쌀알무늬

그림 1. 태양흑점 주변에 대류에 의해 만들어진 쌀알무늬가 보인다.(출처: )

쌀알무늬(granulation)는 고해상도 백색광 태양 영상에서 보이는 쌀알(granule) 같은 수많은 대류 세포들의 무늬이다(그림 1 참조). 쌀알무늬는 밝은 쌀알(granule)들과 그를 둘러싼 어두운 경계(lane)들로 이루어졌다. 평균적으로 쌀알 중심부는 경계 부분보다 약 20% 정도 밝다. 쌀알의 지름은 약 1500km이며, 각각의 세포는 10분 정도 유지된다. 쌀알의 평균적인 수평 성분 속도와 수직 성분 속도는 모두 1-2 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1정도이다. 쌀알무늬는 광구(photosphere)를 구성하는 대표적 특징이다. 쌀알무늬는 태양의 대류층 상단에서 만들어진 대류 세포들이 밖에 있는 광구까지 침투하여(overshoot) 만들어내는 현상이다. 즉, 쌀알 하나는 광구에 나타난 대류세포이다. 각 쌀알의 중심부는 대류의 상승부에 해당하며 온도가 높은 플라스마가 솟아 오르기 때문에 밝게 보인다. 반면 개개 쌀알의 어두운 경계부분(lane)은 대류의 하강부에 해당하며 에너지를 방출하여 온도가 낮아진 플라스마 때문에 어둡게 보인다. 태양 대류층에는 다양한 규모의 대류세포가 존재한다고 알려져 있다. 이 중 가장 작은 규모의 대류 세포들이 쌀알무늬이다. 쌀알무늬보다 훨씬 크며 잘 알려진 대류세포들은 초대형쌀알무늬(supergranulation)이다.

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그림 2. 버나드 세포. 대류가 일어날 때 대류 세포의 모습이 육각형 모양이다.(출처: J. A. Perez-Munuzuri, V. Romero-Cano, M. S. Introductory analysis of Benard–Marangoni convection. European Journal of Physics. 2007, 28. pp 311-320 )

쌀알무늬는 종종 육각형 무늬로 묘사되곤 한다. 이는 버나드 세포(Bernard cells)로 알려진 대류 세포의 전형적인 형태가 육각형 모양이기 때문이다. 버나드 세포란 열이 유체의 아래에서 제공되는 경우 밀도가 높고 온도가 낮은 부분을 중력이 아래로 잡아 당기는 대신 밀도가 낮고 온도가 높은 부분은 솟아 오르게 되는데 이런 경우에 나타나는 대류 세포이다. 유체의 점성력은 중력에 반대하는 방향으로 작용하는데 중력과 점성력의 비를 레일레이 수(Rayleigh number)라고 부른다. 따라서, 대류가 발생하려면 레일레이 수가 임계값보다 커야 한다. 태양의 경우 레일레이 수는 @@NAMATH_INLINE@@10^{21} - 10^{24} @@NAMATH_INLINE@@이다. 레일레이 수가 이 정도로 크면 대류는 일정한 흐름을 나타내는 대신 난류(turbulent flow)의 형태로 나타난다.

이 난류는 음향학적 잡음(acoaustic noise)를 만든다. 특히, 쌀알무늬의 상승부의 면적이 하강부의 면적보다 적기 때문에 대류의 상승부의 속도보다 하강부의 속도가 훨씬 더 커서 대부분의 음향학적 잡음은 속도가 큰 하강부에서 만들어진다고 알려져 있다. 음향학적 잡음은 속도의 높은 차수에 비례하기 때문이다. 이렇게 생성된 무작위적(random) 음파가 태양 내부의 공명통과 조건이 맞으면 태양진동(solar oscillation)으로 나타난다.

태양 외에 다른 별에서도 쌀알무늬가 존재한다는 증거를 분광관측으로 얻을 수 있다. 선스펙트럼이 쌀알무늬의 도플러속도 때문에 열적선폭증대(thermal broadening) 이상으로 넓어지는 것이 첫 번째 증거이다. 대부분의 별, 특히 자전 속도가 느린 별에서는 쌀알무늬에 따른 대기 운동이 다른 것에 비해 크기 때문에 선스펙트럼의 증대는 쌀알무늬가 존재한다는 간접적인 증거가 된다. 두 번째 증거가 되는 선 스펙트럼의 특징은 비대칭성이다. 쌀알무늬의 중심부는 별에서 솟아 오르기 때문에 스펙트럼선이 청색이동(blueshift)하는 반면 경계 부분은 가라앉기 때문에 적색이동(redshift)하게 된다. 하지만, 중심부의 빛이 경계 부분의 빛보다 강하기 때문에 전체적인 영향을 고려하면 스펙트럼 선이 대칭적으로 보이지 않게 된다. 더욱이 표면에서 생성된 모든 스펙트럼 선들이 같은 양상을 나타내게 되는데 이것이 쌀알무늬가 존재한다는 증거가 된다.

그림 3. 소호위성(SOHO)이 관측한 초대형쌀알무늬. 방사상 속도 성분이 작기 때문에 태양면 중심부에서 시선 방향의 속도 성분이 작게 나타나고 있다. 파란색과 붉은색은 청색이동과 적색이동 속도 성분을 나타낸다. 각각의 모양이 초대형쌀알무늬에 해당한다.(출처: )

태양 표면의 도플러속도 관측에 의해 알려진 큰 규모의 대류 현상이다(그림 3 참조). 쌀알무늬가 방사상 성분(혹은 표면에 대해 수직한 성분)의 속도가 큰 것이 특징인 것과 달리 초대형쌀알무늬는 수평 성분의 속도가 큰 것이 특징이다. 수평 성분의 속도는 쌀알무늬의 속도에 보다 작은 수백 m@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1 정도이고 수직 성분 속도는 30m@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1 정도이다. 지름은 약 3만 km정도이며 수명은 하루 정도인 것으로 알려져있다.

반면 중간 규모(약 5000- 10000 km) 의 중간크기쌀알무늬(mesogranulation)나 더 큰 규모의 대류 세포(giant cell convection) 는 관측적으로 논란의 여지가 아직 남아 있다.