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우주 활용 시대를 열어가는 고고도 대기와 전리권 플라즈마를 다룬 통합 전문서

우주로 나가는 로켓과 인공위성은 고층 대기의 물리 화학적 환경에 노출된다. 또한 위성 및 지상 전파 통신은 고층 대기의 일부인 전리권 플라즈마의 변동에 영향을 받는다. 최근의 연구들은 고층대기가 태양 및 우주환경뿐만 아니라 저층대기의 영향을 받는다고 보고하고 있다. 또한 저층대기도 태양 및 우주환경의 영향을 장기적으로 변화하고 있다. 그러나 기존의 우주과학 서적은 고고도 플라즈마 현상만을 주로 다루는 한편, 대기과학서적은 저층 기상현상을 위주로 기술하고 있는 실정이다. 본서는 대기과학에서 다루는 대기 파동과 복사전달 과정을 고층 대기/전리권의 물리화학 과정과 연계하여 기술하여, 우주과학과 대기과학 분야의 학생과 연구자들에게 지구의 고층대기에 대한 통합적인 지식을 전달하고자 한다. 본서는 고층 대기의 물리화학 및 전기적 환경을 통합적으로 다루는 국문 전문서로서, 우리나라가 본격적인 우주 활용시대를 열어가는데 필요한 지식의 기초를 제공할 것으로 기대한다.

자연엔 경계가 없다. 다만, 사람들이 구획을 지을 뿐이다. 지식의 탐구와 전달이 학문으로 체계화되면서 자연과학이 대분류, 중분류, 소분류 등으로 점점 더 세분화된다. 기상학은 20세기 초에 일기예보가 가능해지며 비약적으로 발전하며, 지구 대기 전체를 대상으로 하는 대기과학으로 확장되었다. 이와는 독자적으로 1950 년대에 인공위성이 개발되며 우주공간에 대한 실용적 관심에 힘입어 우주공간물리학(space physics)이 물리학의 한 분야로 시작했다. 대기과학과 우주공간물리학은 각각 독자적으로 시작했으나, 두 분야의 영역에 걸쳐 일어나는 자연 현상들이 많이 발견되면서 경계 영역의 중요성이 최근 부각되었다. 대기과학자의 주 관심은 대류권과 성층권까지의 저층 대기에 있다면, 우주공간물리학의 관심은 가장 낮은 고도로 내려와도 열권/전리권의 초고층대기에 머물러 있다. 최근에 저층 대기의 파동이 고층 대기에 영향을 주고, 반대로 태양/태양풍 및 자기권 현상이 저층 대기에 영향을 끼칠 수 있음이 인식되기 시작했다. 그러나 아직도 분야의 경계를 넘는 연구 시도는 미흡하고, 각 분야의 주류적 관심에서 벗어나 있다. 한 예로, 대기과학이나 우주공간물리학에 관한 전문 서적은 각각 많이 출판되었으나, 두 분야를 아우르는 전문 서적은 심지어 영어로도 거의 없다. 두 분야에 걸친 자연현상을 본격적으로 연구하려면, 두 분야 전문서적을 따로 학습해야 하는 어려움을 겪는다. 따라서 이 어려움을 덜기위해 본 교재를 집필하게 되었다.
지구의 중간권과 열권 하부 (mesosphere and lower thermosphere. MLT)는 대기과학에서는 너무 높아서 우주공간물리학에서는 너무 낮아서 관심의 대상에서 그동안 소외되어 왔다. 또한 이 영역은 기구나, 인공위성으로 직접 탐사가 불가능하여 과학 측정 자료가 상대적으로 부족했다. 그러나 최근에 원격 탐사 기술이 발전하면서, 지상과 위성에서 이 영역에 대한 관측 자료가 활발히 축적되고 있다. 더구나, “new space age” 로 대표되는, 우주의 상업적 활용 시대가 열리면서, 우주선의 재진입(re-entry)과 준궤도 비행 (sub-orbital flights)을 위해 중간 대기 변화에 대한 실용적 관심이 부각되고 있다. 한편, 전리권의 각종 현상은 지상 및 우주 전파 통신에 영향을 끼침으로 인해, 20세기 초부터 실용적 관심을 끌었다. 최근 연구 결과들은 전리권 변화의 상당한 부분이 저층 대기로부터 전파된 파동에 기인한다고 보고하고 있다. 따라서 중간권, 열권, 전리권을 연구하기 위해서는 대기 과학의 파동 동역학 및 복사 전달 과정과 우주공간물리학의 전기역학(electro-dynamics) 및 대기 광화학 과정(aeronomy processes)을 함께 이해하여야 한다. 본 교재는 이런 과정들을 체계적으로 기술함으로서, 국내 연구자들에게 이 대기 영역의 필수적 전문지식을 전달하고자 한다.
본 교재의 전반부 (2장-5장)는 대기과학에서 다루는 파동 동역학과 복사 전달의 물리적 개념과 방정식을 구체적으로 소개한다. 후반부 (6장 - 11장)는 열권과 전리권 현상의 이해에 필수적인 광화학 과정과 플라즈마 전기역학 과정을 기술한다. 마지막 장에서는 고층 대기를 측정하는 장비들을 간략하게 소개한다. 본 교재의 내용은 여러 종의 대기과학과 우주공간물리학 전공 교재들을 중심으로 저자가 지난 10여년 간 충남대학교 우주과학 전공 대학원생들에게 강의해온 노트를 기반으로 하였다. 추가적인 학습을 돕기 위해 교재 내용에 대한 참고 문헌을 최대한 빠짐없이 수록하였다. 또한 교재의 수식은 될수록 알기 쉽게 유도과정의 중간단계를 많이 포함시켰으나, 양이 많은 수식 유도과정은 부록에 담아두었다.
본 교재의 교정에 도움을 준 충남대학교 우주과학 대학원생들(감호식, 김정헌, 김재민, 이원석, 이용호, 이재욱, 홍준석, 황준영 등)과 어려운 여건에서도 출판해주신 충남대학교출판문화원에 감사드린다.

011_ 1. 서론
013_ 1.1. 대기권의 수직구조
021_ 1.2. 동서 평균 온도와 바람 분포
024_ 1.3 대기 파동과 난류의 수직 분포
027_ 1.4 대기 성분의 수직 분포
029_ 1.5 전리권

033_ 2. 중성대기 동역학 기초
035_ 2.1 로그 기압 좌표계에서의 원형 방정식
038_ 2.2 베타-면 근사와 지균풍
041_ 2.3 준 지균풍 근사
043_ 2.4 오일러-평균 방정식
046_ 2.5 동서 평균류에 선형 섭동 분석
048_ 2.6 전환 오일러-평균 방정식
050_ 2.7 Charney-Drazin 비가속 정리
053_ 2.8 중간권에서 파동 섭동에 의한 동역학적 가열 해석

059_ 3. 대기 파동 선형 이론
061_ 3.1 대기 파동의 분류
062_ 3.2 파동의 수학적 표현
065_ 3.3 중량파
071_ 3.4 일반적인 대기 파동 기본방정식
075_ 3.5 평균류 상의 중량파

081_ 4. 조석파와 행성파
083_ 4.1 구형 대기에서의 파동들
087_ 4.2 Laplace 의 조석 방정식
089_ 4.3 대기 열적 조석파
095_ 4.4 자유 이동 행성파
096_ 4.5 강제된 행성파
101_ 4.6 광선 추적 방식의 행성파의 전파 경로 계산

105_ 5. 상층대기 복사 과정
107_ 5.1 서론
109_ 5.2 복사 전달 방정식
114_ 5.3 원자와 분자의 스펙트럼 기초
122_ 5.4 중층 대기 기체 흡수 스펙트럼
126_ 5.5 선 및 밴드 세기와 통과 함수
131_ 5.6 중층 대기의 적외선 복사 이완
134_ 5.7 비열적 평형
144_ 5.8 대기광

151_ 6. 열권과 전리권 화학
153_ 6.1 열권의 주성분 산소원자
154_ 6.2 열권 및 전리권의 변동성
159_ 6.3 태양빛에 의한 광이온화와 전리권 화학

171_ 7. 전리권 기본 전기역학
173_ 7.1 전리권 플라즈마의 운동방정식
176_ 7.2 정상상태 전리권 플라즈마의 운동
186_ 7.3 전기장 발생과 전달

193_ 8. 적도 전리권
195_ 8.1 적도 전리권 플라즈마 운동
198_ 8.2 F-층 다이내모
201_ 8.3 E-층 다이내모와 적도 전류제트
205_ 8.4 전리권 초저녁 역전 증대
207_ 8.5 고위도 및 태양풍에 의한 적도 전리권 변화
210_ 8.6 열권 바람과 전리권 전기역학의 상호 작용

217_ 9. 중위도 전리권
219_ 9.1 중위도 전리권 수직 구조 기본 방정식
224_ 9.2 수직 플럭스를 고려한 방정식
230_ 9.3 전기장과 중성바람 효과
234_ 9.4 중저위도 밤시간 전리권의 복잡성
240_ 9.5 중저위도 전리권의 조석파 영향

245_ 10. 고위도 전리권
247_ 10.1 고위도 전리권 대류
253_ 10.2 고위도 전리권과 자기권 및 태양풍의 연계성
259_ 10.3 자기력선 평행 전리권 동역학
264_ 10.4 자기력선 수직 전리권 동역학
270_ 10.5 고위도 전리권 F-층에서의 행성규모와 대규모 구조들

279_ 11. 전리권 불안정성
281_ 11.1 적도 F-층 플라즈마 불안정성
296_ 11.2 적도 E-층 플라즈마 불안정성
304_ 11.3 중위도 전리권 불균질 현상들
323_ 11.4 고위도 전리권 불균질 현상들

343_ 12. 고층대기 관측 기술
345_ 12.1 원격 탐사
366_ 12.2 위성 현장 측정
371_ 12.3 전리권 변형 실험

375_ 참고문헌

391_ 부록

401_ 색인

“균질권과 비균질권의 경계는 로켓의 화학물질 방출 궤적을 관측함으로서 확인할 수 있다. 표지 그림은 로켓으로부터 직선으로 방출된 화학물질의 궤적이 조석 바람을 따라 나선형으로 분포됨을 보여준다. 그림의 궤적 하단 부분은 난류(turbulence) 또는 소용돌이(eddy)에 의해 무질서하게 퍼져나가는 반면, 상단부분은 분자확산에 의해 균일하게 퍼지고 있음을 보여준다. 즉, 하단부분은 균질권에서 소용돌이 확산이 상단 부분은 비균질권에서 분자 확산이 지배적임을 나타낸다.”
-1장에서