오로라가 생기는 과학적 이유는 무엇일까요?
많은 사람들의 버킷 리스트 여행지 중 하나로 꼽히는 북유럽이나 캐나다의 밤하늘에는 마치 초록색 커튼으로 춤을 추는 듯한 환상적인 빛의 광경이 펼쳐집니다. 우리는 이러한 경이로운 자연 현상을 로마 신화속에 새벽의 여신이 오로라고 부르는데요.
눈으로 보기에는 그저 아름답고 평화로운 빛의 장막 같지만 사실 오로라의 이면에는 태양과 지구가 쉴 새 없이 벌이고 있는 치열한 우주 전쟁이 숨어있습니다. 만약 지구가 태양에 패해 지게된다면 모든 지구 생명체는 멸종하고 만다고 하는데요. 과연 우주 공간에는 어떤 물리적 충돌이 일어나고 있기에 아름다운 빛이 만들어지는데요. 오로라가 생기는 과학적 이유와 태양풍과 지구 자기장의 상호작용을 설명해 드리겠습니다.
오로라를 만드는 우주의 무법자 태양풍
오로라를 만드는 첫번째 재료는 우리 태양계의 중심인 태양에서 날아옵니다. 태양은 따뜻한 빛과 열만 방출하는 것이 아니라 엄청난 양의 에너지를 가진 플러스와 마이너스 전하를 띤 플라즈마 입자를 우주 사방으로 뿜어내고 있습니다.
이렇게 태양에서 뿜어져 나와 초속 400 ~800km로 우주 공간을 날아다니는 고에너지 입자들의 흐름을 태양풍이라고 부르는데요. 이 태양풍은 마치 우주에서 쏘아대는 거대한 에너지 총과 같아서 이 입자들을 생명체가 맨몸으로 맞게 되면 세포의 DNA가 파괴되어 치명적인 피해를 입게 됩니다.
생명체를 지키는 보이지 않는 지구 자기장
다행스럽게도 우리의 지구는 태양풍의 공격을 막아낼 수 있는 강력한 방어체계를 갖추고 있는데요. 바로 지구 자기장이라고 불리는 현상입니다.
지구 중심부에 있는 펄펄 끓어오르는 액체 상태의 철과 니켈이 끊임없이 회전하면서 지구 전체를 거대한 막대자석으로 만듭니다. 이로인해 지구 주변에는 눈에 보이지 않는 강력한 자기장 방어막이 현상되는데요. SF 영화에서 우주선이 적의 레이저 공격을 막기 위해서 투명한 쉴드를 펼치는 것을 상상하시면 됩니다. 지구를 향해 날아노는 무자비한 태양풍 입자들이 자기장 방패에 부딪혀 지구를 비껴가게 됩니다.
방패와 창의 충돌 오로라가 켜지는 순간
지구 자기장이 대부분의 태양풍을 튕겨내지만 무엇이든 100% 완벽할 수는 없는데요. 여기서 오로라의 특별함이 시작됩니다.
극지장으로 빨려 들어가는 태양풍 입자들
지구를 거대한 자석이라고 할 때 자석의 힘이 가장 강하게 모여들며 안으로 꺾여 들어가는 곳이 있는데요. 바로 극지방의 북극과 남극입니다. 태양풍 입자 중 일부는 튕겨 나가지 못하고 자기력선을 그물처럼 타고 미끄러져 내려와 자력이 강한 양극 지방으로 쏟아져 들어오게 됩니다. 그래서 오로라가 적도나 중위도 지방이 아닌 북극과 남극 주변에서 관측되는 것이에요.
대기 기체와의 충돌과 네온사인 효과
극지방의 뚫린 방패 틈 사이로 들어온 엄청난 속도의 태양풍 입자들은 상공 100 ~300 km 부근에 떠 있는 지구 대기권의 산소나 질소 분자들과 격렬하게 충돌합니다. 이 충돌로 인해 산소와 질소 분자들은 일시적으로 엄청난 에너지를 흡수하여 흥분 상태가 되는데요. 그러나 원래의 안정적이 상태로 돌아가는 힘이 크기에 가지고 있던 에너지를 빛의 형태로 바꾸워 내놓게 됩니다.
이 원리는 밤거리를 화려하게 수놓는 네온사인 간판이 빛나는 원리와 완벽하게 똑같습니다. 유리관 안에 가스를 채우고 전기를 흘려보내면 가스가 에너지를 받아 빛을 내듯 지구라는 거대한 유리관 속의 공기가 태양에서 온 전기를 맞아 화려하게 빛을 발하는 스위치가 켜지는 현상이 오로라입니다.
오로라 색깔이 초록색, 붉은핵으로 매번 다른 이유는 무엇일까?
오로라를 검색해 보면 옅은 녹색이 가장 많지만 때로는 붉은색이나 보라색, 푸른색 등 다양한 색상으로 빛나는 것을 볼 수 있습니다. 그 이유는 태양풍 입자가 지구 대기의 어떤 기체 분자와 어느 높이에서 충돌했는가에 따라 내뿜는 빛의 파장 색상이 달라지기 때문입니다.
- 초록색: 지상 100 ~ 200km 높이에서 태양풍이 산소 분자와 충돌할 때 발생합니다. 우리 눈이 가장 예민하게 받아들이는 색이라 가장 뚜렷하게 보입니다.
- 붉은색: 지상 200km 이상의 아주 높은 상공에서 태양풍이 밀도가 낮은 산소와 충돌할 때 붉은빛을 냅니다. 태양 활동이 매우 활발한 시기에 주로 관찰되는 특징을 가지고 있습니다.
- 푸른색/보라색: 지상 100km 이하의 비교적 낮은 고도에서 질소 분자와 충돌할 때 만들어지는 몽환적인 색상으로 아름답게 보입니다.
우리의 넋을 잃게 만드는 오로라의 웅장한 과학적 원리를 3가지로 요약해 보겠습니다.
- 태양은 엄청난 에너지를 가진 고속의 플라즈마 입자인 태양풍을 지구로 뿜어냅니다.
- 태양풍이 지구를 보호하는 지구 자기장에 부딪힌 뒤 자기력이 강한 북극과 남극쪽으로 끌려 들어옵니다.
- 극지방으로 들어온 고에너지 입자들이 지구 대기의 산소, 질소와 충돌하여 에너지를 빛으로 방출하는 것이 오로라 입니다.
오로라는 역설적으로 치명적인 우주의 공격을 막아주는 지구의 든든한 방어벽이 정상적으로 닥동하고 있다는 증거이기도 합니다. 하늘하늘 휘날리는 오로라의 신비로운 영상이나 사진, 또는 실물을 보게 된다면 이제 그 빛속에서 우주의 물리학을 떠올려 보시기 바랍니다.
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