부폭풍

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

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.

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

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)

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.

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).

남쪽 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.

지구로부터 자기권 꼬리 방향으로 20-30R_E 근처에서 발생한 자기재연결에 의해 부폭풍이 시작한다는 시나리오(이를 Near-Earth Neural Line(NENL) 모델이라 한다, 그림 8 상)와 지구에 매우 근접한 15R_E 이내의 자기권 꼬리 부근에서의 자기권 전류 시스템이 갑자기 붕괴되면서 부폭풍이 발생한다는 시나리오(이를 Current Disruption(CD) 모델이라 한다, 그림 8 하)가 있다.

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: )

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).

그림 9. 2017년 8월 31일 AU, AL, AE 지수 변화(출처: )