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- 자기권 내에 보호막처럼 행성을 둘러싸는 여러 개의 방사 벨트와 플라즈마 층이 있다
- 우주의 고에너지 폭격으로 지구 자기장은 햇볕이 잘 드는 쪽에서 강하게 압축된다.
- 밤에 자기권은 수백만 킬로미터 길이 플라즈마 꼬리까지 확장돼, 꼬리도 격렬하게 펄럭
- 극광의 맥동 속도는 순환하는 이온과 전자의 질량에 따라 달라져
- 지구의 자기장 고도 낮을수록 더 강해 깜박이는 극광은 더 빠르게 맥동

복잡한 상호 작용

오늘날 우리는 오로라의 원인이 오랫동안 생각했던 것과 달리 간단하지 않다는 것을 알고 있다. 예를 들어 대기 중의 원자와 충돌하는 입자가 모두 태양에서 온 것은 아니다. 그리고 지구의 자기장은 막대자석보다 훨씬 더 복잡하고 모양이 다르다. 자기권 내에는 엇갈린 보호막처럼 행성을 둘러싸는 여러 개의 방사 벨트와 플라즈마 층이 있다. 

▲ 태양풍은 지구 자기장을 변형시킨다.© NASA

야행성 꼬리

태양풍 및 우주 광선과의 상호 작용은 우리의 자기권을 매우 격동적으로 유지하고 깔끔한 자기 케이지 모양에서 벗어나게 만든다. 우주로부터의 끊임없는 고에너지 폭격으로 인해 지구 자기장은 햇볕이 잘 드는 쪽에서 강하게 압축되고 자력선이 그곳에서 단단히 압축된다. 반면 밤에는 다르다. 여기서 자기권은 수백만 킬로미터 길이의 플라즈마 꼬리까지 확장되어 있으며, 이 꼬리도 격렬하게 앞뒤로 펄럭인다.

이 자기권 꼬리가 오로라를 유발하는 전자의 주요 공급원 중 하나다. 이것이 오로라가 거의 항상 밤에 발생하는 이유다. 하전 입자는 밤에 있는 우리의 자기 케이지를 관통한다. 이것은 이 지역의 난기류 때문에 가능하다. 지구 자기장의 필드 라인은 서로 반복적으로 접촉하고 행성 간 자기장의 자기 유물과 접촉한다.

▲ 펄럭이는 지구의 마그네토테일(magnetotail)에서 필드 라인이 반복적으로 서로 접촉하여 폭발적인 플라즈마 분출을 유발한다. © NASA/GSFC, SWRC/CCMC/SWMF

스핀 사이클의 전자

이로 인해 플라즈마가 격렬하게 폭발하여 고에너지 입자가 시속 300만 킬로미터 이상으로 가속된다. 초고속 입자는 우주와 지구를 향해 발사되며 그곳에서 다시 필드 라인의 영향을 받는다. 이때문에 극지방을 향한 나선형 궤적을 따라가게 된다.

그러나 입자가 가스 원자와 충돌한 후 지구로 사라지는 것은 아니다. 대신, 극 근처의 자기 케이지 구조는 이러한 전자가 지면 바로 위에서 붙잡혀 반대 방향으로 가속되도록 한다. 거대하고 눈에 보이지 않는 탁구 게임처럼, 그들은 끊임없이 두 극 사이를 왔다 갔다 한다. 때로는 몇 년 동안 말이다.

스윙 필드(Swing Field)

그러나 그것은 여전히 ​​전체 그림이 아니다. 자기장 외부를 흐르는 태양풍도 일어나는 일에 한 몫을 하기 때문이다. 하전 입자의 흐름은 복잡한 전기장 전류를 유발하며 그 영향은 자기권까지 도달한다. 강력한 태양 폭풍 동안 이 필드는 강력한 저주파를 생성하여 지구의 복사 벨트를 종처럼 진동시킨다.

▲ 이 시뮬레이션은 지구 자기권의 필드 난류를 보여준다. © S. Kavosi/J. Raeder/UNH

이러한 진동 필드는 이미 지구 주위를 돌고 있는 전자에 추가 추력을 제공한다. 동시에 그들은 충돌을 통해 상층 대기의 원자에서 새로운 전자를 추출한다. 오랫동안 이러한 전자는 오로라를 촉발할 만큼 에너지가 충분하지 않은 것으로 여겨졌다. 그러나 NASA 고다드 우주 비행 센터의 연구원들이 발견한 것처럼 그것은 사실이 아니다. "이 2차 전자는 어떻게, 왜, 그리고 언제 상층 대기에서 오로라가 촉발되는지를 설명하는 퍼즐의 중요한 조각이 될 수 있다는 것이 밝혀졌다”고 Marilia Samara는 말했다.

네온관처럼 깜빡이는, 맥동하는 오로라의 비밀

오랫동안 물리학자들의 복잡한 모델로도 설명할 수 없었던 극광이 있다. 바로 맥동하는 오로라다. 일반적인 북극광은 다소 느리고 점진적으로 변화하는 반면 결함이 있는 네온관처럼 깜박입니다. 이상하게도 태양 폭풍이 지구를 강타하지 않을 때도 발생한다.

사이클로트론처럼

관측에 따르면 깜박이는 오로라의 대부분은 3~15헤르츠의 주파수로 펄스를 발산한다. 그러나 대기 중의 가스 입자와 전자의 단순한 충돌만으로는 이러한 규칙적이고 빠른 깜박임을 설명할 수 없다. 대신 연구자들이 몇 년 전에 발견한 것처럼 수수께끼 같은 맥동 뒤에 또 다른 메커니즘이 있다.

▲ 이 오로라가 빛날 뿐만 아니라 중앙의 옅은 분홍색 영역도 매우 빠르게 깜박이는 영상이 공개됐다. © Ayumi Y. Bakken

이 빛은 산소 이온과 전자가 자기장 선 주위를 나선형으로 돌 때 생성된다. 이 빡빡한 원을 그리며 움직이는 동안 속도가 느려지기 때문에 에너지를 잃는다. 그들은 사이클로트론의 전자나 XFEL과 같은 자유 전자 레이저와 유사한 각 궤도에서 빛의 섬광으로 이것을 방출한다.

이러한 방식으로 생성된 극광의 맥동 속도는 순환하는 이온과 전자의 질량에 따라 달라진다. 입자가 무거울수록 자기장 선을 느리게 순환하므로 깜박임의 빈도가 낮아진다. 반면에 자기장의 세기가 중요한 역할을 한다. 지구의 자기장은 고도가 낮을수록 더 강하기 때문에 그곳에서 발생하는 깜박이는 극광은 더 빠르게 맥동한다.

함께하는 수소

입자 질량과 자기장 사이의 이러한 밀접한 관계는 2016년 3월에야 발견된 새로운 형태의 오로라가 어떻게 발생하는지 설명해준다. 도쿄 대학의 Yoko Fukuda와 그의 동료들은 처음으로 이런 오로라를 관찰했다. 깜박임: 정상적인 맥동이 다른 맥동으로 대체되었으며 훨씬 더 빠른 깜박임이 겹쳐졌다. 오로라는 1초에 50~80회 번쩍였다.

이 속도에서는 일반적인 산소 이온이 이 사이클로트론 빛을 방출할 수 없다는 것이 분명했다. 그들은 너무 무겁고 너무 느려 자기장 라인 주위를 빠르게 돌진한다. "수소와 같은 더 가벼운 이온이 이 빠른 깜박임에 기여해야 한다"고 Fukuda는 설명했다. 오로라의 행동은 양성자가 오로라의 사이클로트론 변종을 생성할 수 있다는 최초의 증거였다. 

(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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