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- 태양풍의 입자는 자기장 라인을 따라 극 대기의 상층으로 침투
- 그곳에서 공기 중의 산소 및 질소 분자와 충돌
- 산소 원자에서 나오는 녹색 및 빨간색 빛, 질소 원자에서 나오는 파란색 및 보라색 빛
- 녹색을 띤 북극광은 약 100km 고도에서, 붉은색을 띤 북극광은 지표면에서 약 200km 높이

태양풍과 마그네틱 케이지; 오로라의 원인

오로라에 대한 간단한 설명에는 꽤 많은 복잡한 원인이 있다. 이러한 발광 현상의 물리적 미묘함은 지금까지 부분적으로만 밝혀졌다. "우리는 아직 완전한 그림을 가지고 있지 않다"고 NASA 오로라 연구원 David Stern은 설명한다. 

▲ 지구의 자기장은 태양풍으로부터 우리를 보호한다. © NASA

틈이 있는 보호 케이지

우리 대부분은 학교에서 배운 간단한 설명을 알고 있다. 발광 현상은 지구의 자기장과 태양풍과 관련이 있다. 태양풍의 하전 입자가 지구 자기장에 부딪히면 일반적으로 편향된다. 평행 자력선은 일종의 패러데이 새장처럼 지구를 보호한다.

그러나 기둥 근처에서 이 보호 케이지는 투과성이 있다. 막대자석과 마찬가지로 자기장 선은 자극 쪽으로 기울어진다. 따라서 그 부근에서 그들은 지구 표면에 거의 수직이다. 태양풍의 하전 입자는 이러한 자기장 선을 따라 이동하기 때문에 다른 곳보다 극지방에서 지구에 더 가깝게 접근할 수 있다.

버클랜드의 실험

19세기 말 노르웨이의 물리학자 Kristian Birkeland는 하전 입자가 대기를 통과할 때 어떤 일이 일어나는지 관찰했다. Terella 실험에서 그는 진공 챔버에 자기 금속 공인 terella를 고정했다. 그런 다음 그는 음극선관의 전자를 지구 자기장의 이 미니어처 모델로 향하게 했다.

▲ Birkeland의 Terella 실험 재구성: 미니어처 오로라가 생성된다. © David Monniaux/ CC-by-sa 3.0

Birkeland는 놀랍게도 Terella의 기둥 주위에 빛나는 고리가 형성되었다. 미니어처의 극광이다. 그들은 전자가 자기장 라인을 따라 Terella의 극 근처로 안내되기 때문에 발생한다. 그곳에서 그들은 진공 챔버에 남아있는 가스 원자와 충돌하여 빛을 발한다.

대기 충돌

Birkeland는 비슷한 일이 지구 대기에서도 발생한다고 의심했다. 태양풍의 입자는 자기장 라인을 따라 극 대기의 상층으로 침투해 그곳에서 공기 중의 산소 및 질소 분자와 충돌한다.
이 과정에서 방출되는 에너지는 서로 다른 파장의 빛으로 방출된다. 즉, 산소 원자에서 나오는 녹색 및 빨간색 빛, 질소 원자에서 나오는 파란색 및 보라색 빛이다. 결과는 오로라다. 일반적으로 녹색을 띤 북극광은 약 100km 고도에서 나타나고 붉은색을 띤 북극광은 지표면에서 약 200km 높이에서 나타난다.

태양 폭풍 동안 특히 많은 수의 하전 입자가 자기장으로 흘러 보호 자기 케이지가 더 변형되면 극광이 특히 두드러진다. 그런 다음 전자는 고전적인 극광 타원 외부의 영역에서도 대기로 침투하여 발광 현상을 유발할 수 있다. 1859년 9월 소위 캐링턴 이벤트 동안 하와이, 자메이카 및 바하마에서도 오로라가 발생했다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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