태양활동

태양활동은 주로 자기장과 연관되어 태양에서 일어나는 현상들이나 변화들을 총체적으로 이르는 말이다. 태양이 일반적인 변광성은 아니지만 태양 표면에서 자기장 세기는 주기적으로 혹은 일시적으로 변하고 있다. 태양 자기장의 이러한 변동은 결과적으로 태양흑점, 플레어, 홍염, 코로나질량방출, 태양풍, 태양고에너지입자 방출 등을 포함한 다양한 형태의 태양활동을 일으킨다. 태양활동에 따라 태양스펙트럼도 변화한다. 태양활동은 주기성이 있다. 가장 중요한 것은 11년 주기성이며 이보다 짧거나 긴 주기로도 태양활동이 변하고 있다. 11년 주기 중 태양활동이 강한 시기를 태양극대기 또는 흑점극대기라고 하며, 태양활동이 약한 시기를 태양극소기 또는 흑점극소기라고 한다. 활동이 활발한 흑점극대기에는 전파 복사량이 평상시 방출량의 10만 배까지 증가하기도 한다. 엑스선 복사나 극자외선 복사도 태양활동과 밀접하게 관련되어 있다. 태양흑점으로 대표되는 태양의 자기활동은 코로나와 태양풍 특성을 결정지을 뿐 아니라 우주기상(space weather) 현상을 야기하는 중요한 요인이다.

목차

태양흑점은 태양 활동 중에 가장 오랫동안 인류에게 알려진 대표적인 태양활동이다. 흑점과 주변 지역은 자기활동이 활발하고 근지구 우주환경에 영향을 끼치는 플레어, 코로나질량방출과 같은 태양폭발 현상이 발생하는 활동영역(active region)이라고 부른다. 천체망원경 발명 전부터 알려져 있었고 17세기초 천체망원경의 도입 이후 꾸준하게 관측되어 왔다. 흑점은 기본적으로 중심부의 암부와 그 주변을 감싸고 있는 반암부로 구성되어 있지만, 암부와 반암부만 있는 것도 간혹 관측되며 미소흑점(pore) 도 최근 발견되었다. 흑점이 검게 보이는 이유는 표면 온도가 주변 광구보다 약 1500K정도 낮기 때문이다. 강한 자기장이 대류에 의한 에너지 전달을 방해해서 흑점의 표면온도가 낮은 것이다. 흑점의 자기장 세기는 제만효과(Zeeman effect)로 측정된다. 흑점의 평균적인 크기는 10000km정도이며 수명은 짧게는 수일에서 수개월에 이르는 것도 있다.

흑점은 종종 반대 극을 갖는 쌍이나 무리를 이루어 나타난다. 이런 쌍극자군의 구조는 두 쌍극자를 잇는 루프모양으로 자기장이 태양표면에서 부상한 것으로 이해할 수 있다. 이런 고리를 따라서 뜨거운 플라스마가 흐른다면 루프홍염(loop prominence) 으로 관측될 것이다.

플레어 폭발은 태양활동 중 가장 격렬한 것들 중의 하나이다. 플레어는 밝기가 1초에서 1시간 미만의 시간 동안 밝기가 급격히 증가하였다가 천천히 감소하는 현상이다. 플레어에서는 흑점 부근 대기에 자기장에 누적된 에너지가 자기재연결으로 순식간에 발산된다. 플레어는 모든 파장영역에서 관측할 수 있다. 특히 짧은 파장대의 엑스선과 극자외선 방출은 플레어 동안 수백 배나 증가한다. 엑스선 플럭스의 최대값을 써서 플레어의 계급을 정한다. 전파의 파장대에서 플레어는 여러 가지 유형으로 관측된다. 플레어가 발생하면 태양의 고에너지 입자의 방출도 급격히 증가한다.

홍염은 태양 대기의 아랫 부분인 광구나 채층에서 태양 대기의 바깥 부분인 코로나 영역에 해당하는 외곽으로 크게 뻗어나와 어느 정도 시간동안 모양을 유지하는 플라스마 구조이다. 홍염은 성분과 온도가 채층과 유사하기 때문에 츨정한 필터가 없다면 개기일식 때 가장 잘 관측된다. 홍염은 수십만 km까지 확장되어 물질을 1000 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1의 속도로 분출하는 코로나질량방출로 이어지기도 한다.

코로나질량방출은 태양에서부터 행성간 공간으로 폭발적으로 분출되는 가스 구름 형태의 플라스마와 자기장이다. 주로 태양 플레어, 홍염/ 필라멘트의 분출 현상과 함께 발생된다. 태양 자기장에 축적된 자기에너지가 빠르게 열 또는 운동에너지로 변환되면서 자기력선과 플라스마가 분출되는 현상으로 알려져 있다. 코로나질량방출의 세기는 방출되는 물질의 운동에너지로 정의된다.

이때 방출된 자기구름(magnetic cloud) 속 입자들은 하루나 이틀 안에 지구에 도달한다. 충격파에 의해 빠른 가속된 입자들은 지자기 폭풍을 야기하는 등 우주 기상에 영향을 주면서 계속해서 지구에 도달한다. 태양 플레어와 코로나질량방출은 지구에 여러 가지 교란을 야기한다. 엑스선은 지구의 이온층을 변화시켜서 단파 통신에 영향을 미친다. 플레어 발생 시 방출되는 입자가 플레어 출현 후 수일이 지나 자기장에 진입하게 되면 강한 오로라를 일으킨다.

태양풍은 태양의 가장 바깥 대기인 코로나에서 시작해서 행성간 공간으로 나아가는 플라스마의 흐름이다. 태양풍이 발생하는 지역의 플라스마 특성에 따라 태양풍의 물리적 특성이 결정되는데, 빠른태양풍은 태양 극지방에 발달된 열린자기장 구조의 코로나구명에서 발생되고 느린태양풍은 적도 지역의 스트리머, 또는 활동영역의 가장자리의 닫힌자기장 구조와 열린자기장 구조가 연결되는 지역에서 발생될 것으로 알려져있다. 코로나구멍의 플라스마는 빠른태양풍의 형태로 행성간공간으로 쉽게 빠져나가기 때문에 주변보다 밀도와 온도가 낮아 어둡게 보인다. 태양활동의 극소기에는 이러한 빠른태양풍과 느린태양풍이 잘 구분되어 발달되고, 저위도의 활동영역이 태양의 고위도까지 발달되는 흑점극대기에는 빠른태양풍과 느린태양풍이 서로 섞여서 나타난다. 그리고 코로나질량방출은 태양풍 교란으로 생각할 수도 있는데 이런 현상이 나타나면 매우 높은 속도로 태양풍 플라스마 입자들을 가속시키는 충격파를 만든다. 태양활동 극소기 무렵 코로나질량방출은 일주일에 몇 번 정도 발생하는 반면 극대기 때는 거의 매일 몇 개의 코로나 물질 방출이 일어난다.

태양고에너지입자는 플레어나 코로나질량방출 등의 태양활동으로 가속되어 높은 에너지를 갖게 된 입자들이다. 1942년 지상에 있는 이온 챔버에서 처음으로 관측 되었다. 태양고에너지입자는 전자, 양성자, 중이온 등으로 구성되어 있고 자기재연결이나 충격파에 의해 수십 keV에서부터 GeV까지의 에너지로 가속된다. 강한 플레어 및 고속 코로나질량방출에 의해 가속되는 태양고에너지입자는 수시간 이내에 지구까지 도달한다. 우주 유영을 하는 우주비행사들과 극항로를 이용하는 승무원 그리고 승객들이 태양고에너지입자로 인한 방사능에 노출될 수 있다. 인공위성 작동에 영향을 주거나 손상을 입히기도 하고 관측 자료에 소음으로 작용할 수도 있다. 강한 태양고에너지입자 현상은 우주기상에 심각한 영향을 주므로 미국해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)의 우주기상예보센터(Space Weather Prediction Center, SWPC)에서는 관측 자료와 이론적 모형을 이용해 태양고에너지입자 플럭스 세기를 예보하고 있다.

태양활동의 주기성을 나타내는 지수는 흑점수 외에도 흑점군수, F10.7지수, 코로나 지수 등 다양하다. 이 가운데서 태양활동의 주기성은 대표적인 지수하고 할 수 있는 흑점수에서 가장 잘 나타난다. 흑점의 주기성은 1843년 슈바베(Samuel Heinrich Schwabe)가 처음 보고하였다. 흑점수는 거의 11년 주기로 증가하였다가 감소하는 것을 반복하였지만, 17세기에 흑점이 실질적으로 오랜 기간 관측되지 않은 기간이 있다. 이 기간을 몬더극소기(Maunder Minimum)이라고 한다. 이와 유사한 슈페러 극소기(Spörer minimum)가 15세기에 있었으며 그 밖의 극소기 기간이 여러 차례 있었다고 추정하고 있다.

흑점수의 주기적 변화는 그에 상응하는 자기장의 변화를 반영한다. 활동주기가 시작될 때 흑점은 위도 ±40° 정도에서 보이기 시작한다. 주기가 진행됨에 따라 흑점은 더욱 적도에 가깝게 이동한다. 흑점이 발생하는 형태를 보인 그림을 나비도(butterfly diagram)라고 부른다. 주기가 끝날 무렵 적도지방에 흑점이 여전히 있을 때 새로운 주기의 흑점이 ±40° 정도에서 나타나기 시작한다. 새로운 주기에 속한 흑점들은 지난 주기에 속한 흑점과 반대되는 극성을 갖는다(반대쪽 반구에 있는 흑점도 마찬가지로 반대 극성을 갖는다). 이어지는 11년 주기 사이에 극성이 바뀌기 때문에 엄밀하게 말하자면 태양의 자기 활동 주기는 헤일주기로 정의된 22년이다.

흑점수는 개별 흑점 수나 흑점군의 수로 표시되는데 국제 태양흑점수(International Sunspot Number) 혹은 상대 태양흑점수(Relative Sunspot Number)라고 부른다. 흑점수(@@NAMATH_INLINE@@Z@@NAMATH_INLINE@@)는

@@NAMATH_DISPLAY@@ Z=k(S+10G) @@NAMATH_DISPLAY@@

로 표시된다. 여기에서 @@NAMATH_INLINE@@k@@NAMATH_INLINE@@는 관측자와 관측 조건에 따라 달라지는 상수이고, @@NAMATH_INLINE@@S@@NAMATH_INLINE@@는 개별 흑점 수, @@NAMATH_INLINE@@G@@NAMATH_INLINE@@는 흑점군의 수이다.

한편 11년 주기의 진폭이 일정한 것은 아니다. 약 87년(70-100년) 주기로 천천히 변조되고 있다. 이를 처음 주장한 글라이스버그(Wolfgang Gleissberg)의 이름을 따서 글라이스버그주기라고 부른다. 실제로 나무의 나이테나 빙하에 존재하는 탄소-14나 베릴륨-10 등의 우주 동위원소를 이용해 더 긴시간동안 태양권 자기장의 변화를 유추해 보면 이런 긴 주기성이 확연하게 드러난다. 심지어 약 210년 주기의 드브리스주기(de Vries cycle)가 발견되기도 한다. 2400년 주기의 할슈타트주기(Hallstatt cycle)로 제안된바 있고 이보다 더 긴 6000년 주기의 태양 활동이 있다는 주장도 있다(그림 1 참조).

그림 1. 할슈타트 주기성. 나무의 나이테에서 얻은 탄소 방사능 동위원소로부터 추정한 태양 활동성 변동이다.(출처: )

코로나질량방출 등은 에너지가 매우 높은 양성자를 분출하기도 하는데 이것들은 인공위성의 전자 부품이나 태양전지판에 피해를 입힌다. 전자기기의 비트값이 변하는 오류 현상(Single Event Upset, SEU)를 야기해 관측 자료에 손상을 주기도 한다.

태양의 자기 활동이 활발할 때 태양권으로 침입하는 은하우주선(Galactic Cosmic Rays, GCR)의 양이 감소하는 양상을 보인다. 이것은 자연스럽게 지구의 자기권(magnetosphere)으로 들어오는 GCR 입사량을 조절하는 역할을 하게 된다. 현재 알려진 바에 의하면 지구 대기로 들어오는 GCR의 경우 단순히 11년 주기로 그 양이 조절되는 것이 아니고 극성을 고려한 22년 주기에 따라 입사되는 양상이 달라진다고 한다.

구름이 형성되기 위해서는 응결핵이 필요하다. 지구 대기에 투입된 은하우주선이 대기에 있는 중성 원자들을 전리 시켜 더 효과적인 응결핵으로서 작용하게 한다고 한다. 당연하게도 지구 구름 양이 11년 주기로 변조됨에 따라 태양복사를 반사시키는 반사도(albedo)가 11년 주기로 달라진다고 주장하는 연구들이 진행되고 있다.

태양활동성은 태양 표면을 덮는 흑점의 면적과 백반(faculae)의 면적 등을 변화시킨다. 이에 따라 태양에서 방출되어 지구 대기 꼭대기에 도달하는 총태양조도(Total Solar Irradiance, TSI)를 변화시킨다(그림 2 참조). 1978년 위성 관측이 시작되고서야 총태양조도가 시간에 따라 변한다는 것이 알려졌으며 태양활동에 주기 동안 약 0.073 % 정도 차이가 난다고 알려졌다. 이 외에도 태양 활동이 자외선 등의 짧은 파장에 더 큰 영향을 주기 때문에 태양빛의 파장에 따른 분광태양조도(spectral solar irradiance, SST)가 지구의 열수지에 영향을 준다는 주장도 최근 지구온난화와 관련해서 대두되고 있다.

그림 2. 태양주기 21, 22, 23의 활동성 지수. 태양흑점 관측, 태양복사량, 플레어, 전파10.7 지수 모두 일관되게 극대기와 극소기가 일치하는 것을 볼 수 있다. 태양의 활동성이 지구의 기후와도 연관되어 있음을 명확하게 알 수 있다.(출처: )

플레어 등의 영향으로 지구 자기권에 태양에서 입사되는 입자들의 에너지가 누적되면 지구 자기권꼬리(magnetotail)에서 폭발적으로 에너지가 방출된다. 이런 현상을 부폭풍(substorm)이라고 하는데 지구 자기권과 전리권에 다양한 현상을 일으킨다. 잘 알려져 있는 오로라가 부폭풍이 동반하는 현상이다. 직접적으로는 지구 자기장 자체를 급격하게 변화시킬 수도 있는데 전류권계면(magnetopause)에 동압력이 작용하면 지구 자기권이 수축하고, 지구 자기장에 영향을 주는 환전류(ring current)에 영향을 끼쳐 지구 자기장이 급격히 감소하기도 한다.