태양 폭풍이 전력망을 멈춘 날, 우주 날씨 예보

태양에서 거대한 폭발이 일어나 전기를 띤 입자 구름이 지구에 닿으면 지구 자기장이 크게 흔들리는 지자기 폭풍이 생긴다. 이 폭풍은 아름다운 오로라를 만들지만, 송전선에 원치 않는 전류를 흘려 변압기를 망가뜨리고, 인공위성과 위성 항법에 오류를 일으킬 수 있다. 1989년 캐나다 퀘벡에서는 지자기 폭풍으로 대규모 정전이 일어났다. 그래서 여러 나라는 태양을 감시해 이런 폭풍을 미리 알리는 우주 날씨 예보를 운영한다.

태양은 어떻게 지구에 폭풍을 보내나

태양은 평소에도 전기를 띤 입자의 흐름인 태양풍을 끊임없이 내보낸다. 그런데 때때로 훨씬 격렬한 일이 일어난다. 태양 표면의 자기장이 꼬였다 풀리며 막대한 에너지를 한꺼번에 방출하는 태양 플레어, 그리고 태양 대기의 거대한 덩어리가 우주로 튕겨 나가는 코로나 질량 방출이다.

코로나 질량 방출로 날아간 입자 구름은 보통 하루에서 사흘쯤 걸려 지구에 닿는다. 이 구름이 품은 자기장의 방향이 지구 자기장과 맞물리면, 에너지가 지구 자기권으로 쏟아져 들어온다. 이때 지구 자기장이 크게 요동치는 것이 지자기 폭풍이다.

자기장이 흔들리면 왜 전력망이 피해를 보나

자기장이 빠르게 변하면 근처의 긴 도체에 전류가 흐른다. 이것이 전자기 유도다. 수백 킬로미터에 이르는 송전선과 송유관은 거대한 도체 고리 역할을 한다. 지자기 폭풍 때 이런 시설에 원래 흐르지 않아야 할 전류가 땅을 통해 흘러들어 온다.

이 전류가 변압기로 들어가면 변압기가 과열되거나 오작동한다. 1989년 3월 강한 지자기 폭풍이 닥쳤을 때, 캐나다 퀘벡의 전력망에서 보호 장치가 잇따라 작동하며 몇 분 만에 전체 망이 멈췄다. 수백만 명이 9시간 가까이 전기 없이 지냈다.

사례	무슨 일이 있었나
1859년 캐링턴 사건	관측 사상 가장 강한 폭풍 중 하나, 전신선에서 불꽃이 튐
1989년 퀘벡 정전	전력망이 몇 분 만에 마비, 장시간 정전
2022년 위성 손실	막 발사된 소형 위성 수십 대가 대기 저항으로 추락
2024년 5월	평소 보기 힘든 낮은 위도까지 오로라 관측

인공위성은 어떤 피해를 입나

지자기 폭풍은 지구 대기의 위쪽 층을 데워 부풀게 한다. 그러면 낮은 궤도를 도는 인공위성이 더 많은 공기와 부딪쳐 속도를 잃는다. 2022년에는 막 발사되어 아직 낮은 궤도에 있던 소형 위성 수십 대가 이 때문에 제 궤도에 오르지 못하고 대기권으로 떨어졌다.

고에너지 입자는 위성의 전자 장비에 오류를 일으키고, 태양 전지판을 손상시킨다. 전리층이 흐트러지면 GPS 신호가 왜곡되어 위치 오차가 커지고, 극지방을 지나는 항공기의 무선 통신이 끊기기도 한다.

우주 날씨는 어떻게 예보하나

우주 날씨 예보는 태양을 지켜보는 것에서 시작한다. 여러 대의 관측 위성이 태양 표면의 폭발과 코로나 질량 방출을 실시간으로 감시한다. 입자 구름이 언제 출발했는지와 속도를 보고 지구 도착 시각을 계산한다. 지구와 태양 사이, 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 곳에 있는 위성은 다가오는 태양풍을 미리 측정해, 도착 수십 분 전에 최종 경보를 낸다.

경보가 나오면 전력 회사는 송전망의 부하를 조절하고, 위성 운영자는 민감한 장비를 끄거나 보호 모드로 바꾼다. 한국에서도 국립전파연구원의 우주전파센터가 우주 날씨를 감시하고 경보를 발령한다.

남은 과제

입자 구름이 출발한 것은 알 수 있지만, 그것이 지구에 도착했을 때 얼마나 강한 폭풍을 일으킬지는 아직 정확히 예측하기 어렵다. 폭풍의 세기는 구름 속 자기장의 방향에 크게 좌우되는데, 이를 미리 알 수 있는 것은 지구에 거의 다다랐을 때뿐이다. 1859년 같은 초대형 폭풍이 오늘날 전기와 위성에 크게 의존하는 사회를 덮친다면 어떤 피해가 생길지에 대한 대비도 여전히 숙제로 남아 있다.