태양활동은 왜 주기적인가?

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2024년 4월 8일 개기일식이 일어나면서 태양에 대한 관심이 다시 높아졌다. 특히 2024년은 태양 흑점 활동이 심해지고 있기 때문에 전파통신과 송전 시스템 등에 장애를 일으키고, 고공과 우주를 비행하는 사람들의 건강에 위험을 줄 수 있다고 염려한다.

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태양 표면에 흑점이 다수 나타났다가 차츰 없어지는 변화는 평균 11년(9-14년)을 주기로 일어난다. 흑점 수가 최대가 되면 표면에서 일어나는 폭발 활동이 극대가 되어 태양풍이라 불리는 우주방사선이 강력하게 쏟아져 나오고, 흑점 수가 최소가 되면 그런 활동이 안정된다. 태양활동주기(solar cycle)라 부르는 이런 현상은 왜 일어나는가? 태양활동의 변화는 지구에 어떻게 영향을 미치는가?

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지구와 가장 가까운 별인 태양을 연구하는 과학자는 ‘생명체의 절대 존재’를 최전선에서 바라보고 있다. 태양 과학자들에게 절대적으로 필요한 연구의 하나는 태양이 왜 주기적으로 극대에서 극소로 활동 상황이 변하는가 하는 것이다.

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맨눈으로는 태양을 똑바로 바라보기 어렵다. 망원경이 없던 시절에는 태양 표면에 어떤 변화가 나타나는지 알 수 없었다. 1610년에 갈릴레오는 처음으로 태양 표면에서 흑점을 발견했고, 태양이 1회 자전하는 27일 동안에 흑점도 함께 돌아간다는 사실을 발견했다.

 

 

그 후 독일의 천문학자 슈바베(Heinrich Schwabe 1789-1875)는 1826-1843년 사이에 태양을 직접 관측하기도 하고, 동시에 태양에 대한 과거의 관측 기록들을 분석한 결과, 태양의 흑점들은 약 11년을 주기로 수십 개까지 늘어났다가 전부 없어졌다 하는 것을 확인하게 되었다. 이후부터 태양 흑점이 최다가 되는 때를 ‘태양활동 극대기’라 하고, 반대로 사라진 때를 '태양활동 극소기'라 하게 되었다.

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태양에 대한 관측기술과 장비가 발전하자, 천문학자들은 태양 주변에도 남북극을 축으로 지구처럼 자기장이 형성되어 있고, 태양의 자기장은 지구보다 100배 정도 강력할 뿐만 아니라 자기장의 상태가 매우 복잡하다는 것을 알게 되었다.

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태양의 흑점 발생 원인은?

 

 

 

태양 흑점 발생 원인은 대략 이렇게 설명되고 있다. 태양은 핵융합반응이 일어나는 엄청나게 뜨거운 가스 덩어리이다. 그러한 태양의 중심부에 있는 원자의 핵들은 고열 때문에 부서져 전자와 양성자로 나누어진다. 이때 생겨난 전자들은 음전하의 소용돌이를, 양성자들은 양전하의 소용돌이를 형성하게 되고, 이들이 태양 내부에서 유동하는 동안 태양 주변에 자기장의 소용돌이가 형성된다. 그런데 태양은 빠르게 자전하고 있으므로 형성되는 자기장은 일정하지 않고 매우 혼란스러운 상태이다.

 

 

 

 

태양 표면 320,000km에 걸쳐 커다란 흑점 몇 개가 발생해 있다.

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태양의 표면에서 자기장이 강력하게 집중되는 곳은 주변보다 온도가 낮아지기 때문에 어두운 점으로 보인다. 이것이 흑점이다. 태양 표면의 온도는 약 5,500℃인데, 흑점 부위는 3,500℃ 정도로 낮다.

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태양의 자기장이 지구에 미치는 영향

태양의 자기장 변화가 지구에 어떤 영향을 얼마나 미치는지 아직 확실하게 알지 못한다. 태양의 자기장 북극(magnetic North Pole)과 자기장 남극은 위치가 계속 변하고 있고, 남북극이 서로 바뀌기도 한다.

 

 

 

 

극대기가 되면 자기장이 강력해져 표면에서 이온(전자와 양성자)들이 대량 쏟아져 나온다. 이것을 태양 플레어(solar flare)라 한다. 태양 플레어의 폭발 위력은 수백만 개의 화산이 동시에 터지는 에너지와 비슷하다. 태양 플레어는 빛의 속도로 이동하여 지구까지 8분이면 도착한다. 이 사진은 NASA가 2023년 1월에 태양관측선으로 포착한 태양 플레어이다.

 

 

 

 

태양 표면에서는 플레어 외에 코로나(corona)라 불리는 현상도 일어난다. 코로나는 개기일식 때 태양 표면에서 볼 수 있는 불꽃 같은 것을 말한다. 모습이 왕관의 장식처럼 보여 코로나라는 이름이 붙여졌다.(코로나바이러스 역시 왕관 모양을 닮았다.) 코로나는 플래즈머로 이루어져 있으며, 그곳의 온도는 1,000,000℃에 이른다.

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태양 플레어와 코로나에서 방사된 전자, 양성자, 알파 입자들이(모두를 태양풍이라 함) 지구 대기권에 도달하면 우주기후(space weather)에 변화를 일으킨다. 우주기후란 대기충 상부의 전리층, 지자기권, 외기권, 열권 등의 상태를 말하며, 이온으로 이루어진 태양풍은 지구의 남북극에 극광 현상이 나타나게 하고, 심할 때는 무선통신에 장애를 일으키며, 우주탐사선과 우주선의 비행사, 인터넷과 GPS 시스템 등에 피해가 발생하도록 한다.

 

 

 

 

태양 표면(주로 흑점)에서 일어나는 폭발(태양 플레어)은 수 초에서 수 시간 이어지다가 소멸한다. 위 사진은 NASA의 태양탐사선이 2024년 2월에 촬영한 태양 플레어의 활동 영상이다. 플레어의 각기 다른 모습을 청, 황, 적색 영상으로 보여준다.

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NASA가 2018년에 보낸 태양탐사선과 바로 2년 뒤 유럽우주기구가 보낸 태양탐사선은 모두 태양활동주기에 대한 정보를 얻기 위한 것이었다. 즉 태양활동 극대기가 언제 오는지 미리 알고 그에 대처하려는 것이었다. 현재 천문학자들은 태양활동 극대기가 2025년일 것이라고 추정한다. 그래서 이번 개기일식은 태양활동을 관측하는 좋은 계기가 되었다. 관측 결과는 차츰 알려질 것이다. - YS

 

 

 

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