챗봇 vs 오존층

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*케슬러 증후군 (Kessler Syndrome)*에는 제안된 거대 군집 위성 (megaconstellations)이 환경, 특히 CO2 및 블랙 카본 (black carbon)으로 인한 지구 온난화와 오존층 파괴에 미치는 영향에 대한 짧은 섹션도 포함되어 있었습니다. 3개월 전, Anton Petrov는 이 중 마지막 항목을 다음 논문에서 조사한 바 있습니다.

인터넷 위성 군집으로부터의 오존층 파괴 위험과 로켓 연료 (Risk of Ozone Layer Destruction from Internet Satellite Swarms and Rocket Fuel). 그는 이제 다음과 같은 후속 연구를 내놓았습니다.

SpaceX는 인지하지 못한 채 우리 대기에 거대한 화학 실험을 수행하고 있다 (SpaceX Is Conducting a Giant Chemical Experiment on Our Atmosphere Without Realizing). 본문 아래에서는 Petrov가 인용한 논문들과 몇 가지 다른 논문들을 살펴봅니다.

관련 논문들은 날짜순으로 다음과 같으며, 각 초록의 발췌문이 포함되어 있습니다:

로켓 발사 및 우주 쓰레기 대기 오염 물질 배출이 성층권 오존 및 지구 기후에 미치는 영향 (Impact of Rocket Launch and Space Debris Air Pollutant Emissions on Stratospheric Ozone and Global Climate), Robert Ryan 외 (2022년 6월 9일):

로켓은 다른 인위적 오염원과 달리, 상층 대기에 기체 및 고체 화학 물질을 직접 배출합니다. 우리는 2019년 로켓 발사로부터 발생한 이러한 화학 물질의 목록과 향후 성장 및 추측되는 우주 관광 활동에 대한 전망치를 수집했습니다. 우리는 이를 3D 대기 화학 모델에 통합하여 기후와 보호층인 성층권 오존층에 미치는 영향을 시뮬레이션했습니다. 연구 결과, 현재의 로켓으로 인한 오존 손실은 미미하지만, 일상적인 우주 관광 발사는 북극 봄철 상층 성층권의 오존 결핍을 되돌리려는 몬트리올 의정서 (Montreal Protocol)의 진전을 저해할 수 있음을 발견했습니다. 로켓에서 발생하는 BC (또는 그을음) 입자 또한 큰 우려 사항인데, 이는 다른 모든 그을음 발생원을 합친 것보다 대기를 가열하는 효율이 거의 500배 더 높기 때문입니다. 4년 전에도 이미 우주 산업이 오존을 고갈시키고 지구 온난화를 악화시키고 있다는 사실이 명확했다는 점에 유의하십시오. 하지만 이는 제안된 거대 군집 위성 (mega constellations)의 규모가 분명해지기 전의 일이었습니다.

성층권 에어로졸 입자 내 우주선 재진입 금속 (Metals from spacecraft reentry in stratospheric aerosol particles), Daniel Murphy 외 (2023년 9월 7일):

지금까지 우주선 재진입 (reentry) 모델은 기화되는 금속의 운명보다는 지표면까지 생존하여 도달하는 물체들이 초래하는 위험을 이해하는 데 집중해 왔습니다. 본 연구에서 우리는 우주선 재진입 과정에서 기화된 금속들이 성층권 황산 입자 (stratospheric sulfuric acid particles) 내에서 명확하게 측정될 수 있음을 보여줍니다. 재진입 과정에서 발생한 20개 이상의 원소가 검출되었으며, 이들은 우주선에 사용된 합금 (alloys)과 일치하는 비율로 존재했습니다. 우주선 재진입으로 인한 리튬 (lithium), 알루미늄 (aluminum), 구리 (copper), 납 (lead)의 질량은 해당 금속들의 우주 먼지 유입량 (cosmic dust influx)을 초과하는 것으로 나타났습니다. 직경 120 nm보다 큰 성층권 황산 입자의 약 10%가 우주선 재진입에서 유래한 알루미늄 및 기타 원소들을 포함하고 있습니다. 향후 수십 년 내에 계획된 저궤도 (low earth orbit) 위성 수의 증가는 성층권 황산 입자의 최대 절반이 재진입 금속을 포함하게 만들 수 있습니다. 재진입 연소 (reentry burn)의 상당 부분은 성층권 위에서 발생하며, 알루미늄 나노입자 (aluminum nanoparticles)가 수집된 높이까지 떠내려오는 데는 시간이 걸립니다. 따라서 10%라는 수치는 재진입 횟수가 2020년대보다 적었던 이전 시기의 오염을 나타냅니다. Murphy는 다음과 같이 언급합니다:

대부분의 유성 질량 (meteoric mass)은 매우 많은 수의 서브 밀리미터 (sub-millimeter) 유성체들에 의해 75110 km 고도 사이에 퇴적됩니다. 반면, 더 크고 더 느리게 이동하는 재진입 우주선은 약 300 km 길이의 흔적 (footprint)에 걸쳐 4070 km 사이에서 절제 (ablate)됩니다.
그의 샘플은 19km 고도에서 수집되었습니다.

메가 컨스텔레이션 시대의 대기 재진입 중 위성 소멸로 인한 잠재적 오존층 파괴 (Potential Ozone Depletion From Satellite Demise During Atmospheric Reentry in the Era of Mega-Constellations)
by José P. Ferreira 외 (2024년 6월 11일):

이 논문은 원자 규모의 분자 동역학 (Molecular Dynamics) 시뮬레이션을 활용하여 대기 재진입 (Atmospheric Reentry) 과정 중 위성의 알루미늄 성분이 산화되는 과정을 조사합니다. 연구 결과, 2022년 재진입한 위성들의 수로 인해 대기 중 알루미늄 농도가 자연 수준보다 29.5% 증가하였으며, 그 결과 약 17 메트릭 톤의 산화 알루미늄 (Aluminum Oxides)이 중간권 (Mesosphere)에 주입되었습니다. 거대 군집 위성 (Mega-constellations)이 실현되는 미래 시나리오에서는 위성 재진입으로 인해 발생하는 부산물이 연간 360 메트릭 톤 이상에 달할 수 있습니다. 산화 알루미늄 나노입자 (Aluminum Oxide Nanoparticles)는 대기 중에 수십 년 동안 머물 수 있으므로, 심각한 오존층 파괴 (Ozone Depletion)를 유발할 수 있습니다. Ferreira 외 연구진은 재진입과 나노입자가 오존층에 도달하여 이를 파괴하기 사이의 잠재적인 긴 지연 시간을 확인했습니다:

우리는 이러한 재진입 부산물이 중간권 상부에서 성층권 오존층 (Stratospheric Ozone Layer)으로 가라앉는 데 최대 30년이 걸릴 수 있음을 발견했습니다. 약 40km 고도에 도달하면, 산화 알루미늄은 염소 활성화 (Chlorine Activation)를 촉매하여 오존층 파괴를 촉진합니다. 이는 산화 알루미늄 화합물의 농도가 성층권 오존층에 도달하기 훨씬 전부터 중간권에서 증가하기 시작할 수 있음을 시사합니다. 이는 궤도 물체가 퇴역(Decommissioned)되어 주입 과정이 시작되는 시점과 성층권에서 최종적인 오존층 파괴 결과가 나타나는 시점 사이에 눈에 띄는 지연이 발생함을 의미합니다.

Investigating the Potential Atmospheric Accumulation and Radiative Impact of the Coming Increase in Satellite Reentry Frequency by Christopher Maloney 외 (2025년 3월 21일):

재진입 소멸 (reentry demise)에 대한 관측과 검증된 모델의 부족은 재진입과 관련된 복잡한 에어로졸 (aerosols)을 시뮬레이션하는 능력을 제한하며, 이는 기후 영향을 추정하는 것을 어렵게 만듭니다. 알루미늄 (Aluminum)은 위성의 주요 구성 요소이며, 재진입 기화 과정에서 알루미나 (alumina) 형태로 방출될 가능성이 높습니다. 변형되지 않은 알루미나는 금속 재진입 에어로졸 (metallic reentry aerosol)에 대한 유용한 근사치입니다. 본 연구에서는 재진입하는 우주 쓰레기로부터 연간 10,000 메트릭 톤의 알루미나가 방출될 가능성을 시뮬레이션합니다. 우리는 대기 축적 위치, 에어로졸 크기 분포, 그리고 재진입 알루미나의 복사 특성 (radiative properties)이 중간 대기 (middle atmosphere)에 어떤 영향을 미치는지 조사합니다. 연구 결과, 양쪽 반구의 고위도 1030km 사이에서 20,00040,000 메트릭 톤의 알루미나가 축적됨을 발견했습니다. 중간권 가열률 (mesospheric heating rates)의 미세한 변화는 고위도 중간 대기에서 1.5-K의 온도 이상 (temperature anomalies)을 초래합니다. 이러한 온도 이상은 극소용돌이 (polar vortex) 내의 풍속 변화를 동반합니다. 따라서 오존층에 미치는 영향뿐만 아니라 기후에 미치는 열적 영향도 존재합니다.

근미래의 로켓 발사가 오존층 회복을 늦출 수 있음 (Near-future rocket launches could slow ozone recovery) by Laura Revell 외 (2025년 6월 9일):

발사 산업이 성장함에 따라 상당한 오존 손실이 발생할 수 있는지 이해하기 위해, 우리는 두 가지 시나리오를 검토합니다. 우리의 '야심 찬 (ambitious)' 시나리오(연간 2040회 발사)는 2030년에 연간 평균, 전 지구적 총 기둥 오존 (total column ozone)에서 -0.29%의 감소를 초래합니다. 남극의 봄철 오존은 3.9% 감소합니다. 우리의 '보수적인 (conservative)' 시나리오(연간 884회 발사)는 연간 -0.17%의 전 지구적 감소를 초래하며, 현재의 허가율은 이 시나리오가 2030년 이전에 초과될 수 있음을 시사합니다. 오존 손실은 고체 로켓 모터 추진제에서 생성되는 염소와 대부분의 추진제에서 배출되는 블랙 카본 (black carbon)에 의해 발생합니다. 오존층은 CFCs (염화불화탄소)의 영향으로부터 천천히 회복되고 있지만, 전 지구 평균 오존 농도는 여전히 CFC 유도 오존 파괴가 시작되기 전 측정된 수치보다 2% 낮습니다. 우리의 연구 결과는 지속적이고 빈번한 로켓 발사가 오존 회복을 지연시킬 수 있음을 보여줍니다. 발사 산업의 미래 성장과 오존 보호가 상호 지속 가능하도록 하려면 지금 조치가 필요합니다. 이 논문은 재진입 (reentry)이 아닌 발사로 인한 오존 파괴만을 다룬다는 점에 유의하십시오. 하지만 그들의 '야심 찬' 시나리오인 일일 5.6회 발사는 다른 계획된 메가 컨스텔레이션 (megaconstellations)은 말할 것도 없고, 머스크 (Musk)의 야망에는 훨씬 못 미치는 수준입니다. 제가 이해하기로 그들의 시나리오에 포함된 연간 2040회의 발사는 Falcon 9급 발사체 기준이지만, "발사의 4.4%만이 재진입을 위해 설계된 발사체를 사용한다"는 점은 비현실적입니다. 하지만 메가 컨스텔레이션은 Falcon 9만으로는 구축하거나 유지할 수 없습니다.

Will Lockett는 마땅히 그래야 하듯, 머스크의 주장에 회의적입니다.

Musk’s Orbital Data Centre Idea Is Getting More Stupid By The Day에서 그는 머스크가 주장하는 것처럼 Starship으로 구축된다고 가정하되, 머스크의 타임스케일보다 더 긴 15년 이상의 기간을 상정하여 해당 "백만 개 위성 데이터 센터"를 분석합니다:

이를 달성하기 위해서는 매년 120,000개의 위성을 발사해야 합니다. 15년 동안 총 180만 개의 위성을 발사하게 되지만, 그중 800,000개는 실패할 것이며(우리의 9% 실패율 적용 시), 결과적으로 총 100만 개의 운영 가능한 위성 함대(fleet)가 남게 됩니다. 이는 연간 3,158회의 Starship 발사, 즉 하루에 거의 9회의 발사에 해당합니다. 참고로, 현재 Starship의 발사 횟수는 연간 단 5회에 불과합니다. 즉, 15년 동안은 하루에 9회 발사하고, 그 이후에는 Falcon 9보다 훨씬 더 크고 완전히 재사용 가능한(re-usable) 로켓을 사용하여 무기한으로 하루에 6.4회를 발사해야 한다는 뜻입니다.

...

100만 개의 위성을 군집(constellation) 상태로 유지하기 위해서는 유지보수가 필요합니다. 따라서 SpaceX는 매년 실패한 군집의 약 9%를 교체하기 위해 90,000개의 AI Sat Minis를 발사해야 합니다. 이는 연간 2,368회의 Starship 발사, 즉 하루에 6.4회에 해당합니다.

물론, 이러한 주장들은 터무니없습니다. 물류적으로나 경제적으로나 실현 불가능합니다. 하지만 Starship이나 Blue Origin과 같은 경쟁사가 신뢰할 수 있고 재사용 가능한 100톤급 LEO(저궤도) 발사체를 만들어낸다고 가정한다면, LEO에는 훨씬 더 많은 질량(mass)이 존재하게 될 것이며, 대기권으로 재진입하는 질량 또한 훨씬 더 많아질 것입니다.

Falcon 9 로켓의 통제되지 않은 재진입(re-entry)에서 발생하는 리튬 플룸(lithium plume) 측정 Robin Wing 작성

et al(19th February 2026):

독일 퀼룽스보른(Kühlungsborn)의 공명 라이다(resonance lidar)를 통해 Falcon 9 상단부의 통제되지 않은 재진입(re-entry) 약 20시간 후, 96km 고도에서 리튬 원자(lithium atoms)가 10배 증가한 것이 감지되었습니다. 바람을 계산하기 위해 ECMWF로 강제(nudged)된 ICON 일반 순환 모델(general circulation model)의 상층 대기 확장 모델이 사용되었습니다. 레이더로 측정된 바람의 변동성을 포함한 역궤적(Backwards trajectories) 분석 결과, 공기 덩어리는 아일랜드 서쪽 100km 고도의 Falcon 9 재진입 경로를 따라 추적되었습니다. 본 연구는 우주 쓰레기(space debris) 재진입으로 인한 상층 대기 오염에 대한 첫 번째 측정 사례이자, 우주 쓰레기의 절제(ablation) 현상을 지상 기반 라이다(lidar)로 감지할 수 있다는 첫 번째 관측 증거를 제시합니다. 지자기 조건, 대기 역학 및 전리층(ionospheric) 측정값에 대한 분석은 해당 농도 증가가 자연적인 기원이 아니라는 주장을 뒷받침합니다. 우리의 연구 결과는 오염 물질을 식별하고 그 근원을 추적하는 것이 가능하다는 것을 보여주며, 이는 대기 중 우주 배출물(space emissions)을 모니터링하고 완화하는 데 중요한 시사점을 제공합니다. 리튬 및 기타 우주선 구성 요소가 오존층(ozone layer)에 미치는 영향은 알루미늄(aluminum)과 비교했을 때 아직 연구되지 않은 것으로 보입니다. 공정하게 말하자면, 알루미늄의 양이 훨씬 더 많을 것입니다.

Radiative Forcing and Ozone Depletion of a Decade of Satellite Megaconstellation Missions 작성

Connor Barker et al(2026년 5월 14일):

우리는 거대 위성군 (Megaconstellation) 시대의 시작(2020–2022년)을 포괄하는 발사 및 재진입 배출량의 글로벌 인벤토리 (Global inventory)를 사용하며, 2020–2022년의 성장률을 기반으로 이를 2029년까지 투영합니다. 우리는 이 인벤토리를 3D 대기 화학 모델 (3D atmospheric chemistry model)에 적용하여 거대 위성군이 오존층 (Ozone layer)과 기후에 미치는 영향을 결정합니다. 연구 결과, 모든 미션 유형으로 인한 전 지구적 성층권 오존 고갈 (Stratospheric ozone depletion)은 지표면 배출원과 비교했을 때 상대적으로 작으며, 거대 위성군 미션은 이 고갈의 약 10분의 1만을 차지하는 것으로 나타났습니다. 이는 거대 위성군을 발사하는 로켓들이 거의 모두 블랙 카본 (Black carbon) 또는 그을음 (Soot) 입자의 주요 발생원인 등유 (Kerosene)를 사용하지만, 오존을 직접 파괴하는 염소 (Chlorine)와 같은 화학 물질은 사용하지 않기 때문입니다. 로켓에서 발생하는 그을음은 태양광을 흡수하여 대기 상층부를 가열하고, 지구의 하층 대기에 도달하는 태양광의 양을 감소시켜 대기를 냉각시킵니다. 거대 위성군 미션은 이러한 기후 효과의 약 절반을 차지합니다. 이러한 관점에서, 거대 위성군을 발사하는 로켓과 기타 미션들은 잠재적인 의도치 않은 결과에 대한 숙고 없이 수행되는 소규모 성층권 에어로졸 주입 (Stratospheric aerosol injection) 실험과 같습니다. 다시 한번 말씀드리지만, 본 논문은 재진입이 아닌 발사로 인한 대기 영향만을 다룹니다. 또한, 2020-2022년의 발사율은 제안된 "백만 위성 데이터 센터 (Million satellite data center)" 및 그 경쟁 모델들보다 훨씬 낮으며, 훨씬 더 작은 로켓을 사용합니다.