태양의 활동

태양의 활동

 

태양계 내의 유일한 별(항성)인 태양은 강한 인력으로 행성을 비롯한 수많은 천체들을 거느리고 있으며, 태양계 내에서 벌어지는 모든 현상에 관여하고 있다. 특히 지구의 생명체는 태양의 빛과 열을 이용해 생명 활동을 유지하고 있는데, 우리 인간은 생물학적 활동뿐만 아니라 정서적인 부분까지도 상당 부분 태양에 의지하고 있다. 태양이 어떤 활동을 하고 있는지 또한 지구에 어떤 영향을 미치는지 알아보자.

▷ 태양 표면 관측

수소와 헬륨으로 이루어진 태양은 매초 엄청난 양의 에너지를 방출하고 있는 거대한 가스 덩어리이다. 태양의 에너지는 중심부에서 핵융합을 통해 만들어지는데, 복사와 대류를 통해 표면으로 전달되고, 다시 우주 공간으로 복사되어 지구에 도달한다. 태양 에너지는 지구에서 각종 자연 현상과 기상 변화를 일으키며 생명 활동의 근원이 된다.

태양은 매우 강렬한 빛이 나와서 맨눈으로 관찰하기는 어렵지만 간단한 투영 장치나 특수 필터를 부착한 망원경을 이용하면 쉽게 관찰할 수 있다. 이러한 장치를 통해 태양을 보면 밝고 둥근 모습의 표면이 보이는데, 이것이 태양의 광구이다. 광구의 온도는 매우 높아서 약 5800k에 이르며, 우리가 보는 햇빛은 모두 이곳에서 나온다. 광구에서는 종종 주변보다 온도가 낮아(4000k) 상대적으로 어둡게 보이는 흑점이 나타난다.

광구는 언뜻 보면 매끈해 보이지만 큰 망원경으로 확대해 보면, 수많은 쌀알을 뿌려 놓은 것 같은 무늬들을 볼 수 있다. 쌀알무늬라고 부르는 이 조직들은 광구 밑에서 일어나는 대류 현상 때문에 생기는 것으로, 평균 지름은 1000km이고 수명은 3~4분 정도이다.

과학자들은 태양을 자세히 관찰하기 위해 스펙트럼 장치나 분광기, 코로나그래프 등의 장비들을 이용한다. 또한 최근에는 태양 탐사 위성을 활용하기도 한다.

 

▶ 태양의 흑점과 자전

태양 표면에 생기는 흑점의 크기는 보통 지구 정도의 크기인데, 때때로 지구 크기의 20배가 넘는 거대한 것이 생기기도 한다. 흑점의 수명은 작은 것은 하루 정도로 짧고, 큰 것은 몇 개월씩 지속되기도 한다.

태양 표면의 흑점은 11년을 주기로 그 수가 증감한다. 태양 활동이 활발해지면 흑점의 발생도 증가하여 많을 때에는 그 수가 100여 개가 이르며, 반대로 태양의 활동이 주춤해지면 거의 나타나지 않을 때도 있다. 흑점 주기에 대한 연구에 따르면, 최근에 흑점의 수가 가장 많았던 해는 2002년 경이었고, 그 후 점차 줄어들었다가 2013년 무렵 다시 많아질 것으로 예상된다.

망원경을 이용해 위도가 다른 여러 개의 흑점을 지속적으로 관찰해 보면, 흑점의 이동 모습을 통해 태양의 자전 주기가 위도에 따라 다름을 알수 있다. 또한 이를 태양의 구성 물질이 기체 상태라는 사실도 추측 할 수 있다.

한편 태양의 자전 속도가 위도별로 차이가 나기 때문에 자기장은 복잡한 형태로 꼬이게 되어 자기장이 매우 강한 지역이 생기게 된다. 이런 지역에서는 강한 자기장으로 인해 광구 밑에서 뜨거운 플라스마가 상승하는 것이 막혀 그 부근의 표면 온도가 낮아지면서 흑점이 생기는 것으로 알려져 있다.

 

태양 대기의 관측

태양의 광구 위로는 몇 개의 층으로 이루어진 대기가 둘러싸고 있다. 태양 전체의 크기에 비하면 태양 대기는 매우 얇지만, 이곳에서 일어나는 활동은 태양계 천체들에 많은 영향을 미친다. 특히 생명체가 살고 있는 우리 지구의 환경에 미치는 영향은 막대하다.

채층은 광구 바로 위에 위치한 층이다. 온도가 4500 K에 이르는 가스로 이루어진 채층에서는 마치 바늘처럼 생긴 스피큘이라는 불꽃 기둥이 수없이 생겼다가 없어지기를 반복한다. 또한 루프나 아치 형태로 코로나 영역까지 뻗쳐 오르는 거대한 불꽃인 홍염이 나타나기도 한다. 두께 약 1만 km인 채층은 평소에는 광구의 강한 빛에 가려서 보이지 않지만, 개기 일식으로 광구가 달에 가려진 순간 붉게 빛나는 모습을 볼 수 있다.

또한 개기 일식 때에는 태양 주변에서 희미하게 빛나는 코로나도 관측할 수 있다. 희박한 수소 가스로 이루어져 있는 코로나는 온도가 100만 K까지 올라가며 모양이 매우 불규칙하다. 코로나는 흑점이 많이 생기는 극대기에는 매우 크고 밝게 나타나고, 흑점이 거의 없는 극소기에는 비교적 작은 모습으로 나타난다.

과학자들이 첨단 장비를 동원하여 태양의 표면과 대기 연구를 통해 최근 밝혀낸 사실들은 매우 극적이다. 태양 표면과 대기에서는 수시로 크고 작은 폭발이 일어나고 있기 때문이다. 특히 흑점 부근에서는 강력한 폭발현상과 함께 매우 밝은 빛이 간헐적으로 나타나는데, 이를 플레어라고 한다.

태양 표면과 대기에서 나타나는 여러 가지 현상은 그 원인이 대부분 태양 표면에 형성된 자기장의 교란과 관련 있다. 태양의 자기장은 광구 밑에서 부분적으로 뜨거운 플라스마가 상승하는 것을 억제하는데, 이로 인해 흑점이 생성되며 부근에 고온의 물질들이 쌓인다. 그렇게 축적된 물질들은 점점 압력이 강해지고, 태양 표면의 자기장과 교란되는 순간 자기장에 붙잡혀 있던 물질들이 갑자기 방출되면서 폭발이 일어난다.

폭발이 일어나면 코로나를 통해 수십~수백억 톤의 물질이 초속 400 km이상의 속도로 우주 공간으로 분출된다. 코로나 물질 분출이라고 부르는 이 현상은 태양풍의 흐름에 영향을 미치고, 지구 주변의 우주 환경을 변화시키는 원인이 된다. 코로나 물질 분출로 쏟아져 나온 고에너지의 양이온과 전자들은 며칠 후 지구 주변에 도달해 지구 자기장과 상호 작용을 일으키며 극지방에서 오로라를 만들기도 한다. 또한 지구 대기에 도달해 엄청난 자기 폭풍을 일으키며 무선 통신에 장애를 초래하기도 한다.

이와 같이 태양 표면의 폭발로 지구 주변의 우주 환경에 영향을 미치는 것을 연구하는 학문을 우주 기상학이라고 한다. 오늘날 우리가 태양의 활동에 따른 우주 기상 변화에 더욱 관심을 가지고 연구해야 하는 이유는 우리가 전자기파를 이용하는 첨단 무선 통신 기기들을 이용하며 살아가고 있기 때문이다. 또한 인류가 우주 정거장이나 다른 행성 같은 우주 공간으로 진출하기 위해서도 생물 환경에 막대한 영향을 미칠지 모르는 우주 기상의 변화에 대한 연구는 필수적이다.