신비한 오로라 현상

<오로라 현상(출처 : Science News for student)>

오로라 현상은 고위도 지방에서만 관찰되는 특이한 현상으로, 밤하늘에서 초록색, 빨간색 등의 색이 커튼같이 흩날리는 것 처럼 보이는 현상을 말 합니다.

 

저 역시도 캐나다나, 아이슬란드와 같이 오로라를 볼 수 있는 나라에 가서 오로라 한 번 보면 소원이 없을 것 같은데(ㅠㅠ) 언젠가는 꼭 오로라를 보러가서, 이에 대한 경험담을 포스팅 할 날이 있겠죠..ㅠㅠ 

 

그렇다고 제가 오로라를 한 번도 본 적이 없는건 아닙니다(ㅎㅎㅎㅎㅎ). 오래전(2015년) 미국 출장가는길에 비행기에서 본 적이 있습니다. 이때 비행기가 날아가는 경로가 엄청 고위도로 날아갔는데, 그 때 당시 시간이 새벽이었고, 창 밖 북극 방향에서 오로라가 보였습니다. 아주 희미하게 희뿌연 뭔가 보였던 기억이 나는데, 눈으로 봤을 때는 하얀 뭔가가 보였습니다. 사진을 찍으니 초록색 물결이 보이더군요.

<미국 출장길에 촬영한 오로라 1>

<미국 출장길에 비행기에서 촬영한 오로라 2>

<미국 출장길에 비행기에서 촬영한 오로라 3>

오늘 포스팅할 내용은 지난번 포스팅인 지구 자기장에 이어 오로라에 대한 내용을 써 볼까 합니다.

** 지구 자기장에 관한 포스팅

지구 자기장과 밴 앨런 벨트

  1. 원인 1

오로라가 발생하는 지역은 자기 극 주변으로, 지리적 위도를 기준으로 하면 70~80도 정도가 됩니다. 중위도나 저위도 지역에서 오로라가 발생하지 않는 것과 왜 하필 극지방 주변에서만 오로라가 발생하는 것을 보면 의아할 수 밖에 없습니다.

 

하지만, 오로라가 발생하는 원인을 보면 충분히 이해가 갑니다. 오로라의 발생 원인은 태양으로 부터 지구로 흘러들어오는 고에너지 하전입자(플라즈마)가 지구 대기와 반응을하며 나타나는 것인데, 이런 하전입자들은 대부분 지구 자기장에 붙들려 지구 대기 안으로는 들어올 수 없어, 지구 대기와 반응할 수 없습니다. 하지만 자기 극 지방은 상황이 다릅니다. 지난번 포스팅때 보았던 지구 자기력선의 배치를 보면 지구 자기장은 남극에서 나가고 북극으로 들어오는 방향을 취합니다. 이런 이유로 남극과 북극에서 자기력선의 밀도가 매우 높습니다.

 

그리고 태양풍을 절대 잊어서는 안됩니다. 태양에서 불어오는 플라즈마는 태양에서 방출되어 지구로 날아올 때, 혼자 날아오는것이 아니라 태양 자기장을 질질 끌고옵니다. 쉽게 말해 태양의 자기력선은 태양 플라즈마에 딸려 지구까지 날아옵니다.

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  2. 원인2 - 자기 재결합 현상

여기서 믿기 힘든 현상이 나타납니다. 자기 재결합 현상이라는건데, 태양에서 하전입자에 딸려 지구로 날아오는 태양 자기장과 지구 자기장이 결합하면서 정상적으로는 지구 자기장을 뚫고 지구의 대기까지 날아오기 어렵던 태양 입자가 지구 자기장과 태양 자기장의 결합으로 인해 북극과 남극에서는 지구 대기까지 들어올 수 있게 됩니다.

<태양 자기장과 지구 자기장의 자기 재결합(출처 : https://www.swri.org/press-release/swri-map-magnetic-reconnection-earth-magnetotail)>

위 그림과 함께 아래 영상을 보면 더욱 쉽게 알 수 있습니다.

태양 자기장과 지구 자기장의 자기 재결합 이후, 다시 지구 자기장간 자기 재결합이 발생하며, 강한 에너지가 방출되고, 이 에너지는 자기장에 매달려있던 하전입자를 가속시켜, 하전입자가 자기장을 따라 자기 극으로 이동하며 지구 대기의 열권과 반응할 수 있게 됩니다. 이 때 열권의 대기와 반응하며 만들어지는것이 오로라입니다.

 

지구 자기 꼬리에서 발생하는 이 자기 재결합은, 오로라가 태양풍에 의해 발생하는 것임에도, 태양 방향, 다시말해 낮 시간대에 놓여있는 지역보다 밤 시간대에 놓여있는 지역에서 더 활발하게 나타나는 원인을 쉽게 해결하였습니다. 물론 낮 시간대에 오로라는 태양 빛에 의해 잘 관찰되지 않는 것도 있지만, 보이지 않는다는 것을 제외하면 밤시간대에 더욱 많이 발생한다고 합니다.

 

여기서 자기 재결합 현상을 쉽게 이해하려면 2개의 자석을 생각하면 될 것 같습니다.

하나의 자석은 주변에 당연히 하나의 자기장을 만들 것입니다. 하지만 2개의 자석의 극이 서로 반대 방향으로 놓인다면, 이 2개 자기장의 자기력선은 서로 연결될 수 있습니다.

 

태양의 자기장과 지구의 자기장이 서로 반대 방향으로 놓인다면, 충분히 이 현상이 설명 가능하다고 볼 수 있습니다.

  4. 자기 재결합의 관측

<테미스(THMIS)(출처 : 위키피디아)>

나사에서는 자기 재결합과 오로라를 관측하기 위해 2007년 테미스라는 총 5대의 탐사선을 우주로 보냈습니다. 이 탐사선들에 의해 자기 재결합 현상이 관측되었고, 동시에 자기 꼬리에서 방출되는 강한 자기에너지를 관측할 수 있었다고 합니다. 어찌되었든, 그동안 이론으로만 알려져 있던 지구에서 발생하는 자기 재결합 현상이 실제로 관측 되었고, 이를 통해 오로라 현상의 원인이 증명되었다고 합니다.

 

그럼에도 불구하고, 자기 재결합이라는 현상 자체가 물리적으로 불가능하다는 반론도 적지 않다고 합니다. 그런 연유로 아직까지는 오로라 현상에 대한 원인을 아주 완전하게 설명할 수 있는 단계는 아닌 것 같습니다.

<우주에서 관측한 오로라(출처 : NASA)>