태양 활동

Part 1, Part 2에서는 태양의 내부, 대기 구조를 알아보았다. Part 3에서는 태양 활동에 대해 알아보겠다. 태양에서는 홍염, 플레어, 코로나 질량 방출 등 다양한 종류의 활동이 일어난다.

태양 활동은 태양의 흑점과 흥미로운 관계가 있다. 태양 흑점의 개수 11년의 주기가 있다. 흑점의 개수가 많을 때는 태양 활동이 활발해지며 플레어, 홍염 등이 많이 관측되고 태양풍이 강화되기도 한다. 이때 태양의 활동이 가장 왕성할 때를 태양 극대기(solar maximum), 가장 적은 때를 태양 극소기(solar minimum)이라 한다.

태양 활동은 태양의 자기장과 공전에 밀접한 관련이 있다. 홍염, 플레어, 플라쥐 등 다양한 태양 활동이 잘 일어나는 지역을 활동 영역(active region)이라고 부른다. 활동 영역은 흑점 주위에서 형성되는 경우가 많다. 활동영역의 가장 큰 특징은 자기장이다. 흑점 부근에서는 자기장이 강한데, 흑점군이 서로 다른 극성들로 뒤섞인 경우에도 이를 둘러싸고 있는 영역은 대개 쌍극성의 성질을 가진다. 이러한 영역을 쌍극성 자기 영역(bipolar magnetic region, BMR)이라고 한다.

광구에는 밝은 얼룩무늬를 가진 영역이 존재하는데, 이를 백반(faculae)라고 한다. 흑점은 백반 안에 존재한다. 백반은 활동 영역을 나타내며 주변 영역들에 비해 온도, 밀도가 높다. 백반이 주변 영역보다 밝게 보이는 이유는 여기에 기인한다. 광구의 활동 영역 위의 채층에는 플라쥐(plage)가 존재한다. 플라쥐는 채층에서 밝은 부분이다. 플라쥐가 주변 채층보다 밝은 이유는 백반이 주변 영역보다 밝은 이유과 유사한데, 플라쥐가 나타나는 부분의 채층의 밀도와 온도가 주위 채층보다 높기 때문이다.

홍염

홍염(prominence)는 코로나에 나타나는 불기둥과 같은 현상이다. 홍염은 채층의 구성과 비슷하며 코로나에 비해 상대적으로 낮은 온도를 띄고 있고 주변보다 밀도가 높다. 홍염이 어두운 우주공간을 바탕으로 관측될 때는 밝은 불기둥처럼 보이지만 밝은 광구를 바탕으로 관측되면 어두운 선 형태로 보인다. 이때 홍염을 필라멘트(filament)라고 부르기도 한다. 홍염은 일반적으로 코로나로 뻗은 채층의 가스 흐름이라고 생각된다. 홍염은 정온홍염(quiescent prominence)와 활동홍염(active prominence)로 구분할 수 있다. 정온홍염은 수일 이상 안정적으로 유지된다. 반면, 활동홍염은 수분에서 수시간 짧은 시간동안 지속된다. 그 중 가장 활발한 것은 루프홍염(loop prominence)인데, 평균 1시간 정도로 짧은 시간동안 가스는 BMR의 두 극을 잇는 자력선을 따라 흘러내린다.

플레어

태양플레어(solar flare)는 태양의 대기에서 발생하는 격렬한 폭발이다. 이 일시적인 폭발을 통하여 10억 메가톤 이상의 엄청난 양의 에너지, 광범위한 전자기파와 태양우주선(solar cosmic ray)라고 부르는 고에너지 입자들이 방출된다. 플레어는 일반적으로 플라쥐에서 H\(\alpha\)의 밝기가 강해지는 현상으로 관측된다. 플레어의 크기는 10,000 km에서 300,000 km에 이르는데, 일반적으로 크기가 클수록 더 활동적이다. 플레어는 태양의 극대기에서는 하루에도 몇번씩 일어나며 태양의 극소기에서는 거의 일어나지 않는다.

플레어의 강도를 구분할 때에는 X-선 자료를 이용하며 그 크기에 따라서 A, B, C, M, X 등급으로 구분짓는다. 각 등급 사이에는 10배의 차이가 있으며 X등급 이후에는 뒤에 숫자를 붙여 배수를 표현한다. (예를 들어 X5등급 플레어는 X1등급 플레어에 비해 5배 강한 X선 강도를 가진다.) C등급 플레어는 지구에 영향이 거의 없으며 M등급 플레어는 극지방 통신에 일부 영향을 줄 수 있다.  X등급 플레어는 광범위한 통신 이상을 초래할 수 있으며 인공위성에 실질적인 영향을 줄 수 있다.

지금까지 기록된 태양플레어 중 가장 강력했던 것은 1859년 있었던 캐링턴 사건이다. 당시 플레어의 강도는 X50등급에 달했을 것으로 추정된다. 당시 전기를 사용하는 유일한 정보통신기구가 전보였기에 피해가 비교적 크지는 않았으나 북미, 유럽의 전신망이 마비되고 화재가 발생하는 등의 피해가 있었다. 이러한 사건이 21세기에 발생했다면 전세계적으로 통신 마비, 정전 등 수천조원의 피해가 발생하였을 것이다.

코로나 질량 방출

코로나 질량 방출(coronal mass ejection, CME)은 코로나에서 거대한 플라즈마 덩어리와 자기장이 함께 우주 공간으로 뿜어져 나오는 대규모 태양풍 폭발 현상이다. 빠른 속도로 방출된 코로나 물질의 경우 전면에 충격파가 동반되기도 한다. 다른 태양 활동들과 마찬가지로 활동영역에서 주로 발생하며 태양 표면에서의 자기장과 플라스마 불안정에 의해 발생하는 것으로 추정된다. 플레어와 함께, 코로나 질량 방출은 통신 이상을 초래하며 인공위성에 피해를 입힐 수 있다.

결론

태양은 우리에게 항성 연구의 표준으로 기능한다. 지구에서 가장 가깝고 유일하게 자세히 관측할 수 있는 항성인 태양을 연구함으로써 우리는 다른 항성들의 물리적 작용에 대한 통찰을 얻을 수 있다. 예를 들어 태양의 중심핵의 핵융합 반응 메커니즘, 항성의 내부 구조와 대기 구조를 연구함으로써 이와 비슷한 다른 항성들에 대해 알아갈 수 있다.

또한, 태양은 지구 환경에 절대적 영향을 미친다. 태양은 지구의 생명 활동이 가능하게 한다. 또한 태양풍은 오로라와 같은 신비로운 현상을 일으키며 플레어, 코로나 질량 방출과 같은 현상들은 지구에서 인간의 활동에 영향을 미치기도 한다.

결국 태양은 항성 연구의 표준이며, 동시에 지구 환경에 지속적인 영향력을 행사한다. 태양을 이해하는 것은 우주의 보편적인 원리를 배우는 과정이자, 지구와 인류의 미래를 예상하는데 필수적인 작업이다.

참고문헌

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윤신영. (2019, December 4). 태양의 미스터리 ‘코로나 가열 현상’ 유력한 원인 밝혔다. 동아사이언스. https://m.dongascience.com/news.php?idx=32756