오로라의 다채로운 빛깔의 원리

오로라 연구자 카타오카 류네 씨 따르면 오로라가 무엇인지, 왜 빛나고 있는 것인지에 대해서는 의외로 최근 밝혀졌다고 합니다. 오로라란 단적으로 말하면 대기 중의 원자나 분자가 우주공간에서 발광하는 현상입니다. 빛나고 있는 위치는 지상 100~400킬로미터라는 인간의 관점에서는 먼 곳이지만 우주 공간에서 보면 지구와 매우 가깝습니다.

우주 공간이라고 하면 많은 사람이 '진공의 공간'을 떠올리는데, 실제로는 그렇지 않고 '물질'로 넘쳐흐릅니다. 태양계 전체를 채우고 있는 물질은 태양으로부터 뿜어져 나오는 태양풍이라는 '플라즈마의 바람'입니다. 온도가 올라가면 분자는 해리되어 원자가 되고, 한층 더 높아지면 원자핵으로부터 전자가 떨어져 양이온과 전자로 전리된 플라즈마 상태가 됩니다. 태양풍은 기온 100만도. 따라서 우주공간은 플라즈마로 채워지고 지구를 포함한 태양계의 행성은 플라즈마에 항상 노출되게 됩니다.

출처:https://picryl.com/media/handle-on-the-sun-be546b

그러나 그 태양풍이 지구에 직접 닿지는 않습니다. 지구에는 지자기라고 불리는 강한 자기장이 장벽이 되어 태양풍에 저항하기 때문입니다. 다만 이때 지자기를 왜곡하여 막대한 전기를 발생시키고 이것이 북극과 남극의 일부에 집중적으로 전류를 흘려 이 지역에 대량의 전자를 내리게 합니다. 이 전자가 지상 수백 킬로미터까지 퍼져 있는 얇은 대기와 부딪쳐 빛을 발산하는 것이 오로라입니다.

정리하면 오로라의 발생에는 태양풍과 지자기, 대기라는 3가지가 필요하다는 것을 됩니다. 마찬가지로 태양풍에 노출되어도 달, 화성, 금성에서는 오로라가 보이지 않습니다. 달에는 지자기, 대기가 없고, 화성이나 금성에는 대기가 있어도 지자기가 없습니다. 지자기는 행성 내부의 금속의 대류활동에 의해 태어난 것으로 알려져 있으며, 화성과 금성은 수십억 년 전에 대류활동이 정지하고 지자기를 띠지 않게 되었습니다. 태양풍이 날아가는 태양계 속에서도 지자기를 띠고 대기를 모으게 된 행성에서만 오로라를 볼 수 있습니다.

오로라 연구가 본격적으로 시작된 것은 150년 전으로 영국의 물리학자인 켈빈경 윌리엄 톰슨이 인간이 살고 있는 위도가 낮은 지역에서 오로라가 보여 놀랐다는 기록이 남아 있습니다. 같은 시기 태양의 거대한 흑점에서 하얀 빛이 나오는 현상이 보였습니다. 이 하얀 빛은 지금은 태양 플레어라고 잘 알려진 존재입니다. 태양 플레어는 흑점의 ​​강한 자기장의 영향으로 발생하는 플라즈마의 폭발현상이다. 태양 플레어의 방출과 활발한 오로라 활동은 현재 관계가 있다고 여겨지고 있지만, 당시에는 그렇게는 생각되지 않았습니다. 거기에서 오로라 연구는 잠시 걸음을 멈추고 다음 큰 발전은 그로부터 50년 후 20세기 초까지 기다려야 했습니다.

진보 중 하나는 노르웨이의 트롬소대학의 오로라 연구자인 칼 스텔머가 오로라가 어디에서 빛나는지 알아낸 것입니다. 스텔머는 당시의 첨단기술인 전화를 사용해 20~30킬로미터 떨어진 제자와 연락을 취해 같은 오로라의 사진을 동시에 촬영해 오로라 높이의 정밀한 삼각측량을 반복했습니다. 4만 장에 이르는 촬영으로 우주 공간의 비교적 가까운 곳에서 빛나고 있다는 것을 알게 되었습니다. 또한 왜 많은 오로라가 녹색인지 약 100년 전에 규명되었습니다. 전자가 대기와 반응하여 발광하는데 오로라의 색은 대기의 분자나 원자의 종류나 그것이 존재하는 진공도의 크기에 의해 결정됩니다. 녹색 오로라는 고도 100~200킬로미터의 진공도가 비교적 낮은 장소에서 산소원자가 발광한 것입니다. 같은 산소원자가 고도 200킬로미터 이상의 진공도가 높은 장소에서 발광하면 적색으로, 질소분자 이온이 고도 100킬로미터 정도의 낮은 장소에서 발광하면 파란색, 보라색, 핑크색으로 빛납니다.

지구는 수십억 년의 생명활동 속에서 산소가 늘어난 행성입니다. 산소가 발하는 녹색의 오로라를 볼 수 있는 것은 많은 식물을 보유한 지구이기 때문이라고 말할 수 있습니다. 게다가 1958년에는 태양풍을 발견했는데 이 발견은 인공위성에 탑재한 탐사기에 의한 데이터 수집 덕분입니다. 이와 같이 오로라 연구의 진보는 기술의 진화와 표리일체인데, 그 다음의 진화는 우주의 탐사가 아니라 지상에서의 슈퍼컴퓨터의 시뮬레이션에 의해 초래된 것입니다.

1기의 탐사기에서의 데이터 수집은 태평양의 한가운데에 온도계를 1개 띄워 수온을 측정하는 것과 같은 것으로써 전체상을 파악하기에는 터무니없습니다.
컴퓨터 속에서 태양풍·지자기·대기라는 오로라를 발생할 수 있는 환경을 정비하고 상류의 플라즈마 값을 설정하면 어디에서, 어느 정도의 강도로 오로라가 발생하는지를 예측할 수 있게 되었습니다. 오로라 연구에 한정되지 않고, 컴퓨터 시뮬레이션 기술이 발달한 현대에서는 연구의 기본 스타일이란 A나 B인가 가설을 세워 그것을 검증하는 수법을 취하는 경우가 많은 것 같습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- オーロラはなぜ美しい光を放つのか
https://www.works-i.com/works/series/macro/detail010.html#:~:text=%E7%B7%91%E8%89%B2%E3%81%AE%E3%82%AA%E3%83%BC%E3%83%AD%E3%83%A9%E3%81%AF%E3%80%81%E9%AB%98%E5%BA%A6,%E3%83%94%E3%83%B3%E3%82%AF%E8%89%B2%E3%81%AB%E5%85%89%E3%82%8A%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82