일식이 라디오 파동에 미치는 영향을 조사하는 아마추어 방송인들이 있다고 합니다.
2023년 10월과 2024년 4월 미국 태양식 동안 수백 명의 무선 아마추어가 달이 태양을 가릴 때 라디오 신호의 변화를 조사하기 위해 방송에 나설 예정
타워 뒤뜰에 솟아 있는 거대한 타워가 토드 베이커의 취미를 드러냅니다. 안테나로 무장한 30미터(100피트) 구조물은 주변의 많은 성숙한 나무들보다 더 높습니다. 인디애나의 산업용 컨베이어 벨트 판매원인 베이커는 자신의 이름뿐만 아니라, 공중파를 통해 자신을 식별하는 데 사용하는 글자와 숫자의 짧은 시퀀스인 호출 부호, W1TOD로도 알려져 있습니다. 그는 아마추어 무선, 혹은 햄 라디오 커뮤니티의 일원입니다.
"내가 관심을 가진 것이라면 뭐든지 해봤죠," 그는 자신이 여러 해 동안 다뤄온 다양한 라디오 시스템들, 시민 대역 라디오나 CB 라디오를 포함해 말하며, "통신은 그냥 멋졌어요."
이제, 그는 천체 시민 과학에도 손을 댑니다. 10월 14일, 그와 수백 명의 다른 아마추어 라디오 애호가들은 아메리카를 가로지르는 금환일식 동안 일부러 공중파를 가득 채울 것입니다. 그들은 내년 4월, 뉴펀들랜드부터 멕시코까지 볼 수 있는 전체 일식이 있을 때 다시 이를 할 예정입니다.
왜? 태양 일식은 알려진 바와 같이 라디오 전송에 영향을 미치며, 베이커는 우주 이벤트가 라디오 방송에 어떻게 영향을 미치는지 모니터링하기 위해 설계된 대규모 실험에 참여할 계획입니다.
인디애나폴리스 남쪽 고속도로에서 벗어난 7.25에이커(3헥타르) 대지 위에서, 베이커의 수많은 뾰족한 안테나 컬렉션은 미국 전역과 훨씬 더 멀리까지 전송을 가능하게 합니다. 그는 세계 다른 쪽에 자신의 목소리를 전송했으며 유럽과 심지어 13,000km(8,000마일) 떨어진 뉴질랜드에 있는 동료 아마추어 라디오 애호가들과 대화를 나누었습니다.
베이커의 정원에 있는 안테나 중 하나는 특별히 각도가 조절되어, 처음에는 땅에 낮게 머무르는 라디오 신호를 전송하도록 되어 있다고 합니다. 그러나 결국 그 신호는 우주로 향할 것입니다. "그것이 이온층에 도달하면," 베이커는 말합니다, "한 번의 점프를 할 거예요. 튕겨 나갈 겁니다."
이 현상에서 라디오 파는 의도적으로 대기 상층의 일부를 반사하여 라디오 운영자들이 소통할 수 있는 거리를 대폭 확장합니다. 이것을 "스카이웨이브 효과"라고 하며, 1901년에 대서양을 건너 첫 라디오 방송이 전송된 방법입니다.
이는 지구의 곡률을 극복할 수 있음을 의미합니다. 라디오 전송은 지상과 약 80-650km(50-400마일) 고도에 위치한 이온층 사이를 지그재그로 위아래로 튕기며 이동할 수 있습니다. 이 효과에 의존하는 장거리 방송 중에 전자기파의 형태로 전송된 사람의 목소리가 실제로 하늘을 닿는다고 할 수 있습니다.
"지구 반대편에서 라디오 신호를 수신할 수 있다는 사실,"이라고 배스 대학의 라디오 과학 교수인 캐스린 미첼이 말합니다, "정말 놀라운 일이죠."
정말 놀라운 것은 스카이웨이브 효과가 안정적이지 않다는 점이며, 과학자들은 아직 이를 완전히 이해하지 못하고 있다는 것입니다. 이온층은 기묘합니다. 이는 변동하며, 움직이고, 팽창하고 수축하며, 결코 균일하지 않습니다. 미첼이 말하듯, 때때로 이온층은 스스로 파도가 가득해, 일출과 일몰 동안 파동처럼 퍼져나갑니다 - 마치 연못에 돌을 던지는 것처럼.
이것이 바로 태양의 존재 유무가 이러한 현상의 하나의 이유입니다. 낮 동안에는 태양광이 대기 가스에 충돌하여 이를 이온화시켜 전자를 생성하기 때문에 이온층이 두꺼워집니다. 밤에는 충돌이 줄어들고, 이온층의 하층부가 사라집니다. 이 밤시간의 가늠으로 인해 라디오 파동이 훨씬 더 멀리 여행할 수 있게 되는데, 이는 전자가 그것들을 지구 쪽으로 다시 튕겨내기 전에 더 높은 고도에 도달하기 때문입니다. 이것이 사람들이 오랫동안 이른 새벽에 먼 라디오 방송을 수신할 수 있었던 이유입니다.이온층의 기이함은 대규모 조사가 필요합니다. 일식은 변동하는 동안 그것에 무슨 일이 일어나는지, 그리고 또한 편리한 시간에 - 낮 시간 동안 - 우리의 이해를 시험하기 위해 많은 사람들을 모으는 완벽한 기회를 제공합니다. 게다가, 일식은 이온화 활동에 영향을 미치는 방식에서 밤과 같지 않습니다. 달에 의해 생성된 그림자는 특별합니다 - 지구 표면을 빠르게 이동하는 점 모양입니다. 따라서 일식 동안에는 이온층에 예상치 못한 일들이 발생할 수 있으며, 과학자들은 이를 관찰하기를 열망합니다.여기에서 아마추어 "햄" 라디오 커뮤니티가 등장하며, 그 구성원들은 HamSCI라는 시민 과학 단체에 가입했습니다. 다가오는 두 번의 미국 일식이 다가오면서, 수백 명의 자원봉사자들이 방송을 시작하여 그들의 경험을 추적하고 과학자들과 공유할 수 있게 될 것입니다. 베이커는 자원봉사자 중 한 명입니다. "그들은 신호가 어떻게 들리고 사라지는지 듣고 싶어합니다," 그는 설명합니다. "다른 어떤 때보다도 태양을 끄고 바로 다시 켤 수 있는 능력을 갖는 시간은 없습니다."실험을 이끄는 이는 펜실베니아의 스크랜턴 대학에서 우주 물리학자이자 전기공학자인 나다니엘 프리셀로, HamSCI를 창립한 사람입니다. 줌을 통해, 그는 이온층에 대해 아직도 배울 것이 많은 이유를 설명합니다. 그는 지상 아래를 아늑하게 보호하는 곡선이 진, 흐릿한 층으로 묘사된 이온층을 특징으로 하는 애니메이션을 보여줍니다. "이 이온층이 얼마나 매끄러운지 보십니까? 실제로 이온층은 그렇게 매끄럽지 않습니다," 그가 말합니다. 과학자들이 아직 예측하는 데 능숙하지 못한 일시적인 덩어리와 요철이 있습니다.
다가오는 일식 동안, 프리셀 - 그의 자체 호출 부호는 W2NAF입니다 - 은 햄 라디오 운영자들, 행사 동안 매우 민감한 전송 장비를 사용할 계획인 자원봉사자들, 그리고 공공 라디오 활동을 추적하는 온라인 데이터베이스 등 다른 출처로부터 데이터를 수집할 것입니다. 그는 이것이 단독으로 표준 학술 기기로는 결코 가능하지 않을 규모의 실험이라고 강조합니다 - 단순히 충분히 넓은 지역에 그것이 충분하지 않습니다. 다가오는 실험들은 2017년 미국 상공에서 발생한 총일식 동안의 비슷한 노력을 따릅니다. 베이커도 그때 참여했습니다 - 그는 자신의 사진이 실린 현지 신문 기사를 보관하고 있습니다.
이온층을 이해하는 것은 중요합니다. 예를 들어, 군사 작전이나 재난 대응 작업 중에는 정밀하게 타겟팅된 라디오 통신이 생사를 가를 수 있기 때문입니다. 방송을 성공적으로 송출하기 위해 전송을 어떻게 설정하는 것이 최선인지 라디오 운영자들이 알아야 하는 것이 중요합니다. 또한, 이온층의 변동은 때때로 위성에 영향을 미친다고 영국의 과학기술시설위원회의 일부인 러더퍼드 애플턴 연구소에 기반을 둔 RAL 스페이스의 루스 밤포드가 말합니다.
예를 들어, 태양 플레어는 이온층이 팽창하게 만들어, 지구를 도는 위성에 대한 저항을 증가시킵니다. 이는 그들이 지상으로 추락하지 않도록 더 높은 고도로 다시 끌어올려야 할 수도 있다는 의미입니다.
이온층에 라디오 파동을 반사시키는 것은 마치 거대하고 끊임없이 변화하는 에테리얼한 바다를 탐색하는 것과 같습니다. "그것은 꽤 어려운 일입니다," 밤포드가 말합니다. "태양에 따라 변하는 거울이 위에 있습니다."
밤포드는 라디오 자원봉사자들을 칭찬합니다. 그녀 자신도 1999년, 영국에서 보기 드문 총일식 동안 비슷한 도움을 구했습니다 - 다음 일식은 2090년까지 일어나지 않을 것입니다. 1999년에, 자원봉사자들은 일식 동안 신호 강도의 변화를 추적했으며 많은 사람들이 상당한 증가를 기록했습니다. 이는 라디오 전송이 낮 시간에 보통 가능한 것보다 잠시 훨씬 더 멀리 여행할 수 있음을 드러냈습니다. 밤포드와 그녀의 동료들은 또한 대중에게 스페인 방송사가 사용하는 주파수로 가정용 라디오를 조정해 달라고 요청했습니다. 보통, 이 방송국은 낮 동안 국내 라디오에서 들을 수 없었을 것이지만, 많은 수백 명의 영국 사람들이 일식이 오고 가면서 방송이 서서히 들리기 시작하다가 다시 사라지는 것을 보고했습니다. 우리의 불완전한 이온층에 대한 이해를 감안할 때, 다가오는 일식 동안 더 많은 놀라움이 있을 수 있다고 그녀는 말합니다.
"아마추어 라디오는 이를 위한 매우, 매우 좋은 수단입니다," 아마추어 라디오 연구 및 개발에 관여하는 비영리 기관인 오픈 리서치 인스티튜트의 최고경영자인 미셸 톰슨이 주장합니다. 톰슨의 호출 부호는 W5NYV입니다.
일식 동안 전송을 하는 라디오 운영자들은 일종의 거대한 "분산 수신기" 역할을 할 것이라고 그녀는 제안합니다. 그리고 라디오 장비가 개선될 때마다, 이런 실험이 수행될 때마다, 이온층에서 발생하는 변화에 대한 더 세밀한 발견을 할 기회가 더 많아집니다.
베이커는 다가오는 일식에서 나올 결과를 읽는 것을 기대하고 있습니다. 그는 제안합니다, 데이터는 특정 시간에 성공적인 방송을 할 수 있는 그의 능력을 향상시킬 수 있습니다. 많은 햄 라디오 운영자들은 이러한 기술을 연마하려고 열망합니다. 베이커는 매우 저전력 신호를 사용하여 장거리 전송을 하는 것과 같은 도전을 자신에게 설정하는 것을 즐깁니다. 또는 휴가지에서 경치 좋은 곳에서 방송하기 위해 나무에 휴대용 안테나를 던지는 것도 즐깁니다.
그 매력은 부분적으로 다음에 무슨 일이 일어날지에 대한 불확실성에 있습니다. 라디오를 켜고, 신호가 이온층에서 튕기게 하고, 거대한 거리를 가로질러 완전히 낯선 사람들과 가상으로 부딪히는 것은 스마트폰 앱에서 연락처 중 한 명에게 메시지를 탭하는 것과 비교할 수 없습니다. "그것은 예정되지 않은 통신이며, 그냥 완전히 우연한, 기회적인 것입니다," 톰슨이 말합니다. 그녀는 자신의 방송을 통해 많은 친구들을 만들었습니다. 심지어 그것은 일본에서 컨퍼런스에서 연구를 발표하는 것으로 이어졌습니다.
전화를 드는 것과 달리, 그것은 보트를 타고 바다로 나가는 것과 더 비슷하다고 그녀는 설명합니다. 목적지에 도달하기 위해서는 자연의 큰 힘, 날씨, 심지어 대기의 보이지 않는 난기류까지 이해하고 주의를 기울여야 합니다.
"그것은 매일 모험을 만들어냅니다," 그녀가 말합니다. "당신은 결코 누구와 대화할 수 있을지 모릅니다."
햄 라디오는 어떤 걸까?
전 세계 많은 부분, 영국과 호주를 포함해 햄 라디오가 쇠퇴하고 있는 것으로 보입니다. Covid-19 팬데믹이 일본과 같은 몇몇 지역에서 햄 라디오의 부흥을 이끌었지만, 미국에서의 전망은 그다지 밝지 않다고 미셸 톰슨이 말합니다. 그녀는 미국 내 햄 라디오 운영자들의 인구 통계를 연구했습니다. "우리는 제자리걸음 중입니다,"라고 그녀는 말하며, 라이선스 번호가 전국적으로 보합이거나 약간의 감소를 보이고 있음을 지적했습니다. 게다가, 적어도 성별 대표성 측면에서 이 취미가 다양성을 잃어가고 있다고 그녀는 덧붙입니다: "우리는 여기서 조금 문제가 있습니다. 라디오가 당연하게 여겨지고 있습니다."
일식과 라디오 와의 관계를 정리해보았다
일식과 라디오 간의 관계는 매우 흥미롭고 과학적으로 중요합니다. 일식 동안, 달이 지구와 태양 사이로 이동하여 태양의 빛을 가리면, 이온층의 상태에 일시적 변화가 발생합니다. 이온층은 지구 대기의 상층부에 위치하며, 태양 복사로 인해 대기 가스가 이온화되어 전자와 양이온을 생성하는 영역입니다. 이온층은 라디오 파동을 반사하는 데 중요한 역할을 하여 장거리 라디오 통신을 가능하게 합니다.
일식이 일어날 때, 태양 빛의 감소로 인해 이온층에서의 이온화 과정이 감소합니다. 이는 이온층의 밀도와 구조에 영향을 미치며, 결과적으로 라디오 파동의 전파 방식에 변화를 일으킵니다. 특히, 일식 동안에는 라디오 파동이 평소보다 더 멀리, 또는 예상치 못한 방향으로 전파될 수 있습니다. 이러한 변화는 라디오 통신의 품질과 범위에 영향을 미칠 수 있으며, 과학자들은 이 기회를 활용하여 이온층의 동작과 라디오 파동의 전파 메커니즘에 대해 더 많이 배울 수 있습니다.
아마추어 라디오 커뮤니티는 일식을 관찰하고 연구하는 데 있어 중요한 역할을 합니다. 아마추어 라디오 운영자들은 일식 동안 전 세계 여러 지역에서 라디오 신호를 전송하고 수신함으로써 이온층의 변화를 실시간으로 모니터링하고 기록합니다. 이 데이터는 과학자들이 이온층의 거동을 이해하고 라디오 통신 기술을 개선하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
따라서 일식과 라디오 간의 관계는 과학적 연구와 아마추어 라디오 커뮤니티의 참여가 결합된 독특한 사례를 제공하며, 우리가 우주와 지구 대기의 상호작용을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.
이온층이란?
이온층은 지구 대기의 일부로, 우주에서 오는 태양 복사에 의해 공기 분자가 이온화되어 형성되는 영역입니다. 이온화란, 원자나 분자가 전자를 잃거나 얻어 전기적으로 충전된 입자, 즉 이온이 되는 과정을 말합니다. 이온층은 대략 60km에서 1,000km 사이의 고도에 위치하며, 여러 층(디(E), F1, F2 층)으로 구분됩니다. 이온층은 낮과 밤, 그리고 태양 활동의 변화에 따라 그 특성이 달라집니다.
이온층의 중요한 역할 중 하나는 라디오 통신입니다. 이온층은 특정 주파수의 라디오 파동을 반사하거나 굴절시킬 수 있어, 지구의 곡률을 넘어서 장거리 통신이 가능하게 합니다. 이것이 바로 햄 라디오와 같은 단파 라디오 신호가 지구 반대편까지 도달할 수 있는 이유입니다.
이온층의 상태는 태양 활동에 크게 영향을 받습니다. 예를 들어, 태양 플레어와 같은 강력한 태양 활동은 이온층을 더욱 이온화시켜 라디오 통신에 영향을 줄 수 있습니다. 반대로, 일식 같은 이벤트 동안에는 태양 빛이 일시적으로 차단되어 이온층의 이온화 정도가 감소하며, 이는 라디오 파동의 전파 방식에 변화를 가져올 수 있습니다.
또한, 이온층은 지구의 자기장과 상호작용하여 오로라 같은 대기 현상을 만들어내기도 합니다. 이러한 특성 때문에, 이온층은 과학자들에게 매우 흥미로운 연구 대상이며, 우리가 우주 날씨를 이해하고 효과적인 통신 시스템을 구축하는 데 중요한 역할을 합니다.