뱃머리충격파

초음속의 태양풍이 지구 자기권을 만나면서 만들어낸 충격파이다. 일반적으로 자기장 및 플라스마 관련 물리량들이 뱃머리충격파 경계 전후로 급격히 변화한다. 따라서 태양풍 영역과 지구 자기권을 구분 짓는 경계이다. 충격파면의 태양 직하점까지의 거리는 평균 15 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@이다(그림 1 참조). 뱃머리충격파 연구는 기본적으로 태양풍 연구에 중요한 역할을 한다.

그림 1. 지구 자기권 뱃머리충격파의 구조(출처: )

목차

충격파는 초음속의 물체가 기체 속을 이동하거나, 또는 초음속의 흐름 속에 장애물이 놓인 경우 장애물 앞에 발생한다. 따라서, 초음속으로 비행하는 제트기 앞부분에 충격파가 흔히 생성된다. 이와 유사한 원리로 평균 400 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1의 속력으로 지구를 향해 다가오는 태양풍의 경우도 지구 자기장과 만나 자기권을 감싸는 형태인 뱃머리 모양의 충격파를 생성하게 된다. 뱃머리충격파는 배가 물살을 가로지르는 뱃머리의 형태와 유사하다 하여 붙여진 이름이다. 뱃머리충격파는 지구 자기권의 최외곽층인 자기권계면으로부터 3-4 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@(@@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@는 지구 반경으로 대략 6378 @@NAMATH_INLINE@@km@@NAMATH_INLINE@@에 해당) 떨어진 지점에 위치하며, 두께가 얇게는 수백 @@NAMATH_INLINE@@km@@NAMATH_INLINE@@에서 두껍게는 2 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@에 이르는 영역이 존재한다.

뱃머리충격파에 도달한 행성간자기장 방향과 충격파면의 법선방향이 이루는 각도에 따라 45^o보다 크면 수직(quasi-perpendicular) 충격파와 45^o보다 작으면 수평(quasi-parallel) 충격파로 구분한다. 이러한 각도는 충격파면 상의 위치에 따라 달라질 수 있으며, 동일 지역일지라도 수시로 변하는 행성간자기장 방향에 의해서 유형이 달라지기도 한다. 이와 같이 충격파의 형태를 구분 짓는 이유는 각각의 충격파면을 지난 후 뱃머리충격파와 자기권계면 사이 영역인 자기권외피층(magnetosheath)에서 플라스마 및 자기장의 특징이 달라지며, 이로 자기권외피층 영역 내 물리량의 비대칭 구조 및 자기권계면에서의 자기재연결율에 영향을 끼치기 때문이다.

태양풍 영역에서 자기권 영역으로 수직 충격파면을 통과하는 동안 좁은 영역에서 자기장의 세기는 급격히 증가하는 반면, 수평 충격파면의 경우는 넓은 영역에 걸쳐 자기장의 세기 변화에 심한 교란이 관측된다(그림 2 참조). 또한 뱃머리충격파로 유입되는 태양풍의 약 80% 정도는 충격파면을 통과하여 자기권외피층으로 유입되는 반면, 나머지 20%는 충격파에 가로막혀 다시 튕겨나가 충격파 앞부분에 충격파 전면(foreshock) 이라 부르는 영역을 형성한다. 이는 주로 수직 충격파면 앞부분에 위치한다.

그림 2. 뱃머리충격파 주변 자기장 구조와 충격파전후의 물리량 변화(출처: )