왜 태양의 코로나는 이렇게 뜨거운가?
2001년 1월 12일: 나는 들었고, 읽었는데, 태양의 대기인 코로나가 약 100만 도의 온도를 가지는 이유는 아직 알려져 있지 않다. 반면 태양 표면은 겨우 6000도 정도다. 오늘 아침, 내 머릿속에 새로운 아이디어가 떠올랐다.
...관측된 사실 하나는, 태양이 주기적으로 거대한 플라즈마 아치를 방출한다는 것이다. 이 아치들의 지지점은 태양 표면의 태양흑점이다. 태양 주변의 플라즈마는 '높은 자기 레이놀즈 수' 상태에 있다. 즉, 자기장선이 플라즈마 속에 '고정'되어 있다는 의미다. 여성의 머리카락이 수영장 안에 있고, 빗이 그것을 매끄럽게 정리하는 상황을 상상해 보자. 머리카락과 빗은 서로 밀접하게 연결되어 있으며, 서로를 끌고 간다.
...이러한 플라즈마 아치는 거대한 거리까지 확장된 후 분리된다. 오른쪽 그림은 자기장선을 개략적으로 나타낸 것이다. 공간의 모든 점에서 자기장의 크기 B에 따라 해당하는 '자기압'을 나타낸다.
...또한 자기유속은 보존된다:
...따라서 자기장의 세기는 태양흑점 근처에서 최대이고, 아치가 가장 멀리 확장된 지점에서는 최소가 된다. 이로 인해 자기장의 경사도 효과가 발생한다. 아치는 자연스럽게 전하를 띤 입자를 가속화하는 장치처럼 작용한다. 따라서 플라즈마가 태양 표면, 즉 각각의 태양흑점에서 이탈하여, 중력보다 훨씬 강한 자기장 경사도에 의해 상승하고 가속되어 자기장이 가장 약한 영역, 즉 아치가 가장 넓고 단면적이 가장 큰 지점으로 이동하게 된다. 나는 이 플라즈마 덩어리들이 서로 충돌할 수 있을 것이라 생각한다. 그 결과는 자기 에너지(플라즈마 두 덩어리를 가속화하는 데 사용된 에너지)가 열 에너지로 전환되는 것이다. 다음 그림은 이 개념을 설명한다. 자기압의 경사도에 의해 입자를 가속화하는 과정은 특히 매우 긴 거리에서 매우 효율적이다. 이 모든 현상은 수치적으로 모델링하여 더 정밀하게 분석할 수 있을 것이다. 그러나 나는 이 현상이 코로나의 극도로 높은 온도를 설명할 수 있을 것이라 생각한다. 또한 온도가 6000도에서 100만 도로 증가하더라도, 열운동 속도는 제곱근에 비례하므로, 속도 증가율은 단지 12배에 불과하다는 점을 잊지 말아야 한다.
...그러나 플라즈마 덩어리들이 충돌하는 지점(이 경우 아치는 매우 흥미로운 자기음향 현상이 발생하는 장소가 될 것이다)에서는 플라즈마 내 압력이 매우 커져, 자기장선의 군집에 의해 제한되는 상태를 벗어나게 된다. 이로 인해 아치가 파열되며, 뜨거운 내용물이 방출된다. 이후 두 가지 상황이 발생할 수 있다. 온도가 적당히 상승하면 태양의 대기, 즉 코로나를 가열하게 된다. 태양 표면에 있는 기체는 표면에 붙어 있다. 6000도에서는 열운동 속도가 태양 표면에서 멀리 떨어지기 위해 필요한 속도보다 훨씬 낮다. 그래서 태양은 거의 구형에 가깝다. 그러나 아치 속에서 가속된 더 빠른 입자들은 파열 시 방출되어, 태양의 대기권을 형성하게 된다. 이 대기권은 태양 표면에서 훨씬 더 멀리까지 확장된다.
...더 강력한 태양 폭발(실제로는 높은 자기 레이놀즈 수를 가진 자기유체역학적 불안정성의 부작용이다)은 별풍선(태양계에서는 태양풍)을 만들어낸다. 또한 태양흑점이 매우 많을 때는 태양에서 방출되는 기체가 지구를 강하게 타격한다는 점도 잘 알려져 있다.
...플라즈마 물리학에 익숙하지 않은 사람들에게는 자기장 경사도에 의한 가속 현상이 다소 이해하기 어려울 수 있다. 그러나 많은 사람들이 지구의 자기권을 알고 있을 것이다:
...왼쪽은 자기장의 이중극축이 기울어진 지구의 구체이다. 지구의 '자기 북극'은 실제로는 자석의 남극이며, 자석의 북극을 끌어당긴다. 태양에서 방출되는 전하를 띤 입자들(주로 전자들)은 지구의 자기장선 네트워크에 갇힌다. 오른쪽 그림은 전하 입자들이 자기장이 강한 지역 사이를 나르며 자기장선을 따라 나선형 궤도를 그리는 모습을 보여준다. 이러한 나선형 궤도는 플라즈마가 자기장에 어떻게 묶여 있는지를 시각적으로 보여준다. 이 플라즈마는 '반 알렌 대역'이라 불리며, 이는 이를 발견한 천체물리학자인 반 알렌의 이름에서 유래한다. 이 대역은 지구 북반구와 남반구 사이를 오르내리며, 자기장 경사도의 효과로 인해 테니스 라켓처럼 전하 입자가 반사된다. 플라즈마 물리학에서는 이를 '자기 미러'라고 한다. 왼쪽은 태양과 반대 방향의 지구 자기권의 꼬리 부분이다. 정상적인 상태에서는 전하 입자들은 대기권을 훨씬 넘은 고도에서 방향을 바꾸며, 대기권의 경계를 약 80km 고도로 정할 수 있다. 그러나 매우 강력한 태양풍이 지구에 도달하면, 자기장 경사도의 감속 효과에도 불구하고 입자들이 고도 대기권에 침투하게 되며, 모든 천문학자들이 알고 있듯이, 이로 인해 극광 현상이 발생한다. 따라서 반 알렌 대역은 태양 폭발과 관련된 아치 구조와 매우 유사한 특성을 지닌 구조라 할 수 있다.
...어쨌든, 이 아이디어는 더 깊이 파고들어볼 만한 가치가 있는 것 같다. 그러나 나는 할 일이 너무 많다...
2001년 1월 16일부터 2005년 9월 16일까지의 조회 수: 11,882