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[지식 더하기] 자기장과 오로라

2019년 3월 30일 업데이트됨



하늘에서 여러 색깔 빛이 커튼처럼 빛나는 현상인 오로라는 많은 사람들의 로망입니다. 백색, 녹색, 붉은 색의 빛이 구불구불 하늘을 덮은 풍경은 정말 경이로운 현상이겠지요. 그리고 과학자들이 오로라에 대한 연구를 계속하고 있음에도 불구하고, 많은 미스터리들이 남아 있습니다.






오로라가 일어나는 정확한 과정은 아직 완전하게 밝혀지지 않았지만, 기본적인 원인은 대부분 태양풍과 자기장의 상호 작용을 포함합니다.


지구는 두 개의 극을 가진 거대한 자석이라는 것은 널리 알려져 있습니다. 그리고 태양 또한 자력을 가지고 있습니다. 태양의 대기에서 폭발이 일어나면, 여러 가지 입자들이 분출되기도 합니다. 매 초 100t 정도의 질량이 방출되는데, 보통 전하를 띄고 있는 이 입자들은 지구의 자기장 벨트 구역 안으로 진입할 수도 있고, 이미 벨트 안에 있던 입자들도 대기 중으로 손실될 수 있습니다. 그리고 주로 이 구역이 영향을 미치는 위도 3~6도, 10~12도 사이의 지역에서 오로라를 관찰 할 수 있습니다.







지구 대기의 기체들이 빠르게 가속된 전하를 띈 입자들과 충돌하면 이온화되거나 흥분한 상태가 됩니다. 그리고 에너지가 방출되고, 우리는 오로라의 빛을 보게 됩니다. 산소 원자에서 에너지가 방출되면 녹색 또는 주황, 빨간색의 빛이 관측되고, 질소 원자는 이온화된 후 전자를 다시 얻으면 파란색, 흥분된 상태에서 다시 돌아오면 빨간색의 빛이 관측됩니다.






하지만 모든 오로라 현상이 위 원인에 의해서 일어나는 것은 아닙니다. 지구 자기장에 갇힌 전하를 띈 많은 입자들 사이에서는 산란이 일어나기도 하는게, 이 때도 오로라가 형성될 수 있습니다. 보통 세기가 비교적 약한 오로라들이 이렇게 형성됩니다.


Aurora Noise


오로라를 관측하는 사람들은 오랫동안 정체를 알수 없는 쉬익 하는소리, 박수 소리와 요란한 소리를 들었다고 주장했지만, 그 원인이 밝혀지기 시작한 것은 2016부터였습니다. 음전하를 띄는 입자를 포함하는 따뜻한 공기는 주위 공기와 혼합되지 않고 양전하를 띈 입자를 포함한 차가운 공기 층 사이에 형성됩니다. 이 사이에서 스파크와 소리가 발생되었던 것입니다.





Alien Aurora


오로라는 지구에서만 일어나는 현상이 아닙니다. 2014년 12월 NASA는 화성 대기에서 오로라를 관찰했습니다. 그리고 허블우주망원경은 목성에서도 자외선 오로라를 관측했고, 찬드라 우주망원경을 통해 x선 오로라 또한 관측할 수 있었습니다.





목성의 오로라가 처음 발견된것은 처음 발견되었을 때, 사람들은 목성의 오로라의 형성과정은 지구처럼 목성의 자기장과 전하를 띈 입자로 인해 발생한다고 . 목성은 강력한 자기장을 갖고 있고, 주변에 전하을 띈 입자도 많았기 때문입니다. 그리고 이를 밝히기 위해 허블우주망원경이 화상분광기를 이용하여 목성의 오로라를 관측하고, 주노 탐사선이 목성 대기에 접근하여 탐사를 진행했습니다. 그런데 2017년 9월, '네이처'에는 목성의 오로라가 생각했던 과정이 생각했던 원인과 다르다는 연구 결과를 발표했습니다.



목성에서 관측되는 오로라는 지구보다 훨씬 더 강한 세기를 갖고 있었습니다. 발생하는 면적 또한 매우 광범위하고, 가진 에너지도 지구의 오로라의 수백배나 됩니다. 그런데 주노가 보내온 자료에 의하면 목성에서 가속되는 전자들은 목성 오로라의 큰 에너지를 만들기에는 부족합니다. 오히려 극지방의 전자들의 전위차가 높은 것으로 보아, 지구의 약한 오로라처럼 전자들의 산란으로 인해 발생될 가능성이 있다고 합니다.



NASA에서 관측한목성의 광범위한 X선 오로라


필요한 Physics 2019 봄호


작성자: 19-004 곽지민

분야: 전자기, 지구과학


참고문헌:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Aurora

[2] http://discovermagazine.com/2017/jul-aug/auroras


이미지 출처:

[1] blog.kwonochul.com

[2] discovermagazine.com

[3] https://www.google.com/search?q=%EB%B6%89%EC%9D%80+%EC%98%A4%EB%A1%9C%EB%9D%BC%EC%99%80+%EC%B4%88%EB%A1%9D%EC%83%89+%EC%98%A4%EB%A1%9C%EB%9D%BC&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiWp-fE26jhAhVP05QKHRX_AgIQ_AUIDigB&biw=1536&bih=674#imgrc=M11xPEdw2XvdaM:



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