[과학핫이슈]인공위성의 길 '궤도'

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천리안 2A호 비행상상도
<천리안 2A호 비행상상도>

최근 우리나라의 인공위성 두 기가 연달아 우주로 발사됐다. 지난 4일 새벽에는 KAIST 인공위성연구소가 '차세대 소형위성 1호'를 발사했고, 이튿날인 5일 새벽에는 한국항공우주연구원의 '천리안 2A호'가 성공적으로 우주에 올라 이목을 끌었다. 내년에도 또 인공위성 발사계획이 있다. 천리안 2A호의 쌍둥이 격인 '천리안 2B호'가 발사된다.

이렇게 우주로 향한 인공위성은 각각 임무 수행을 위해 지구 주변을 돈다. 한 번 위치를 잡으면 기능을 유지하는한 더이상 높아지지도, 낮아지지도 않고 '각자의 길'을 간다.

이 길을 '인공위성 궤도'라고 한다. 궤도는 특정 물체가 외부의 힘에 영향을 받아 다른 물체 주위를 도는 길을 뜻한다. 인공위성의 경우 중력의 영향을 받는다.

대표적인 인공위성 궤도로는 저궤도와 정지궤도가 있다. 차세대 소형위성 1호는 저궤도를 돈다. 저궤도는 지구와 가장 가까운 궤도다. 해발고도 2000㎞ 미만으로, 통상 500~1500㎞ 정도가 인공위성 저궤도다. 이 무렵부터 대기 밀도가 거의 '0'에 가까워진다.

천리안 2A호는 정지궤도에 위치한다. 정지궤도는 지구 적도 상공 3만5786㎞의 궤도를 뜻한다. 정지궤도 위성은 서울과 부산 사이 거리보다 90배나 멀리 떨어진 곳 우주를 유영한다.

정지궤도위성은 지상에서 볼 때 마치 정지한 것처럼 보인다. 다른 궤도의 위성과 마찬가지로 빠른 속도로 움직이지만, 지구 자전 주기와 위성 공전 주기가 같기 때문이다.

인공위성이 궤도를 달리해 지구를 도는 이유는 각 궤도가 가진 장단점 때문이다. 위성의 기능과 역할에 맞게 궤도를 선택한다.

저궤도위성은 정지궤도위성에 비해 40~50배나 가까운 고도상 이점으로 황사, 미세먼지, 빙하, 해빙 및 기후변화 원인물질 등을 더 정밀하게 관측할 수 있다. 따라서 최근 전 세계적으로 관심이 집중되고 있는 북극 감소, 해수면 고도 상승, 극한 기후현상을 유발하는 엘니뇨·라니냐 현상을 집중 감시하고 황사나 미세먼지 관련 중요한 정보를 제공한다.

지구에 가깝기 때문에 아름다운 지구 광경을 촬영하기에도 적합하다. 대기 밀도 역시 희박해 대기 영향을 받지 않는다는 특징도 있다. 실제로 지구 영상의 대부분은 이 궤도에 위치한 인공위성이 촬영한다.

정지궤도는 위성을 항상 일정한 곳을 바라본다는 점이 대체할 수 없는 장점이다. 시시각각 위치가 변하는 저궤도 위성과 달리 상시 한 곳을 바라보며 임무를 수행한다. 기상이나 환경, 재난을 상시 감시할 수 있고, 통신이나 방송을 중계하는 것에도 특화돼 있다.

다른 궤도로는 극궤도와 타원궤도 등이 있다. 이 가운데 극궤도는 저궤도와 유사하지만 북극과 남극을 잇는다는 특징이 있다. 이 곳을 도는 위성은 지구 전체표면을 관측할 수 있다. 이 덕분에 전 지구를 대상으로 한 기상위성, 관측위성, 군사위성으로 활용할 수 있다.

타원궤도는 마치 계란 모양의 타원으로 지구를 도는 궤도다. 지구로부터의 거리가 일정하지 않아, 위치별 속도도 다르다. 지구에 가까운 근지점에서는 아주 빠른 속도로 움직이고, 원지점에서는 느려진다. 정지궤도 위성과 통신할 수 없는 고위도 지방에서 통신이나 방송용으로 활용한다. 근지점을 지구 남반구에 형성하면 북반구보다 훨씬 오래 머무르기 때문에 고위도 국가에서 널리 사용하고 있다.

그렇다면 이들 궤도보다 낮은 고도에서 인공위성 궤도를 이룰 수 없는 없을까? 답은 '불가능하다'이다.

이유는 공기저항에서 찾을 수 있다. 낮은 궤도일수록 대기가 짙어지고 인공위성과 대기 사이 마찰도 심해진다. 인공위성이 쉽게 부서지고 지상에 떨어지기 쉽다. 200㎞ 이하 고도에서는 아예 궤도 형성이 불가능하다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com