오로라는 태양표면 폭발로 우주공간으로 부터 날아온 전기를띤 입자가
지구 자기변화에 의해 극지방 부분의 고도 100~500km 상공에서 대기중 산소분자와 충돌해 생기는 방전 현상이라고 합니다.
오로라가 잘 나타나는 시베리아, 북부해안, 알래스카, 아이슬란드 등에는
밤에 흐르지 않으면 매일밤 오로라를 불수 있다고 합니다.
오로라는 태양의 플라즈마와 공기 분자가 만나서 빛이 나는 현상!
마치 천공에 아크릴 물감으로 마블링을 만들어놓은 듯 하다!
지구 밖에서 본 오로라의 신비!!
맨 위는 우주 왕복선에서 바라 본 오로라의 모습이다.
사진은 국제 우주 정거장과 도킹한 엔데버의 승무원이 28mm 렌즈를 이용해 그리니치 기준시 3월 21일 오전 9시 경에 촬영했다.
기압이 낮은 지역(구름이 소용돌이치는 지역) 위에서 북극 오로라가 밤하늘에서 밝은 초록빛을 발하고 있다. 아름다운 지구의 모습과 오로라가 멋진 조화를 이룬다.
한편 이번에 촬영된 사진이 가장 아름답다고 하기 어렵다. 미항공우주국은 비슷한 상황에서 촬영된 여러 사진(아래 사진들)을 이미 공개한 바 있다.
출처 : NASA
The Aurora Borealis shines above Bear Lake_1
The Aurora Borealis shines above Bear Lake_2
The Aurora Borealis shines above Bear Lake_3
오로라는 태양에서 방출된 대전 입자 즉 플라즈마가 지구 자기장의 영향을 받아 지구의 양 자극 을 향하여 진입될 때, 북반구와 남반구의 고위도 지방에서 흔히 볼 수 있는 현상이다. 북반구에서 알래스카나 북 스칸디나비아는 극광 관측을 하기에 가장 좋은 지역으로 알려져 있다. 거대한 자기 폭풍이 일어날 때는 오로라가 위도 40도까지 보이는 경우도 가끔 있다. 지구의 양 극지방에 살고 있는 사람들은 북극광이나 남극광을 볼 수가 있다. 극광은 빛의 거대한 커튼이 하늘을 가로질러 출렁이는 것처럼 보인다. 옛날에는 이러한 극광을 불운의 징조로 여겨졌 으며, 오늘날에도 지구와 태양간의 상호 작용의 하나로서 대부분 장관들 중에서 이러한 현상들은 우리를 당황하게 하고 의문점을 가지게 한다.
2005년 9월 11일 NASA의 인공위성이 포착한 지구의 푸른 마블_ 오로라
Aurora (Sep 11, 2005) as captured by NASA's IMAGE satellite, digitally overlaid onto the Blue Marble composite image
오로라는 주로 지구 자기 위도의 65~70도에서 지구를 삥 둘른 원 모양으로 나타난다. 희미하거나 때때로 여러 가지 색을 띠는 오로라는 지표로부터 65km와 100km 사이에서 나타나는데, 그보다 낮은 곳에서 나타나기도 한다. 왼편 그림은 우주왕복선에서 관찰한 오로라의 모습이다. 그리고 위쪽 끝은 900km 높이까지 확장하기도 하는데, 오로라의 원은 보통 2~3km 두께이며, 단일 오로라일 때에는 동쪽에서 서쪽으로 수 km나 연장되기도 한다.
Aurora Borealis as seen over Canada at 11,000m (36,000 feet)
오로라의 이야기는 태양과 그의 가스 체인 코로나로 시작된다. 코로나는 태양 대기층의 대부분을 차지하며, 온도가 200만 K 정도의 이온화된 가스들로 구성되어 있다. 코로나는 넓게 우주 공간으로 확장되어 있다. 코로나의 엄청나게 높은 온도는 빠른 속도로 그들을 확장시키며, 태양 중력이 안으로 잡아당기는 것보다 훨씬 큰 압력으로 팽창하게 한다. 태양으로부터 모든 방향으로 확장하여 밖으로 내뿜는 플라즈마의 흐름을 태양풍(solar wind)이라 하는데, 지구 궤도에 태양풍이 도착할 때에는 수백 km의 믿지 못할 속도로 돌진한다.
지구에 도달한 태양풍은 대부분 전자와 양자로 전기를 띤 입자인 플라즈마로 이루어져 있다. 그들은 지구가 끊임없이 돌고 있는 궤도에 일종의 스프레이를 뿌리듯 입자들을 형성하며 이들 입자들 중 얼마는 지구 자기장에 붙잡힌다. 지구 자기권이라 불리는 자기장에서, 지구 자기장은 마치 움직이는 배 주위에 물이 쏠리듯 이 입자들이 한쪽으로 쏠리게 한다. 대부분 입자들은 지구 주위로 흘러 도망가지만, 이들 중 일부는 반 알렌대(Van Allen belt)라 불리는 자기권 내의 장소에 붙잡히게 된다. 이 반 알렌대는 조개 모양으로 지구 주위에 구부려져 있고 극쪽에서는 지표에 근접해서 구부려져 있다.
태양 활동이 강렬할 때, 일반적으로 수많은 입자들이 태양풍에 실려 오고, 반 알렌대에 붙잡힌 후, 극에서 지구 대기 속으로 지구 자기장에 의해 내려오게 된다. 그러면 대기 속에서 공기 분자와 이 입자들이 서로 충돌함으로써, 기체 분자의 전자들이 확장된다. 이것은 전자들이 에너지 준위가 높은 곳으로 뛰어 오른 것을 의미하는데, 전자들이 더 낮은 에너지 준위로 되돌아 올 때 빛을 방출하게 된다. 이것이 우리가 오로라라고 부르는 유령과 같은 빛의 원인이다.
Red and green Aurora in Fairbanks, Alaska
주로 남·북반구의 고위도에서 나타나는 상층대기의 발광 현상
오로라의 가장 보편적인 색은 녹색 혹은 황록색으로 이것은 산소 원자 내의 전자가 여기되어 생긴 것이다. 때때로는 적색, 황색, 청색과 보라색이 보이기도 한다. 이것은 이들 색깔의 영역에 해당하는 질소의 여기로 생기는 것이다. 색채와 함께 지구의 거대한 장관의 자연적 현상들 중 하나를 태양이 연출한 것이다.
오로라_ 너무나 신비하다. 지구는 그저 차거운 별만은 아닌 것이다
추운 겨울 밤 유럽이나 캐나다의 북부지방을 여행하는 사람들은 동쪽 하늘에서 서쪽 하늘로 길게 펼쳐지는 아름다운 오로라를 보는 행운을 누리기도 한다. 하지만 오로라는 밤하늘에 갑자기 나타나 수 분 정도의 짧은 시간 동안에만 지속되기 때문에 한 밤중에 바깥에서 추위에 떠는 고생을 견뎌야 한다. 황록색, 붉은색, 노란색, 청색, 보라색 등 다양한 색으로 나타나는 오로라는 오랫동안 사람들에게 신비한 존재였다.
지난 2월 17일 미국 항공우주국에서 탐사위성 5개가 한꺼번에 한 로켓에 실려 발사되는 일이 있었다. 바로 바로 오로라의 발생원인과 지구 전리층에 미치는 영향을 탐사하기 위해서다. 그리스 신화의 지혜와 판단의 여신인 테미스의 이름을 따 ‘테미스 프로젝트’라 불리는 이번 연구를 통해 인류는 신비한 오로라의 비밀을 벗겨낼 것이다.
먼저 오로라에 대해 지금까지 알려진 사실을 살펴보자. 아래의 그림01은 알래스카 지역에서 관찰된 오로라의 사진이며, 그림02는 우주에서 지구 북반구에 발생하는 오로라의 발생 모습을 그린 가상의 그림이다. 그림02에서 확인할 수 있듯이 북반구의 극지방을 중심으로 오로라가 발생하는 것을 알 수 있다.
연구에 의하면 태양은 끊임없이 우주공간으로 플라스마를 방출하고 있고 지구는 자기
과학자들의 장을 형성하고 있다. 지구로 날아온 플라스마 입자 중의 일부는 지구 자기장에 이끌려 초당 500km 정도의 매우 빠른 속도로 대기로 진입하는데 이를 ‘소폭풍’이라고 한다. 이 과정에서 높은 에너지를 갖고 있는 태양 플라스마 입자와 공기분자가 충돌해 형형색색의 빛을 발하게 되는 데 이것이 오로라다.
오로라가 발생하는 위치와 시기에 대해 과학자들은 아직도 의견일치를 보지 못하고 있다. 오로라의 원인이 태양에서 방출된 플라스마 입자와 공기의 충돌임은 분명하지만 어떤 이유로 플라스마 입자가 지구의 자기장에 의해 매우 빠른 속도로 끌려오는 지, 그리고 언제, 우주의 어느 곳에서 이런 현상이 발생하는 지에 대한 논쟁이 지난 30여 년간 계속돼 왔다.
이에 대한 명쾌한 해답을 얻기 위해 ‘테미스 프로젝트’가 실시됐다. NASA가 주도하는 탐사위성 5개가 한꺼번에 중형 로켓 델타 II 로켓에 실려 우주로 발사됐다. 사실 지구에서 관찰하는 오로라는 신비하고 아름다운 모습이지만 다른 한 편으로는 고 에너지의 플라즈마 입자가 지구 주변의 우주에 떠돌아다니는 것이기 때문에 통신 위성이나 GPS 위성의 작동을 방해하며 우주정거장 등에서 생활하는 우주인의 건강에 악영향을 미친다. 따라서 소폭풍이 왜 발생하는지 과학적으로 이해하고 예측하는 것은 매우 중요하고 의미 있는 일이다.
그런데 왜 5개나 되는
그건 소폭풍이 일어날 수 있는 범위가 대단히 넓기 때문이다. 소폭풍은 태양과 반대편으로 길게 형성되는 지구 자기권의 어느 한 지점에서 발생한다. 하나의 인공위성으로 이처럼 거대한 공간에서 발생하는 소폭풍을 관찰해 오로라의 발생원인과 발생 장소를 밝힐 수 없다.
따라서 인공위성들은 각각 우주공간의 다른 위치에 배치된다. 5개 인공위성은 모두 타원형 궤도로 비행하며 각기 다른 원지점을 갖는다. 바깥쪽의 1번 관찰위성은 지구 표면으로부터 지구 반경의 30배 되는 위치에, 2번 위성은 20배, 3,4번 위성은 12배, 그리고 5번 위성은 제일 가까운 10배 되는 지점의 궤도를 돈다. 이들은 4일에 한 번씩 측정하려는 위치에 정렬하며 동시에 전기장, 자기장, 플라즈마 입자 분포 등을 측정한다.
앞으로 2007년 9월까지 각 위성의 상태를 점검한 뒤 각각 다른 궤도로 진입하게 된다. 그 뒤 2년 동안 오로라 탐사 임무를 수행할 예정이다. 관찰 위성 군은 일정 기간마다 관찰방향을 변경하는 데 그림07에서 보듯이 올해 9월부터 12월까지는 A처럼 지구의 북반구에 수직 방향으로 위성 군이 정렬되며, 12월부터 2008년 4월까지는 B처럼 정렬되어 오로라의 발생원인을 규명할 예정이다. 2008년 4월부터 6월까지는 지구 남반구에 수직 방향으로 5개 위성이 정렬되며, 2008년 6월부터 10월까지 태양방향으로 정렬하여 지구 자기권과 태양 방출 플라스마 입자의 상호 작용을 관찰할 예정이다.
5개의 위성을 우주 공간에서 일직선으로 정렬하여 우주 상태를 관찰하는 일은 우주탐사 역사에서 처음으로 시도되는 작업으로 매우 정밀한 궤도제어 기술을 요구하고 있다. 따라서 이 탐사 계획의 성패는 얼마나 정확하게 인공위성 군을 일직선으로 정렬할 수 있는 가, 그리고 얼마나 정확하게 5개 위성을 동시에 원하는 궤도로 옮겨 가도록 제어할 수 있는가에 달려있다고 하겠다.
관찰위성 5개는 모두 같은 크기와 기능을 갖고 있다. 각 인공위성은 모두 4개의 추진 장치를 갖고 있으며, 이 중 2개는 4.4N의 축 방향 추력을, 나머지 2개는 위성의 접선 방향 추력을 발생시켜 자세를 제어하도록 설계돼 있다. 특히 축 방향 추력은 위성의 궤도를 변경하는 수개월 마다 사용되므로 추진제 소모가 많다. 이런 이유로 이들 위성의 수명은 2년으로 다른 위성에 비해 매우 짧다.
탐사 결과 오로라 발생에 대한 과학적 원인이 밝혀진다면 우리는 겨울 밤하늘에 낭만적이고 환상적으로 펼쳐지는 오로라를 보면서 무슨 생각을 하게 될까
“흠… 태양 입자가 이제야 대기권의 질소 분자와 충돌하는 군”이라고 중얼거리게 된다면 모처럼 만나는 오로라의 정취를 빼앗지는 않을까 걱정이다.
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