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지구형 행성
2017-02-28
태양
태양계의 중심이자, 지구와 가장 가까이 있는 항성, 태양. 우리에겐 가장 친근한 별이라 할 수 있습니다. 태양이 뜨고 지길 수십억 년. 태양에 대한 인간의 관심은 점점 깊어졌습니다. 그렇다면 우리는 태양에 대해 얼마나 잘 알고 있는 걸까요?
-인터뷰-
태양이 지구 가까이 있다고 해서, 매일매일 하늘 위에 떠있다고 해서 우리가 태양에 대해 잘 알고 있는 것은 아니었군요. 자, 그렇다면 지금부터 놀라운 태양의 세계와 만나볼까요? 지구에서 가장 가까운 별 태양. 가장 가깝다고 하지만. 사실 태양은 지구에서 약 1억5천만km 떨어진 아주 먼 곳에 있습니다. 그래도 다른 항성들에 비하면 가까운 거리임에 틀림없죠. 1억 5천만 킬로미터.. 어느 정도 되는 거리인지 쉽게 상상이 안 되신다고요? 그렇다면 이렇게 생각해보세요. 시속 100km/h로 달리는 자동차가 1500,000시간 즉 171년 동안 쉬지 않고 달려야 하는 거리에 태양이 있는 거라고 말이죠. 이제, 태양이 지구에서 얼마나 떨어진 곳에 있는지 짐작되시나요?
너무 멀리 떨어져 있어서 그럴까요? 우리 눈에 태양은, 손으로도 가릴 수 있고, 손톱만큼 작아 보이기도 합니다. 태양의 실제 크기는 어느 정도 일까요? 수치로 따져 보자면, 태양의 반지름은 대략 70만km입니다. 이 길이는, 지구반지름의 약 109배나 되는 크기죠. 지구의 크기를 포도알로 생각하면, 태양은 최홍만 선수 정도의 크기라고 생각하면 되겠습니다. 놀라운 차이죠?
하지만, 태양은 크기만 큰 것이 아닙니다. 무게도 만만치 않습니다. 태양의 질량은 약 kg입니다. 지구의 약 33만 배 정도 되는 무게죠. 거대한 양팔저울에 지구와 태양을 올려놓는다고 생각해볼까요. 한쪽에는 태양을 놓고, 반대쪽에는 지구 33만개를 놓아야 저울은 이렇게 수평을 이룰 수 있게 됩니다.
거대한 바다와 수 많은 사람들이 모여 사는 이 지구보다 약 33만 배 무거운 태양. 그렇다면 태양 속에는 무엇이 있길래 이렇게 무거운 걸까요? 태양도 지구처럼 주성분이 암석과 금속이기 때문에 무거운 걸까요? 아닙니다, 태양은 암석이나 금속이 아닌, 기체로 이뤄져 있습니다. 기체 중에서도 가장 가볍다고 알려진 수소가 전체 질량의 73%를 차지하고, 헬륨이 약 25%를 차지하고 있죠. 이렇게 공기보다도 가벼운 기체들로 이뤄졌는데도 태양이 무거운 이유는, 간단합니다. 그만큼 태양 안에 엄청난 양의 기체들이 모여 있기 때문입니다.
태양이 기체로 이루어졌다는 사실은 아주 중요합니다. 태양의 자전속도에 아주 중요한 영향을 미치기 때문이죠.
-인터뷰-
이렇듯, 위치에 따라 자전주기가 달라지는 차등자전운동은, 표면이 기체로 이루어진 태양·목성·토성 등에서 볼 수 있는 현상입니다. 태양의 이 같은 차등자전운동은 강력하고 복잡한 구조의 자기장을 만들어내기도 합니다. 이 신비한 현상에 대해선, 태양의 모습을 더 자세히 살펴 본 후에 만나기로 하죠.
태양이 떠있는 낮에는 온도가 상승하고, 해가 진 밤에는 기온이 떨어지는 건 태양이 연출하는 자연의 섭리입니다. 이렇듯 태양은 지구의 온도변화를 담당하고 있습니다. 지구에서 아주 멀리 떨어져 있는 태양이 어떻게 지구의 온도변화에 영향을 미치는 걸까요? 그 이유는, 바로 태양이 아주 뜨거운 항성이기 때문입니다.
그렇다면 태양은 얼마나 뜨거울까요? 우리는 물이 끓는 온도를 섭씨 100도라고 알고 있습니다. 하지만 태양의 온도는 우리가 사용하는 온도측정의 기준과는 많이 다릅니다. 섭씨온도가 아닌, 절대온도, 켈빈을 사용하죠. 절대온도로 생각해봤을 때 태양의 표면온도는 약 6000K입니다. 얼마나 높은 온도인지 짐작하기 어렵나요?
-인터뷰-
이제, 태양의 온도가 얼마나 고온인지 느껴지시나요? 자, 이제 태양의 표면온도까지 알아봤으니 태양 속에 감춰진 놀라운 매력 속으로 더 깊이 들어가 볼까요?
태양의 내부는 핵과 복사층, 그리고 대류층으로 이뤄져 있습니다.
태양의 온도가 뜨거운 이유는, 핵에서 만들어지는 에너지 때문인데요. 이 에너지는 복사형태로 대류 층으로 전달되고, 다시 대류현상에 의해 태양의 표면으로까지 전달됩니다. 자, 그렇다면 태양의 내부에선 어떻게 에너지가 만들어지는 걸까요?
그 해답은 태양의 가장 깊숙한 곳, 핵에서 발생하는 수소 핵 융합 반응을 살펴보면, 잘 알 수 있습니다. 그럼, 수소핵융합 반응에 대해 알아볼까요?
-인터뷰-
이렇게 수소핵융합 반응을 통해 생성된 에너지는, 이제 태양 중심에서 표면으로의 여행을 시작하게 됩니다. 이 안에도 놀라운 방법이 숨어있죠. 핵에서 복사층으로의 에너지 전달은 복사전달을 통해 이뤄집니다. 손을 전기난로에 가까이 가져갔을 때 손이 따뜻해지는 것을 복사전달이라고 하는데, 난로의 코일에서 적외선 광자가 나와 손을 따뜻하게 해주는 거죠. 핵에서 복사층으로 에너지가 전달되는 것도 이 원리와 비슷합니다. 핵에서 만들어진 에너지, 즉 고온의 물체에서 방출된 광자가 다른 물체에 흡수되어 그 중 일부 에너지가 복사층으로 전달이 되는 거죠.
자, 이제 복사층에 도착한 에너지는 태양의 표면 가까이 있는 대류층으로 이동하게 됩니다. 여기에는 복사층과는 또 다른 에너지 전달방법이 숨어 있습니다.
복사층을 지나 대류층으로 오게 된 에너지는, 복사층과는 달리 대류에 의한 열 전달을 시작합니다. 대류전달은, 실내 벽난로에서 가열된 공기가 상승할 때 상층부가 따뜻해지는 것처럼 기체가 상하로 이동할 때 일어나는 현상으로, 즉, 대류층 하부에 있던 고온의 에너지가 자신이 지니고 있는 에너지를 저온층인 대류층상부로 이동시키는 겁니다.
이렇게 핵에서 생성된 에너지는 복사층, 대류층을 거쳐 태양의 표면에 도착해서야 태양 내부의 여행을 마치게 됩니다.
태양의 표면에 도착한 에너지 여행을 마치고, 이제 표면 밖에서 만날 수 있는 태양의 대기에 대해 알아볼까요? 천문학자들은, 태양 대기를 광구, 채층, 코로나 3개의 층으로 나누고 있습니다. 자. 그럼 태양의 대기 속으로 들어가 그들을 만나 볼까요?
먼저 광구는, 우리 눈에 보이는 태양의 영역으로 태양 에너지가 전달되는 마지막 종착지라고도 할 수 있죠. 대류층 위에 존재하는 가스층이며, 두께는 약 500~700km , 온도는 약 6000k로 알려져 있습니다. 광구에서 보이는 현상들 중엔, 잘 알려진 것처럼 흑점과 쌀알무늬가 있습니다. 이 흥미로운 현상에 대해선 태양현상에 대해 다룰 때 자세히 알아보도록 하겠습니다.
채층은, 광구 바로 위에 있는 붉은 대기층이며, 두께가 약 10000km에 달합니다. 온도는 태양의 표면온도보다는 높은 약 10000K를 나타내고 있죠. 빛의 밝기가 광구보다 약해서 평소에는 보이지 않으나, 개기 일식이 일어나면 달이 태양을 완전히 가리는 순간부터 수 초 동안 붉은 색의 고리 모양으로 나타나는 채층의 모습을 볼 수 있습니다.
그리고 채층에는 스피큘 이라는, 독특한 불꽃모양의 가스기둥도 있습니다.
태양의 대기 중 제일 상층부에 존재하고 있는 코로나는, 채층위로 수십에서 수백만km까지 퍼져있는 진주 빛의 가스층입니다. 태양의 표면 온도가 6000k인데 비해 코로나의 온도는 태양보다 300배 이상 높은 200만k까지 이르고 있습니다. 코로나도 채층처럼 일식이 진행되는 동안에만 관측되고 있으며, 가끔씩 코로나의 모양이 변하는 것을 알 수 있습니다. 이렇게 코로나의 모양이 변하는 것은, 태양의 활동변화와 관계가 있습니다. 태양이 활동이 활발할 때에는 코로나 역시 매우 밝고 태양 둘레에 골고루 나타나며 태양의 활동이 활발하지 않을 때는, 코로나가 적도 쪽으로 퍼져, 극지방에서는 깃털 같은 무늬만 관측되기도 합니다. 일식이 일어나는 날, 여러분이 코로나의 모습을 보면서 태양의 움직임이 활발한지, 활발하지 않은지 확인해보는 것도 흥미로울 것 같습니다.
자, 태양의 대기가 어떻게 구성됐는지 이제 잘 아셨죠? 지금부터는 태양의 대기에서 나타는 여러 가지 신비한 현상들과 만나보겠습니다 먼저 광구에서 볼 수 있는 흑점과 쌀알무늬를 관찰해볼까요.
우리가 태양의 사진을 볼 때 가장 돋보이는 것이 바로 흑점입니다. 흑점은, 주변의 광구 면보다 상대적으로 온도가 낮아서 어둡게 보이는 현상으로, 흑점의 온도는 주변보다 2000k정도 낮은 것으로 알려져 있습니다. 이렇게 주변의 광구보다 온도가 낮아 흑점이 생성되는 이유는, 광구의 특정 지점에서 강력한 자기장이 형성되면 에너지 전달에 방해가 돼 자기장 주변의 온도가 떨어지게 되고, 상대적으로 어둡게 보여 흑점이 발생하게 되는 겁니다.
흑점의 크기는, 망원경으로 겨우 보이는 작은 것부터 수만km이상에 이르는 엄청난 크기의 흑점도 있습니다. 몇몇 흑점은, 지구보다도 서너 배 이상 크게 성장하기도 하죠.
흑점을 일정시간 간격으로 관측하다보면, 아주 흥미로운 사실을 알게 됩니다.
-인터뷰-
다시 한 번 광구를 자세히 들여다볼까요? 흑점 이외에 보이는 또 다른 현상이 있습니다. 쌀을 뿌려 놓은 것처럼 보이는 반점들이 또렷이 보이나요? 바로 이것이 쌀알무늬입니다. 쌀알무늬는 광구 바로 아래서 일어나는 대류현상 때문에 일어나는 현상으로, 밝은 부분은, 고온의 가스가 상승하는 곳이고 어두운 부분은, 저온의 가스가 하강하는 곳입니다. 이름은 비록 쌀알무늬지만, 쌀알무늬 하나의 지름은 서울과 부산의 왕복 거리 보다 더 긴 약 1000km 라고 합니다.
자 그렇다면, 이제 광구 위에 존재하고 있는 채층으로 가볼까요? 과연 이곳엔 어떤 신비로운 현상들이 일어나고 있을까요?
채층에서는, 홍염과 플레어 이 두 가지의 현상을 볼 수 있습니다.
홍염은, 채층에서 상승부인 코로나를 향해 수십만km까지 솟아 올라가는 불꽃 모양의 대기를 말합니다. 이 거대한 불꽃의 주성분은, 대부분 수소 원자로 구성돼 있으며 붉은 빛을 강하게 내뿜고 있어서 홍염이라는 이름을 얻게 된 거죠. 홍염의 온도는 태양의 표면온도보다 훨씬 높은 약 1만k정도이며, 홍염의 불꽃은, 몇 시간에 걸쳐 솟아오르다가 소멸되는 것도 있지만, 몇 달 동안 꺼지지 않고 계속 불꽃을 내뿜는 홍염도 있습니다. 홍염의 모양 역시 대류층에서 발생하는 자기장의 세기와 형태에 따라 다양하게 나타나고 있습니다.
대부분의 홍염은, 태양 표면으로부터 수만Km높이의 상층까지 뻗어있어 이렇게 루프형을 나타내고 있습니다. 하지만 분출형 홍염같은 독특한 모습의 홍염도 있습니다.
채층에서 일어나는 또 다른 현상으로 플레어를 확인 할 수 있습니다. 플레어는, 광구의 표면에 흑점수가 증가할 때 에너지가 폭발적으로 분출되면서 일어나는 현상입니다.
플레어가 폭발하는 순간 방출되는 질량은 1천만 도까지 가열되며, 이 때 발생되는 에너지량은 가히 놀랄만합니다. 현재 미국의 전력 소비율로 계산해 봤을 때, 미국이 10만년 동안 사용하고도 남을 정도의 양이라고 합니다. 일반적으로 플레어는 태양활동이 활발할 때 발생하며, 소규모 플레어는 하루 평균 3~5번, 5~10분정도 지속되며, 규모가 큰 플레어는, 수주에 한번 꼴로 수 시간 동안 지속되기도 합니다.
그렇다면 이렇게 플레어가 발생하는 원인은 뭘까요. 현재까지는 태양의 복잡한 자기장에 원인이 있다는 설이 가장 유력합니다.
-인터뷰-
플레어 이외에도 태양의 대기 중엔, 태양으로부터 꾸준히 불어나가는 바람, 즉 태양풍이 존재하고 있습니다. 태양의 가장 상층부에 있는 코로나의 높은 온도는 태양으로부터 벗어나려고 하는 특성이 있고, 또 태양은 끊임없이 코로나를 잡아당기고 있죠. 하지만 태양의 만유인력은 코로나를 붙잡아두기에는 충분하지 못해 태양으로부터 꾸준히 불어 나가는 태양풍의 도움을 얻고 있습니다. 이때 방출되는 질량은 초당 100만 톤에 이르지만 태양 전체질량에서 보면 많은 양은 아닙니다.
이렇게 태양으로부터 방출되어 사방으로 날려가는 태양풍은 태양이 자전을 하고 있기 때문에 이렇게 나선 형태로 날아가고 있습니다. 이 태양풍은 지구 이외의 행성들에게로 날아가 직간접적인 영향을 미치게 되죠.
자, 그렇다면 지금부터 앞서 우리가 만나본 많은 태양 현상들 중, 우리가 사는 지구에 영향을 미치고 있는 주인공들을 만나볼까요.
우리에게 태양활동의 영향으로 가장 잘 알려진 것은, 바로 오로라 현상입니다. 오로라는 극지방에서 주로 발견되는 현상으로, 발생 원인은 지구의 자기장 구조 때문으로 알려져 있습니다.
거대한 플레어 현상은, 코로나 질량방출을 동반하게 되고, 며칠 후 지구 자기장에 이끌려 극지방을 통해 지구대기로 진입하게 되죠. 극 지역에 진입한 입자가 대기와 반응 했을 때 원자나 분자가 빛을 내는 현상이 바로 오로라입니다.
오로라는 대기 속에서 신비로운 아름다움을 연출하지만, 오로라의 탄생이, 결코 좋은 징조만은 아닙니다. 오로라가 관측된다는 것은, 태양에서 많은 대전입자들이 방출 되었다는 뜻이고, 이는 지구에 좋지 못한 영향이 미칠 수 있다는 것을 예고하는 것이죠.
그리고 태양의 표면에서 폭발이 일어 날 때도 강한 전자기파들이 방출됩니다.
이 때 전자기파들이 통신용 전파를 흡수하면서 무선통신이 일시적으로 끊어지는 현상이 발생하는데 이 현상이 우리가 잘 아는 델린저 현상입니다.
그러나 이 같은 태양의 현상들이 지구에게만 영향을 끼치는 것은 아닙니다. 플레어가 진행되는 동안에 방출되는 단파장의 복사는, 지구 상층대기를 가열시키고 상층대기의 팽창을 초래해 인공위성과 상층대기의 마찰을 증가시키게 됩니다. 이 때문에 인공위성은 고도가 낮아지게 되고, 태양활동이 극대기 일 때는, 다수의 위성들이 대기와의 마찰로 인해 소실되기도 합니다.
이처럼 태양의 활동이 지구에 미치는 영향은 때론 신비스러움을 안겨주기도 하지만, 때론 지구의 안전을 위협하기도 합니다. 이렇게 두 얼굴을 가지고 언제나 우리 가까이 존재하고 있는 태양, 앞으로 태양의 활동은 어떻게 변화해 갈까요?
먼저 앞으로 남은 태양의 수명은 얼마나 될까요. 태양의 내부를 여행하면서 알아본 핵융합반응과 핵에 남아있는 수소의 양을 통해 태양의 남은 수명을 계산해봤습니다. 그 결과, 태양은 앞으로 50억년 정도 더 활동할 것으로 기대되고 있습니다.
그렇습니다, 태양은 앞으로도 50억년동안 끊임없이 핵융합반응을 하면서 살아남을 것입니다. 그리고 끊임없이 우리에게 에너지를 나눠 주다가 50억년 후엔, 적색거성으로 진화 할 것입니다.
태양이 적색거성이 되는 그 날엔, 태양의 크기가 엄청나게 커져서 금성 궤도의 크기만큼 커진다는 설도 들리고 있습니다.
이렇게 거대해진 태양의 모습은 계속 팽창하다가 점점 표면이 껍질처럼 벗겨져 나갈 것이고, 태양의 내부는 핵융합반응이 멈춰 버려, 더 이상 에너지를 만들지 못하게 될 겁니다. 태양의 모습을 완벽하게 잃게 되는 거죠. 그 때는 태양이라는 이름 대신 성운으로 불리게 될 것입니다.
이렇게 태양이 본연의 모습을 잃게 되면, 태양계의 모든 천체들도 태양으로 흡수되거나 태양 주위를 떠나게 돼 결국 하나 둘 소멸되고 말 것입니다. 결국, 태양은 별의 시체라 불리는 백색왜성이 되어 홀로 태양계에 남겨지겠죠.
이 엄청난 일은, 앞으로 50억년 후에 펼쳐질 먼 미래의 일입니다. 그 때까지 태양은 우리에게 끊임없이 에너지를 선물해 줄 것입니다. 그러니 우리도, 태양의 소중함을 잊지 말고 태양이 만들어내는 에너지를 아끼고 소중하게 사용하면서 오래오래 태양과 함께 이 우주를 지켜가야겠습니다.
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