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오로라
오로라(aurora)는 주로 극지방에서 초고층 대기 중에 나타나는 발광(發光) 현상을 말한다. 태양으로부터의 대전입자(帶電粒子)가 극지 상공의 대기를 이온화하여 일어나는 현상으로, 빨강·파랑·노랑·연두·분홍 따위의 색채를 보인다.
개요[편집]
오로라는 주로 지구의 북극권, 남극권 지역에서 관측할 수 있는 천문현상을 말한다. 즉, 태양에서 방출(放出)되는 플라즈마 입자(전자 또는 양성자)가 지구 대기권 상층부의 자기장과 마찰하여 빛을 내는 광전(光電) 현상이다. 초고층 대기 중에 형형색색의 발광(發光)이 나타난다. 이들 입자의 유래는 주로 태양에서 방출된 것이 대부분인데, 태양풍을 따라 지구 근처에 왔다가 지구 자기장에 이끌려 대기로 진입하는 것이다. 자극(磁極)에 가까운 북반구와 남반구의 고위도 지방, 즉 극지방에 가까울수록 관측이 쉽기 때문에 극광(極光)이라고도 한다. 즉, 북극에서는 북극광, 남극에서는 남극광으로 불린다. 또 지구 이외에 목성, 토성, 화성 등에도 오로라 현상이 있는 것으로 알려졌다.
'오로라'라는 이름은 로마 신화의 새벽과 햇살의 여신 이름 아우로라(=그리스 신화의 에오스)에서 나왔다. 북반구에서 일어나는 경우 Aurora Borealis 또는 Northern Lights로, 로마 신화의 새벽의 여신 Aurora(아우로라)와 그리스어로 '북풍'을 의미하는 Boreas(보레아스)를 합친 단어. 갈릴레오가 1619년 명명했다고 한다. 상술했듯이 오로라를 극광으로 번역하기도 하기 때문에, Northern Lights 자체를 북극광이라고 부른다. 남반구에서 일어나는 경우 Aurora Australis, 극지방의 주민들은 "신의 영혼"이라는 이름으로 부른다고 한다. 매우 드문 확률로 중위도 지방에서도 관측 가능한 대규모의 오로라가 발생할 때, 그 빛이 마치 새벽빛과 같이 때문에 저런 이름이 붙었다. Australis는 라틴어로 '남쪽의'라는 뜻으로, Australia라는 나라 이름의 유래가 된 단어이기도 하다. 북유럽 신화에서는 명예로이 죽은 전사인 에인헤랴르들이 전사들의 천국 발할라에서 연회를 즐기며 춤을 추는 모습이라고 여긴다. 핀란드에서는 툴리케투라는 전설상의 북극여우 꼬리에서 생겨난 여우불이라고 믿는다.[1][2]
종류[편집]
오로라는 극관(極冠), 글로오로라, 오로라대형(帶型), 중위도(中緯度)오로라 등 크게 셋으로 나뉜다. 이 가운데서 가장 현저한 것이 오로라, 대형 오로라이고, 보통 오로라라고 하면 다시 커튼형오로라, 패치상(狀) 맥동성오로라, 희미한 부정형(不定形)오로라(diffuse auora)로 나뉜다.[2]
분포[편집]
오로라가 가장 자주 보이는 곳은 남극 및 북극 양극 지방의 지구자기위도 65∼70도의 범위로서 이 지역을 오로라대(auroral zone)라고 한다. 오로라대보다 고위도(극관지역)나 저위도에서의 출현빈도는 감소한다. 출현하는 위도는 지방시(地方時)에 따라 다르며, 야간에는 65∼70도에 많으며, 주간에는 75∼80도로 위도가 높아진다. 이렇게 오로라가 출현하는 위도가 지방시에 따라 변화를 보이기 때문에 오로라출현대(지구를 극지의 상공에서 내려다 보았을 때 동시에 오로라가 보이는 영역)를 오로라대와 구별해서 오로라 오벌(aurora oval)이라고 한다. 일련의 오로라오벌은 대개 2종류의 오로라로 구성되는데, 낮에서 저녁을 거쳐 심야에 이르는 시간에는 커튼형오로라이고, 그 이후 아침까지의 반(半)은 주로 맥동성오로라로서 일반적으로 엷은 배경으로 동반한다. 과거에는 관측장치의 감도부족으로 인해서 맥동성오로라를 충분히 관측할 수 없기 때문에 이 부분을 희미한 부정형오로라라고 했었다.[2]
관측[편집]
아름답기 때문에 '천상의 커튼'이라고 부르기도 한다. 지난 시대의 미약한 디지털 감광 사진들에서는 주로 장노출로 촬영해낸 연속된 수백~수천 장의 사진들을 이어서 동영상화 시켰지만, 기술이 발달됨에 따라 그 장관을 실제적으로 느낄 수 있게 되었다. 정말로 운 좋게 대규모로 오로라가 발생하면 일명 서브스톰(Substorm)이라 불리는 장관이 연출된다. 주로 녹색 오로라만 보이지만 드문 확률로 빨간색, 주황색, 노란색, 분홍색, 보라색, 민트색, 흰색, 밝은 갈색 같은 다채로운 오로라도 간간이 목격되기도 한다. 오로라에 소리가 있느냐 없느냐에 대해서 말이 많은데, 오로라는 실제로 소리가 난다고 핀란드 알토 대학 연구진이 밝혔다. 틱틱거리는 소리나 뭔가 약한 폭발이 일어나는 소리와 비슷하다는 듯이다. 보통 극지방과 가까운 지역에서 관측이 가능한데, 북극권의 경우 아이슬란드, 그린란드, 노르웨이, 스웨덴, 핀란드와 러시아 북부, 스코틀랜드 일부 지역, 미국 알래스카나 캐나다에서 볼 수 있다. 남극권은 남아메리카 남부(예를 들어 아르헨티나의 우수아이아)에서 잘 보인다.
오로라 관측을 관광자원으로 적극적으로 내세우는 지역도 있는데, 시야를 가리는 지형지물이 거의 없고 밤 날씨가 맑은 캐나다의 옐로우나이프가 특히 유명한 오로라 관측 지역이다. 북유럽에서는 아이슬란드, 핀란드 로바니에미, 노르웨이 트롬쇠, 러시아 무르만스크 등이 오로라 투어가 활성화돼 있다. 그 유명한 노릴스크는 외지인이 들어가지도 못하는데다 대기오염이 너무 심각해 오로라가 발생해도 볼 수가 없다. 특히 아이슬란드에서는 온천욕을 하면서 오로라를 볼 수 있는 블루 라군 온천이 유명하다. 의외로 북극과 남극 안쪽, 즉 극점 근처에서는 보기가 힘든데, 이유는 주로 나타나는 곳이 지자기 위도상으로 65~70도 정도의 범위이기 때문이다. 즉 남극점에서 너무 가까워도, 멀어도 볼 수 없다는 뜻. 때문에 남극에서도 장보고 과학기지가 있는 곳에서는 오로라를 자주 볼 수 있지만 세종기지가 있는 킹 조지 섬 같은 곳에서는 거의 볼 수 없다.
오로라 관측 시기는 춘분과 추분 때가 좋다. 지구 자기장과 태양 자기장이 평행을 이뤄 오로라가 나타날 확률이 가장 높기 때문이다. 북반구에서는 8월 중순부터 4월 말까지를 오로라 여행 시기로 보는데, 12월, 1월은 오로라가 상대적으로 약할 가능성이 높다고 한다. 드물게 위도 50도 일대에서 보이기도 한다. 하지만 확률이 낮기 때문에 현지에 사는 사람이 아니라 단기 방문한 사람이 이런 나라에서 오로라 관측을 제대로 할 수 있을 거란 기대는 하지 않는 게 낫다. 지구만이 아니라 자기장이 강하게 존재하는 다른 태양계 행성, 이를테면 토성과 목성의 극지방에서도 오로라가 관측된다. 화성에는 옅은 대기가 있지만 자기장이 없어 오로라가 잘 나타나지 않으나, 2005년 마스 익스프레스 탐사선이 화성의 오로라를 처음 관측한 이래 지구에서보다는 드물게나마 여러번 관측된 바 있다. 심지어 ESA와 NASA의 연구진이 공동으로 진행한 연구에서 화성의 매우 척박한 대기환경을 인공적으로 조성한 후 오로라를 재현하는 실험을 벌여 맨눈으로도 볼 수 있는 진한 파란색 오로라를 얻어낸 적도 있다. 기원전에 이라크에서 관측되었다는 기록이 있다. 2023년 11월 6일 새벽에는 북위 43.4도에 위치한 일본 홋카이도 리쿠베츠초의 'Rikubetsu Space Earth Science Museum' 관측소에서 오로라가 관측되기도 하였다.[1]
높이[편집]
오로라가 나타나는 높이는 지상 약 80∼수백km의 초고층 대기층이다. 커튼 하단의 높이는 전리층 E층 (100-110km)이고, 커튼 상반부는 400km까지 펼쳐져 있다. 극관글로오로라가 지상 80∼100km, 중위도오로라는 평균적으로 더욱 높아서 지상 300∼600km 등으로 종류에 따라 고도가 다르다. 또 대형오로라는 출현시간, 위도 및 그 종류에 따라 고도가 변화한다. 일반적으로 주간에 고위도에서 출현하는 커튼형오로라는 백수십∼수백km로 높지만, 저녁부터 심야까지는 점차 하강해서 100∼수십백km가 된다. 심야에서 아침까지의 오로라는 주로 맥동성 오로라로서 높이가 커튼형보다 낮아서 90∼100km 정도가 많다.[2]
발광[편집]
오로라가 발광하는 곳은 초고층 대기이며, 발광색은 공기의 주성분인 질소와 산소의 분자와 원자 및 그 이온이 입사입자(전자·양성자)에 의해 충돌되어 들뜨게 되고 다시 들뜬 입자가 낮은 에너지준위로 떨어질 때 방출되는 고유의 빛이다. 오로라의 대표적인 빛은 산소원자가 방출하는 녹색광(파장 557.7nm) 및 적색광(파장 630nm, 636.4nm), 질소분자 이온이 방출하는 청색 디스펙트럼(파장 427.8nm 등), 그리고 질소분자의 적색 또는 핑크색 디스펙트럼 등이다. 이들 빛은 각각 높이와 분포지대가 다른데, 예를 들어 산소원자의 적색은 200km보다 높은 곳에서 강하고, 산소원자의 녹색과 질소분자 이온의 청색은 100∼200km에서 강하며 또 질소분자의 핑크색은 높이 100km 이하에서 강하다. 따라서 활동적인 커튼형오로라는 상부가 진홍빛이고 중앙이 청록색, 하부가 녹색 또는 핑크색 등으로 다채롭다. 오로라 중에는 저녁때의 저위도와 아침녘의 고위도에서처럼 수소의 휘선(輝線)이 보이는 부분이 있거나 헬륨과 나트륨의 빛이 포함되기도 한다.[2]
활동과 원인[편집]
극관 글로 오로라는 태양의 플레어 현상 때 태양에서 직접 날아오는 100만eV 이상의 고에너지 양성자가 직접 극관지방에 입사함에 의한 것이다. 입사입자는 높은 운동에너지를 가진 양성자이기 때문에 대기권으로 침투하는 깊이가 깊고 따라서 오로라 고도는 낮다. 대기권에서 양성자가 전자를 포착해서 중성수소로 변하기 때문에 수소의 휘선(Hα, Hβ 등)이 강하다. 대형 오로라는 항상 변동하며, 가장 현저한 활동은 오벌의 한밤중의 부분에서 밝기가 증가하여 격렬해지기 시작하고 몇 분 사이에 오벌의 폭이 수백km로 확대되면서 폭발적으로 발달한다. 이를 오로라폭풍이라고 한다.
태양풍 중의 자기장에서 남향 (지구의 북극에서 남극으로 향한다) 성분이 증가하면 태양풍에서 지구자기권에 유입되는 에너지가 증가하고 그 결과 지구자기권 내에 큰 에너지가 축적된다. 이 에너지에 의해서 자기권 꼬리의 자기중성면 부근에서 입자가 급속하게 가속되고, 다시 지상 수천km 높이 부근의 자기력선에 인접한 전기장에서 속도가 더욱 가속되며 자기력선에 유도되어 초고층대기에 입사된다. 이런 메커니즘을 통해서 입사되는 전자에 의해 발광하는 오로라가 커튼형오로라이다. 커튼형오로라의 높이가 주간에서 저녁때를 거쳐 밤중에 이르는 사이에 점차 낮아지는 것은 이런 가속이 주간보다 야간에 현저하다는 사실을 보여준다. 인공위성과 로켓에 의한 관측에서도 가속전압이 낮에서 밤으로 갈수록 점차 증가한다는 사실이 알려졌다.
이와는 달리 자기권 꼬리의 가속과정에서 직접 대기중에 입사되지 않고 일단 자기권내에 머물다가 다시 안쪽으로 진입하여 비교적 안정된 자기권내에 갇혔던 고에너지 입자가 자기적도면 부근에서 플라스마파동과 상호작용을 일으켜 산란됨으로써 대기에 입사되는 과정을 거치는 것도 있다.이런 과정을 통해 입사된 전자에 의해 발광하는 오로라가 맥동성오로라이다. 큰 자기폭풍 때에 자기권내에 갇혀 있던 고에너지 입자군에서 수일에 걸쳐 조금씩 높거나 낮게 누출되는 에너지에 의해 중위도 오로라가 발광한다.[2]
오로라 타원체[편집]
태양풍의 방전현상인 오로라가 지자기와 관련이 있어, 극지방 아무데서나 생기지 않는다. 곧 자남극점과 자북극점을 중심으로 한 반경 2,500∼3,000 km인 원둘레 위에서 아주 잘 생긴다. 그러므로 이 원둘레를 "오로라 타원체(橢圓體)" 또는 "오로라 오발(Aurora oval)"이라고 부른다. "오로라 타원체"의 크기와 폭은 태양의 활동정도, 곧 태양풍의 세기와 자기장의 세기와 방향에 따라 넓어지거나 좁아지고 아래위로 움직인다. 그러므로 오로라가 반드시 극권이 아닌 위도가 상당히 낮은 남반구나 북반구에서도 보인다.
태양풍 입자는 지자기의 자력선을 따라 지구로 가까이 들어오면서 양극지방의 상층부에서 주로 산소원자와 질소분자와 충돌한다. 이 때 충돌하는 높이와 공기성분에 따라 오로라의 색깔은 달라진다. 곧 보통 지상 90-250km 상공에서 산소원자와 충돌하면 녹색 오로라가 생긴다. 그보다 높은 곳에서는 산소원자와 충돌해도 적색오로라가 생긴다. 그런 적색오로라는 희미해서 잘 보이지 않는다. 그러나 오로라 활동이 아주 강력해서 에너지가 큰 입자가 대기권의 아래까지 들어오면, 오로라 커튼 아래 낮은 곳에서 질소분자와 충돌해 아주 아름다운 검붉은 빛깔을 띤다.
오로라의 세기는 원자를 내는 에너지에 좌우된다. 그러므로 오로라의 색깔과 세기는 고층대기와 태양풍의 상태를 나타낸다. 오로라가 크게 발달하면 하늘의 80% 정도를 채우며, 밝기가 보름달보다 더 밝은 수도 있다. 오로라를 만들 정도의 에너지가 큰 대전입자들이 양극으로 거의 같게 들어오기 때문에 오로라는 남극과 북극 같은 곳에서 같은 오로라가 생긴다. 그래도 북극 오로라(Aurora borealis), 남반구 오로라(Aurora australis)로 구분한다. 우리가 책이나 TV에서 보는 것처럼 휘황찬란한 오로라만 있는 것은 아니다. 곧 상태에 따라 희미한 초록색 줄기 같은 오로라도 생긴다.
남위 62도 13분 서경 58도 47분인 남극 세종기지는 오로라 타원체에서 너무 떨어진 북쪽이라 오로라가 보이지 않는다. 반면 남위 74도 37분 동경 164도 14분인 장보고기지에서는 거의 매일 오로라가 보인다. 오로라가 빛이므로 하늘이 맑고 어두운 한밤중에 잘 보인다. 그러나 하늘이 흐리거나 밝아지면 보이지 않는다.[3]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
