모든 우주탐사활동은 직접적이든 간접적이든 모두 태양의 활동과 그에 따른 지구 자기권의 변화에 영향을 받습니다. 특히, 태양, 행성간 공간, 자기권에서 발원하는 방사선은 우주인의 건강에 치명적이며, 우주선에 탑재된 각종 기기의 오작동을 유발합니다. 따라서 태양폭발의 메커니즘을 이해하고, 태양 분출물과 방사선 입자의 행성간 공간 내에서의 이동경로를 추적하고, 태양으로부터 발생한 섭동이 지구 자기권에 미치는 영향을 예측하는 것은 우주과학에서 중추적인 부분입니다. 위성 탑재체의 제작과 위성 데이터의 분석과 더불어 우리는 다양한 태양-지구계의 물리과정에 대한 이론적 연구와 수치모의실험 연구를 수행할 것입니다. SSR이 수행할 이론적 연구의 주요 주제는 다음과 같습니다.

모든 태양활동은 태양의 자기장에 기인합니다. 태양활동 중 지구에 가장 큰 영향을 미치는 것들은 코로나에서 발생합니다. 그러나 태양 코로나의 자기장은 지금의 기술력으로는 직접적인 측정이 불가능합니다. 단지 광구에서의 측정되는 자기장의 정보를 통해서 코로나 자기장의 구조를 재구성할 수 있을 따름입니다. 우리는 코로나 자기장을 재구성하기 위해 활용도가 높고 효율적인 새로운 방법을 개발할 것입니다. 이 방법에 의해 만들어진 코드는 장차 우주환경 모델링 시스템의 필수적인 요소가 될 것으로 기대됩니다.

태양폭발현상에 대한 광역적 시뮬레이션은 SSR의 최광선 교수에 의해 개발된 MHD 코드를 통해 수행되고 있습니다. 이러한 연구는 단순히 관측결과를 재현하는 데에 그치지 않고 태양폭발현상의 중요한 관측 가능 인자를 발견하기 위한 것입니다. 또한 이러한 시뮬레이션의 결과는 태양폭발현상에서의 입자가속과정을 이해하기 위한 테스트입자 시뮬레이션의 배경 전자기장으로 활용될 수 있습니다.

<그림1. 소규모 자속관들의 결합에 의해 만들어진 대형 자기나선구조의 분출 (최광선 교수 팀의 시뮬레이션 결과)>

때때로 태양으로부터 방사되는 KeV에서 GeV규모의 양성자와 전자를 지구 근접 궤도에서 탐지할 수 있습니다. 이러한 현상을 태양의 고에너지입자현상(SEP)이라고 부릅니다. 이러한 SEP들은 태양플레어나 코로나물질방출(CME)에 의해 발생합니다. CME와 관련된 고에너지 입자들은 CME의 진행보다 앞서 있는 충격파에서 가속되는 것으로 추정됩니다. 입자의 가속과정을 연구하기 위해서 우리는 각각의 태양폭발현상의 자기유체역학적(MHD) 시뮬레이션으로부터 도출한 시간의 함수인 전자기장을 배경으로 테스트입자 시뮬레이션을 수행할 것입니다. 이러한 시뮬레이션은 (1) 입자가속 지역을 확인하고, (2) 가속 메커니즘을 상세히 규명하며, (3) 그 결과로서 나타나는 입자의 에너지와 속도 분포를 도출하는 것을 목적으로 합니다. SSR에서 제작할 탑재체는 달궤도에서 고에너지 입자의 분포함수를 측정할 것입니다. 이 결과는 우리의 입자예측모형에 피드백되어, 그 모형을 향상시키는 데에 기여할 것입니다.

태양폭발현상은 대규모 플라스마분출물(행성간 CME, 플라스모이드 등으로도 불림)을 행성간 공간으로 방출하며 그 중 일부는 지구궤도에까지 이르러 지자기폭풍과 같은 우주기상의 변화를 야기합니다. 분출물의 자기장은 나선형의 플럭스로프 형태를 하고 있다고 일반적으로 알려져 있으나, 그 자기력선들이 태양에 연결되어 있는지 혹은 행성간 자기장(IMF)에 연결되어 있는지는 불명확합니다(Gosling, 1995). 자기력선의 광역적 연결상태는 분출물이 태양으로부터 어떻게 벗어날 수 있는지를 이해하는 데에 아주 중요합니다. 우리는 행성간 공간에서 서로 다른 자기력선 연결상태를 가진 분출물들의 운동을 수치모의실험을 통하여 연구할 것입니다. 우리는 특히 달궤도에서 분출물의 자기장과 속도장 분포가 어떻게 될 것인가를 집중적으로 조사할 것입니다. 왜냐하면 이러한 시뮬레이션 연구의 결과는 달궤도 위성관측데이터를 해석하는 데에 사용될 것이기 때문입니다.

<그림 2. 태양발원 자기나선구조에서 가능한 자기력선 연결상태들. 자기력선의 한 끝은 태양에 연결되어 있든지 행성간 자기장에 연결되어 있음(Gosling et al., 1995).>

지자기 부폭풍(substorm)은 태양풍으로부터 수송되어 지자기꼬리에 축적된 자기에너지를 폭발적으로 방출하는, 태양풍-지가기권 에너지, 물질 순환의 근본적인 과정입니다. 부폭풍에 의해 만들어진 고에너지입자들은 플라스마권으로 이동해서 방사선대로 유입되어 환전류(ring current)를 강화시키게 됩니다. 그 광범위한 공간적 스케일 때문에 자기꼬리역학의 연구는 MHD 시뮬레이션이나 다유체 시뮬레이션으로 연구될 수 밖에 없습니다. 그렇게 되면 입자의 가속과 내부자기권으로의 이동은 테스트입자 시뮬레이션으로 다루어질 수 있습니다. 우리는 상호연결된 서로 다른 스케일을 가진 모듈들의 결합으로서 지자기권의 광역적 수치모형을 구축하려고 합니다. 가장 큰 척도 수준에서는 광역적 MHD 시뮬레이션이 사용될 것이며, 다유체 모형, 전자유체-이온입자 혼합모형, 입자-격자 모형 들이 점차적으로 미세한 규모의 역학을 다루기 위해 순차적으로 개발 될 것입니다. 광역적 스케일의 비유체 현상에는 테스트입자 시뮬레이션이 적용될 것입니다. 이와 같이 모듈화된 수치모형 시스템은 미래 우주기상예보 시스템의 핵심적인 부분이 될 것입니다.

<그림 3. 지자기 부폭풍의 각 단계와 그 단계에서 우주에서 관측된 오로라의 영상>

달궤도는 지구로부터 지구반경의 약 60배 정도 되는 일정한 거리에 위치하고 있으며 이것은 지자기 꼬리를 연구하는 데에 있어서 아주 이상적인 조건을 제공합니다. 이 지역에서 중이온의 분포를 연구하기 위해서, 우리는 이동훈 교수가 최근에 개발한 이론적 방법을 적용할 것입니다. 단일이온플라스마와 달리, 멀티이온플라스마는 고유한 공진주파수를 가지고 있습니다. 이러한 공진의 주기는 중이온의 농밀도에 의해 정해지므로, 공진에 의해 발생, 증폭된 전자기파를 통해 우리는 중이온의 국소적 농밀도를 추정할 수 있습니다. 이 방법은 이미 자기권에서 그 활용도가 입증된 것으로(Lee et al., 2008), 우리는 이 기술을 달 궤도를 포함한 원거리 자기꼬리 지역과, 전자기파 자료가 얻어질 수 있는 달표면에 근접한 공간에 적용할 것입니다. 우리의 탐사계획에 포함되어 있는 초열적(supra-thermal) 이온의 측정값은 우리가 추정할 비교적 차가운 배경 이온의 농밀도와 비교될 것입니다.

입자 스케일에서 유체 스케일로 스케일이 달라짐에 따라 비충돌적 플라스마의 물리적 행동이 어떻게 변화하는가는 플라스마 물리학의 가장 근본적인 논제 중 하나입니다. 달은 입자 스케일에서 유체 스케일까지 다양한 규모의 자기장을 포함한 지역들이 존재합니다. 한편, 태양풍, 자기권외피층 , 지자기꼬리를 지나가는 달의 궤도는 광범위하게 상이한 플라스마 환경을 통과합니다. 그러므로, 달에 근접한 플라스마 환경은 플라스마 물리학의 입자-유체 경계 영역 연구에 실험실과 같은 역할을 합니다. 본 연구에서 우리는 우선 충격파와 같은 MHD 불연속면이 어떠한 방식으로 달에 근접한 배경 플라스마의 물리량들에 영향을 주는지를 연구할 것입니다. 본 연구는 태양활동 과 지자기 부폭풍으로 인한 태양풍이나 지자기꼬리의 갑작스러운 변화에 의해 달주변 우주환경이 어떻게 변화하는지를 예측하기 위한 것입니다. 두번째로, 우리는 태양풍이나 지자기권과 달 사이 경계면 근방에서 플라스마의 미세척도 현상들을 연구 할 것입니다. 본 연구팀은 발사될 탑재체로부터 실제 데이터를 확보하기 전에, 입자 시뮬레이션과 입자운동론에 의거해 전자기장의 변화와 입자들의 동역학을 연구할 것입니다.