현대사회는 다양한 통신의 욕구와 함께 가히 폭발적인 주파수의 수요를 요구하고 있으나 한정된 전파자원은 이를 모두 충족하기 어려워 여러 가지 첨단 기법을 통한 대응을 모색하고 있다.

초협대역 디지털화, 다양한 망 연동, 변조방식의 다각화는 물론이고 통신거리에 따른 효율적 스펙트럼 활용 등으로 주파수 이용의 효율화를 극대화하기 위한 노력은 오늘도 계속되고 있으며, 특히 챗GPT를 비롯한 생성형 AI를 이용한 기기들이 활성화되면서 IoT를 이용한 네트워크의 확장성과 거대함으로 전파의 가치는 더욱 빛을 발하고 있는 것이 현실이다.

보다 넓은 대역폭의 확보를 위해 사용주파수 영역은 점점 높아지고 있으나, 전파의 특성상 주파수가 높아질수록 직진성도 높아 가시거리를 벗어난 통신에 어려움이 있고, 기지국이나 중계기의 수가 늘어나는 등 매개변수의 숫자가 급속히 증가함은 어쩔 수 없는 현상이다.

본 글에서는 이미 오래전부터 사용되었고, 지금도 항공, 선박, 국방, 재난통신 등에 유용하게 활용되고 있는 단파통신에 대해 논하고, 단파통신에 직접적인 영향을 주는 전리층과 이의 생성과 소멸 등에 영향을 미치는 태양활동과의 연관성을 알아봄으로써 매우 적은 안테나 인입전력으로 지구 반대편까지도 중계기 하나 없이 통신이 가능한 단파를 이용한 통신영역을 고찰하여 보고자 한다.

전리층에 가장 영향을 많이 미치는 요소

단파통신의 주된 목적은 적은 RF Power로 원거리 통신을 구현하는 데있고, 이를 위하여는 지구상공 60~400 km 정도에 위치하는 전리층(電離層, ionized layer)이라는 기체분자가 이온화된 층과 지구 사이를 전파가 반복하여 반사하며 퍼져나가기에 가능하다

전리층에 영향을 미치는 주요 파라미터는 여러 가지가 있으며, 각 파라미터는 전리층의 상태와 단파통신의 품질에 중요한 영향을 미친다. 가장 중요한 파라미터는 다음과 같다.

1. 태양 활동(Solar Activity)

태양 흑점 수(Sunspot Number, SSN) : 태양 흑점 수는 태양의 활동성을 나타내는 지표로, 태양의 자외선과 X선 방출에 영향을 미친다. SSN이 높을수록 태양 활동이 활발하고, 이는 전리층의 이온화 수준을 증가시켜 HF 통신에 유리하도록 하는 역할을 한다.

태양 플럭스 지수(Solar Flux Index, SFI) : SFI는 태양에서 방출되는 전파 에너지를 측정한 지표로, 일반적으로 10.7cm 파장(2800 MHz)의 전파망원경을 기준으로 한다. SFI가 높을수록 전리층의 전자 밀도가 증가하여 전파의 반사와 굴절이 개선되어 통신 품질이 향상되는 효과를 가져온다.

2. 태양 플레어(Solar Flares)

태양 플레어의 강도와 빈도는 태양의 급격한 에너지 방출로 인해 자외선 및 X선의 급증을 초래한다. 이는 전리층의 이온화 상태를 급격히 변화시키고, 특히 단파통신에 큰 영향을 미친다. 강한 플레어는 전리층의 이온 밀도를 급격히 증가시킬 수 있으며, 동시에 전파의 흡수 및 왜곡을 유발할 수 있다.

3. 태양풍(Solar Wind)

태양풍의 밀도와 속도는 태양에서 방출된 플라즈마가 지구로 이동하면서 전리층에 영향을 미치게 된다. 태양풍의 밀도와 속도가 증가하면, 지구의 자기장이 압축되고, 전리층의 이온화 상태가 변화할 수 있다. 이는 통신 품질에 영향을 미치며, 특히 태양풍의 급격한 변화는 전파전파(電波傳播)에 심각한 영향을 줄 수 있는 요인이 된다.

4. 지구 자기장(Geomagnetic Activity)

K Index와 A Index라는 지표로 구분되며 이는 지구 자기장의 불안정성을 나타낸다. 자기 폭풍의 강도와 지속 시간을 측정함으로써 값을 도출하며, 높은 K Index와 A Index는 지구 자기장의 교란을 의미하고, 전리층의 이온화 상태에 부정적인 영향을 미쳐 통신 품질을 저하시킬 수 있다.

5. 자외선 방출(UV Radiation)

태양 자외선(UV) 방출은 전리층의 이온화 상태에 직접적인 영향을 미친다. 태양의 자외선 방출이 증가하면 전리층의 전자 밀도가 증가하여, 전파의 굴절 및 반사 특성이 개선될 수 있다.

6. 기상 조건(Weather Conditions)

전리층의 계절적 및 일일 변화는 계절, 일일 주기, 그리고 지리적 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 낮과 밤, 계절의 변화에 따라 전리층의 이온화 상태는 달라질 수 있으며, 이러한 변화는 단파통신의 전파 경로와 품질에 영향을 미칠 수 있다.

7. 태양의 주기(Solar Cycle)

태양은 약 11년 주기로 활동성이 변화하며, 이를 태양 주기(Solar Cycle)라고 한다. 주기가 낮은 최소기에는 태양의 활동이 적어 전리층의 이온화가 낮아지며, 최대기에는 활동이 활발하여 이온화가 증가한다.

위에서 각 항목별로 열거한 것과 같이 전리층에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터는 태양의 활동(태양 흑점 수와 태양 플럭스 지수), 태양 플레어, 태양풍, 지구 자기장 활동(K Index와 A Index), 자외선 방출 등이다. 이들 파라미터는 전리층의 전자 밀도와 이온화 상태를 결정짓는 중요한 요소들로, 단파통신의 품질을 예측하고 조정하는 데 중요한 정보를 제공한다. 따라서 전리층의 상태는 상당히 많은 매개의 변수들로 인하여 예측이 까다롭고 매일 변화한다고 보아도 무방할 것이다.

다음 호에서는 전리층의 상태와 단파통신의 품질을 결정하는 주요 요소들에 대해 알아보도록 하겠다.