KISTI의 과학향기

어린 시절 만화 영화를 통해 처음 접하게 된 오로라는 단지 지구와 태양 간의 상호 작용이라고 느껴지기보다 형형색색의 아름다운 빛으로 보는 이를 황홀하게 만드는 하나의 신비한 마술이었다. 실제 극지방에서 볼 수 있는 이 환상적인 오로라의 장관은 태양에서 방출된 플라스마 입자가 지구의 자기장에 이끌려 대기로 진입하면서 공기 입자와 충돌하여 만들어 내는 현상이다.

과학자들의 연구에 의하면 태양 표면에서 방출된 플라스마 입자들은 지구 근처를 지나다 지구의 자기장에 이끌려 자기장 선을 따라 태양의 반대 방향으로 움직인다. 그런데 이렇게 움직이던 플라스마 입자들이 갑자기 어떤 이유에선지 우주의 어느 지점에서부터 폭발적인 반응을 거치면서 지금까지 진행하던 방향과는 정반대 방향인 지구 쪽으로 가속하게 되는데 이를 소폭풍(substorm)이라 한다.

소폭풍이 발생하면 지구를 둘러싸고 있는 이온층에는 플라스마 입자들이 새롭게 충전되어 이온층이 활성화되므로 우주방사능을 막아주는 좋은 영향을 끼친다. 반면 소폭풍이 발생하면 순간적으로 지구 대기권 중에 상당한 양의 플라스마 입자가 활동을 하게 되므로 인공위성의 작동, 위성 통신, 우주정거장에서 활동하는 우주인 등에 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 이처럼 소폭풍은 지구의 대기권에 많은 영향을 미치기 때문에 과학자들은 소폭풍이 발생하는 환경과 발생시간을 예측하려는 노력을 계속하였다.



그동안의 연구 결과, 소폭풍이 발생하기 위해서는 몇 가지의 물리적 현상이 함께 순차적으로 발생해야 한다는 것을 발견했다. 이를 토대로 두 가지 이론이 제시되었는데 전류의 단절(Current Disruption)이론과 자기선 재결합(Magnetic Reconnection) 이론이다.



그림에서 보듯이 지구 표면으로부터 60,000km 떨어진 우주 지점은 태양풍의 영향으로 지구 자력선(Earth’s bar magnet influence)이 변형되어 약해지는 동시에 자기장의 변형이 시작되는 영역으로 지구에서 오로라가 발생할 때 이 영역에서는 전류의 단절이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 이 지역은 우주 전류가 흐르는 도관 역할을 하는 부분인데 이 부분에 태양풍에 실려오는 강력한 에너지가 유입되면 정상적인 전류 방전이 이루어지지 못하고 오히려 전기적 단락(short circuit)이 발생하여 지구 이온층의 저고도 영역으로 방전하는 현상이 발생한다.

또한 지구로부터 120,000km 영역은 지구 자기장의 변형이 끝나는 지점이고 풍향계의 꼬리 모습을 하고 있는 부분으로 길게 늘어진 서로 다른 두 개의 자기장이 재결합하는 부분이다. 과학자들의 연구 결과에 의하면 오로라가 발생할 때 이 영역으로부터 강력한 플라스마 입자가 지구로 날아오는 것을 확인하였다. 그러나 오로라 발생과 전류의 단절, 자기장의 재결합 현상 중 어떤 것이 가장 먼저 일어나는가에 관하여는 과학자들 사이에서도 일치된 의견이 없었다. 지금까지의 오로라 발생에 대한 설명을 알기 쉽게 요약하면 다음과 같다.

전류의 단절 이론		자기선 재결합 이론
0초	전류의 단절	0초	자기선 재결합
30초	오로라 발생	90초	전류의 단절
60초	자기선 재결합	120초	오로라 발생

이 세상에서 가장 아름다운 빛인 오로라를 일으키는 자기 소폭풍이 발생하는 장소와 그 원인을 밝히기 위해 2007년 2월 17일 NASA의 탐사위성 5개를 실은 델타II 로켓이 발사되었다. 이 탐사계획의 이름은 THEMIS(Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms)이다. 오로라가 발생하는 원인인 소폭풍은 우주의 먼 곳에서부터 시작되며 아주 짧은 시간 동안 발생하는 매우 거대한 크기의 물리적 현상이기 때문에 이의 특성을 파악하기 위해서 지구와 우주의 각 지점을 동시에 관찰했다.

이때 인공위성 5대를 원하는 위치에 동시에 정렬하여 전류의 단절과 자기선의 재결합 중에서 어느 것이 오로라를 발생시키는 원인인지 밝혀내고자 하였다. 5대의 인공위성은 각각 자기장의 세기, 방향, 플라스마 입자 밀도, 고주파 라디오 전파 등을 측정할 수 있는 장치를 장착하고 있으며 미리 정해진 우주공간상의 위치에 일정한 시간마다(4일에 한 번씩) 정확하게 정렬하여 자기장의 변화를 측정할 수 있도록 설계되었다. 위 그림에서 s1과 s2는 자기선 재결합 여부를 측정하는 인공위성이며 나머지 3개는 전류의 단절을 측정하기 위하여 배치되었다.

지난 2008년 7월 24일에 NASA는 공식적으로 인공위성을 통해 지구 자기장의 변화를 측정한 결과를 발표하면서 오로라의 발생원인인 소폭풍이 자기선의 재결합에서부터 시작된다는 것을 측정하였다고 발표하였다. 발표에 의하면 지난 2008년 2월 26일 5대의 인공위성이 각각의 위치에 정렬하여 있었고 지구의 자기장도 고요한 상태에 있었다. 그런데 태양풍의 에너지를 가득 포함한 채 변형되었던 자기장이 재결합하면서 갑자기 엄청난 에너지가 방출되는 폭발 현상을 관찰하였다.

대략 진도 5 정도에 해당하는 에너지가 방출되며 지구 방향과 그 반대방향으로 각각 플라스마 탄환(plasma bullets)이라 불리는 플라스마 입자들의 구름이 발생한 것이다. 지구 방향으로 향한 플라스마는 극지방으로 몰리면서 대기와 충돌하여 아름다운 오로라를 형성하였고 반대 방향의 우주로 향한 플라스마는 아무 해를 입히지 않고 우주 속으로 사라져 버렸다. 관측 결과에 의하면 자기선 재결합은 지구-달 사이의 1/3되는 지점에서 시작된 것으로 밝혀졌다. 지난 30여 년간 과학자들 사이에서 결론이 나지 않았던 오랜 숙제가 해결되는 순간이었다.

인류는 끊임없이 우주를 관찰하고 연구하여 우주 탄생의 비밀을 알아내려고 노력하고 있다. 이번 탐사계획도 지구와 태양이 어떤 상호작용을 하고 있는지 과학적으로 밝혀내는 노력의 하나였다. 또한 그 노력과 함께 간직되었으면 하는 소망은, 겨울 밤하늘에 펼쳐지는 오로라를 보면서 가슴 한편에 느껴지는 오로라에 대한 낭만일 것이다.

글 : 이창진 교수(건국대 항공우주공학과)