알펜파

알펜파는 플라스마가 균일하게 분포한 공간에서 자기력선을 구부릴 경우 자기장력에 의해 발생하는 파동이다. 플라스마는 자기장에 수직인 방향으로 움직이고, 파동자체는 자기장을 따라 진행하는 비압축성 횡파이다. 알펜파는 이온의 자이로주파수(ion gyrofrequency)보다 훨씬 낮은 주파수를 가지며, 자기유체파 중 하나이다. 중성 유체에서 음파가 기본적인 것처럼 대전 유체의 경우 알펜파가 기본적인 잣대가 된다.

목차

알펜파는 자기유체파(magnetohydrodynamic wave)의 한 종류로, 1942년 하네스 알펜(Hannes Alfvén)이 이론적으로 제안하였으며, 그의 성을 따서 붙여진 이름이다. 이후 실험실과 우주 공간에서 알펜파가 관측되었으며, 1970년에 자기유체역학의 연구에 대한 공로로 알펜은 노벨물리학상을 수상하였다. 알펜파는 자기유체역학분야의 시작을 알린 중요한 발견이다.

알펜파의 특성을 이해하기 위해 그림 1(a)와 같이 플라스마가 균일하게 분포한 공간상에 자기장이 놓여 있다고 가정하자. 이 상황에서 플라스마의 밀도 및 자기장의 세기 변화 없이, 그림 1(b)와 같이 단지 자기력선만을 구부릴 경우, 자기 장력(magnetic tension force)이 복원력으로 작용하여 구부러진 자기장을 원위치로 돌아가게 만든다. 이 과정에서 형성된 파동이 자기장을 따라 전파되는데 이러한 파동을 알펜파라 한다. 발생과정에서 자기장의 세기 변화가 없으므로, 자기압(magnetic pressure) 또한 변하지 않으므로 알펜파는 비압축성(incompressible) 파동이다.

그림 1. 알펜파의 형성과정(a) 균질한 플라스마에 자기장이 놓인 상황(b) 자기력선을 구부리는 상황(출처: 김경찬/한국천문학회)

국제표준 전자기단위를 쓰면 알펜파의 속력 @@NAMATH_INLINE@@V_{A}@@NAMATH_INLINE@@는 다음과 같이 쓸 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@ V_{A} = \sqrt{\frac{B^{2}}{\mu_{0}\rho}} \qquad (1) @@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_INLINE@@B@@NAMATH_INLINE@@는 배경 자기장의 세기, @@NAMATH_INLINE@@\mu_{0}@@NAMATH_INLINE@@는 진공상태의 투자율, @@NAMATH_INLINE@@\rho@@NAMATH_INLINE@@는 배경 플라스마(이온과 전자 모두 포함) 밀도를 나타낸다. 지구 자기권 근처 행성간 공간에서의 전형적인 알펜파의 속력은 약 30 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1에 해당한다. 태양 코로나에서는 수백 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1에 이르기도 한다.  

자기유체파(magnetohydrodynamic wave)s는 크게 세 종류인 빠른 모드(fast mode), 중간 모드(intermediate), 느린 모드(slow mode) 파동으로 구분하며, 알펜파는 빠른 모드와 느린 모드의 중간 정도의 속도를 가진다 하여, 중간 모드 파동이라고도 한다. 알펜파는 자기장에 "동결된(frozen-in)" 플라스마의 밀도 교란 없이 자기장의 변형만으로 발생한다는 면에서 다른 두 종류의 파동(자기음파라고 함)과 차이가 있다.

그림 1(a)과 동일한 조건 아래 플라스마 혹은 자기장에 알펜파 발생 방식과는 다른 형태의 변형을 가하면 나머지 두 종류의 자기유체파을 발생시킬 수 있다. 먼저, 그림 2(a)와 같이 자기장과 플라스마를 자기장에 수직방향으로 압축시키면(그림에는 표현하진 않았지만 자기장에 플라스마가 묶여 있는 상황이다), 자기압와 플라스마 압력이 동시에 복원력으로 작용하여 자기장에 수직방향으로 알펜파보다 더 빠른 속도로 파동이 진행하며, 이를 빠른 모드 파동이라 한다.

한편 그림 2(b)와 같이 자기장에는 세기 및 형태 변화 없이 오직 플라스마만 자기력선을 따라 국부적으로 압축시키면 플라스마의 압력이 복원력으로 작용하여 자기장을 따라 알펜파보다 느린 파동이 전달되며, 이를 느린 모드 파동이라 한다. 느린 모드 파동은 또 다른 방법인, 그림 2(c)와 같이 자기장과 플라스마를 국부적으로 동시에 압축시켜 발생시킬 수 있는데, 이때는 자기압과 플라스마 압력이 동시에 복원력으로 작용한다. 단, 서로 수직 방향으로 다른 위상으로 작용한다. 즉, 압축된 지점에서 자기압이 좌우방향으로 증가(감소)하면, 플라스마 압력은 상하로 감소(증가)함을 경험한다. 이는 플라스마가 자기장을 따라 압축된 지점을 벗어나 상하로 이동하였기 때문이다.

이와 같이 빠른 모드와 느린 모드 파동은 자기장 또는 플라스마를 압축해서 발생하기 때문에 자기음파(magentoacoutic wave)라고 하며 압축성(compressible) 파동의 성질을 띈다. 알펜파를 포함한 자기유체파의 해는 맥스웰 방정식과 플라스마 운동 역학 방정식의 결합으로 구할 수 있다.

그림 2. 자기유체파의 생성과정(a) 자기장에 수직 방향으로 자기장과 플라스마를 압축시킨 경우(b) 자기력선을 따라서 플라스마만을 압축시킨 경우(c) 자기장과 플라스마를 국부적으로 압축시킨 경우(출처: 김경찬/한국천문학회)

알펜파는 우주 공간에서 흔히 발생할 수 있는 파동으로 태양, 자기권, 행성간 공간, 심지어 은하간 공간에서도 관측된다. 그림 3은 2007년 일본의 HINODE 위성에 탑재된 태양광학망원경(Solar Optical Telescope)으로 태양 코로나에서 관측한 알펜파를 보여준다. 그림의 중앙에 위치한 태양 표면 위로 수평 혹은 수직방향으로 뻗은 실 같은 형태를 볼 수 있다. 이는 자기장에 플라스마 입자들이 묶여 있는 모습을 보여주며 이들의 상하로의 움직임으로 알펜파가 발생하였다.

그림 3. HINODE 위성에서 관측한 코로나에서의 알펜파(출처: )