지금은 흔한 일상이 되어 기상 뉴스에서 시큰둥하게 보는 비구름, 태풍 등의 직접적인 분석 사진들은 기상관측을 목적으로 지구 궤도에 올려진 인공위성으로 촬영한 사진들이다. 인류 최초의 인공위성인 구소련의 스푸트니크1호가 1957년에 발사되었으므로 인류가 거대한 기상변화를 눈으로 볼 수 있게 된 것은 60년이 채 되지 않는다. 우리나라의 기상 사진은 기상청 소속 국가기상위성센터가 정지궤도에 올려진 천리안 위성 1호와 2A호를 통해 관측한 데이터를 분석하여 공개한 것이다.
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| ▲ 천리안 2A호. 출처: 국가기상위성센터 |
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| ▲ 천리안 2A호가 촬영한 일기도. 출처: 기상청 |
위성은 행성 등의 천체 주변을 공전하는 천체를 의미하는데, 지구를 주기적으로 돌고 있는 달이 좋은 예이다. 인공위성은 이러한 위성의 공전운동을 통해 지구 및 우주 관측, GPS 및 방송 서비스 제공, 군사용 정찰 등의 목적을 수행하기 위한 인공구조물이다. 지구를 공전하는 인공위성은 지구 중력을 기반으로 원 또는 타원의 궤도를 따라 움직인다. 궤도는 중력이나 전자기력 등의 영향을 받아 어떤 물체 주위를 도는 물체의 경로를 말한다. 달이 지구 주위를 도는 경로가 궤도인 것이다.
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| ▲ 위성의 궤도와 고도. 출처: 한국항공우주연구원 |
궤도는 일반적으로 지구의 평균해수면으로부터의 높이인 고도에 따라 구분하는데 200~2000km 구간을 저궤도(Low Earth Orbit), 2000~3만6000km 구간을 중궤도(Medium Earth Orbit), 그리고 3만6000km 이상을 고궤도(High Earth Orbit)라 한다. 고도 200km 이하에서는 대기 저항에 의한 마찰열로 인공위성이 불타게 되므로 운용이 불가능하다. 저궤도의 위성은 지구와 가깝게 돌고 있으므로 지구의 여러 광경을 보기에 유리하여 해양 및 기상관측, 지구 자원탐사, 촬영을 통한 군사 목적의 정찰 등에 이용된다. 또한 유인 우주시스템인 국제우주정거장, 스페이스 셔틀 등이 이 궤도상에서 운용되는데 이는 지구와의 거리가 가까워 통신, 운송비, 연료 비용 등의 효용성이 크기 때문이다.
특징을 가지는 저궤도로는 동일한 현지 태양 시간에 지구 표면의 특정 지점을 통과하도록 설계된 태양동기궤도, 지구 자전축에 수직이면서 적도를 따라 공전하는 저적도궤도, 북극과 남극의 상공을 통과하는 극궤도 등이 있다. 중궤도의 대표적인 유형은 2만km에 위치한 GPS(Global Positioning System)용 궤도이다. GPS용 위성은 우리가 흔히 아는 내비게이션 등의 위치정보서비스를 제공하는 기기가 자신의 위치를 삼각측량법으로 계산하기 위해 이용하는 위성 신호를 발신하는 위성으로 하루에 2번 지구를 공전한다. 비록 특정 지역을 하루에 2번밖에 통과하지 않으나 24대 이상의 GPS용 위성들이 적절히 중궤도에 분포·배치되어 있어 24시간 위치 확인 서비스를 이용할 수 있다.
중궤도와 고궤도의 경계인 고도 3만6000km에는 금싸라기 같은 궤도가 있는데 바로 정지궤도(Geo-synchronous Orbit)이다. 정지궤도는 지구의 자전주기와 동일한 공전주기를 가지도록 설계된 적도 상공의 궤도로 인공위성이 특정 지역에 고정되어 있는 것처럼 보여 정지궤도라 불린다. 고도와 위도가 고정되어 있어 경도 360도 범위에서만 배치가 가능하므로 그 희소성이 커 궤도로서의 가치가 아주 높다. 무엇보다 특정 상공에 고정됨으로써 해당 상공 아래 위치한 지역에서는 고정된 인공위성을 이용할 수 있어 운용의 안정성과 연속성 그리고 효용성이 높은 궤도이다. 정지궤도의 둘레는 지구 지름의 3배 정도 되어 경도 1도마다 인공위성을 배치한다면 대략 100km의 간격을 갖게 된다.
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| ▲ 원궤도와 타원궤도. 출처: 한국항공우주연구원 |
지구의 최외각 궤도인 고궤도는 타원궤도로 타원형의 두 초점 중 하나에 지구를 두고 있으며, 지구와 가장 가까운 궤도지점을 근지점, 가장 먼 지점을 원지점이라 부른다. 고궤도는 근지점이 약 600km, 원지점은 약 4000km로 큰 이심률을 가진다. 이심률은 타원이 원에서 얼마나 벗어나 있는지를 나타내는 지수이다. 타원궤도에서 인공위성은 일반적으로 원지점에서 느리게 움직이고 근지점에서 빠르게 움직인다. 이러한 차이가 발생하는 이유는 바로 인공위성에 작용하는 중력이 다르기 때문이다. 타원궤도를 따라 움직이는 인공위성이 지구 가까이 오게 되면(근지점) 지구 중력으로 인해 빠르게 움직이게 되고, 지구로부터 멀어지게 되면(원지점) 지구 중력의 영향력이 낮아져 느리게 움직이는 것이다. 쥐불놀이를 생각해 보자. 줄을 짧게 잡고 돌리면 속도가 빠르지만, 줄을 길게 잡고 같은 정도의 힘으로 돌리면 느리게 회전운동이 이루어지는 것을 경험적으로 알 수 있다. 고궤도의 대표 궤도는 몰니야(Molniya) 궤도이다. 타원궤도의 일종인 몰니야 궤도는 적도면에 대해 약 63.4도 각도로 기울어져 있는데 고위도에서 원지점을 가져 느리게 움직이므로 고위도 지역의 통신과 방송에 유용하게 활용된다.
인공위성은 궤도의 고도와 모양에 따라 공전 속도가 달라질 수 있다. 이는 앞서 타원궤도에서 원지점과 근지점에서의 인공위성의 속도 차이가 발생하는 것과 같은 이유이다. 즉, 인공위성이 받는 지구 중력의 크기가 다르기 때문이다. 원형인 원궤도는 평균적으로 균일한 고도이기 때문에 인공위성의 이동속도가 일정하나, 타원궤도는 궤도상의 위치에 따라 계속해서 변화한다. 이밖에 인공위성의 속도에 영향을 미치는 요인으로 대기의 저항, 태양풍, 다른 천체의 중력 작용 등이 있다.
지구 궤도와 그 위를 계속해서 움직이고 있는 인공위성을 살펴보며 우리 삶도 이와 유사함을 깨닫게 된다. 궤도는 삶의 반복성을, 지구의 중력은 우리 가슴 속에 있는 삶의 실제적인 갈망을 나타낸다. “생각한 대로 살지 않으면 사는 대로 생각한다”(폴 부르제, 프랑스)는 말이 있다. 매일 매일 반복되는 삶인 것 같아도 우리가 어떤 가치를 실제로 갈망하는지에 따라 그 궤도는 달라진다. 내 입에서 나오는 갈망이 아니라 내 삶에서 실제로 실행되고 있는, 갈망되고 있는 가치 말이다. 우주에 존재하는 모든 것들은 다 각자의 원리에 따라 움직이고 변화하는 것 같아도 모두 동일한 법칙의 원리를 따르고 있음을 다시 한번 확인하게 된다.
이영두 공학박사
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[우주 기술과 응용] 생각한 대로 살지 않으면 사는 대로 생각한다 - 울산저널i
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