기획·칼럼

태양 (1) – 태양계 모든 생명체의 근원

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] 태양이 중요한 이유와 우리 태양에서 일어나는 현상들

모든 생명체의 근원이 되어주는 고마운 태양

우리 태양계의 중심에 우리가 태양이라고 부르는 항성이  존재한다. 항성은 자체의 중력에 의해 묶여 있으며 중심에서 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생성하고 스스로 빛을 내는 천체를 말한다.

태양의 최근접 이미지 ⓒ Solar Orbiter/EUI/ESA,NASA

태양이 중요한 이유는 우리 태양계 안의 모든 생명체 그리고 에너지의 근원이 되기 때문이다. 태양은 우리 태양계 전체 질량 중 99% 정도의 질량을 홀로 독식하고 있으며, 태양의 주성분인 수소 원자가 융합하여 헬륨을 만들면서 파생되는 엄청난 양의 빛과 에너지를 태양계 내의 모든 행성은 물론이며 크고 작은 천체들에 공급시켜주고 있다. 따라서 태양은 우리 태양계 안 모든 에너지의 근원이라고 할 수 있다.

태양 ⓒ NASA

거시적으로 본다면 행성이 없는 태양계는 존재할 수 있지만, 태양이 없는 행성은 태어나기 어렵다. 물론 모항성 없이 광활한 우주 공간을 떠도는 ‘떠돌이 행성(Rogue planet)’ 같은 경우도 존재하지만, 이들은 보통 태양계에서 태어난 행성이 어떠한 이유에서 항성의 중력을 벗어나 어느 별의 중력에도 영향을 받지 않는 것으로 예측되고 있다.

또한, 주변에 태양이 없는 이들의 지표면은 매우 추울 것으로 예상되며 빛을 공급하는 모항성이 없는 관계로 광합성을 중심으로 한 생명 탄생 및 활동이 불가능할 것이다. 이처럼 지구 혹은 행성에 도착하는 태양의 에너지는 식물의 광합성에 필수적으로 작동하게 되고, 따라서 태양은 지구상 모든 생명체의 생존을 가능하게 해주는 고마운 존재이다. 또한 태양은 지구 전체의 다양한 기후와 날씨를 만들게 된다.

태양이 내뿜는 빛과 에너지는 엄청나다. 자그마치  1억 5,000만 km나 떨어져 있는 지구의 대기권에 도달하는 태양의 에너지 밀도는 1제곱미터당 대략 1.4kW 정도를 자랑하며, 이 때문에 맨눈으로 태양을 관측하는 것은 불가능하다. 우리 태양의 표면 온도는 대략 5,800K(~섭씨 5,596도 정도)인데 위 온도에서 가장 많이 나오는 전자기파의 파장 대역은 대략 500nm 정도(대략 노란색에서 청록색 부분)가 된다.

태양은 실제로 붉은색, 녹색, 푸른색 등의 여러 파장을 방출하지만, 이들이 공기층을 통과할 때 비슷한 정도로 공기층에 흡수되어 골고루 섞이며, 우리 눈의 원추 세포에서도 이를 적절히 섞어서 감지하기 때문에 흰색으로 보이게 된다.

우리 태양에서 일어나는 현상들

현재 우리 태양에서 일어나는 현상을 간단히 살펴보자면 대략 코로나, 홍염, 필라멘트, 플레어, 흑점, 태양풍, 오로라, 등이 존재한다.

태양의 외부 현상과 내부 모식도 ⓒ KelvinSong

먼저 코로나(Corona)는 태양에서 일어나는 현상 중 가장 신기하고 경이로운 현상 중 하나이다. 별에서 내뿜는 플라스마 대기가 우주 공간으로 끝없이 뻗어 나가는 현상 즉 ‘태양의 외부대기’를 코로나라고 부르는데, 우리는 이를 보통 개기일식 때 관측할 수 있다. 코로나의 전반적인 모습은 흑점주기에 따라 변한다고 알려져 있다.

한 가지 흥미로운 사실은 태양의 표면 온도는 (혹은 유효온도 Effective temperature라고 부름) 대략 5,800K 정도인데 반해 코로나의 온도는 100만K를 넘는다는 점이다. 일부 영역에서는 1,000만 K에 이르기도 한다.  5,800 K 정도의 태양 표면으로부터 수백만K의 코로나로 직접적으로 열이 전달되는 것은 열역학 제2 법칙에 위배되는 사항이기에 이를 천문학에서는 ‘코로나 가열 문제’라고 부른다.

여러 가지 가설들이 존재하지만,  일부 과학자들은 태양 표면에서 제트처럼 분출되는 기체가 코로나 속에서 초음속이 되면 저항을 받게 되고 이로 인해서 운동 에너지가 열에너지로 변하기 때문이라고 예측하고 있다.

개기일식때 관찰할 수 있는 코로나의 모습 ⓒ NASA

홍염(Solar Prominence)은 태양의 코로나에 존재하는 크고 밝은 불기둥과 같은 현상을 말하는데 태양 표면에 분출되는 현상이기는 하나, 분출 물질이 태양의 중력을 이기지 못하고 다시 태양 표면으로 돌아오거나 태양 대기권 밖으로 빠져나가는 현상을 말한다. 이들의 수명은 보통 수 시간(‘분출형 홍염 eruptive prominence라 부름’)에서 수일(‘정온 홍염 quiescent prominence라 부름’)까지 이르게 된다. 보통 코로나 내부에서 수 주간 지속하는 것으로 알려져 있다. 태양의 필라멘트(filament)는 태양의 자기장을 따라 상대적으로 차가운 플라스마가 표면으로 표출되어 코로나 대기에 흐르는 현상을 말한다.

플레어(Solar Flare)는 태양 대기에서 발생하는 격렬한 폭발 반응을 말한다. 태양의 상층대기인 코로나와 태양의 채층에서 발생하며 에너지가 광구에서 급격히 분출되면서 수 초에서 수 시간에 걸쳐 섬광 현상을 보이게 된다. 위 현상은 태양의 광구에 존재하는 영역인 흑점(Sunspot)과 관련 있는 것으로 생각된다.  흑점은 주변보다 상대적으로 훨씬 낮은 온도를 지니며 강한 자기 활동을 보이는 영역을 말하는데 이는 대류가 이루어지지 않아 상대적으로 낮은 표면 온도를 지니고 어둡게 보이는 것으로 예측된다. 대체로 흑점의 수가 많아짐은 태양의 활동이 활발해짐을 의미한다. 흑점의 수가 많아지면 태양풍(Solar wind)도 강해지는 경향을 보이기 때문이다. 따라서 지구의 기온이나 대기는 태양의 흑점 변화 주기에 큰 영향을 미치게 된다.

태양의 플레어 현상 ⓒ U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration

태양풍은 태양이 뿜어내는 양성자와 전자 등 미립자들이 포함된 플라스마들의 강력한 흐름을 나타낸다. 매초 100만 톤의 질량이 태양에서 방출되며 빠른 태양풍과 느린 태양풍으로 나뉘어 지는데 이들이 지구 가까이 이르렀을 때 평균 무려 450km/s 정도 (200~750km/s)의 속도를 낼 수 있다고 알려져 있다. 태양풍은 엄청난 자기장과 방사능을 수반하므로 지구의 자기권에 영향을 주게 된다.

태양풍에 포함된 이온들이 지구의 자기장과 상호작용하게 되면서 지구자기장에 갇히게 되는데 위 이온 중 일부는 지구의 자극에 가까운 극지방 자기장의 상층대기와 만나게 되고 이로 인해서 오로라가 형성된다. 따라서 우리가 오로라를 볼 수 있는 건, 지구의 자기장이 변함없이 열심히 일을 하고 있다는 뜻이기도 하다.

태양풍과 지구 자기장의 상호작용 ⓒ NASA/Ningchao Wang 2018

태양의 현재 나이와 미래

우리 태양은 현재 약 45억 6,700만 살로 추정된다. 예측된 태양의 초기 질량과 현재 분광형 (G2 V)을 비교해볼 때,  우리 태양은 앞으로 대략 78억 년 정도 더 살 수 있을 것으로 예측된다. 대략 63억 년 후까지는 여전히 현재의 분광형(G형)을 유지할 것으로 예측되지만, 지금보다 훨씬 진화된 별로 (G5 V) 표면 온도는 훨씬 더 높아지게 될 것으로 예측된다. 아쉽지만 이미 지구의 생명체는 더는 존재하지 못할 것이다.

이후 8억 년 정도 더 지나면, 우리 태양의 핵융합으로 방출되는 에너지는 이전보다 훨씬 팽창된 표면으로 분산되게 되며, 그 결과 태양의 표면 온도는 낮아지며 적색거성으로 진화한다. 이후 또 7~8억 년 정도가 지나면 행성상 성운 단계를 거친 후 대부분의 질량을 잃게 된다. 결국 태양의 중심핵은 천천히 수축하며 천천히 식어가는 백색 왜성으로 진화하게 된다.

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