자기구름

자기구름이란 강한 자기장을 품고 태양에서 분출된 행성간 거대 플라스마 덩어리이다. 태양풍의 한 종류로서, 정해진 지점에서 측정한 자기장과 플라스마 구조가 시간에 따라 급격한 변화를 보이는 현상이다. 행성간 분출물이 자기구름으로 인정받기 위해서는 분출물이 관측 지점을 통과하는 대략 하루 동안에 1) 자기장 방향이 상당한 양만큼 돌아가야 한다. 2) 자기장의 세기가 태양풍 평균보다 강해야 한다. 3) 플라스마의 온도가 태풍 평균보다 낮아야 한다. 자기구름은 1981년 Burlaga 등이 발견하였다. 1980대 초 SMM위성과 Helios-1 위성관측으로 태양분출현상인 코로나질량방출(Coronal Mass Ejections: CMEs)과 연관성이 높음이 알려졌다. 그 후에 이루어진 연구 결과로, 태양을 탈출하여 행성간을 운행하는 행성간코로나질량방출(interplanetary coronal mass ejection, ICME)은 태양에 뿌리를 둔 채 행성간 공간을 운행하는 토러스(도넛) 모양으로 구부러진 자기밧줄(magnetic flux rope)로 볼 수 있으며, 자기구름은 이 행성간코로나질량방출이 지구 근처를 통과할 때 일어나는 현상임이 밝혀졌다. 그래서 자기구름은 종종 행성간코로나질량방출과 동일시되곤 한다.

목차

전형적인 자기구름의 관측 특징은 급격한 자기장 세기의 증가, 자기장 벡터가 남북 방향 혹은 동서 방향으로 천천히 회전, 낮은 양성자 온도, 그리고 높은 알파입자/양성자 입자 비율이다. 일반적인 자기구름의 자기장 세기는 20nT이고, 지구 근처를 지난 때 속도는 450 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1 이며 그 두께는 0.25 AU 정도이다.

모든 행성간코로나질량방출이 위와 같은 전형적 특징을 모두 보여주지는 않느다. 그 중 자기구름의 전형적 특징과 많이 다르며 불규칙한 특징을 보이는 행성간코로나질량방출은 복합분출물(complex ejecta)이라고 한다. 행성간코로나질량방출(Interplanetary CME: ICME)은 복합분출물과 전형적 자기구름을 포함하고 있다.

최근 자기구름의 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 인공위성이 자기구름을 통과하면서 관측되는 양상에 따라 그림 1에서 보는 바와 같이 자기장 형태를 실린더 혹은 토러스 모양의 자기밧줄(magnetic flux rope) 구조로 가정하여 관측자료로 부터 자기구름의 전반적인 형태를 추정하는 방법이 마루바시(Katsuhide Marubashi) 등에 의해 제안되었다. 또한 지구 근처의 관측된 자기구름의 물리적 특성이 자기구름의 근원이 되는 태양 활동 영역의 물리적 특성과 일치하는 지에 대한 연구도 이루어 지고 있다. 지구 근처에서 관측되는 자기구름의 자기 구조와 태양활동영역의 자기 구조와는 약간의 차이를 보이고 있지만 이들 자기장의 꼬임 방향은 잘 일치한다. 따라서 자기장 꼬임 방향이 자기구름의 태양근원처를 알아내는데 유용한 도구로 제시되고 있다.

그림 1. 모델에서 적용하고 있는 자기구름의 형태. 황도면 상에 표시한 자기구름의 전반적인 모습(a), 자기구름의 측면 ‘A’ 지점을 통과할 때는 토러스 모양의 자기밧줄 모형을 사용하고 자기구름의 정면 ‘F’ 지점을 위성이 통과할 때는 실린더 모양의 자기밧줄 모형을 관측에 적용하게 된다.  (출처: )

그림 2에서 보는 바와 같이 고속의 코로나질량방출이 행성간 공간으로 진행하게 되면, 그 앞쪽의 느린 태양풍이 압축되면서, 행성간 충격파(interplanetary shock)가 형성된다. 따라서 지구 근처에서 보면, 자기구름이 도달하기 전에 행성간 충격파가 도달한다. 이어서 충격파에 의해 교란된 싸개지역(sheath)이 도달한 후에야 자기구름이 도달한다. 자기구름 앞에 형상되어 제일 앞서 나아가는 행성간충격파는 하전 입자를 가속시켜 태양고에너지입자(solar energetic particles, SEP)를 만들어 낸다. 태양고에너지입자를 만들어내는 또 다른 태양 현상은 플레어이다. 그러므로 플레어와 더불어 자기구름 또는 행성간코로나질량방출은 태양고에너지입자의 기원을 이해하는데 매우 중요하다.

그림 2. 자기구름의 구조. 태양풍과 상호작용하는 자기구조의 모습을 볼 수 있다. 자기구조 앞에 충격파가 태양고에너지입자(Solar Energetic Particle: SEP)를 가속시켜 지구에 도달하게 된다. 오른쪽 작은 박스 안은 각 위성에서 측정한 태양고에너지입자의 운동 측정 결과를 묘사한 것이다.(출처: )