# 전리층 (Ionosphere) > 지구 대기 상공 약 **60km ~ 1,000km** 구역으로, 태양 복사에 의해 이온화된 플라스마 층. > 열권(thermosphere) 대부분과 중간권(mesosphere) 일부를 포함한다. --- ## 개요 전리층(電離層)은 태양의 **자외선(UV)** 및 **X선** 복사가 대기 중 원자·분자를 이온화시켜 자유 전자와 양이온이 공존하는 부분적 플라스마 영역이다. - 자유 전자 밀도가 전파(電波) 전파에 영향을 줄 만큼 충분히 높다. - 이온화와 재결합(recombination)이 평형을 이루며 층의 구조가 결정된다. - 고도가 낮을수록 기체 밀도가 높아 재결합 속도가 빠르다. ### 이온화 원인 | 원인 | 설명 | |------|------| | 태양 자외선 / X선 | 주된 이온화 원, 광이온화(photoionization) | | 우주선(cosmic ray) | 야간 D층을 미약하게 유지 | | 태양 플레어 | 급격한 이온화 변동(SID) 유발 | | 입자 강수(particle precipitation) | 극지방 이온화, 극관 흡수(PCA) | --- ## 층 구조 대기 성분은 고도에 따라 달라지며, 각 고도별로 서로 다른 주파수의 태양복사가 작용해 **D · E · F** 세 개의 주요 이온화층을 형성한다. ``` 고도(km) 400 ┐ │ F2층 ────────────────── 주간/야간 상시 존재, HF 반사 주역 200 ┤ │ F1층 ────────────────── 주간만 존재 (야간엔 F층으로 합침) 120 ┤ │ E층 ────────────────── 90~120km, 주간 강함 90 ┤ │ D층 ────────────────── 50~90km, 주간만 존재 50 ┘ ``` ### D층 (50~90 km) - **이온화 원**: 라이먼-알파(Lyman-α) 수소 복사 (121.5 nm) → 일산화질소(NO) 이온화 - HF 전파(특히 10 MHz 이하)를 **흡수**함 (반사 ×) - 낮 동안 충돌 빈도 ~10⁷회/초로 높아 HF 흡수가 최대 - **일몰 후 급격히 소멸** → 야간에는 우주선에 의해 미약하게 유지 - 실용 영향: AM 광대역 방송이 낮에 원거리에서 약하게 들리는 이유 ### E층 (90~120 km) - **이온화 원**: 연X선(1~10 nm) + 원자외선 → 산소 분자(O₂) 이온화 - 10 MHz 이하 전파를 반사 - 야간에 이온화 원이 끊기면 아래층부터 재결합이 빨라져 강도 중심고도가 상승 → 도달 거리 증가 → 야간에 중파방송이 멀리서도 수신되는 이유 - **일몰 후에도 부분적으로 유지**됨 #### Es층 — 산발적 E층 (Sporadic-E) - 고도로 이온화된 소규모 구름 형태 - **25 MHz ~ 225 MHz** 전파를 반사 가능 (VHF 대역까지!) - 수 분~수 시간간 지속, 발생 메커니즘은 완전히 규명되지 않음 - **여름철에 가장 빈번**하게 발생, 겨울에는 드묾 - 도달 거리: 통상 ~1,000 km - 아마추어 무선사들에게 특히 중요한 전파 전파 모드 ### F층 (120~400 km) — 애플턴층(Appleton Layer) - **이온화 원**: 초단파장 자외선(10~100 nm) → 산소 원자(O) 이온화 - HF 통신에서 가장 중요한 층 | 구분 | 조건 | 고도 | |------|------|------| | F층 (단일) | 야간 | ~200~400 km | | F1층 | 주간 하부 | ~120~200 km | | F2층 | 주간 상부 | ~200~400 km | - 가장 두껍고 전자 밀도가 높아 **HF 단파 장거리 통신**의 핵심 - 공중파(shortwave) 방송의 전지구적 전달 경로 --- ## 전파 전파(Propagation)와의 관계 ### 스킵 현상 (Skip / Skywave) 전리층에서 반사된 전파가 지표면에 도달하는 현상. ```mermaid flowchart LR TX[송신소] ION([전리층 반사<br/>F층 / E층]) RX[수신소] TX -->|"전파 발사 ↑"| ION ION -->|"반사 ↓<br/>스킵 거리(skip distance)"| RX ``` - **스킵 거리**: 지표파(ground wave)가 닿는 끝에서 스카이웨이브가 처음 도달하는 지점까지의 거리 - F층 반사: 수천 km 장거리 가능 - E층 반사: 수백~2,000 km ### MUF / LUF / FOT | 용어 | 풀이 | 의미 | |------|------|------| | **MUF** | Maximum Usable Frequency | 특정 경로에서 전리층 반사 가능한 최대 주파수 | | **LUF** | Lowest Usable Frequency | D층 흡수를 극복할 수 있는 최저 주파수 | | **FOT** | Frequency of Optimum Traffic | 실용 최적 주파수 (보통 MUF × 0.85) | ### 주파수별 전리층 거동 | 주파수 대역 | 전리층 거동 | |-------------|-------------| | LF/MF (30k~3 MHz) | D층 흡수(낮), E층 반사(밤) | | HF (3~30 MHz) | D층 흡수 + E/F층 반사, 장거리 통신 주역 | | VHF (30~300 MHz) | 통상 투과, Es층 발생 시 반사 가능 | | UHF 이상 | 전리층 투과 → 위성통신 가능 | --- ## 전리층 섭동 (Ionospheric Disturbances) ### SID — 돌연 이온층 교란 (Sudden Ionospheric Disturbance) - 태양 플레어 → 강력한 X선이 지구 낮 방향 반구에 입사 - D층의 전자 밀도 급격히 증가 → **HF(3~30 MHz) 블랙아웃** - 초저주파(VLF, 3~30 kHz)는 평소 E층 반사 → SID 시 D층 반사로 전환 - 플레어 종료 후 D층 전자 빠르게 재결합 → 수 분~수십 분 내 회복 ### PCA — 극관 흡수 (Polar Cap Absorption) - 태양 플레어 수반 고에너지 양성자(proton)가 15분~2시간 내 도달 - 지구 자기장선을 따라 극지방 대기 D/E층을 이온화 - 지속 시간: 수 시간 ~ 수일 (평균 24~36시간) - 극지방 HF 통신 장애 ### 지자기 폭풍 (Geomagnetic Storm) - 태양풍의 CME(코로나 질량 방출)에 의한 자기권 교란 - F2층이 불안정해지고, 극단적인 경우 완전 소멸 - 오로라(Aurora) 발생과 연관 - HF 통신 품질 저하 또는 블랙아웃 --- ## 전리층 변동 주기 | 주기 | 변동 요인 | |------|-----------| | 일변화 (diurnal) | 태양 복사량의 주야(主夜) 차이 | | 계절 변화 | 태양의 고도 및 일조 시간 변화 | | 태양 흑점 주기 (약 11년) | 흑점 극대기 → 복사 증가 → 이온화 강화 | | 위도 의존성 | 적도 지역과 극지방의 이온화 환경 차이 | --- ## 아마추어 무선(Ham Radio)과 전리층 | 현상 | 관련 대역 | 아마추어 활용 | |------|-----------|---------------| | F층 반사 | HF (3~30 MHz) | DX 장거리 교신 | | Es (산발적 E층) | VHF/UHF 일부 | 6m, 2m 밴드 원거리 교신 | | 오로라 반사 | VHF | 오로라 반사 통신(Aurora Scatter) | | 지구-달-지구(EME) | UHF 이상 | 전리층과 무관, 달 반사 이용 | | 그레이 라인 | HF | 명암 경계선에서 전파 전파 최적 | ### 전리층 모니터링 도구 - **[DXmaps](https://www.dxmaps.com/)** — 실시간 DX 교신 지도 - **[VOACAP](https://www.voacap.com/)** — HF 전파 예측 - **[Space Weather](https://www.spaceweather.com/)** — 태양 활동 및 지자기 상태 - **[NOAA SWPC](https://www.swpc.noaa.gov/)** — 우주 기상 예보 센터 --- ## 관련 개념 - [[대기권]] (大氣圈, Atmosphere) — 대류권 / 성층권 / 중간권 / 열권 - [[태양풍]] (太陽風, Solar Wind) — 태양 플레어, CME - [[지자기폭풍]] (地磁氣暴風, Geomagnetic Storm) - [[아마추어무선]] (amateur無線, Amateur Radio, Ham) - [[전파전파]] (電波傳播, Radio Wave Propagation) — 스킵, 스카이웨이브, 그라운드웨이브 --- ## 참고 - Wikipedia: [전리층](https://ko.wikipedia.org/wiki/전리층) - NOAA SWPC: https://www.swpc.noaa.gov/ - IRI (International Reference Ionosphere): https://irimodel.org/