[스프] 당신의 버킷 리스트에도 '오로라 관측'이 있나요?

지구상에서 가장 북쪽과 남쪽 끝 극단적인 곳에서 극한 체험하면서 연구하는 '극적인 사람들'. 보통 사람들은 일생에 한 번 가기도 힘든 남극과 북극을 수시로 오가며 연구 활동을 펼치는 극지연구소 사람들과 스프의 콜라보 프로젝트! 기후 변화의 최전선에 있는 그들의 이야기를 들어보세요!

오로라(aurora)는 남북극 높은 하늘에서 초록색, 붉은색, 파란색, 보라색 등으로 나타나는 빛(light)이다. 언뜻 생각하면 오로라는 누구나 다 아는 것처럼 보이는 가장 잘 알려진 자연 현상 중 하나지만, 대부분 일상에서는 볼 수가 없다. 평생 한 번쯤은 직접 눈으로 보고 싶은, 자신의 버킷 리스트 맨 꼭대기 어디쯤 올라 있을 법한 매우 신비로운 자연 현상이다.

그런데 정말 오로라는 누구나 다 알고 있을 법한, 그렇게 잘 알려진 자연 현상일까? 요즘 같은 시대에는 인터넷에서 조금만 검색을 해보면 오로라에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있다. 그러나 인터넷 정보 상당수는 심각한 오류를 포함하고 있는 것들이 많고, 전문적인 우주과학 사이트를 제외하면 정작 올바른 정보를 찾기는 쉽지 않다.

만인의 버킷 리스트 '오로라 관측'

자 그러면 오로라는 과연 어떤 현상이며, 우리에게 어떤 의미가 있는 자연 현상인지 알아보도록 하자. 우선 누구나 다 알고 있을 법한 오로라에 대한 정보는 어떤 것들이 있을까?

첫째, 오로라는 극지 대기에서만 나타나는 몇몇 특정 파장대의 빛(light), 즉 전자기파(electromagnetic wave)다. 그리고 이 파장대의 빛은 고층대기 중 산소 원자와 질소 분자에서 나온다는 것도 잘 알려져 있다. 초록색과 붉은색 오로라는 산소 원자에서 나오며, 파란색이나 보라색 계열은 질소 분자(또는 질소 분자 이온)에서 나온다.

또 한 가지 잘 알려져 있는 것은 오로라의 모양이 매우 다양하다는 것이다. 안개처럼 뿌옇게 보이기도 하고, 넓고 길게 늘어진 커튼처럼 보이기도 하고, 때로는 비가 내리는 것과 같이 방사형으로 보이기도 한다. 때로는 시시각각 모양이 변하여 마치 빛이 춤을 추는 것처럼 보이기도 한다. 이때 우리에게 자연스럽게 떠오르는 오로라에 대한 질문들은 다음과 같다.

“오로라는 왜 극지에서만 나타날까? 극지에서는 어디서나 볼 수 있을까?”
“오로라 관측의 최적지는 어디일까?”
“오로라는 얼마나 자주 나타날까?”
“오로라는 어두운 밤에만 나타날까? 그렇다면 밝은 낮에는?”
“오로라는 겨울에만 나타날까? 여름에는? 봄, 가을에는?”
“초록색 오로라는 왜 붉은색 오로라보다 항상 낮은 고도에서 나타날까?”
“오로라는 왜 저렇게 다양한 모습으로 나타날까?”
“오로라의 과학적 의미는 무엇일까?”

오로라가 고위도에서만 보이는 이유

우선 가장 근본적인 첫 번째 질문에 대한 답을 해보도록 하자. 오로라가 극지에서만 볼 수 있다는 것은 누구나 다 안다. 왜냐하면 대부분의 사람들이 살고 있는 중위도나 저위도에서는 오로라가 보이지 않기 때문이다! 오로라는 보통 위도가 60도 이상인 고위도 지역에서만 관측된다.

왜 그럴까? 본질적으로 이것은 지구 자기장의 구조 때문이다. 좀 더 정확히 말하면 지구 자기장과 태양풍(solar wind)과 상호작용의 결과다. 지구 자기장은 막대자석의 자기장과 유사한 형태를 갖고 있는데, 지구 자기장의 자기력선에 의해 둘러싸여 있는 중·저위도와는 달리 극지는 자기력선이 지구 대기 밖 외부 우주로 열려있다. 이때 태양에서 방출된 전자와 양성자, 그리고 약간의 알파 입자들로 이루어진 플라즈마(plasma)의 흐름인 태양풍이 지구 자기장과 만나면 자기력선을 관통하여 이동하지 못하는 플라즈마의 특성상 자기력선에 의해 닫혀있는 중·저위도에서는 태양풍 입자들이 지구 대기로 들어오지 못하고 대기 밖에서 측면으로 빗겨 지나간다. 그러나 자기력선이 열려있는 극지에서는 태양풍 플라즈마 입자들 일부가 열려있는 자기력선을 따라 지구 대기로 들어오기도 한다.

한편 굉장히 빠른 속도로 움직이는 태양풍의 역학적 에너지가 지구 자기장과 만나면서 전자기적 에너지로 변환되어 자기력선을 따라 극지 대기로 전달되는데, 이와 같은 현상은 태양풍이 지구 자기장의 형태를 변화시켜 지구 대기 바깥쪽에 형성되는 자기권(magnetosphere)이라고 하는 공간적 영역에서 일어난다. 이때 자기권의 태양 반대편에 머물고 있던 전자와 양성자들이 다양한 과정을 통해서 태양풍 에너지를 흡수하여 자기력선을 따라 지구 대기로 들어오게 된다.

이와 같이 극지에서 지구 자기력선을 따라 극지 대기로 들어오는 전자와 양성자들이 대기 중 산소 원자나 질소 분자들과 충돌하는 과정에서 발생하는 빛이 바로 오로라다. 오로라에 대한 가장 흔한 설명으로 “태양에서 방출되는 태양풍 입자들이 지구 자기력선을 따라 극지 대기로 들어와서 대기 중 원자나 분자와 충돌하여 오로라를 일으킨다”는 것은 사실 올바른 설명이 아니다.

왜냐하면 대부분의 오로라는 지구 대기로 직접 들어오는 태양풍 입자에 의해 발생하는 경우보다 태양 반대편 쪽 자기권에 상주하고 있던 전자나 양성자들이 다양한 과정을 통해서 지구 대기로 들어와서 오로라를 발생시키기 때문이다. 더구나 자기권에 상주하고 있는 전자나 양성자들은 태양풍에서 들어오는 것들도 있지만 상당수는 지구 대기에서 자기권으로 탈출한 것들이다!

이쯤에서 좀 더 구체적인 질문 하나를 생각해보자. 극지에서는 언제 어디서나 오로라를 볼 수 있을까? 물론 그렇지 않다. 오로라는 태양풍 에너지가 자기권에 전달되어 나타나는 현상으로 항상 일어나는 현상은 물론 아니다. 아주 가끔씩 불규칙적으로 발생하는 태양 폭발 등을 통해 큰 에너지가 태양풍에 실려와 자기권을 크게 흔들어 놓거나, 평소 꾸준히 조금씩 자기권에 축적되고 있던 태양풍 에너지가 자기권 내에서 다양한 과정을 통해 방출되면서 오로라가 발생하기도 한다.

즉 오로라는 본질적으로 매우 불규칙적으로 발생하여 예측하기가 어렵다. 그러나 태양에서 발생하는 이벤트를 예측할 수 있다면, 그 이벤트로 인한 오로라 발생은 어느 정도 예측이 가능할 수도 있다. 이와 같은 태양에서의 이벤트는 11년 주기의 태양활동 등과 관련이 있으며, 이와 관련된 분야가 바로 우주기상 연구이다.