극지의 밤하늘을 아름답게 수놓는 '오로라'는 지구에서 볼 수 있는 가장 신비한 자연 현상 가운데 하나라고 할 수 있다. '오로라(Aurora)'는 기상 현상이 아니라 태양에서 날아오는 '태양풍(Solar Wind)'이라는 전기를 띤 입자가 지구의 자기장에 포착, 가속되어 대기에 충돌함으로써 빛나는 물리 현상이다.
0. 목차
- 오로라의 역사
- 지구는 거대한 자석이다.
- 오로라대(Auroral Zone)
- '오로라'란 무엇인가?
- '오로라'의 원인
- 자기 유체 발전(MHD 발전)
- 오로라의 방전 회로
- 오로라 폭풍
- 자기 리커넥션
- 전자의 가속 영역
- 지구의 자기는 줄어드는 중
1. 오로라의 역사
'오로라(Aurora)'라는 이름은 그리스 로마 신화에 나오는 '새벽의 여신'의 이름 '아우로라(Aurora)'에서 유래한다. 고대 사람들은 밤의 어둠을 내쫓고, 새벽을 인도해 주는 것이 '아우로라' 여신이라고 믿고 있었다. '오로라(Aurora)'가 지금의 이름인 '오로라'로 명명된 것은 17세기의 이탈리아의 유명한 천문학자 '갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1542~1642)'에 의해서다. 중세의 유럽에서는 오로라가 나타나면 불길한 일이 일어난다고 여겼다. 당시 중위도 지역의 하늘을 붉게 물들이는 오로라의 모습은 사람들에게 피를 연상시켰고, 신의 노여움이 나타난 표시라고 해서 무서워했다.
'오로라'가 본격적으로 과학적 안목으로 주목받기 시작한 것은 노르웨이의 과학자이자 탐험가였던 '프리드쇼프 난센(Fridtjof Nansen, 1861~1930)'의 시대부터였다. 1893년, '난센'은 북극해 탐험을 목적으로 만들어진 '프람호(Fram: 난센이 북극해 조사를 위하여 설계, 건조한 범선)'라는 배를 타고 '북극점(Arctic: 북위 90° 지점)'으로 향했다.
'프람호'는 '난센'의 지휘를 받으며, 1893년 9월~1896년 8월까지 시베리아 난바다에서 얼음에 갇혀 약 3년간 북극해를 표류했다. 특수한 '선형(배의 모양)' 때문에 빙압에도 견딜 수 있었고, 북극해에서 여러 귀중한 해양, 기상, 해수 등의 관측조사를 실시하였다. 항해 도중 얼음에 갇히게 되어 항해를 하지 못하게 되었을 때에는, 아름다운 오로라를 보면서 그때 받았던 감동을 목판화에 남기기도 했다. '프람호'는 북위 86도 14분 지점까지 나아가는 기록을 세웠다.
1-1. 오로라 과학의 기초가 세워지다.
근대 오로라 과학의 기초를 세운 사람은 노르웨이의 물리학자 '크리스티안 비르켈란(Kristian Birkeland, 1867~1917)'이었다. 프랑스와 독일에서 전자기학을 배운 '비르켈란'은 19세기 말에 새로운 '오로라 이론'을 발표했다. 나아가 인공적으로 오로라를 발생시키기 위한 장치를 개발해 자신의 오로라 이론을 실증하기도 했다. 그는 진공 상태의 상자 내부 한가운데에 지구로 간주한 구형의 자석을 매달아 놓고, 극지에 해당하는 부분에 오로라의 띠를 발생시켰다. '크리스티안 비르켈(Kristian Birkeland)란'은 오로라에는 우주에서 온 강력한 전류가 흘러 들어가고 있다고 주장했다. 이 전류는 오늘날 인공 위성에 의해 그 존재가 증명되어, '비르켈란 전류(Birkeland Current)'라고 불리고 있다.
1-2. 국제 지구 관측년
1957년 7월부터 1958년 12월까지의 기간에는 70개국 이상이 협력하여 지구의 기상, 전리층, 빙하, 우주선 따위의 '지구물리 현상'을 공동으로 관측하였다. 이 기간을 '국제 지구 관측년(International Geophysical Year)'이라고 한다. '국제 지구 관측년'에는 북반구에 약 50대의 '전천 카메라'가 설치되어, 처음으로 전 세계적인 오로라 관측이 시도되었다. '전천 카메라(Cloud Camera)'란 하늘 전체를 동시에 촬영할 수 있게 시야를 크게 잡은 카메라로, 오로라 등의 사진 관측에 사용되었다.
1-3. 우주에서 오로라를 관측하다
인공 위성에 의해 오로라를 처음으로 관측하는 데 성공한 것은 캐나다의 극궤도 위성 '아이시스 2호'였다. 아이시스 2호는 1971년에 1400km 상공의 우주 공간에서 오로라를 촬영하였다. 이후에도 미국의 'DMSP(Defense Meteorological Satellite Program)'와 '다이내믹스 익스프롤러 1호(Explorer-1)', 스웨덴의 '바이킹', 일본의 '굣코' 등에 의해 오로라가 관측되었다.
2. 지구는 거대한 자석이다.
지구에 있는 자석은 항상 남북을 가리키는데, 이는 지구 자체는 큰 자석으로 되어있기 때문이다. 지구는 자석이기 때문에, 지구는 남쪽에서 북쪽을 향한 '자기력선'에 둘러싸여 있고, 지구의 자기가 퍼져 '자기장(자기마당)'을 형성하고 있다. 이 사실은 1600년 영구의 물리학자' 윌리엄 길버트(William Gilbert, 1544~1603)'에 의해 규명되었다. 오로라를 빛나게 하는 태양풍의 하전 입자는 지구 자기마당에 갇혀 자기력선을 따라 이동하고, 대기로 진입하면서 공기 분자와 반응하여 빛을 낸다.
쇳가루를 종이에 뿌리고 자석을 놓으면 줄무늬가 생기는데, 이 줄은 자기력선의 방향과 같다. 지구의 자기 마당도 막대 자석에 생기는 자기마당과 아주 흡사하다. 지구의 중심에 막대 자석이 있다고 가정하면, N극이 남쪽을 향하고 S극이 북쪽을 향하면, 그 축은 11.5° 기울어져 있다. 또 막대자석의 연상선이 지표면과 부딪치는 점을 '자북극(자기북극)', '자남극(자기남극)'이라고 부른다. '지구 자기 위도(Earth's magnetic latitude)'란 이 지구 자기마당을 바탕으로 해서 정한 위도를 말한다.
지구 자기마당은 해마다 변하므로, 자구 자기극의 위치도 변한다. 2005년에 자기 북극은 북위 79.7°, 서경 71.8°의 그린란드 북서부에 있었고, 자기남극은 남위 79.7°, 동경 108.2°의 위치에 있었다. 즉, 지구의 자기극은 자전축보다 북반구에서는 미국 쪽으로, 남반구에서는 오스트레일리아 쪽으로 기울어져 있다.
3. 오로라대(Auroral Zone)
지구에서 오로라가 가장 잘 보이는 곳은 '지구 자기 위도'로 65°~70°에서 도넛 모양을 이루고 있는 지역이다. 이런 지역을 '오로라대(Auroral Zone)'라고 한다. 북반구에서는 시베리아의 북극해에서부터 스칸디나비아 반도의 북부, 그린란드의 남단, '허든슨 만(캐나다 북동부에 있는 만)'을 횡단해, 캐나다의 북부에서 알레스카의 중앙부를 지나는 곳이다. 오로라의 중심이라고 할 수 있는 이 일대는 통계상 1년에 200일 이상 오로라를 볼 수 있다고 한다. 남반구에도 오로라대가 있는데, 남극 대륙을 한 바퀴 도는 고리 모양의 형태의 지역이다.
3-1. 오로라는 낮 지역보다 밤 지역에서 더 활발하다.
하지만 오로라가 '오로라대(Auroral Zone)'의 전역에 걸쳐 펼쳐져 있는 것은 아니다. 실제 인공 위성으로 수만 km 상공에서 오로라를 촬영해 보면, 자구 자기극에 대해 동심원 모양으로 분호하는 것이 아니라, 낮 지역에서는 고위도로 치우친 영역에, 밤 지역에서는 저위도로 치우친 영역에 나타난다. 그래서 이 영역을 '오로라 타원'이라고 부른다.
아래의 사진은 1981년 NASA가 발사한 '다이내믹 익스플로러 1호'가 촬영한 북반구의 '오로라 타원'이다. 그린란드의 북서부에 자리잡은 자기북극을 둘러싼 빛의 고리처럼 되어 있다. 사진 왼쪽의 밝은 부분은 태양 쪽이자 지구의 낮 지역이고, 오른쪽은 밤 지역이다. 사진을 보면, 낮 지역보다 밤 지역에서 띠가 두꺼운 것을 알 수 있다. 즉, 오로라는 낮 지역보다 밤 지역에서 더 활발하다.
4. '오로라'란 무엇인가?
4-1. '오로라'는 '방전 현상'이다.
19세기 중엽에 이르기까지, 오로라는 태양 광선이 극지의 대기 중에 떠도는 얼음 덩어리에 반사된 빛의 현상이라고 알려져 있었다. 이 생각이 옳다면 프리즘을 통해 오로라를 봤을 때, 무지개처럼 일곱 가지의 빛이 모두 들어 있어야 할 것이다. 즉, 빛의 연속 스펙트럼이 있어야 할 것이다. 이렇게 생각한 스웨덴의 물리학자 '안데르스 옹스트룀(Anders Jona Ångström, 1814~1874)'은 오로라 연구를 시작했다. 하지만 놀랍게도 오로라의 빛은 '연속 스펙트럼'이 아니라, 특정 몇몇 파장의 빛인 '선 스펙트럼(Line Spectrum)'과 '띠 스펙트럼(Band Spectrum)'으로 구성되어 있었다.
당시에는 진공관 안에서 '방전(Discaharge, 전기를 띤 물체가 전하를 잃는 과정)'이 있을 경우, 그 안에 남은 공기가 발광해 그 빛이 '선 스펙트럼'이나 '띠 스펙트럼'이 된다는 사실이 알려져 있었다. 즉, '옹스트룀'은 '오로라'가 '방전 현상(Discharge Phenomenon)'이라는 사실을 밝혀내 것이다.
4-2. 오로라를 빛나게 하는 것
오로라를 빛나게 하는 것은 이온층 안의 산소 원자, 산소 분자, 질소 분자나 그 이온들이다. 이온층에 있는 입자에 몇 keV의 매우 큰 운동에너지를 가진 전자가 충돌하면, 입자 내부의 에너지가 들뜨게 된다. 하지만 이 상태는 불안정하기 때문에, 원래의 에너지 준위가 낮은 상태로 다시 되돌아간다. 이때 여분의 에너지가 '광자(photon)'으로 방출된다. 방출되는 에너지의 크기는 충돌하는 입자의 종류에 따라 정해져 있기 때문에, 특정 파장의 빛깔로 빛나 보이는 것이다. 예컨대, 가장 많이 볼 수 있는 백록색 커튼 모양의 오로라는 산소 원자에서 나오는 파장 558nm의 빛이다. 그리고 밝은 커튼 모양인 오로라의 아래쪽 부분이 고도 90~100km에서 분홍색에서 물들여지는 일이 있는데, 이것은 질소 분자에서 나오는 파장 570~770nm의 빛이다.
'이온층(ionosphere)' 또는 '전리층(ionized layer)'이란 태양풍에 의해 기체 분자들과 몇몇 원자들이 '이온화(ionization)'되어 이온의 밀도가 비교적 큰 층을 말한다. 초고층 대기는 밀도가 낮고, 태양의 자외선 등의 영향을 받아 물질이 약하게 이온화되어 있어, 전파를 반사하는 '이온층(전리층)'을 형성하고 있다. 약 80km의 고도에서 가장 뚜렷하게 나타난다. '이온층(전리층)'은 지상에서 가까운 부분부터 D층, E층, F층으로 나누어져 있으며, 전자 밀도가 가장 커지는 것은 F층이다.
반면, 낮은 고도에서는 기체 원자와 분자들의 수가 훨씬 많아서, 태양 복사로부터 에너지를 흡수하는 경우가 더 많다. 하지만 높은 고도에서는 이미 흡수된 상태이므로, 낮은 고도까지 전달되는 복사량 자체가 더 적다. 따라서 이온화되는 양보다 재결합되는 양이 상대적으로 커서 이온화율은 고도가 낮아짐에 따라 줄어들게 된다.
5. '오로라'의 원인
태양의 에너지는 대부분 가시광선으로 이루어져 있지만, 생물에게 해로운 자외선이나 X선도 가지고 있다. 하지만 이들은 대류권보다 위에서 대기에 흡수되기 때문에 지표에는 거의 도달하지 않는다. 태양은 원자가 완전히 양성자와 전자로 이온화한 상태의 '플라스마'도 방출한다. 태양이 방출한 이 '플라스마(Plasma)'의 흐름을 '태양풍'이라 한다. '태양풍(Solar Wind)'이 지구까지 오면, 자구의 자기장에 의해 오로라가 빛나게 된다.
5-1. 태양의 '코로나'
태양은 '코로나(corona)'라고 하는 100만℃ 이상되는 고온으로 가열된 희박한 외층 대기에 둘러싸여 있다. 코로나가 점점 팽창하면 결국 초속 400km 이상의 초음속 태양풍이 되어, 태양계 공간으로 날아간다. 태양풍의 에너지는 '가시광선'의 100분의 1정도밖에 안되며, 그 안에 있는 하전입자는 1cm³ 당 겨우 10개 정도인 희박한 바람이다. 하지만 지구 주변의 전자기 현상에는 큰 영향을 미친다. 왜냐하면 플라스마는 전기 전도성이 높아, 자기력선과 함께 이동하는 성질이 있기 때문이다.
5-2. 태양의 '플레어'
태양의 활동 정도는 '흑점(Sunspot)'의 수를 보면 알 수 있으며, 흑점의 수는 약 11년 주기로 증감한다. 흑점이 많을 때를 태양의 활동이 가장 많은 '태양 극대기(Solar maximum)', 흑점이 가장 적을 때를 태양의 활동이 가장 적은 '태양 극소기(Solar Minimum)'라고 한다. '태양 극대기'에는 흑점의 주변에서 '플레어(Flare)'라고 불리는 폭발 현상이 자주 일어난다. 플레어가 일어나면, 초고온의 플라스마가 코로나에 나타나고, 거기에서 강력한 자외선이나 X선이 복사된다. 또 전자나 이온 대부분을 광속에 가깝게 가속시킨다.
흑점은 태양 내부에서 형성된 자기력선의 다발이 광구면에 떠오른 것이다. 즉, 흑점은 자기력선 다발의 단면에 해당한다. 자기력선의 다발은 태양 내부에서 비틀어지거나 떠올라 주변의 가스 흐름에 밀려 뒤틀린다. 그러면 강한 자기마당이 변형되면서 방대한 에너지가 저장된다. 하지만 그 변형이 차츰 축적되면 어디에선가 그 변형을 견디지 못하고, 대폭발이 일어나 한꺼번에 해방되어 바깥으로 방출된다. 이것이 바로 '플레어(Flare)이다.
5-3. 코로나 가스 분출(CME)
또 하루에 1회 정도 발생하는 폭발 현상으로 '코로나 가스 분출(CME: Coronal Mass Ejection)'라는 현상이 있다. 'CME'는 강한 자기마당이나 고밀도의 하전 입자를 포함한 '플라스마의 구름'을 발생시켜, 태양의 바깥쪽을 향해 상승하면서 급속히 팽창한다. 급기야 태양 본체를 훨씬 능가하는 크기로 성장한다. '플레어'나 'CME'로 발생하는 태양풍은 초속 1000km나 되며, 발생 후 이틀이면 지구에 도달한다. 플라스마의 구름이 지구와 충돌하면 지구 자기권을 심하게 흔든다. 이때, 지상에서는 오로라가 나타나거나, 엄청난 자기 폭풍이 일어나 '전파 통신 장애'가 일어날 수도 있다.
6. 자기 유체 발전(MHD 발전)
'벼락'은 순간적인 방전 현상이지만, '오로라'는 연속적인 방전 현상이다. 따라서 전력을 연속적으로 공급하기 위한 발전기인 '기전력(역학적 에너지또는 화학변화의 에너지에 의해서 어떤 전위차를 만들어내는 것 같은 전원의 작용)'이 필요하다. 그래서 '오로라 발전기'는 플라스마의 흐름인 '태양풍(Solar Wind)'이 도체의 역할을 하게 된다. 도체인 태양풍이 이렇게 결합된 자기력선을 가로지르면 '기전력'이 생기는데, 이것이 바로 '오로라 발전기'의 원리이다. 이러한 발전을 '자기 유체 발전(Magnetofluid Power Generation)'이라고 한다.
지구 자기마당은 자기권 안에 갇히는 경향이 있다. 그리고 태양풍은 자기마당을 항상 운반하고 있으므로, 자기마당을 가지고 있다. 그런데 자기마당을 동반하는 플라스마의 흐름이 지구 자기권 주위에 흘러오면, 지구 자기마당은 자기권에 완전히 갇히지 않고, 지구 자기권과 태양풍의 경계면에서 극지로 나오는 자기력선과 태양풍의 자기력선이 결합한다. 이들 자기력선의 연결 변환 작용을 '자기 리커넥션(Magnetic Reconection)'이라고 한다. 그래서 지구 자기권의 실제 모양은 태양풍에 의해 태양 쪽은 눌려 찌부러지고, 태양 반대쪽은 긴꼬리를 늘어뜨린 형태이다.
하전 입자는 자기마당에 의해 진로가 휘어지는 성질이 있기 때문에, 태양풍은 지구와 직접 부딪칠 수는 없다. 왜냐하면 태양풍이 지구로 접근할 때, 지구의 주위에 빈 공간을 만들기 때문이다. 즉, 자기 마당은 태양풍이 지표면에 직접 닿지 않도록 하여, 생물을 보호하는 역할을 하고 있다.
7. 오로라의 방전 회로
오로라는 지구 자기극을 둘러싸는 지역에 빛의 고리처럼 나타난다. 이것은 방전 회로가 지구 자기극을 둘러싸도록 분포하고 있기 때문이다. 오로라 발전기의 '양의 단자'는 아침쪽의 자기권 경계면에 있고 '음의 단자'는 저녁 쪽의 자기권 경계면에 있다. 그러면 이들 단자에 의해서 극지의 초고층 대기에 어떻게 전력이 공급되는 것일까?
아침 쪽의 자기권 경계면에 연결되는 자기력선을 지구 가까운 쪽으로 따라가 보면, 그 발은 아침 쪽에 반원을 그리며 분포하고 있다. 반면 저녁 쪽의 자기권 경계면에 연결되는 자기력선을 지구 가까운 쪽으로 따라가 보면, 그 발은 극지의 저녁 쪽으로 반원을 그리며 분포하고 있다. 전자는 희박한 플라스마 안에서 자기력선을 축으로 나선 모양으로 감도록 운동한다. 따라서 이 자기력선들이 오로라 방전에 있어서 '전선' 역할을 한다.
즉, 방전 전류는 자기권 경계면에 있는 양의 단자에서 극지의 이온층으로 흘러들어가, 오로라 타원에 의해 둘러싸인 안쪽 부분인 극관(오로라 타원으로 둘러싸인 안쪽 부분)의 이온층을 가로지은 다음, 저녁 쪽의 이온층에서 음의 단자로 흘러나가는 것이다. 이것은 '제1의 오로라 방전회로'라고 불리는데, 오로라가 극지에 나타나는 이유의 하나이다. 하지만 실제로 방전 회로는 이보다 훨씬 더 복잡하며, 지금 말한 회로의 적도 쪽에 '제2의 회로'가 있다. 그리고 밤이 되는 쪽에서 활발히 나타나는 오로라의 방전 회로가 하나 더 있다. 이 방전 전류는 자기력선을 따라 분포하는 전자에 의해 운반된다. 그 전자의 일부는 태양풍에서 나온 것이며, 이온 층의 전자도 포함된다. 여기에서 전류가 흐르는 방향과 전자의 운동 방향은 반대 방향이라는 점에 주의하길 바란다. 플라스마의 단자에서 극지의 아침 쪽 이온층에 흘러가는 전류는 이온층에서 위를 향해 흐르는 '이온층 전자'에 의해 운반된다.
또 저녁 쪽의 이온층에서 음의 단자에 흐르는 전류는 '자기권 안의 전자'가 자기력선을 따라 지구를 향해 흐름으로써 운반된다 극관 이온층 안에서는 '이온층 전자'가 전류를 운반한다. 결국 이온층이 없으면, 방전 회로가 열리기 때문에 오로라 방전은 일어나지 않는다.
8. 오로라 폭풍
오로라 타원을 따라 나타나는 오로라의 형태나 밝기는 끊임없이 변한다. 그중에서도 특히 극적인 것은 약 1~3시간 동안 격렬하게 변화가 계속되는 '오로라 폭풍'이라는 현상이다.
8-1. 오로라 폭풍의 모습
북반구의 '오로라대(Auroral Zone)'에서 한밤중에 볼 수 있는 모습은 예컨대 다음과 같다. 오로라 폭풍 개시 약 1시간 전부터 폭풍이 시작할 때까지 북쪽의 지평선 가까이에 보였던 오로라의 커튼이 남쪽 하늘로 이동하기 시작한다. 그리고 마침내 천정의 약간 남쪽에 자리 잡는다.
그러다가 별안간 그 커튼의 일부가 밝아지고, 삽시간에 동쪽과 서쪽의 지평선을 향해 퍼져 나간다. 이것이 오로라 폭풍의 시작이다. 밝은 영역은 급속히 북쪽을 향해 퍼지고, 그 안에서 오로라의 모양은 복잡하게 흩어진다. 이 흩어짐을 '브레이크업(Breakup)'이라고 한다. 그 영역의 서쪽은 특히 밝고 큰 물결이 파도처럼 서쪽을 향해 진행하며, 시계 반대 방향으로 소용돌이와 같은 심한 움직임을 볼 수 있다. 그 동쪽은 희미하다가, 마침내 하늘 전체가 맥박을 치는 듯한 오로라로 덮인다. 움직임이 빠른 밝은 오로라는 어느 사이엔가 북쪽 지평선 가까이로 옮겨져 있다.
8-2. 우주에서 보는 오로라 폭풍의 모습
최근에는 오로라 관층 위성 '폴러' 등에 의해 촬영된 영상이 분석됨으로써, 오로라 폭풍에 대한 연구가 더욱 발전해 있다. 오로라 폭풍 연구의 초기에는 '확대기'와 '회복기'의 두 단계만 알려져 있었으나, 그 후 확대기 전에 '성장기'가 있다는 사실도 알게 되었다. 그 결과, '현재 오로라 폭풍'의 전체 변화의 과정은, 개시 전의 완만한 변화를 볼 수 있는 '성장기', 개시 후의 가장 격렬한 변화를 볼 수 있는 '확대기', 그리고 원래의 조용한 상태로 되돌아가는 '회복기'의 세 단계로 나누어 그 발달이 이해되고 있다.
- 성장기: 성장기의 초기에는 낮쪽과 밤쪽을 직선으로 잇는 오로라가 나타날 수가 있다. 전체 형태가 그리스 문자인 'θ(세타)'와 닮았다고 해서 '세타 오로라'로 명명되었다. 성장기의 후기에는 '세타 오로라'가 없어지고, 오로라 타원 전체가 저위도 쪽으로 천천히 퍼져 나간다.
- 확대기: 확대기의 개시는 약간 저녁 쪽으로 기운 매우 좁은 영역에서 갑자기 시작한다. 그 후 '오로라 벌지(오로라의 밝은 영역)'는 급속히 동서 방향, 극 방향으로 확대된다.
- 회복기: 마침내 회복기에 들어서면, 그 밝기가 약해지면서 오로라 활동이 남북으로 나뉘는 것과 같은 분포가 나타난다. 이 분포는 '이중 타원 구조'라고 불린다. 또 확대기의 '오로라의 벌지'에는 더욱 미세한 특징적인 단계가 있다는 것이 밝혀지고 있다. 다만, 오로라 폭풍 발달의 각 단계에서 볼 수 있는 특징적인 오로라 활동을 생기게 하는 원인은 아직 완전히 규명되지 않았다.
9. 자기 리커넥션
태양 표면 '광구(Photosphere)'의 온도가 약 6000℃인 데 비해, 그 주위에 있는 '코로나(Corona)'의 온도는 약 100만℃나 된다. 열은 낮은 곳에서 높은 곳으로 흐르지 않으므로, 광구의 열을 코로나에게 직접 운반할 수는 없다. 그러면 '코로나'는 왜 이렇게 고온일까? 폭발 현상에 수반되는 코로나의 가열은 '자기 리커넥션'이라고 불리는 자기력선의 연결 변환의 메커니즘에 의해 방대한 자기마당의 에너지가 열에너지로 변환됨으로써 일어난다. 자기력선은 고무관에 비교할 수 있다. 고무관을 잡아당겼다가 놓으면 힘차게 수축하는 것처럼, 태양 표면의 바로 안쪽에 있는 가스의 대류 운동에 의해 잡아진 표면의 자기력선에 '연결 변화(리커넥션)'이 이루어지면서 전자기력에 의해 자기력선은 일시에 줄어든다. 그때 코로나의 플라스마는 가열되고 가속된다.
'자기 리커넥션(Magnetic Reconnection)'의 메커니즘은 1960년대에 미국의 물리학자 '유진 파커(Eugene Parker, 1927~)'박사가 제창해 연구가 시작되었다. 그 후 태양 관측 위성 '요코(Yohkoh)'가 X선으로 찍은 코로나의 줄무늬 안에서, 정상 부근에서 밝게 빛나는 양초의 불꽃과 같은 모양을 한 '플레어(Flare)'가 발견되었다.
9-1. 오로라의 '고에너지 입자'도 '자기 리커넥션'에 의해 만들어진다.
사실 '자기 리커넥션(Magnetic Reconnection)'은 태양 코로나만이 아니라, 자기마당이 있는 곳이라면 어디에서나 볼 수 있는 현상이다. 오로라의 기원이 되는 고에너지의 입자도 '자기 리커넥션'에 의해 만들어진다고 여겨진다. 지구 자기권에서의 '자기 리커넥션'은 지구에서 태양 쪽 반대편으로 약 13만 km 떨어져 있는 지점과 65만~130만 km 떨어진 지점의 두 곳에서 일어난다는 사실이 NASA의 자기권 관측 위성 '지오테일(Geotail)'의 관측으로 알려졌다.
'플라스마 시트(Plasma Sheet)'의 적도면에는 자기 중성면을 사이에 두고 자기력선이 서로 반대 방향으로 접히고 있어 불안정한 상태가 되어 있다. 먼저 지구에서 약 13만 km 떨어진 지점에서 '자기 리커넥션(자기력선의 연결 변환)'이 시작된다. 바깥쪽에서 자기력선을 동반하는 플라스마의 흐름이 들어가서 지구 자기력선과 서로 접근해 교차한다. 그 교차하는 지점에서 자기력선은 연결 변환을 한다. '플라스마 시트(Plasma Sheet)'에 있는 자기마당의 에너지가 약 13만 km 떨어진 지점에서 '자기 리커넥션'에 의해 입자의 운동 에너지로 변환된다. 이 운동에 의해 플라스마는 가열되어 빠른 속도의 흐름이 되고, 지구 쪽과 자기권의 꼬리 부분 쪽으로 나뉘어 날아간다.
'플라스모이드(Plasmoid: 플라스마의 덩어리)'라고 불리는 큰 쪽의 덩어리는 꼬리 쪽으로 이동하고, 거기에서 우주로 방출되어 행성 간 플라스마가 되는 것으로 여겨진다. 한편, 지구 쪽으로 이동한 덩어리는 지구와 부딪치고, 극지에서 대기 속으로 진입해 오로라를 빛나게 하는 것으로 생각된다.
10. 전자의 가속 영역
10-1. 전자는 '반사점'까지 내려온 후 다시 역행한다.
전자는 나선 모양으로 자기력선에 감기는 것과 같은 운동을 한다. '플라스마 시트(Plasma Sheet)'에서 이온층에 쏟아지는 전자는 지구를 향함에 따라 자기마당이 강해지므로, 그 운동이 자기력선 주위에서 '나선 운동'에서 차츰 '원운동'으로 바뀐다. 그리고 지상 2000km 정도의 높이에 도달하면, 완전한 원운동이 되며, 그 지점이 '반사점'이 되어 온 전자의 대부분이 역행하는 현상이 일어난다. 플라스마 시트와 이온층에서는 자기마당의 세기가 1000배나 서로 다르므로, 이처럼 대부분의 전자는 이온층까지 도달할 수 없게 된다.
또 자기권 내의 전자의 에너지는 약 300ev(전자볼트) 정도밖에 되지 않는다. 비록 일부의 전자가 초고층 대기의 상층에 도달했다고 하더라도 그 정도의 에너지로는 원자나 분자와 10회 정도 충돌하면 에너지를 잃어버리고, 지상 수백 km에서 정지하고 만다. 하지만 실제로는 전자는 지상 100km까지 내려와 오로라를 빛나게 한다.
10-2. 오로라 전자는 전위차로 가속된다.
그러면 여기에 여기에 어떤 메커니즘이 있을까? 과학자들은 오로라의 상공에 전위차가 생기고, 그것에 의해 전자가 가속 낙하하는 것이라고 생각했다. 실제로 인공 위성의 관측에 의해 지상 2000만~1만 km의 영역에 'U자형 전위 구조'라고 불리는 '등전위선(Equipotential Line: 전기장 내에서 전위가 같은 점을 연결한 선)'이 U자 모양으로 위로 벌어진 '전기 마당(전기장)'이 생긴다는 사실이 발견되었다. 음전하의 전자는 자기마당의 방향과 반대 방향으로 가속되는 성질이 있다. 따라서 전자는 자기력선에 따라 지표면의 방향으로 몇keV까지 가속된다. 그래서 원운동은 다시 나선 운동으로 바뀌고, 이때 전기 마당에서 얻은 충분한 에너지로 전자는 이온층 하부까지 도달한다. 오로라 방전은 이러한 과정을 거쳐 겨우 가능해진다. 하지만 2021년 기준, 'U자형 전위 구조'가 어떤 메커니즘에 의해 발생하는가는 자세히 밝혀져 있지 않다.
11. 지구의 자기는 줄어들고 있다.
19세기 초에 독일의 물리학자 '카를 가우스(Karl Gauss, 1777~1855)'가 최초로 측정한 이래, 지구 자기력은 100년 동안 5%, 즉 1년에 0.005%의 비율로 서서히 줄어드는 것으로 알려졌다. 최근 30년간 인공 위성에 의해 정확한 자기력을 측정한 결과, 감소율은 더욱 높아져 1년에 0.07%나 줄어들고 있다. 이대로 감소한다면, 앞으로 1200년 정도 후 지구의 자기력은 0이 된다. 또 이 자료를 바탕으로 '오로라대(Auroral Zone)'를 모의실험한 결과, 1000년 후에는 동북아시아 상공에 오로라가 나타날 것으로 예측되었다.
