부폭풍
[ Substorm ]
자기권 부폭풍(이하 ‘부폭풍’)은 지구 자기권에 저장된 태양풍 에너지가 자기권 꼬리에서 폭발적으로 방출되는 현상이다. 부폭풍은 근지구의 매우 좁은 영역에서 시작하지만 불과 수분 안에 자기권 및 전리권의 전 영역에 걸쳐 다양한 현상을 일으킨다(그림 1). 알래스카대학의 아카소푸 슌이치(Akasofu Syun-Ichi)는 국제지구물리관측년(1957-58년)기간동안 지상의 전천카메라를 이용하여 관측한 다량의 오로라 영상으로 전 지구적 오로라 변화양상을 설명하면서, 1964년 오로라 부폭풍(Auroral Substorm)이라는 개념을 처음 소개하였다. 오로라 부폭풍은 부폭풍이 동반하는 대표적인 현상 중 하나일 뿐이다. 부폭풍은 흔히 스톰이라 부르는 지자기폭풍보다 훨씬 작은 규모이며, 지자기폭풍 발생 여부와 상관없이 흔히 발생한다. 부폭풍의 근본적인 원인에 대해 아직까지 전문가들 사이에서 의견일치가 이루어지지 않은 상황이다.
목차
부폭풍이 동반하는 현상들
지상에서 광학적으로 확인 가능한 오로라의 변화 외에도 부폭풍 기간 동안 다음과 같은 다양한 현상들이 자기권 및 전리권에서 발생한다(그림 2). 이는 지상 자력계 및 인공위성 관측으로 알려졌다.
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그림 2. 부폭풍 기간 동안 발생하는 다양한 현상들(a) 오로라 발생과 확장(b) 위도에 따른 지상 수평 자기장(H) 변화(c) 근거리 자기권꼬리에서의 전류(J) 및 자기장 성분별 세기(B) 변화(d) 정지궤도에서의 전류(J) 및 자기장 세기(B) 변화(e) 중거리 자기권꼬리에서의 플라스마 밀도(N), 온도(T), 속력(V) 변화(f) 원거리 자기권꼬리에서의 자기장 세기(B) 및 플라스마 속력(V) 변화(출처: Lui et al., 2000; William Liu and Masaki Fujimoto, The dynamic magnetosphere, IAGA Special Sopron Book Series 3, Springer, pp. 65-116, 2011
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그림 3. 오로라 제트전류(auroral electroject)와 연결된 자기권 꼬리 전류(tail current)와 자기장을 따라 흐르는 전류(field aligned current), 이러한 전류계는 자기권 꼬리 전류의 붕괴(tail field collapse)에 의해서 형성된다(출처: McPherron, R. L., Russell, C. T., & Aubry, M. P., Satellite studies of magnetospheric substorms on August 15, 1968: 9. Phenomenological model for substorms, Journal of Geophysical Research, Vol. 78, p. 3131, 1973)
- 고위도 상층대기에서부터 전리권과 자기권에 걸친 새로운 전류계의 형성으로 지상 자기장의 변화가 관측된다(그림 3). 부폭풍 기간 동안 고위도 지방 수평 자기장 성분이 갑작스럽게 감소하는 반면, 중위도와 적도 지방에서는 증가하는 양상을 나타낸다(그림 2b). 이는 부폭풍 기간 동안 고위도와 중위도 사이에 강력한 전류(이를 오로라 제트전류(Auroral Electrojet)라 한다)가 흐른다는 것을 의미한다. 암페어 법칙에 의하면 전류가 흐르면 주변에 자기장이 유도된다. 제트전류가 흐르는 지역보다 북쪽에서는 이러한 유도 자기장의 방향이 본래 지구 자기장의 방향과 반대이다. 따라서 수평 자기장은 그 지방에서는 감소하고, 반대로 제트전류가 흐르는 지역보다 남쪽에서는 증가한다.
- 40-150초의 주기를 갖는 Pi2라 불리는 파동이 발생한다. 이는 지상뿐만 아니라 자기권 내에서도 흔히 관측된다.
- 오로라가 자정 근처에 갑작스럽게 밝아짐과 동시에 남북 또는 동서 방향으로 확장과 감소가 나타난다(그림 2a).
- 자기권 꼬리 및 정지궤도 근처에서 길게 늘어난 자기장의 형태가 부폭풍 시작과 함께 원래 지구 자기장의 형태인 쌍극자 형태로 갑작스럽게 변화한다. 이를 쌍극자화(dipolarization)라 한다(그림 4).
- 자기권 꼬리에서 수십에서 수백 킬로전자볼트에 해당하는 고에너지 플라스마 입자들이 지구로 빠르게 유입된다. 이로 정지궤도에서는 모든 에너지대의 플라스마 입자들이 동시에 갑작스럽게 증가하는 것이 관측된다(그림 2d).
- 자기권 꼬리에서는 자기재연결이 관측되며, 그 결과로 자기권 꼬리의 비교적 먼 부분에서는 플라스마 입자가 갇혀 고립된 플라즈모이드(plasmoid)가 형성되기도 한다(그림 5).
- 이 외에도 자기권 꼬리에 위치한 플라스마판(plasma sheet)의 두께가 얇아지며, 자기권 꼬리 약 25RE 근처에서 플라스마 입자가 지구쪽으로 유입된다.
부폭풍의 발달과정
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그림 6. Polar 위성의 자외선 망원경(Ultraviolet Imager)에서 관측한 오로라 부폭풍의 발달과정(출처: Ching-I Meng and Kan Liou, Substorm timing and timescales: a new aspect, Space Science Reviews, Vol. 113, pp. 41–75, 2004)
부폭풍의 발달과정은 지상에서 상시 관측이 가능한 오로라 변화로 크게 성장기(growth phase), 확장기(expansion phase), 회복기(recovery phase)의 3단계로 정의된다(그림 6). 성장기는 부폭풍 시작 전 태양풍 에너지가 점진적으로 자기권에 쌓이는 시기로, 야간 지역에서 동서 방향으로 희미한 오로라 타원체(auroral oval)가 나타나며, 그러한 타원체가 남쪽지역을 향해 점진적으로 확대된다. 확장기에는 성장기 동안 쌓인 태양풍 에너지가 방출되는 시기로, 자정 부근에서 갑작스럽게 오로라가 밝아지는 것을 시작으로(이를 오로라 부폭풍의 시작(onset)이라 정의한다) 오로라 타원체가 극지방뿐만 아니라 동서 방향으로 빠르게 팽창한다. 이 기간 동안에는 다양한 형태의 오로라가 나타나기도 한다. 마지막으로 회복기에는 오로라의 세기가 점점 약해지면서 성장기 이전의 형태로 되돌아 간다. 이러한 일련의 과정들이 약 한 두 시간 정도 지속된다.
무엇이 부폭풍을 일으키는가?
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그림 7. 자기권 꼬리에 위치한 총 5기의 THEMIS 위성(출처: )
부폭풍은 태양활동의 규모와 상관없이 자주 발생한다. 아직까지 부폭풍이 태양활동 변화에 따른 외부요인에 의해서 발생하는지 아니면 자기권 자체의 내부요인에 의해 발생하는지에 대해 학자들 간에 의견일치가 이루어지지 않은 상황이다. 미국 나사에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 총 5기의 다중위성 THEMIS(The Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms)를 2007년 2월에 발사하여 부폭풍의 발생 원인 및 발달과정을 밝혀내기 위한 연구를 지속적으로 수행하고 있다(그림 7).
태양활동에 따른 외적 요인남쪽 방향 행성간자기장이 갑자기 북쪽 방향으로 역전되었을 때, 자기권 꼬리에서 길게 늘어난 자기장의 형태가 쌍극자 형태로 바뀌면서 부폭풍이 전개된다. 또한 태양에서의 행성간 충격파(Interplanetary shocks)의 지구 도달에 의해서도 부폭풍이 시작된다고도 알려졌다.
자기권 자체의 내적 요인지구로부터 자기권 꼬리 방향으로 20-30RE 근처에서 발생한 자기재연결에 의해 부폭풍이 시작한다는 시나리오(이를 Near-Earth Neural Line(NENL) 모델이라 한다, 그림 8 상)와 지구에 매우 근접한 15RE 이내의 자기권 꼬리 부근에서의 자기권 전류 시스템이 갑자기 붕괴되면서 부폭풍이 발생한다는 시나리오(이를 Current Disruption(CD) 모델이라 한다, 그림 8 하)가 있다.
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그림 8.(상) Near-Earth Neural Line 모델: 자기장재연결(reconnection)을 시작으로 전류 붕괴(current disruption)와 오로라(aurora) 순으로 발생(하) Current Disruption 모델: 전류 붕괴를 시작으로 오로라와 자기장재연결 순으로 발생(출처: )
오로라 제트전류 지수
부폭풍 발생여부를 가늠하기 위해 고안된 지수로, 오로라 제트전류, 즉 Auroral Electrojet의 약어로 흔히 AE지수라 한다. 이는 오로라 발생 지역 상공의 강력한 제트 전류에 의해 변화된 지상 자기장의 세기 변화 정도를 나타내며, 1966년에 T. Neil Davis와 Masahisa Sugiura에 의해 고안되었다. 오로라 지역에 위치한 관측소들에서 측정한 수평 자기장의 세기 중 최대값(혹은 상한값), 최소값(혹은 하한값)을 각각 AU지수, AL지수라 하며, 이 둘의 차인 AU-AL를 AE 지수로 정의한다. 부폭풍 기간 동안 강력한 제트 전류의 증가는 AU와 AL지수의 증가를 의미하며, 그에 따라 AE 지수 또한 증가한다. 이 지수는 현재 으로 제공받을 수 있다(그림 9).
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그림 9. 2017년 8월 31일 AU, AL, AE 지수 변화(출처: )
동의어
서브스톰