지구과학 고2 태양계 천체와 별과 우주의 진화

태양

태양의 구조(광구·채층·코로나)와 흑점·홍염·플레어 등 태양 활동을 탐구한다.

태양은 중심에서 수소 핵융합으로 에너지를 만드는 별로, 내부는 핵·복사층·대류층으로, 대기는 광구·채층·코로나로 이루어져 있습니다.

태양에는 밟고 설 표면이 없습니다. 우리가 '태양의 표면'이라 부르는 광구는 안개가 걷혀 빛이 비로소 빠져나오기 시작하는 층일 뿐, 딛고 설 껍질이 아닙니다.

쉽게 말하면

태양계 형성에서 보았듯 태양은 성운의 중심에 물질이 모여 태어났습니다. 그 물질은 대부분 수소와 헬륨이며(우주의 기원과 원소), 태양은 지금도 그 수소를 헬륨으로 융합하며 빛나고 있습니다.

중심의 핵에서 만들어진 에너지는 곧장 밖으로 나오지 못합니다. 바로 바깥의 복사층에서는 빛이 수없이 흡수되고 다시 방출되기를 반복하며 아주 천천히 바깥으로 새어 나가고, 그 위의 대류층에서는 뜨거운 기체 덩어리가 직접 위로 솟았다가 식어서 가라앉는 대류로 에너지를 나릅니다. 광구에 보이는 쌀알 무늬는 이 대류의 꼭대기가 드러난 것입니다.

태양의 대기는 세 층입니다. 광구는 우리가 눈으로 보는 노란 원반으로, 표면 온도가 약 $5800 K$ 입니다. 여기에 주변보다 어둡게 보이는 흑점이 나타납니다. 광구 바로 위의 채층은 붉고 얇은 층이고, 그 위로 태양 반지름의 몇 배까지 뻗어 나가는 희박한 대기가 코로나입니다. 채층과 코로나는 평소에는 광구가 너무 밝아 묻혀 버리고, 개기 일식으로 광구가 가려지는 순간에만 맨눈으로 볼 수 있습니다.

태양은 조용한 공이 아닙니다. 흑점 말고도 채층에서 불꽃처럼 솟아오르는 홍염, 흑점 부근에서 갑자기 폭발적으로 에너지를 방출하는 플레어, 코로나의 물질 덩어리가 통째로 뿜어져 나오는 코로나 물질 방출(CME)이 일어납니다. 이런 태양 활동은 지구까지 영향을 미칩니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

개기 일식 때만 보이는 것

달이 광구를 정확히 가리는 개기 일식의 몇 분 동안, 광구 둘레로 붉은 채층과 진주빛 코로나가 드러납니다. 홍염이 붉은 고리처럼 솟아 있는 모습도 이때 보입니다. 평소에는 광구가 이 층들보다 압도적으로 밝아 전혀 보이지 않습니다.
예시 2

쌀알 무늬는 대류의 증거

광구를 확대해 보면 밝은 알갱이들이 어두운 경계로 나뉘어 빽빽합니다. 밝은 부분은 아래에서 올라온 뜨거운 기체이고, 어두운 경계는 식어서 가라앉는 기체입니다. 태양 내부에 대류가 일어나고 있다는 것을 눈으로 확인하는 증거입니다.
예시 3

위로 갈수록 뜨거워지는 대기

광구는 약 $5800 K$ 인데, 그 위의 채층은 수천~수만 $K$ , 더 위의 코로나는 $100$ 만 $K$ 이 넘습니다. 열원인 중심에서 멀어질수록 뜨거워지는 이 역전 현상은 태양 물리학의 오랜 난제이며, 자기장이 관여한다고 보지만 아직 완전히 규명되지는 않았습니다.

태양 대기의 세 층

구분	광구	채층	코로나
위치	우리가 보는 태양의 원반	광구 바로 위의 얇은 층	채층 위의 희박한 바깥 대기
대략적인 온도	약 $5800 K$	수천~수만 $K$	$100$ 만 $K$ 이상
보이는 방법	평소에 보이는 그 원반	개기 일식 때 붉은 테두리	개기 일식 때 진주빛 후광
나타나는 현상	흑점 · 쌀알 무늬	홍염 · 플레어	코로나 물질 방출 · 태양풍의 근원

자주 하는 오해

태양에 딱딱한 표면이 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움광구는 태양의 표면이니 그 위에 (뜨겁긴 해도) 딛고 설 껍질이 있다

실제로는태양은 전체가 기체(플라스마)입니다. 광구는 태양의 기체가 충분히 성글어져 빛이 비로소 빠져나오기 시작하는 층이며, 경계가 아니라 '보이기 시작하는 깊이'입니다.

안개 속에서 앞을 보면 어느 거리까지만 보이고 그 너머는 뿌옇습니다. 그 '보이는 한계'가 벽은 아니지요. 광구도 마찬가지입니다. 아래로 갈수록 기체가 촘촘해 빛이 갇히고, 위로 갈수록 성글어 빛이 통과합니다. 그 전환이 일어나는 얇은 구간이 우리 눈에 뚜렷한 원반의 가장자리로 보일 뿐입니다.

열원에서 멀어지면 무조건 차가워진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움에너지는 중심에서 나오니 코로나는 광구보다 훨씬 차가울 것이다

실제로는태양 내부에서는 맞지만 대기에서는 뒤집힙니다. 광구 위로 채층, 코로나로 갈수록 온도가 오히려 올라가 코로나는

100

만

K

을 넘습니다.

코로나를 데우는 것은 아래에서 전달되는 '열'이 아니라 태양의 강한 자기장이 나르는 에너지로 보입니다. 코로나는 밀도가 극히 낮아서, 적은 에너지만 들어와도 입자 하나하나의 속도(=온도)가 크게 올라갑니다. 온도가 높다고 열량이 많은 것은 아니라는 점도 함께 기억해 두세요 — 코로나는 뜨겁지만 너무 희박해서, 그 안에 있어도 광구만큼의 열을 받지는 않습니다.