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태양관련
태양 연구 이유
온도관계
태양의 빛은 생명의 원천이다. 우리 조상들은 그들의 삶이 태양에 의존한다는 것을 알았고, 태양을 경외하는 마음으로 숭배하였다. 우리는 여전히 태양의 중요성을 인식하며 태양이 어떻게 작용하는지, 왜 변화하는지 그리고 이러한 변화들이 지구에 있는 우리들에게 어떠한 영향을 주는지 이해하려고 노력하고 있다.
우주날씨
우주날씨란 우주 및 지상의 인간 활동에 영향을 미칠 수 있는 우주공간의 물리적 현상을 말하는 것이다. 이 현상에 주된 요인이 되는 것이 바로 태양풍이다. 지구를 약 500km/s 이상의 속도로 지나는 태양풍에 의한 교란은 지구 자기장을 흔들어놓고 복사층으로 에너지를 퍼붓는다. 그리고 태양의 표면 지역은 종종 플레어가 발생하고 지구의 상층대기를 가열하는 자외선과 엑스선의 빛을 방출하기도 한다.
이러한 '우주 날씨'는 위성의 궤도를 변화시킬 수 있고, 위성에 물리적으로 손상을 입히고, 우주비행사에게 위험을 줄 수도 있다. 그리고 지구 자기장의 동요는 전자 장비를 파괴하고 넓은 범위에 걸쳐 전력을 파괴하여 송전관에 과다 전류의 흐름을 만들 수도 있다. 우리가 위성을 많이 사용할수록 우주날씨의 예보는 중요하게 될 것이다 .
이러한 '우주 날씨'는 위성의 궤도를 변화시킬 수 있고, 위성에 물리적으로 손상을 입히고, 우주비행사에게 위험을 줄 수도 있다. 그리고 지구 자기장의 동요는 전자 장비를 파괴하고 넓은 범위에 걸쳐 전력을 파괴하여 송전관에 과다 전류의 흐름을 만들 수도 있다. 우리가 위성을 많이 사용할수록 우주날씨의 예보는 중요하게 될 것이다 .
별로써의 태양
태양은 우리가 표면을 볼 수 있는 유일한 별이기 때문에 우주를 이해하는데 중요하다. 만일 태양이 없었다면 우리는 다른 별들 또한 흑점과 뜨거운 바깥 대기를 가지고 있다는 것을 쉽게 알아내지 못했을 것이다. 우리는 태양의 나이, 반경, 질량, 등 많은 물리량을 알고 있으며, 또한 태양의 내부와 대기에 대한 상세한 정보를 얻었다. 이러한 정보들은 다른 별들을 이해하고 그들이 어떻게 진화하는지에 대한 중요한 지식이 된다. 그리고 우주의 많은 물리적 과정들을 태양으로부터 조사할 수 있다. 이러한 방식으로 태양은 우리에게 별, 행성계, 은하, 그리고 우주 자체에 대하여 많은 것을 알려준다.
태양의 신비
코로나 가열과정
태양플레어의 성질
태양의 코로나의 비이상적으로 높은 온도는 신비에 쌓여있다. 태양의 외부대기(코로나)는 약 1,000,000°C로 표면온도인 약 6000°C 보다 훨씬 높다. 이런 높은 온도를 유지하며 코로나를 가열하는 과정의 근원은 태양풍의 가속과 더불어 태양의 커다란 신비 중의 하나이다. 보통 온도는 열원으로부터 멀리 이동함에 따라 낮아진다. 그리고 이것은 태양의 내부에서 가시표면으로 올라옴에 따라 적용될 것이다. 그러나 채층을 지나 코로나가 존재하는 고도에 도달하면 온도는 갑작스럽게 올라간다. 이러한 이유에 대하여 몇 가지의 메커니즘이 제시되었지만 실제적으로 인정되는 것은 아직 없다.
태양 플레어는 태양표면 위의 거대한 폭발현상을 말하는 것으로 단 몇 분의 과정으로 그것들은 수백만도로 물질을 가열하고 10억 메가톤 이상의 에너지를 방출한다. 특히 커다란 태양플레어가 발생할 경우 백색광에서도 관측되는 일이 있으며 이것을 ‘백색광 플레어’라고 한다. 태양의 활동이 활발할 때, 태양흑점 부근에서 발생하는 일이 많고 이러한 영역을 태양활동영역이라고 한다.
플레어의 규모는 엑스선의 강도에 의해 분류 되는데 X, M, C, B, A 등급이 있으며 X가 가장 강하다. 플레어의 발생메커니즘은 태양활동영역 안에서 축적된 자기에너지가 자기재결합에 의해 열에너지나 운동에너지로 변환함에 기인한다는 설이 유력하다.
플레어가 발생하면 대량의 엑스선, 감마선, 고 에너지 하전입자가 발생한다. 또한 플레어와 동반하여 태양 코로나 물질이 행성간 공간에 방출되는(Coronal mass ejection、CME)일이 많다. 고 에너지 하전입자가 지구에 도달하면 델린저 현상, 자기폭풍, 오로라발생의 요인이 된다. 2003년은 대규모 플레어가 빈번히 발생, 델린저 현상에 의해 지구상의 위성, 무선통신에 많은 악영향을 미쳤다. 지구자기권 밖에서는 플레어 시에 엑스선, 감마선 방출량이 인간의 치사량을 넘는 일도 있다.
그렇기 때문에 플레어 발생 그 자체와 플레어 발생시 고에너지 하전입자가 지구에 도달하는 것을 예보하는 일은 매우 중요하다.
플레어의 규모는 엑스선의 강도에 의해 분류 되는데 X, M, C, B, A 등급이 있으며 X가 가장 강하다. 플레어의 발생메커니즘은 태양활동영역 안에서 축적된 자기에너지가 자기재결합에 의해 열에너지나 운동에너지로 변환함에 기인한다는 설이 유력하다.
플레어가 발생하면 대량의 엑스선, 감마선, 고 에너지 하전입자가 발생한다. 또한 플레어와 동반하여 태양 코로나 물질이 행성간 공간에 방출되는(Coronal mass ejection、CME)일이 많다. 고 에너지 하전입자가 지구에 도달하면 델린저 현상, 자기폭풍, 오로라발생의 요인이 된다. 2003년은 대규모 플레어가 빈번히 발생, 델린저 현상에 의해 지구상의 위성, 무선통신에 많은 악영향을 미쳤다. 지구자기권 밖에서는 플레어 시에 엑스선, 감마선 방출량이 인간의 치사량을 넘는 일도 있다.
그렇기 때문에 플레어 발생 그 자체와 플레어 발생시 고에너지 하전입자가 지구에 도달하는 것을 예보하는 일은 매우 중요하다.
태양흑점 주기의 기원을 알아내는 것은 앞으로의 우주 생활에 중요한 역할을 할 것이다. 태양표면에서 보이는 흑점들의 수는 약 11년 동안 거의 0에서 100개가 넘게 증가하며 다시 다음 주기가 시작되면서 거의 0에 가깝게 감소하는데, 태양흑점 주기의 근원 또한 태양 천문학의 커다란 신비의 하나로 여겨진다. 이 신비를 푼다면 우주날씨에 대해 더욱 정확한 예보를 할 수 있을 것이다.
흑점이 생성되는 원인으로는 태양자기장에 의해 발생한다고 추정되고 있다. 태양이 회전함에 따라 태양내부에는 수십억 암페어의 전류가 발생한다. 이것에 의해 1가우스정도의 강력한 자력선이 남북방향으로 발생한다. 태양의 회전은 고위도지대보다 저위도지대쪽이 빠르고, 적도부가 빠르기 때문에 남북방향의 자력선도 동서적도부로 휘감기듯 어긋난다. 위도에 따라 다른 회전으로 생기는 차이는 반년 후에는 적도부에서 일주하고, 3년 후에는 자력선도 6바퀴정도 휘감기게 된다. 이렇게 몇 년 동안 동서 적도부를 중심으로 늘어지고 좁은 범위에서 평행하게 밀도를 늘린 자력선은 서로 반발하여 부분적으로 광구면에서 떠올라 코리올리 힘을 받아 비틀어진다. 흑점의 자장은 수천 가우스나 된다.
동서방향으로 나란히 나타나는 흑점은 태양자장이 광구면에서 방출된 후에 돌아가는 길에 생긴다고 생각된다. 강한 자력선에 의해 플라즈마가스의 대류가 방해받아 표면온도가 내려가서 생긴다는 설이다.
그러나 우리는 여전히 기본적인 물리법칙들을 이용해 믿을 만한 미래의 흑점숫자를 예상할 수 있는 모델은 만들어 낼 수 없다. 이 문제는 앞으로의 숙제로 남겨질 것이다.
흑점이 생성되는 원인으로는 태양자기장에 의해 발생한다고 추정되고 있다. 태양이 회전함에 따라 태양내부에는 수십억 암페어의 전류가 발생한다. 이것에 의해 1가우스정도의 강력한 자력선이 남북방향으로 발생한다. 태양의 회전은 고위도지대보다 저위도지대쪽이 빠르고, 적도부가 빠르기 때문에 남북방향의 자력선도 동서적도부로 휘감기듯 어긋난다. 위도에 따라 다른 회전으로 생기는 차이는 반년 후에는 적도부에서 일주하고, 3년 후에는 자력선도 6바퀴정도 휘감기게 된다. 이렇게 몇 년 동안 동서 적도부를 중심으로 늘어지고 좁은 범위에서 평행하게 밀도를 늘린 자력선은 서로 반발하여 부분적으로 광구면에서 떠올라 코리올리 힘을 받아 비틀어진다. 흑점의 자장은 수천 가우스나 된다.
동서방향으로 나란히 나타나는 흑점은 태양자장이 광구면에서 방출된 후에 돌아가는 길에 생긴다고 생각된다. 강한 자력선에 의해 플라즈마가스의 대류가 방해받아 표면온도가 내려가서 생긴다는 설이다.
그러나 우리는 여전히 기본적인 물리법칙들을 이용해 믿을 만한 미래의 흑점숫자를 예상할 수 있는 모델은 만들어 낼 수 없다. 이 문제는 앞으로의 숙제로 남겨질 것이다.
뉴트리노(neutrino)란 중성미자를 말하며, 태양과 같은 항성의 내부에서 핵반응을 통해 생기고, 매우 작은 질량을 가지고 있는 입자이다.
뉴트리노를 발견하는 것은 어려운 작업으로 현재 몇몇의 독립적인 실험들의 결과는 우리가 예상하는 수의 약 1/3만이 지구에서 발견된다고 밝혀냈다. 태양 천문학자들은 그들의 태양모델과 지난 45억년 동안 더 적은 뉴트리노를 발생시키는 태양의 모델을 만드는 태양의 진화를 바꾸려고 노력했지만, 이러한 시도들은 성공적이지 못하였다. 이것이 바로 물리학 몇 가지 기본을 흔드는 마지막 신비이다.
뉴트리노를 발견하는 것은 어려운 작업으로 현재 몇몇의 독립적인 실험들의 결과는 우리가 예상하는 수의 약 1/3만이 지구에서 발견된다고 밝혀냈다. 태양 천문학자들은 그들의 태양모델과 지난 45억년 동안 더 적은 뉴트리노를 발생시키는 태양의 모델을 만드는 태양의 진화를 바꾸려고 노력했지만, 이러한 시도들은 성공적이지 못하였다. 이것이 바로 물리학 몇 가지 기본을 흔드는 마지막 신비이다.
태양의 자기활동
태양 자기장
태양의 자기장은 태양을 이해할 수 있는 많은 정보를 제공해 주고 있다. 자기작용, 또는 자기장은 전기적으로 대전된 이온들과 전자들의 흐름에 의해 태양에서 생성된다. 흑점들은 태양의 표면을 강력한 자기력선들이 통과하여 나오는 곳이다. 태양흑점주기는 내부에서 물질의 흐름에 의한 자기장의 재순환으로부터 기인한다고 예상되어진다. 그리고 태양의 표면위로 흐르는 것으로 보이는 홍염은 자기장을 통하여 빠져나가며 자기장으로 인해 유지된다.
또한, 코로나에서 보이는 광휘와 루프는 자기장에 의해서 모양이 형성되며, 자기장은 사실상 우리가 보는 모든 태양특징들의 근원이라 할 수 있다.
또한, 코로나에서 보이는 광휘와 루프는 자기장에 의해서 모양이 형성되며, 자기장은 사실상 우리가 보는 모든 태양특징들의 근원이라 할 수 있다.
자기장 측정
태양에서 자기장이 중요한 만큼 그 자기장의 측정하는 방법 또한 매우 중요하다. 자기력은 전자와 같은 대전된 입자들의 운동방향을 바꾸는데, 이 때문에, 핵 둘레를 한 방향으로 궤도 운동하는 전자들은 핵에 대하여 반대방향으로 궤도 운동하는 전자들보다 더 많은 에너지를 갖고 있다. 이러한 것은 우리들이 원격적으로 태양의 자기장을 전자들이 다른 궤도로 천이하면서 방출하는 빛의 에너지 차이로부터 측정하도록 도와준다. 이런 적절한 측정에 의해 우리는 태양표면을 가로지르는 모든 자기장의 방향과 세기를 결정할 수 있다
자기장 모델
우주날씨예보
태양의 자기장 모델로서 가장 잘 알려져 있는 것은 다이나모 이론이다. 이 모델은 태양의 주요한 현상들을 설명하는데 성공을 거두었지만, 여전히 많은 문제점을 설명할 수 없었다. 그만큼 태양은 복잡하고 많은 활동들을 하고 있다.
태양의 대기와 내부를 통해 나오는 자기력선 루프는 자기구조의 복잡한 그물을 형성한다. 대부분의 이러한 구조는 채층과 태양대기의 최외부층인 코로나에서 볼 수 있다. 그러나 우리는 보통 태양대기의 가장 내부층인 광구안의 자기장을 측정한다. 기술력에 의해 우리는 자기력선이 관측되는 구조로 비교될 수 있는 외부층으로 들어가는 것을 수학적으로 그려보는데 사용될 수 있다.
태양의 대기와 내부를 통해 나오는 자기력선 루프는 자기구조의 복잡한 그물을 형성한다. 대부분의 이러한 구조는 채층과 태양대기의 최외부층인 코로나에서 볼 수 있다. 그러나 우리는 보통 태양대기의 가장 내부층인 광구안의 자기장을 측정한다. 기술력에 의해 우리는 자기력선이 관측되는 구조로 비교될 수 있는 외부층으로 들어가는 것을 수학적으로 그려보는데 사용될 수 있다.
태양의 자기장 및 활동에 대한 이해는 우리가 우주날씨를 정확히 예상할 수 있도록 도와준다. 태양플레어와 관련된 자기장의 관측은 자기력선들이 두 개의 흑점을 연결하여 꼬이게 되거나 가로질러 나가게 될 때 쉽게 발생하는 것처럼 보인다. 지난 20년 동안 태양 자기장의 관측은 두 개의 흑점주기에 대한 활동을 묘사한다. 그러나 태양주기만큼 장기간에 걸친 활동에 관한 예상은 여전히 관측되는 경향이나 형태에 기초를 두고 있다. 우리는 수학적인 모델을 사용하여 과거와 현재의 조건에 기초해 예상을 충분히 만들어 낼 수 있을 정도로 태양을 이해할 수 있을 것이다.
최종수정일
2020년 5월 28일