전리층의 상태와 단파통신의 품질을 결정하는 주요 요소들

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. SFI(Solar Flux Index)

단파통신에서 SFI(Solar Flux Index)는 태양활동을 측정하는 중요한 지표로, 단파통신 환경에 큰 영향을 미친다. SFI는 태양에서 방출되는 전파 에너지를 나타내며, 주로 10.7cm(2800 MHz) 파장의 전파 망원경을 이용하여 측정한다. 이 파장대의 전파는 태양활동과 밀접하게 연관되어 있어, SFI 값은 태양의 활동 수준을 간접적으로 반영한다고 보아도 과언이 아니다.

SFI와 단파통신의 관계로는 SFI는 이온층의 상태를 예측하는 데 사용되며, 이온층은 단파통신에서 전파를 반사시켜 지구의 먼 거리까지 통신이 가능하게 하는데 SFI 값이 높으면 태양으로부터 더 많은 에너지가 이온층에 도달하여 이온화가 강화된다. 이로 인해 이온층의 반사 능력이 증가하고, 단파통신의 전파전파(電波傳播)가 더욱 원활해진다.

SFI 값을 통하여 단파통신에 영향을 주는 정도를 보면 다음과 같이 정리된다.

즉 SFI 값이 높을수록 이온층의 밀도가 높아지며, 특히 F2층의 반사율이 증가하게 된다. 이는 더 먼 거리를 통신할 수 있게 하며, 높은 주파수 대역의 사용도 가능하게 한다. 반면, SFI 값이 너무 높아지면 극지방에서는 흡수 효과가 증가하여 통신 장애가 발생할 수도 있다.

따라서 SFI는 단파통신에서 이온층의 상태를 예측하고 최적의 통신 조건을 설정하는 데 중요한 역할을 한다. 높은 SFI 값은 더 나은 통신 품질을 의미하며, 단파통신을 효과적으로 활용하기 위해서는 이 값을 지속적으로 모니터링하는 것이 중요하다고 본다.

2.SSN(Sunspot Number, 흑점수)

SSN(Sunspot Number)은 단파통신에서 또 하나의 중요한 지표로, 태양 활동을 측정하는 데 사용된다. SSN은 태양 표면에 나타나는 흑점의 수를 기반으로 계산되며, 태양활동의 변화를 나타내는 중요한 척도 중 하나이다. 흑점이 많을수록 태양활동이 활발하다는 의미가 되는 것이다.

SSN의 계산법을 살펴보면 SSN은 태양의 표면에서 보이는 흑점의 개수를 측정한 값으로, 흑점의 그룹 수와 개별 흑점 수를 합하여 산출된다. 이 값은 태양활동 주기의 변동을 반영하며, 일반적으로 11년 주기로 변하게 된다. 주기의 최대점에서는 SSN이 높고, 최소점에서는 SSN이 낮게 나타난다.

SSN을 계산하는 전통적인 방법으로, 스위스의 천문학자 루돌프 울프(Rudolf Wolf)에 의해 도입되었으며, SSN은 다음과 같이 계산된다.
SSN=k×(10g+f) 여기서 g는 그룹의 수, f는 관측된 흑점의 총 수, k는 관측 장소와 기기의 보정을 위한 계수이다. 이 공식을 통해 흑점이 많을수록 SSN값이 커지게 된다.

SSN과 단파통신의 관계로는 이온층에 미치는 영향으로 볼 때 SSN값이 높아지면 태양으로부터 더 많은 자외선 및 X-선 복사가 발생하여 지구의 이온층을 강하게 이온화시킨다. 특히 F2층의 전자 밀도가 증가하여 높은 주파수 대역의 전파가 더 멀리 전파될 수 있다.

통신 품질에 미치는 영향으로는 높은 SSN값은 단파통신에 유리한 조건으로 작용한다. 더 많은 주파수 대역이 이온층에서 반사되어 먼 거리의 통신이 가능해지며, 전 세계적으로 좋은 통신 상태를 기대할 수 있다. 낮은 SSN(태양활동 저조) 상황에서 SSN값은 이온층의 반사 능력이 약해지므로, 단파통신의 거리가 짧아지고 통신 품질이 떨어진다. 이 경우, 낮은 주파수를 사용하여 통신할 수밖에 없으며, 일부 주파수 대역에서는 통신이 불가능할 수도 있다.

태양활동은 앞에서도 언급하였듯이 약 11년 주기로 변동한다. 주기의 최대점에서는 SSN이 높아지고, 이때 단파통신의 성능이 최적화된다. 반대로, 주기의 최소점에서는 SSN이 낮아져 통신 조건이 악화된다. SSN값의 변동은 이온층의 상태를 예측하고 최적의 통신 주파수를 선택하는 데 중요한 역할을 한다.

SSN의 중요성을 기준으로 본다면 단파통신에서 태양활동의 변화를 이해하고, 이온층의 상태를 예측하며, 최적의 통신 조건을 설정하는 데 필수적인 지표라고 할 수 있다. 특히, 장거리 통신 및 DX(원거리 통신)를 하는 아마추어무선사들에게 SSN은 매우 중요한 정보로, 이 값에 따라 통신이 가능한 주파수 대역과 시간을 결정할 수 있다고 보아야 할 것이다.

3. SSN(Smoothed Sunspot Number)

단파통신에서 또 하나의 중요한 지표 중 하나가 Smoothed Sunspot Number(SSN 또는 SSN-S)인데 위에서 언급한 SSN(Sunspot Number)와는 다른 지표이다. 이것은 태양흑점수의 변동성을 보다 안정적으로 파악하기 위해 사용되는 값으로, 일반적으로 '평활흑점수' 또는 '평균흑점수'로도 불린다. 이 값은 단기적인 태양활동 변화를 제외하고, 장기적인 태양활동 패턴을 이해하는 데 도움이 된다.

Smoothed Sunspot Number는 특정 달의 흑점수와 그 주변 달들의 흑점수를 평균 내어 계산한 값이다. 이는 태양활동의 장기적 변동 추세를 확인하기 위해 사용되며, 개별 달의 급격한 변화나 잡음을 제거하고, 보다 매끄러운(평활화된) 곡선을 그래프로 제공하여 태양활동의 주기를 이해하는 데 유용하게 사용된다.

평균 산출 방법으로는 SSN은 일반적으로 13개월 이동 평균을 사용하여 계산된다. 특정 달의 SSN 값을 계산하기 위해 해당 달을 중심으로 앞뒤 6개월의 흑점수를 포함해 총 13개월의 데이터를 평균하여 도출한다. 예를 들어, 2024년 6월의 SSN값을 계산하려면 2023년 12월부터 2024년 12월까지의 월별 흑점수를 합산한 뒤 13으로 나누면 된다.

Smoothed Sunspot Number와 단파통신의 상관관계는 이온층의 장기적인 상태를 예측하는데 유용하다. 일반적인 흑점수는 월별로 큰 변동이 있을 수 있으나, SSN은 이러한 변동을 완화하여 더 안정적인 이온층 상태 예측을 가능하게 한다. 이로 인해 단파통신에 사용할 최적의 주파수 대역이나 통신 조건을 장기적으로 예측할 때 SSN 값이 활용된다.

SSN은 태양 활동 주기의 변동을 파악하는 데도 사용된다. 태양활동은 약 11년 주기로 변하며, SSN값이 증가하면 태양활동의 극대기를, 감소하면 극소기를 나타낸다. 이 주기를 기반으로 단파통신의 성능을 예측하고, 활동 극대기에는 최적의 통신 조건을 기대할 수 있다.

SSN 값을 통해 단파통신 애호가 및 전문가들은 향후 몇 년간의 태양 활동 수준을 예측할 수 있으며, 이를 통해 적절한 통신 계획을 세울 수 있다. SSN이 높을수록 이온층 반사가 강해져 먼 거리의 통신이 가능해지고, 반대로 SSN이 낮아질 때는 통신 거리가 제한될 수 있기 때문이다. 또 하나의 중요한 이유로는 SSN은 단기적인 태양활동의 잡음을 제거하고, 장기적인 경향을 분석하는데 매우 유리하기 때문이다. 특히 태양활동의 극대기와 극소기를 더 정확히 파악할 수 있어, 장기적인 통신 전략 수립에 유용하다. 즉 DX(원거리 통신)와 같은 활동에 유리한 시기를 파악하는 데 도움이 된다.

다음 호에는 전리층의 상태와 단파통신의 품질을 결정하는 주요 요소 5가지 중 A Index와 K Index에 대해 알아보고 연재를 이어나가겠다.

<참고문헌 및 표 출처>

• - NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration) 사이트
• - SWPC(Space Weather Prediction Center) 사이트
• - NRAO(National Radio Astronomy Observatory) 사이트
• - Space Weather Alerts 사이트