태양과 태양광구/ 태양의 구조

 

태양광구 [ 太陽光球 , solar photosphere ]

 

태양광구는 백색광으로 보았을 때 가장자리에 해당되는 곳으로 가스에 의해서 가시광이 차단되는 대기층에 해당한다. 즉, 광학적 깊이(optical depth)가 1이 되는 지역에 해당한다. 우리가 눈으로 보는 빛의 대부분은 이 지역에서 나오고, 우리는 그 빛을 광구라 부른다. 태양광구의 온도는 전체 태양의 원반에서 나오는 연속스펙트럼을 흑체 배경복사스펙트럼과 비교하여 결정할 수 있는데, 그 값은 약 5800 K이다.

태양광구에서는 여러 가지 표면현상을 관측할 수 있는데, 대표적인 표면현상으로는 쌀알무늬(granule)가 있다. 쌀알무늬는 광구 바로 밑에 존재하는 대류층 상단의 모습으로 밝은 부분은 대류 세포가 상승하는 지역으로 추측되고 있다. 태양원반의 밝기는 중심에서 가장자리로 갈수록 감소하는데, 이러한 현상을 주연감광(limb darkening)이라 한다.

 

 

수소폭탄을 터트리는 노란 별 태양

 

태양(太陽, Sun, 해)은 태양계에 있는 모든 생명체에게 어머니와 같은 존재이다. 왜냐하면 인간이 사용하는 모든 연료의 근원이 태양으로부터 나오며 여덟 개의 행성은 물론 그 위성들과, 소행성 그리고 수많은 천체 등 태양계의 전 가족이 태양을 바라보며 돌아가고 있기 때문이다. 태양의 색깔은 노랗고 그 무게는 지구 질량(5.9736×10²⁴㎏)의 33만 배에 이른다. 또한 모든 행성들을 합쳐 놓은 질량의 750배 이상이나 되고, 태양계 전체 질량의 99.85%를 차지한다. 태양의 지름에 도달하기 위해서는 109개의 지구를 옆으로 나란히 놓아야 한다. 또한 태양의 부피는 130만 개의 지구가 차지하는 공간과 같다.

이처럼 여러 측면에서 태양은 태양계에서 독보적인 존재이다. 태양의 나이는 약 100억 년 정도이며, 약 50억 년 전에 제대로 된 모습을 갖추었다고 한다. 태양은 태양계 내에서 스스로 빛을 내는 유일한 천체이지만 전 우주로 따지면 태양도 하나의 항성(별)에 불과하다. 태양은 우리 동네 하나뿐인 별이지만, 지구 중심적인 사고를 가졌던 그리스인들은 태양을 지구(Gaea, 가이아), 천왕성(Uranus), 토성(Saturn)보다도 더 격을 낮춰서 불렀으며, 이때는 태양을 행성과 같은 존재로 간주했다고 한다.

하루도 쉬지 않고 수소폭탄을 터트리며 불타는 거대한 태양이 한결같이 우리의 낮을 밝혀 주고 있다. 태양의 깊은 곳으로부터 가스 덩어리가 올라와 표면에서 부글부글 끓어 열기를 방출하고 다시 내부로 들어가 가라앉는다. 원자들이 점점 더 많이 모여서 열은 더욱 높아지고 수소와 헬륨에 의한 핵융합 반응이 일어나 폭발한다. 태양의 내부 온도는 상상을 초월하는 섭씨 1500만℃에 달하는데 바로 여기서 핵융합이 일어나고 초당 400만 톤의 질량을 빛으로 바꾼다. 이렇게 끓고 있는 태양의 열기도 표면으로 나오면 온도가 많이 내려가서 섭씨 5500~6000℃ 정도 되는데 여기를 사람들은 광구(光球, photosphere)라고 부른다. 광구의 두께는 약 400㎞ 정도 되며 지구에 직접 도달하는 태양빛의 대부분이 여기서 방출된다.

 

 

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태양의 광구 위에는 두께가 6,000㎞ 정도 되는 희박한 대기층이 있는데, 여기를 채층(彩層, chromosphere)이라고 한다. 1868년 영국의 천문학자 요셉 로키어(Joseph Norman Lockyer, 1836~1920)가 이름붙인 채층은 약 2,000㎞ 이상 되는 곳부터는 바늘처럼 삐쭉삐쭉하게 생긴 스피큘(spicule)이라는 불꽃이 튀는데(20㎞/s), 이들 불꽃은 광구로부터 1만㎞ 높이까지 솟아오른다고 한다.

채층의 온도는 광구와 가까운 아랫부분은 4500℃ 정도 되지만 맨 윗부분에서는 약 100만℃ 이상 된다고 한다. 태양의 플레어(flare)와 홍염(紅焰, Solarprominence)이 주로 채층에서 일어나는 현상이다. 홍염은 붉은 불꽃 모양의 가스체를 지칭하는데 주성분은 수소가스로 추정되며 개기일식 때 볼 수 있다고 한다.

태양 탐사는 1960년대부터 시작되었다. 1990년 10월에는 태양의 플라즈마(이온화된 상태의 기체)와 자력을 탐사하기 위한 율리시스(Ulysses)호가 발사되어 지금까지 약 20년 동안 미션을 수행해 왔으나, 2009년 6월 30일에 운용을 종료하였다.

1991년 8월에는 태양의 플레어가 복사하는 엑스선을 포착하기 위해 미국, 영국, 일본이 공동으로 참여한 태양 관측 인공위성인 ‘요코(SOLAR-A)’가 발사되었다. 그 외에도 1995년 11월에 미국 플로리다 주에서 세 번째 태양탐사 우주선인 소호(Soho)가 발사되었고 이 위성은 현재 태양 주변을 돌며 활동 중이다.

태양 흑점

밝게 빛나는 태양에도 사람 얼굴의 검버섯처럼 어두운 반점(흑점)이 보인다. 이 반점은 광구의 평균 온도보다 2000℃ 정도 낮지만 그래도 여전히 4000℃를 유지한다. 이곳은 주변보다 약 80% 정도 더 적은 빛을 발산하기 때문에 상대적으로 어둡게 보이는 것이다. 태양 흑점은 예수회 신부이자 천문학자인 독일의 샤이너(Christoph Scheiner, 1575~1650)가 1610년경 발견하였다. 이때 샤이너가 스케치한 흑점은 아직까지도 널리 쓰일 정도로 유명하다.

독일의 아마추어 천문가인 슈바베(Samuel Heinrich Schwabe, 1789~1875)는 태양을 관측하던 중 우연히 태양의 흑점이 11년을 주기로 증감하는 것을 발견하였다. 태양 흑점(太陽黑點, sunspot)의 어두운 중심부를 암부(umbra)라고 하며, 바깥의 약간 밝은 부분을 반암부(penumbra)라고 한다. 흑점 중에는 하루 이틀 지나면 사라져 버리는 것도 있지만 몇 개월씩 존재하는 것도 있다. 또한 크기도 다양하여, 목성만큼 큰 흑점도 발견되지만 겨우 수백 킬로미터 밖에 안 되는 작은 것도 보인다.

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