오로라의 실체? 태양폭풍이 만드는 오로라

오로라(aurora)는 태양에서 방출(放出)되는 플라즈마 입자(전자 또는 양성자)가 지구 대기권 상층부의 자기장과 마찰하여 빛을 내는 광전(光電) 현상이다. 이들 입자의 유래는 주로 태양에서 방출된 것이 대부분인데, 태양풍을 따라 지구 근처에 왔다가 지구 자기장에 이끌려 대기로 진입하는 것이다. 자극(磁極)에 가까운 북반구와 남반구의 고위도 지방, 즉 극지방에 가까울수록 관측이 쉽기 때문에 극광(極光)이라고도 한다. 즉, 북극에서는 북극광, 남극에서는 남극광으로 불린다. 또 지구 이외에 목성, 토성, 화성 등에도 오로라 현상이 있는 것으로 알려졌다.

어원

오로라라는 이름은 황금빛을 의미하는 단어 오르 (Aur- / 프랑스어 or-) 에서 유래했는데, 이는 동틀녘 하늘에 태양에서 황금빛이 발할 때를 의미하는 '새벽', 또는 '신명'이라는 뜻의 라틴어이며 로마신화에서 나오는 '여명의 여신(그리스 여신의 에오스)'이기도 한다. 오로라는 눈처럼 하얗고 장미 향기가 나는 피부를 가진 금발의 아름다운 여신이며 태양신 헬리오스의 누이동생이다. 중위도에서 볼 수 있는 극광이 새벽빛과 비슷하기 때문에 17세기경부터 극광을 오로라라고 부르게 되었다. 새벽을 의미하는 'dawn' 이라는 표현은 영어의 'Dagung'에서 유래하였다.

종류

오로라는 극관(極冠), 글로오로라, 오로라대형(帶型), 중위도(中緯度)오로라 등 크게 셋으로 나뉜다. 이 가운데서 가장 현저한 것이 오로라, 대형 오로라이고, 보통 오로라라고 하면 다시 커튼형오로라, 패치상(狀) 맥동성오로라, 희미한 부정형(不定形)오로라(diffuse auora)로 나뉜다.

분포

오로라가 가장 자주 보이는 곳은 남극 및 북극 양극지방의 지구자기위도 65∼70도의 범위로서 이 지역을 오로라대(auroral zone)라고 한다. 오로라대보다 고위도(극관지역)나 저위도에서의 출현빈도는 감소한다. 출현하는 위도는 지방시(地方時)에 따라 다르며, 야간에는 65∼70도에 많으며, 주간에는 75∼80도로 위도가 높아진다. 이렇게 오로라가 출현하는 위도가 지방시에 따라 변화를 보이기 때문에 오로라출현대(지구를 극지의 상공에서 내려다 보았을 때 동시에 오로라가 보이는 영역)를 오로라대와 구별해서 오로라 오벌(aurora oval)이라고 한다. 일련의 오로라오벌은 대개 2종류의 오로라로 구성되는데, 낮에서 저녁을 거쳐 심야에 이르는 시간에는 커튼형오로라이고, 그 이후 아침까지의 반(半)은 주로 맥동성오로라로서 일반적으로 엷은 배경으로 동반한다. 과거에는 관측장치의 감도부족으로 인해서 맥동성오로라를 충분히 관측할 수 없기 때문에 이 부분을 희미한 부정형오로라라고 했었다.

국제 우주 정거장에 탑재된 엑스퍼디션 28호(Expedition 28)의 승무원이 찍은 오로라(남극권) 항공 비디오

Duration: 34초.0:34

이 촬영 흐름 순서는 2011년 9월 17일 17:22:27 - 17:45:12 (그리니치 표준시-GMT)에 찍은 것이다. 마다가스카르 남쪽에서 오스트레일리아 북쪽(인도양상부)으로 오름차순으로 전개된다.

Duration: 19초.0:19

이 촬영의 흐름 순서는 2011년 9월 7일 17:38:03부터 17:49:15 GMT, 남부 인도양의 남부 프랑스 및 남극 대륙에서 호주 남부까지 촬영되었습니다

Duration: 27초.0:27

이 장면의 연속 촬영은 2011년 9월 11일 13:45:06부터 14:01:51 GMT까지이며, 동부 호주 근교의 아래쪽으로 향하여 뉴질랜드의 동쪽으로 경사지게 통과하면서 전개되었다.

북극권 오로라 - 북미와 북유럽에 걸친 오로라 대역(NOAA)

북미(North America)

유라시아(Eurasia)

이지도는 서로 다른 지자기 활동(geomagnetic activity) 수준에서 오로라의 한밤중의 적도 경계를 보여준다.
Kp = 3은 낮은 지자기 활동 수준에 해당하는 반면 Kp = 9는 높은 수준을 나타낸다.

높이

오로라가 나타나는 높이는 지상 약 80∼수백km의 초고층 대기층이다. 커튼 하단의 높이는 전리층 E층 (100-110km)이고, 커튼 상반부는 400km까지 펼쳐져 있다. 극관글로오로라가 지상 80∼100km, 중위도오로라는 평균적으로 더욱 높아서 지상 300∼600km 등으로 종류에 따라 고도가 다르다. 또 대형오로라는 출현시간, 위도 및 그 종류에 따라 고도가 변화한다. 일반적으로 주간에 고위도에서 출현하는 커튼형오로라는 백수십∼수백km로 높지만, 저녁부터 심야까지는 점차 하강해서 100∼수십백km가 된다. 심야에서 아침까지의 오로라는 주로 맥동성 오로라로서 높이가 커튼형보다 낮아서 90∼100km 정도가 많다.

발광

오로라가 발광하는 곳은 초고층대기이며, 발광색은 공기의 주성분인 질소와 산소의 분자와 원자 및 그 이온이 입사입자(전자·양성자)에 의해 충돌되어 들뜨게 되고 다시 들뜬 입자가 낮은 에너지준위로 떨어질 때 방출되는 고유의 빛이다. 오로라의 대표적인 빛은 산소원자가 방출하는 녹색광(파장 557.7nm) 및 적색광(파장 630nm, 636.4nm), 질소분자 이온이 방출하는 청색 스펙트럼(파장 427.8nm 등), 그리고 질소분자의 적색 또는 핑크색 스펙트럼 등이다. 이들 빛은 각각 높이와 분포지대가 다른데, 예를 들어 산소원자의 적색은 200km보다 높은 곳에서 강하고, 산소원자의 녹색과 질소분자 이온의 청색은 100∼200km에서 강하며 또 질소분자의 핑크색은 높이 100km 이하에서 강하다. 따라서 활동적인 커튼형 오로라는 상부가 진홍빛이고 중앙이 청록색, 하부가 녹색 또는 핑크색 등으로 다채롭다. 오로라 중에는 저녁때의 저위도와 아침녘의 고위도에서처럼 수소의 휘선(輝線)이 보이는 부분이 있거나 헬륨과 나트륨의 빛이 포함되기도 한다.

활동과 원인

달과 오로라

극관 글로 오로라는 태양의 플레어 현상 때 태양에서 직접 날아오는 100만eV 이상의 고에너지 양성자가 직접 극관지방에 입사함에 의한 것이다. 입사입자는 높은 운동에너지를 가진 양성자이기 때문에 대기권으로 침투하는 깊이가 깊고 따라서 오로라 고도는 낮다. 대기권에서 양성자가 전자를 포착해서 중성수소로 변하기 때문에 수소의 휘선(Hα, Hβ 등)이 강하다.

대형 오로라는 항상 변동하며, 가장 현저한 활동은 오벌의 한밤중의 부분에서 밝기가 증가하여 격렬해지기 시작하고 몇 분 사이에 오벌의 폭이 수백km로 확대되면서 폭발적으로 발달한다. 이를 오로라폭풍이라고 한다.

 

태양풍 중의 자기장에서 남향 (지구의 북극에서 남극으로 향한다) 성분이 증가하면 태양풍에서 지구자기권에 유입되는 에너지가 증가하고 그 결과 지구자기권 내에 큰 에너지가 축적된다. 이 에너지에 의해서 자기권 꼬리의 자기중성면 부근에서 입자가 급속하게 가속되고, 다시 지상 수천km 높이 부근의 자기력선에 인접한 전기장에서 속도가 더욱 가속되며 자기력선에 유도되어 초고층대기에 입사된다. 이런 메커니즘을 통해서 입사되는 전자에 의해 발광하는 오로라가 커튼형오로라이다. 커튼형오로라의 높이가 주간에서 저녁때를 거쳐 밤중에 이르는 사이에 점차 낮아지는 것은 이런 가속이 주간보다 야간에 현저하다는 사실을 보여준다. 인공위성과 로켓에 의한 관측에서도 가속전압이 낮에서 밤으로 갈수록 점차 증가한다는 사실이 알려졌다.

 

이와는 달리 자기권 꼬리의 가속과정에서 직접 대기중에 입사되지 않고 일단 자기권내에 머물다가 다시 안쪽으로 진입하여 비교적 안정된 자기권내에 갇혔던 고에너지 입자가 자기적도면 부근에서 플라스마파동과 상호작용을 일으켜 산란됨으로써 대기에 입사되는 과정을 거치는 것도 있다.이런 과정을 통해 입사된 전자에 의해 발광하는 오로라가 맥동성오로라이다.

큰 자기폭풍 때에 자기권내에 갇혀 있던 고에너지 입자군에서 수일에 걸쳐 조금씩 높거나 낮게 누출되는 에너지에 의해 중위도 오로라가 발광한다.

관련 현상

오로라가 폭발적으로 활동할 때에는 일반적으로 오로라와 그 부근의 전리층 내에 강한 서향전류(西向電流)가 흐르고 있는 것이 극자기폭풍의 원인이 된다. 이 전류는 아침까지는 자기권에서 전리층을 향해 유입되어 오로라 속을 서쪽으로 흘러 저녁때에는 전리층에서 자기권으로 유출된다. 전류가 유입되는 영역이 강한 수소휘선이 보이는 영역에 대응되고, 전류가 유출되는 영역이 커튼형오로라의 가장 활발한 부분에 대응된다. 또 커튼형오로라활동에는 ‘오로라히스-오로라킬로미터파’라는 전파가 동반되며, 맥동성오로라의 활동에는 ‘코러스전파’와 지구자기맥동 등이 수반된다.

 

 

240603(월) 조선일보 A26면 1단 '(문홍규의 달에서 화성까지/한국천문연구원 우주탐사그룹장)화려하고 신비한 오로라, 과학자에겐 감시의 대상'

https://www.joongang.co.kr/article/25253702

[문홍규의 달에서 화성까지] 화려하고 신비한 오로라, 과학자에겐 감시의 대상 | 중앙일보

 

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오로라 현상 만드는 태양폭풍
단전 부르고 위성 고장 낼 수도
자기권 없는 달·화성은 무방비
미국선 해군·공군도 태양 연구

 

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“21년 만에 강력한 태양폭풍이 지구를 덮쳤습니다. 미국 중위도 지역에서도 오로라가 목격됐으며 통신, 전력시설의 장애가 우려됩니다.”

지난달 11일 저녁 뉴스다. 같은 날 우주물체 감시 네트워크인 ‘아울넷’(OWL-Net)에도 오로라가 검출됐다. 13일 신문기사는 이렇다. “미국 애리조나에 있는 천문연구원 아울넷 4호기에 오로라가 포착됐고 몽골 1호기와 보현산천문대 5호기에도 잡혔다.” 4호기 전천 카메라에 담긴 붉은빛은 초저녁 하늘의 반을 덮었다가 새벽 지평선을 보랏빛으로 물들이며 춤을 췄다. 우리 눈에 태양은 황백색으로 눈부신데, 자외선과 X선의 눈에는 그 거친 민낯이 그대로 드러난다. 번쩍, 하고 폭발이 일어나 지구보다 더 큰 불기둥이 솟구치는가 하면 그 플라스마 덩어리가 툭, 떨어져 나간다. 자기장에 갇혀있던 고에너지 입자들이 순식간에 터져 나오는 대규모 태양폭풍, 즉 코로나질량방출(CME)이 그것이다. 저에너지 입자의 ‘바람’ , 즉 태양풍 또한 끝없이 흘러나온다.

 

지구는 자기장 가진 거대 자석

지난 2020년 발사된 유럽우주국(ESA )의 태양탐사선 솔라오비터가 태양 가까이 다가가는 모습의 그래픽 이미지. 태양의 코로나와 태양풍, 태양 자기장을 관찰·연구하는 임무를 가지고 있다. [EPA=연합뉴스]

학교에서 배운 것처럼 지구는 거대한 자석인데, 그 자석이 만든 자기장에 태양풍이 쿵, 부딪혀 태양 쪽에 활 모양의 충격파가 발생한다. 그 안쪽은 자기장이 태양풍에 눌려 붙어 탄탄한 방패가 되며, 반대 방향으로 자기력선이 혜성처럼 긴 꼬리를 펼친다. 이게 지구 자기권의 큰 그림이다. 태양 쪽 자기권을 복숭아 반토막이라 치자. 지구가 복숭아씨라면 자기권 겉껍질은 그 10배 거리에 있지만, 반대쪽 꼬리는 지구 지름의 수백 배다. 그 꼭지와 배꼽, 즉 움푹 팬 곳이 자극(磁極)이다. 이 꼭지(지자기 북극)와 배꼽(남극)이 문제다. 태양풍과 태양폭풍(CME)에 취약한 급소이기 때문이다. 지구 바깥 대기를 이루는 기체 입자는 폭풍 입자와 만나 화려한 빛을 낸다. 이게 오로라다.

 

오로라는 폭풍 입자가 폭포수처럼 떨어지는 꼭지와 배꼽 주변에 나타난다. 오로라를 지구 밖에서 내려다보면 도넛 모양인데, 그 폭이 위도로 10도, 거리로는 약 1000㎞다. 그러다가 폭풍이 거세지면 도넛이 팽창하며 올해는 더 강력해져 멕시코와 카나리아 군도, 우루과이와 한국에서도 오로라가 보였다. 역대급 폭풍 입자는 천문연구원이 띄운 ‘도요샛’과 차세대소형위성 2호에 실은 ‘레오도스’(LEO-DOS)에 잡혔다. 도요샛은 전리권의 급격한 변화와 자기장을 따라 들어온 오로라 입자를 관측했으며, 레오도스는 우주방사선이 갑자기 증가한 것을 검출했다. 당장 초대형 폭풍이 몰아치면 도시 전체에 전기가 끊길 수 있다. 게다가 인공위성에 오류가 나거나 불능상태에 빠질지도 모른다. 그런 폭풍은 전리권을 뒤흔들어 차량과 선박·비행체의 항법을 망가뜨리기도 한다. 미 해군연구소(NRL)와 미 공군연구소(AFRL)에서 태양을 연구하는 것은 군 작전에 끼치는 영향이 심각해서다. 태양은 11년 주기로 활발했다가 얌전해지는데 극성을 부릴 때는 하루 세 번, 조용할 때는 닷새에 한 번꼴로 코로나 질량방출이 터진다.

 

우주선(宇宙線·Cosmic Rays)은 광속에 가까운 고에너지 입자로, 90%가 양성자이며, 나머지 9%는 헬륨 핵, 1%는 리튬과 더 무거운 원소다. 우주선은 태양과 우리 은하의 별들, 먼 은하, 즉 거대 블랙홀을 품은 활동성 은하핵에서 오지만, 대부분은 별이 장렬하게 일생을 마치는 초신성 폭발 때 나온다. 그 에너지는 최대 10의 21승 전자볼트(eV)다. 사람이 만든 최대 입자가속기 에너지가 10의 12승 eV대에 머무르는 걸 생각하면 10억 배나 된다! 에너지가 클수록 지구까지 오는 확률은 낮아 10의 16 eV보다 센 것은 매년 1㎡에 1개가 지나갈 뿐이다. 태양폭풍은 기껏 10의 10승 eV지만, 입자 수가 많아 더 위험하다.

 

천문연, NASA 태양풍 연구에 참여

 

태양폭풍이 달과 화성을 강타한다면? 이 두 천체에는 자기권이 없어 폭풍 입자에 무방비 상태다. 40억 년 전 화성은 지구와 비슷한 자기권이 있었지만, 지금은 보호막이 사라져 입자 폭격에 맥을 못 춘다. 기지와 우주복과 탐사차를 설계하려면 과학자들이 제공하는 데이터를 파봐야 한다. 미 항공우주국(NASA)은 달과 화성 표면·궤도에서 태양 활동을 감시하고 이해하고 예측하기 위해 네 가지 목표를 정했다.

 

‘달에서 화성까지’(M2M) 프로젝트의 63개 목표 가운데 태양이 차지하는 비중은 무시할 수 없다. 한국천문연구원은 오는 9월 말, NASA와 국제우주정거장(ISS)에 ‘코덱스’(CODEX)라는 태양 망원경을 올린다. 코덱스는 태양풍이 어떻게 만들어지고 속도가 붙는지 밝혀줄 것으로 기대된다. 천문연구원은 내년 말에는 누리호에 로키츠(ROKITS)라는 카메라를 실어 올린다. 로키츠는 3개의 눈으로 오로라를 찍어 CME의 영향을 예측하는 데 귀중한 단서를 줄 거라고 한다. M2M에 발을 담근 셈이다.

 

최근, 보스턴컨설팅그룹은 미국 연방정부에서 일하기 좋은 직장 순위를 발표했다. 그들은 직업과 조직 만족도, 추천 의사를 물었다. NASA는 이 조사에서 12년 연속 1위를 차지했다. 보건복지부가 2위, 중앙정보국(CIA)과 연방수사국(FBI) 같은 정보기관이 공동 3위로 그 뒤를 이었다. NASA 직원들은 자기 일을 평생의 업이자 역사를 바꾸는 기회로 여긴다. 2주 전, 세상을 뜨겁게 달군 그 폭발 지역이 다시 NASA의 태양우주망원경(SDO)에 잡혔다. 태양은 27일에 한 번 자전하는데, 지구에서 안 보이는 곳에 들어갔다가 다시 돌아 나온 것이다. 천문연구원 SDO 데이터센터의 대형 화면에도 섬광이 나타났다. 과학자들은 며칠 안에 전파장애가 일어날 가능성을 점친다. 오로라는 덤이다!

 

문홍규 한국천문연구원 우주탐사그룹장

 

 

참고자료:

1. 위키백과 '오로라' 전문

2. 240603(월) 조선일보 A26면 1단 '(문홍규의 달에서 화성까지/한국천문연구원 우주탐사그룹장)화려하고 신비한 오로라, 과학자에겐 감시의 대상' 전문