부터 Back ground 파장 (1521.0nm) 필터 이미지, OH (3-1) P1(2) 파장 (1523.7nm) 필터 이미지, OH (3-1) P1(4) 필터 이미지, 세 개의 이미지로부터 각 픽셀 FOV에 해당하는 온도 계산 하여 Mapping한 이미지. Back ground에 잡광에 의한 간섭이 없을 때, 선명한 온도 map을 얻을 수 있음

표 OH 대기광 발생 고도에서의 온도 측정가능한 영역 (왼쪽), 관측 시간별 전체 영역의 시간에 따른평균 온도 변화와 Zenith 방향의 온도변화 비교

표 2018년의 오로라와 마찬가지로 저 에너지 및 중간 에너지 대역의 입자가 동시에 증가하였고, 동시간에 극지방의 낮은 열권 부근에서 NOx의 증가를 볼 수 있다. 그러나 고층대기에서 오존의 감소가 두드러져 보이지 않는다. 이는 각 고도별 오존의 화학변화 특징이 다르기 때문이다

표 Ground observation system for the upper atmopshere in the Arctic

표 Ground observation system for the upper atmopshere in Antarctica

표 Near-realtime space environment monitoring system (1)

표 Near-realtime space environment monitoring system (2)

표 Near-realtime space environment monitoring system (3)

표/그림 (50)

표 우주환경에서 극지 고층대기-저층대기로의 에너지 흐름과 그에 따른 극지 고층대기 및 저층대기에서의 역학적, 화학적 변동성 연구 개요

표 Various forms of solar energy enter into the Earth’s upper atmosphere along the geomagnetic field lines in the polar region

표 Ground-based observations for the upper atmosphere and space environment performed in the polar region in Korea Polar Research Institute (KOPRI)

표 King Sejong Station was established in 1988 at the tip of the Antarctic peninsula (62˚ 13' S, 58˚ 47' W)

표 Spectral Airglow Temperature Imager (SATI) at KSS. It measures airglow emissions occuring at the upper atmosphere to observe the temperature in the region

표 All Sky Camera(ASC) at King Sejong Station, Antarctica. It measures airglow emissions to observe the gravity waves in the upper atmosphere

표 A new optical observatory was installed at KSS in 2017 with all sky camera and Fabry-Perot interferometer (FPI)

표 All sky cameras to observe airglow emissions (top) and proton aurora (bottom) at Jang Bogo Station, Antarctica. The proton auroral ASC is also operated in Svalbard, Norway

표 Fabry-Perot Interferometer installed at Jang Bogo Station, Antarctica in March 2014 to observe the neutral winds and temperature in the polar upper atmosphere

표 Vertical Incidence Pulsed Ionospheric Radar (VIPIR) installed at Jang Bogo Station, Antarctic in Feb. 2015 to monitor the polar ionosphere

표 Search Coil Magnetometer installed at Jang Bogo Station, Antarctica in Feb. 2016 to observe the Earth’s magnetic field in the polar region

표 Neutron monitor has been installed at Jang Bogo Station, Antarctica in the 2015-2016 summer season and it will be completed in the 2017-2018 summer season

표 Dasan Station (78˚ 55' N, 11˚ 56' E) and Kiruna, Sweden (67˚ 51' N, 20˚ 13' E) are located in the polar cap and auroral regions, respectively

표 Fabry-Perot Interferometer (FPI) installed at Dasan Station, Svalbard, Norway in Oct. 2015 for the simultaneous observations for the neutral winds and ion drift in the polar cap region

표 Fabry-Perot Interferometer (FPI) installed at Esrange, Kiruna, Sweden in Oct. 2016 for the simultaneous observations for the neutral winds and ion drift in the auroral region

표 All Sky Camera installed at KHO, Svalbard, Norway to observe aurora with 630.0nm, 557.7nm, 427.8nm filters near the polar cap/cusp region

표 EISCAT radar for the observation of the polar ionosphere. The current radar (left) will be replaced with the next generation EISCAT-3D radar system (right)

표 2018년 오로라 전천카메라 관측의 월별 시간적 분포

표 (왼쪽) 장보고기지 무인 우주환경 관측소 초기 모델 설치로 Iridium을 활용한 장비 상태 감시와 지상 연구 장비의 안정적인 전원 공급 성능 시험 수행. (오른쪽) 지상에서의 지구 자기장 세기 측정을 위해 설치한 fluxgate 자력계

표 양성자 오로라의 이미지를 각도에 대한 파장의 이미지로 재조합 (왼쪽), 오로라가 나타난 영역만을 추출하여 프로파일 평균값을 나타냄(오른쪽). Red 혹은 Blue shifted 된 프로파일을 기대하였으나 656.3 nm 기준 짧은 파장쪽으로 Shift 된 프로파일은 가우시안의 형태를 보이며, 양성자 오로라의 프로파일로 확인하기 위한 검증 작업 필요

표 2020년 장보고과학기지 오로라 발생 분포도

표 2018-2021(top-to-bottom) 오로라 발생의 시공간적 분포. 이 분포도는 장보고기지의 위치가 약 23LT(02MLT)부터 오로라대에 접근하기 시작하여 04LT(08MLT)에 오로라대에 들어왔다가 다시 극관지역으로 멀어진다는 것을 보여줌

표 장보고과학기지에 설치해 운영중인 소형 오로라 카메라 (왼쪽). 2021-2022 하계 기간 빙저호 캠프에 설치한 무인 우주환경 관측 시스템 상 소형 오로라 카메라 (오른쪽)

표 중위도(MH), 오로라대(EISCAT), 극관(ESR)지역에서의 전리권 전자 고도 분포 특성. 태양활동, 지자기 활동, 계절, 시간에 따른 분포 특성을 보여주고 있음 (Kim et al., 2020)

표 2017-2018 기간 동안 장보고기지 상공 전리권에서의 신틸레이션 발생율

표 장보고기지 전리권 레이더(JVD) 관측과 GPS TEC 관측 자료 비교

표 남반구 동지 (June Solstice) 기준 60일 평균 세종기지 유성레이더와 FPI 동-서(a), 남-북(c) 방향 바람의 시간에 따른 변화 비교. 고도에 따른 동-서(b), 남-북(d) 바람세기 변화

표 전리권 관측과 TIEGCM 수치모델 결과에서 나타난 극지 전리권 전자밀도의 계절적 변화. 관측과 수치모델 결과가 서로 반대의 결과를 보임

표 오로라가 발생하는 16-18UT에 전리권 전자밀도 증가 현상 발견

표 북극 EISCAT 스발바드 레이더(ESR)와 남극 장보고기지 전리권 레이더(JVD)에 관측된 전리권 전자밀도의 시간-고도 분포. TIEGCM 수치모델 결과와도 함께 비교

표 남극 장보고기지 전리권 레이더로 관측된 전리권 이온 바람 (빨간색 화살표) 및 패브리-페로 간섭계로 관측된 열권 중성 바람 (파란색 화살표)의 태양풍 자기장 Y 성분이 +인 경우 (위) 및 -인 경우 (아래)에 대한 분류 결과

표 오로라 발생 시 지자기 활동지수와 열권 바람의 주기적 변동성

표 지자기 위도와 지자기 지방시에 대해 벡터로 표현한 TIEGCM 모델과 Resolute, 키루나 FPI로 관측된 열권 바람 (왼쪽). 키루나 FPI로 관측된 지자기 활동이 없는 시기의 열권 바람의 지자기 지방시에 따른 변화 (오른쪽)

표 MTM에서 관측된 P1(2), P1(4) intensity(좌측)와 산출된 온도(우측)

표 2007~2021 기간 동안 동서 방향 (zonal)의 일평균 (a), 월평균 (b), 월평균 바람의 15년 climatology (c) 및 표준 편차 (d)

표 2005-2013년 전체 기간 동안 MEE 전자에 의한 오존 변화와 온도 변화. 중간권 상부에서는 온도가 감소하는 경향을 보이고 중간권 하부에서는 증가하는 경향을 보인다

표 (위) 2019년 9월 남반구 성층권 돌연 승온이 일어날 시점에서 남반구에서 준6일 주기의 행성파의 전파 방향 (벡터), 행성파 운동량 강제력 (color shading) 및 경압 불안정 지역 (dark shading) (아래) 준 6일 주기 행성파 전파를 나타내는 Eliassen-Palm 플럭스의 (좌) 남북 성분 및 (우) 연직 성분 (Lee et al. 2020, 2020 가을 우주과학회 발표)

표 2009년 1월 11일부터 19일까지 5 hPa 부근에서 (상) 4차원 및 (하) 2차원 전파에 대한 산악 중력파 운동량 속의 수평 분포 [Fig. 13 from Song et al. (2020)]

표 (a) 산악, (b) 전선, (c.) 대류, (d) 대류권 제트 불균형 및 (e) 성층권 제트 불균형에 의해서 만들어진 것으로 판단되는 관성 중력파의 레이 역추적 경로 [Yoo et al. (2020)의 Fig. 9에서 발췌]

표 유성레이다에서 추정된 수평 바람 분산의 시간-고도 단면도

표 유성에코를 1-day, daytime, nighttime 세 그룹으로 나눈 후, 각 그룹에 대해 가우시안 피팅을 적용하여 FWHM 결정

표 각 그룹별 유성에코로부터 결정된 온도

표 왼쪽부터 Back ground 파장 (1521.0nm) 필터 이미지, OH (3-1) P1(2) 파장 (1523.7nm) 필터 이미지, OH (3-1) P1(4) 필터 이미지, 세 개의 이미지로부터 각 픽셀 FOV에 해당하는 온도 계산 하여 Mapping한 이미지. Back ground에 잡광에 의한 간섭이 없을 때, 선명한 온도 map을 얻을 수 있음

표 OH 대기광 발생 고도에서의 온도 측정가능한 영역 (왼쪽), 관측 시간별 전체 영역의 시간에 따른평균 온도 변화와 Zenith 방향의 온도변화 비교

표 2018년의 오로라와 마찬가지로 저 에너지 및 중간 에너지 대역의 입자가 동시에 증가하였고, 동시간에 극지방의 낮은 열권 부근에서 NOx의 증가를 볼 수 있다. 그러나 고층대기에서 오존의 감소가 두드러져 보이지 않는다. 이는 각 고도별 오존의 화학변화 특징이 다르기 때문이다

표 Ground observation system for the upper atmopshere in the Arctic

표 Ground observation system for the upper atmopshere in Antarctica

표 Near-realtime space environment monitoring system (1)

표 Near-realtime space environment monitoring system (2)

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