태양활동 4가지 - 흑점, 플레어, 태양풍, 코로나 질량분출

태양활동 4가지 - 흑점, 플레어, 태양풍, 코로나 질량분출

태양에서 일어나는 현상들은 태양의 주변에 있는 태양계의 행성에 많은 영향 을 미친다. 태양과 비교적 가까운 거리에 있는 지구도 태양의 활동에 직접 또는 간접적인 영향을 받고 있으며 태양에서 흘러나오는 고에너지 입자, 자기장, 복사 에너지 등은 지구 근처 우주환경에 큰 영향을 주고 있다. 태양활동으로 인해 통 신, 항법, 지구 관측, 위성과 우주 기기들의 성능이 저하되고 오로라 현상, 지구 자기권의 교란이 나타나기도 한다. 따라서 태양의 활동을 이해하고 태양의 활동 이 지구환경에 미치는 영향에 대한 연구가 중요해지고 있다. 태양에서 일어나는 중요한 태양활동을 몇 가지 정리하면 다음과 같다.

1. 흑점(sunspot)

흑점은 태양활동과 밀접한 관련이 있는 현상 중 하나로 태양의 광구에서 나타 난다. Fig 1은 Big Bear Solar Observatory(BBSO)에서 2013년 10월에 관측한 흑점의 모습이다. 광구의 특정 지점의 자기장 세기가 강해져 태양의 내부에서 오 는 에너지가 광구로 전달되지 못하면 주변보다 온도가 낮아지면서 주변보다 어 둡게 보이는데 이를 흑점이라고 한다. 흑점은 일반적으로 가장 어두운 중심부인 암부(umbra) 둘레를 암부보다 밝은 반암부(penumbra)가 둘러싸고 있다. 흑점의 자기장은 보통 태양 표면의 자기장보다 약 1,000배 강하고(0.1-0.4nT) 흑점의 크기가 클수록 자기장이 강하며 그 구조도 복잡하다. 흑점은 일반적으로 하나의 극성을 가지며 보통 다른 극을 가진 것과 쌍으로 나타난다. 흑점의 많은 쌍은 광 구로부터의 폭발적인 에너지 방출과 관련되어 있는데 이 활동지역은 간단하게 활동영역(active region)이라 할 수 있다. 태양의 자기 활동은 이러한 활동영역 에 집중되어 있다. 태양 표면으로부터의 폭발적인 에너지 방출에 대한 정확한 메 커니즘은 아직 밝혀지지 않았지만 자기에너지가 입자의 운동에너지로 급격히 변하는 것과 관련이 있다. 이 전환은 강한 자기장 지역에서 발생하고 표면 자기장 의 꼬임은 종종 빠른 에너지 방출을 이끈다. 홍염과 플레어는 에너지 방출의 한 예이다.

Fig 2와 같이 태양의 흑점 수는 약 11년 태양주기로 증감하는데 흑점은 태양 활동과 관련이 있기 때문에 태양주기에 따라 태양의 활동정도에 변동성이 나타 난다. 흑점 수가 증가하면 태양 활동도 증가하고 흑점 수가 감소하면 태양활동도 감소한다.

2.  플레어(flare)

가끔 흑점 또는 흑점 주변에서 일시적인 폭발 현상이 일어나 태양대기를 구성 하는 입자들을 태양 바깥쪽으로 가속시키는 역할을 하는데 이를 플레어라 한다. 플레어가 발생하면 짧은 기간 내에 좁은 지역에서 에너지가 폭발적으로 방출된 다. Fig 3은 Solar Dynamics Observatory(SDO)가 각 파장대별로 촬영한 플레 어의 모습이다. Fig 3과 같이 플레어가 발생할 때, 빛이 발하기 시작하면 수분 내에 급격히 밝아지면서 섬광을 발하다가 수십 분(강한 경우는 수 시간)내에 원 래 밝기로 돌아간다. 플레어가 발생하면 X선과 자외선 복사 등이 방출되는데 X 선이 지구의 이온층과 충돌하면 지구의 이온층을 교란시켜 전파 통신을 방해하 기도 한다. 최악의 경우에는 네비게이션과 통신 신호의 일시적 정전을 일으키기도 한다.

3.  태양풍(solar wind)

태양풍은 태양에서 우주공간으로 방출되는 대전 입자들의 흐름이다. 지구 근방 에서 태양풍의 속도는 평균 약 400km/s이고 밀도는 수 개/㎤이다. 코로나의 높 은 온도로 인해 태양은 코로나를 붙들어 두지 못해 태양으로부터 꾸준히 불어 나가는 태양풍이 존재하게 된다. 따라서 태양풍의 구성은 태양 코로나의 구성과 거의 동일하며 주로 양성자와 전자로 구성되어 있고, 그 외 약 3%의 헬륨과 중 원소 이온을 포함하고 있다. 태양풍은 양이온과 동일한 수의 전자를 포함하고 있 기 때문에 전기적으로 중성인 플라즈마라 할 수 있는데 이 플라즈마는 자력선에 밀착되어 붙어 있다. 태양풍이 방출될 때 플라즈마는 태양표면의 자기장을 끌고 나와 태양 자기장의 범위를 행성 간 공간까지 끌어낸다. 이렇게 끌려나온 태양의 자기장을 행성간 자기장(interplanetary magnetic field, IMF)이라 부른다. 이 행 성간 자기장은 지구의 자기장과 상호작용을 하며 태양풍이 강한 경우 지구 자기 장을 교란시키기도 한다.

태양풍은 속도에 따라 고속 태양풍, 저속태양풍으로 분류할 수 있는데 속도 가 600-800km/s로 빠른 경우 고속 태양풍(High Speed Stream, HSS)이라 하 며 주로 코로나 홀에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 저속 태양풍의 속도는 200-600km/s으로 적도 근처의 코로나에서 닫힌 자기장에 얽혀 흘러 다니는 물 질들로부터 생성된다고 알려져 있지만 정확히 어디에서 발생하는지는 아직 밝혀 지지 않고 있다.

4. 코로나 질량분출(Coronal mass ejection, CME)

가끔 태양의 표면이 폭발하면서 태양 대기는 빠른 속도로 멀리까지 퍼져나간 다. 태양에서 일어나는 이러한 다량의 질량방출을 코로나 질량분출(CME)이라 하 며, CME는 코로나그래프를 통해 태양의 바깥쪽에서 우주적으로 뚜렷한 플라즈 마 구조로 관찰되어진다. Fig 5는 Solar Terrestrial RElations Observatory(STEREO)가 촬영한 CME의 모습이다.

CME는 약 10^12kg의 물질을 포함하며 1,000km/s이 넘는 속도로 멀리까지 퍼 져나간다. 광속으로 수 십분 안에 지구에 도달하는 플레어에서 발생한 에너지, X 선과는 달리 CME는 태양물질이 팽창하는 거대한 구름으로 빠르면 하루, 늦으면 2-3일 내에 지구에 도달한다. CME는 입자를 지구 극 쪽으로 유도하는 전류를 형성하며 지구 자기장을 밀어내기도 한다. 이 입자들이 산소, 질소와 반응하면서 오로라의 형성을 돕는다. CME로 인한 지자기 변화는 인간의 여러 기술에 영향 을 미칠 수도 있다. 노수련과 장현영(2009)이 CME와 지자기폭풍의 빈도간 상관 관계를 연구한 결과 CME가 태양을 빠져나오는 속도가 빠를수록 지자기 폭풍의 발생빈도가 증가한다는 사실을 발견하였다.