타코클라인

타코클라인은 태양 내부의 복사층(radiative zone)과 대류층(convective zone)의 경계층이다(그림 1 참조). 타코(tacho)는 속도, 클라인(cline)은 변화 또는 변이를 의미하는 말이다. 즉 타코클라인은 회전 속도의 변화가 심한 층이다. 해양학에 쓰는 수심에 따른 수온의 변화가 심한 수온약층(thermocline)에 유추하여 나온 말이다. 대류층은 적도 지역이 극지역보다 빠르게 회전하는 반면 복사층은 강체(solid body)처럼 일정한 속도로 회전한다. 그렇기 때문에 복사층과 대류층의 경계에서는 회전 속도 변화가 매우 크다. 태양진동학(helioseismology) 연구에 의하면 타코클라인은 태양 중심으로부터 약 0.7@@NAMATH_INLINE@@R_\odot@@NAMATH_INLINE@@ 지점에 위치하며 두께는 약 0.02@@NAMATH_INLINE@@R_\odot@@NAMATH_INLINE@@이다. 타코클라인의 모양은 길쭉한 타원체와 비슷하다. 그 두께는 태양 위도가 높을수록 두꺼워진다. 다이나모이론이론에 따르면 타코클라인은 급격한 회전 속도 변화 때문에 태양 자기장 생성이 일어나는 지역이다. 최신 연구로 타코클라인에서는 회전 속도 뿐만 아니라 화학 성분도 급격하게 변함이 밝혀졌다.

그림 1. 대류층과 복사층의 얇은 경계층이 타코클라인이다.(출처: )

목차

타코클라인 내부의 역학을 이해하는 것은 태양 물리에서 중요한 주제이고 어려운 주제이다. 다른 지역에 비해서 자기장이 강하고, 차등회전(differential rotation)이 심하며 계층화(stratification)가 심하기 때문이다(그림 2와 3 참조). 타코클라인에 관한 대부분 논의는 차등 회전하는 대류층의 역학적 효과를 복사층이 어떻게 극복하고 균일한 속도로 회전할 수 있는가 하는 문제에 집중되었다. 다른 말로 하면 타코클라인이 과연 그렇게 얇을 수 있는가 하는 문제라고 할 수 있다. 타코클라인에 관한 논의는 1972년 슈피겔(Edward Spiegel)이 그 존재를 이론적으로 제안하면서 시작되었다. 지지부진하던 논의는 1980년대말 태양진동학적으로 관측되고서야 빠르게 진행되었다. 슈피겔(Edward Spiegel)과 장-폴 잔(Jean-Paul Zahn)이 수직 운동이 거의 없는 2차원 면에서 발생하는 난류에 의해 타코클라인이 유지된다고 주장한 바 있다. 이 난류는 위도에 따른 차등회전에 의해 발생하고 깊이에 따른 난류를 발생시키지 않는다는 것이 특징이다. 하지만, 고프(Douglas Gough)와 매킨타이어(Michael McIntyre)가 설명하였듯이 복사층이 강체 회전하는 것은 아마도 화석자기장(Fossil Field) 때문일 수도 있다.

그림 2. 태양진동학적 분석으로 얻은 태양 내부 회전 속도를 태양중심으로부터의 거리의 함수로 여러 위도에 대하여 나타내었다. 태양 표면에서 관측할 수 있는 차등회전이 대류층에서 유지되는 반면, 복사층에서는 강체 회전하고 있음을 알 수 있다. 경계가 되는 0.7@@NAMATH_INLINE@@R_\odot@@NAMATH_INLINE@@ 이 타코클라인이다.(출처: )

그림 3. 태양진동학적 분석으로 얻은 태양 내부의 음파의 속도와 가장 정밀한 모형으로 얻은 음파의 속도의 차이다. 타코클라인 근처에서 실제 태양의 화학 성분이 급격하게 달라진 것을 알 수 있다.(출처: http://soi.stanford.edu/results/sspeed.html Proceedings of the International Astronomical Union 181: 203 · April 1997)

다이나모 모형에서 필수적인 요소인 차등회전이 극적으로 나타나는 영역이 타코클라인인 점은 태양 자기장의 원천인 다이나모 작용이 실제로 일어나는 곳이 타코클라인이라고 암시한다. 따라서 태양 표면에서 관측한 태양 활동성이 11년 주기성을 보인다는 것은 태양 자기장의 원천에 해당하는 타코클라인도 11년 주기의 변화를 겪을 것이라고 기대하게 한다.

하지만, 현재까지의 태양진동학적 관측에 따르면 타코클라인에 해당하는 깊이에서 11년 주기의 변화를 발견하지 못했다. 또한 타코클라인의 두께나 위치가 태양 활동 극대기와 극소기 때 특별한 변화가 관측되지 않고 있다. 단지, 대류층의 바닥에 해당하는 곳의 자전주기를 분석한 결과 1.3년 주기로 변하고 있다는 주장이 제기되었다(그림 4 참조). 이 변화가 실제하는 것인지, 다이나모 현상과 어떤 연관이 있는지 검증이 필요한 상황이다.

그림 4. 0.72 @@NAMATH_INLINE@@R_\odot@@NAMATH_INLINE@@과 0.63 @@NAMATH_INLINE@@R_\odot@@NAMATH_INLINE@@에서의 회전속도 변화.(A)적도,(B) 위도 30도(C) 위도 60도에서의 결과이다. 원기호는 GONG 관측 자료 결과이고, 세모 기호는 SOHO/MDI 관측 자료의 결과이다.(출처: Howe et al., 2000, Science, 287, 2456)