(화면 자막)

본 동영상은 행정안전부와 한국정보화진흥원의 지식정보자원관리사업으로 제작되었습니다. 

태양이라는 이름의 별

1. 태양

태양계의 중심이자 지구와 가장 가까이 있는 행성, 태양. 우리에겐 가장 친근한 별이라 할 수 있습니다. 태양이 뜨고 지길 수십억년, 태양에 대한 인간의 관심은 점점 깊어졌습니다. 그렇다면 우리는 태양에 대해 얼마나 잘 알고 있는 것일까요?

질문: 태양이 얼마나 뜨거울거라고 생각하세요?

학생1. 가까이 있으면 사람이 죽을 정도로?

학생2. 3,000켈빈?

학생3. 만지지 못할 정도로?

학생4. 많이요.

질문: 지구와 태양의 거리는 얼마나 될 것 같아요?

학생1. 멀어요.

학생2. 잘 모르겠어요.

학생3. 많이요.

학생4. 많이요.

학생5. 1억 5,000km요.

질문: 태양의 나이는 몇살일까요?

학생1. 8만 년이요.

학생2. 60억 년이요.

학생3. 잘 모르겠습니다.

학생4. 많이 먹었을 것 같아요.

태양이 지구 가까이 있다고 해서 매일 매일 하늘 위에 떠 있다고 해서, 우리가 태양에 대해 잘 알고 있는 것은 아니었군요. 자 그렇다면 지금부터 놀라운 태양의 세계와 만나볼까요?

  지구에서 가장 가까운 별, 태양. 가장 가깝다고 하지만 사실 태양은 지구에서 약 1억 5,000km 떨어진 아주 먼 곳에 있습니다. 그래도 다른 행성들에 비하면 비교적 가까운 거리임에 틀림없습니다. 1억 5,000km 어느 정도 되는 거리인지 쉽게 상상이 안되신다고요? 그렇다면 이렇게 생각해보세요. 시속 100km로 달리는 자동차가 1,500,000시간, 즉 171년동안 쉬지 않고 달려야 하는 거리에 태양이 있는 거라고 말이죠. 이제 태양이 지구에서 얼마나 떨어진 곳에 있는지 짐작되시나요? 너무멀리 떨어져 있어서 그럴까요? 우리 눈에 태양은 손으로도 가릴 수 있고, 손톱만큼 작아보이기도 합니다. 태양의 실제 크기는 어느 정도 일까요? 수치로 따져보자면, 태양의 반지름은 대략 70km입니다. 이 길이는 지구 반지름의 약 109배나 되는 크기이죠. 지구의 크기를 포도알로 생각하면 태양은 최홍만 선수 정도의 크기라고 생각하시면 됩니다. 놀라운 차이이죠? 하지만 태양은 크기만 큰 것이 아닙니다. 무게도 만만치 않습니다. 태양의 질량은 약 2x10의30승km입니다. 지구의 약 33만배 되는 무게이죠. 거대한 양팔저울에 지구와 태양을 올려놓는다고 생각해볼까요? 한 쪽에는 태양을 놓고, 반대쪽에는 지구 33만개를 놓아야 저울은 이렇게 수평을 이룰 수 있게 됩니다. 거대한 바다와 수많은 사람들이 모여 사는 이 지구보다 약 33만배 무거운 태양. 그렇다면 태양 속에는 무엇이 있길래 이렇게 무거운 것일까요? 태양도 지구처럼 주성분이 암석과 금속이기 때문에 무거운 것일까요? 아닙니다. 태양은 암석이나 금속이 아닌, 기체로 이루어져 있습니다. 기체중에서도 가장 가볍다고 알려진 수소가 전체 질량의 73%가 차지하고 헬륨이 약 25%를 차지하고 있죠. 이렇게 공기보다도 가벼운 기체들로 이루어졌는데도 태양이 무거운 이유는 간단합니다. 그만큼 태양 안에 엄청난 양의 기체들이 모여있기 때문입니다. 태양이 기체로 이루어 졌다는 사실은 아주 중요합니다. 태양의 자전 속도에 아주 중요한 영향을 미치기 때문이죠. 

(인터뷰)

봉수찬 박사 - 한국천문연구원

: 태양이 지구처럼 단단한 지각으로 덮여있는게 아니고 분자활동이 자유로운 기체로 되어 있기 때문에 위치에 따라서 자전 속도가 달라집니다. 극쪽보다는 이제 적도지방에서 더 빨리 자전을 하게 되는데요. 적도 지방에서는 한바퀴 도는데 25일 정도가 걸리고, 극쪽에서는 30일 정도로 훨씬 더 오래 걸리게 됩니다. 이렇게 위도에 따라서 자전 주기가 달라지는 현상을 차등 자전이라고 합니다. 

이렇듯 위치에 따라 자전 주기가 달라지는 차등 자전운동은 표면이 기체로 이루어진 태양, 목성, 토성 등에서 볼 수 있는 현상입니다. 태양의 이 같은 차등자전운동은 강력하고 복잡한 구조의 자기장을 만들어 내기도 합니다. 이 신비한현상에 대해선태양의 모습을 자세히 살펴본 후에 만나기로 하죠.

  태양이 떠있는 낮에는 온도가 상승하고 해가 진 밤에는 기온이 떨어지는 것은 태양이 연출하는 자연의 섭리입니다. 이렇듯태양은 지구의 온도변화를 담당하고 있습니다. 지구에서 아주 멀리 떨어져 있는 태양이 어떻게 지구의 온도 변화에 영향을 미치는 것일까요? 그 이유는 바로 태양이 아주 뜨거운 항성이기 때문입니다. 그렇다면 태양은 얼마나 뜨거울까요? 우리는 물이 끓는 온도를 섭씨 100도라고 알 고 있습니다. 하지만 태양의 온도는 우리가 사용하는 온도 측정의 기준과는 다릅니다.섭씨 온도가 아닌 절대 온도, 켈빈을 사용하지요. 절대 온도로 생각해봤을 때, 태양의 표면 온도는 약 6,000켈빈입니다. 얼마나 높은 온도인지 짐작하기 어렵나요? 

(인터뷰)

봉수찬 박사 - 한국천문연구원

: 보통 우리가 뜨겁다고 느끼는 철이 녹는 온도를 생각을 해보면 한 1500도 정도에서 녹게 됩니다. 그런데 태양의 표면은 6000이기 때문에 그보다 훨씬 높다는 것을 알 수가 있죠.

이제 태양의 온도는 얼마나 고온인지 느껴지시나요? 자 이제 태양의 표면 온도까지 알아봤으니 태양 속에 감춰진 놀라운 매력 속으로 더 깊이 들어가볼까요?

2. 태양의 내부구조

태양의 내부는 핵과 복사층 그리고 대류층으로 이루어져 있습니다. 태양의 온도가 뜨거운 이유는 핵에서 만들어진 에너지 때문인데요. 이 에너지는 복사 형태로 대류층으로 전달되고 다시 대류현상에 의해 태양의 표면으로까지 전달됩니다. 자 그렇다면 태양의 내부에서는 어떻게 에너지가 만들어지는 것일까요? 그 해답은 태양의 가장 깊숙한 곳, 핵에서 발생하는 수소핵융합반응을 생각하면 잘 알 수 있습니다. 그럼 수소핵융합반응에대해 알아볼까요?

(인터뷰)

봉수찬 박사 - 한국천문연구원

: 수소 핵융합 반응이라고 하는 것은 수소 4개가 뭉쳐서 하나의 헬륨이 되는 과정인데요. 그 과정에서 조금은 약간의 질량 손실이 있게 됩니다. 그 질량손실이 에너지 형태로 방출이 되는 것이죠. 이런 핵융합 과정은 일상적인 보통의 상태에서 일어나는 것이 아니고, 태양과 같이 1500만도 정도의 아주 높은온도와 2500기압 정도의 아주 높은 기압에서 일어나게 됩니다.

이렇게 수소 핵융합 반응에서 일어난 에너지는 이제 태양 중심에서 표면으로의 여행을 시작하게 됩니다. 이 안에도 놀라운 방법이 숨어있죠. 복사층에서의 에너지 전달은 복사전달을 통해 이루어집니다. 손을 전기난로에 가까이  가져갔을때 손이 따뜻해지는 것을 복사 전달이라 하는데, 난로의 코일에서 적외선 광자가 나와 손을 따뜻하게 해주는 거죠. 복사층에서 에너지가 전달되는 것도 이 원리와 비슷합니다. 핵에서 만들어진 에너지 즉, 고온의 물체에서 방출된 광자가 다른 물체에 흡수되어 그 중 일부의 에너지가 상층으로 전달이 되는거죠. 자 이제 복사층 상부에 도착한 에너지는 태양의 표면 가까이에 있는대류층으로 이동하게 됩니다. 여기에는 복사층과는 또 다른 에너지 전달 방법이 숨어있습니다. 복사층을 지나 대류층으로 오게 된 에너지는 복사층과는 달리 대류에 의한 열 전달을 시작합니다. 대류전달은 실내 벽난로에서 가열된 공기가 상승할 때, 상층부가 따뜻해 지는 것 처럼 기체가 상 하로 이동할때 일어나는 현상으로, 즉 대류층 하부에 있던 고온의 에너지가 자신이 지니고 있는 에너지를 저온층인 대류층 상부로 이동시키는 것입니다. 이렇게 핵에서 생성된 에너지는 복사층, 대류층을 거쳐 태양의 표면에 도착해서야 태양 내부의 여행을 마치게 됩니다. 태양의 표면에 도착한 에너지 여행을 마치고 이제 표면 밖에서 만날 수 있는 태양의 대기에 대해 알아볼까요?

3. 태양의 대기구조

천문학자들은 태양의 대기를 광구, 채층, 코로나 3개의 층으로나누고 있습니다. 자 그럼 태양의 대기 속으로 들어가 그들을 만나볼까요?

  먼저 광구는 우리의 눈에 보이는 태양의 영역으로 태양에너지가 전달되는 마지막 종착지라고도 할 수 있죠. 대류층 위에 존재하는 가스층이며, 두께는 500~700km, 온도는 약 6000k로알려져 있습니다. 광구에서 보이는 현상들 중엔 잘 알려진 것처럼 흑점과 쌀알 무늬가 있습니다. 이 흥미로운 현상에 대해서는 태양현상에 관해 다룰 때 자세히 알아보도록 하겠습니다.채층은 광구 바로 위에 있는 붉은 대기층이며, 두께가 약 10,000km에 달합니다. 온도는 태양의 표면 온도보다는 높은 약 10,000k를 나타내고 있죠. 빛의 밝기가 광구보다 약해서평소엥는 보이지 않으나, 개기일식이 일어나면 달이 태양을 완전히 가리는 순간부터 수초동안 붉은색의 고리모양으로 나타나는 채층의 모습을 볼 수 있습니다. 그리고 채층에는 스페큘이라는 독특한 불꽃모양의 가스기둥도 있습니다. 태양의 대기 중 상층부에 존재하고 있는 코로나는, 채층 위로 수십에서 수백만km까지 퍼져있는 진주빛의 가스층입니다. 태양의 표면 온도가 6000k인데 비해 코로나의 온도는 태양보다 300배 이상 높은 200만k까지 이르고 있습니다. 코로나도 채층처럼 일식이 진행되는 동안에만 관측되고 있으며, 가끔씩 코로나의 모양이 변하는것을 알 수 있습니다. 이렇게 코로나의 모양이 변하는 것은 태양의 활동 변화와 관련이 있습니다. 태양의 활동이 활발할 때에는 코로나 역시 매우 밝고 태양 둘레에 골고루 나타나며 태양의 활발이 활발하지 않을때는 코로나가 적도 쪽으로 퍼져 극지방에서는 깃털같은 모양만 관측되기도 합니다. 일식이 일어나는 날 여러분이 코로나의 모습을 보면서 태양의 움직임이 활발한지 활발하지 않은지 확인해보는 것도 흥미로울 것 같습니다. 자 태양의 대기가 어떻게 구성되는지 이제 잘 아셨죠? 지금부터는 태양의 대기에서 나타나는 여러가지 신비한 현상들과 만나보겠습니다. 

4. 태양현상

먼저 광구에서 볼 수 있는 흑점과 쌀알무늬를 관찰해볼까요? 우리가 태양의 사진을볼때 가장 돋보이는 것이 바로 흑점입니다. 흑점은 주변의 광구면보다 상대적으로 온도가 낮아서 어둡게 보이는 현상으로, 흑점의 온도는 주변보다 2,000k정도 낮은 걸로 알려져 있습니다. 이렇게 주변의 광구보다 온도가 낮아 흑점이 생성되는 이유는 광구의 특정 지점에서 강력한 자기장이 형성되면 에너지전달에 방해가 되 자기장 주변의 온도가 떨어지게 되고 상대적으로 어둡게 보여 흑점이 발생하게 되는 것입니다. 흑점의 크기는 망원경으로 겨우 보이는 작은 것부터수만킬로미터 이상에 이르는 엄청난 크기의 흑점도 있습니다.

  몇 몇 흑점은 지구보다도 서너배 이상 크게 성장하기도 하지요. 흑점을 일정 시간 간격으로 관측하다보면 아주 흥미로운 사실을 알게 됩니다. 

(인터뷰)

봉수찬 박사 - 한국천문연구원

: 지구에서 태양을 관측했을 때에 그 흑점이 조금씩 위치가 변하는 것을 볼 수가 있는데요. 지구의 동쪽 하느렝 있던 그 태양의 흑점이 시간이 지나면서 점점 서쪽 하늘로 움직이는 것을 볼 수 있게 됩니다. 그런 식으로 이것은 지구에서 마찬가지로 태양이 동쪽에서 서쪽으로 움직이고 있다는 것을 보여주는 것입니다.

다시 한번 광구를 자세히 들여다볼까요? 흑점 이외에 보이는 또다른 현상이 있습니다. 쌀을 뿌려 놓은 것처럼 보이는 반점들이 뚜렷이 보이나요? 바로 이것이 쌀알무늬입니다. 쌀알무늬는 광구 바로 아래에서 일어나는 대류현상 때문에 일어나는 현상으로 밝은 부분은 고온의 가스가 상승하는 곳이고 어두운 부분은 저온의 가스가 하강하는 곳입니다. 이름은 비록 쌀알 무늬이지만 쌀알무늬 하나의 지름은 서울과 부산의 왕복 거리보다 더 긴 약 1000km라고 합니다. 자 그렇다면 광구 위에 존재하고 있는 채층으로 가볼까요? 과연 이 곳엔 어떤 신비로운 현상들이 일어나고 있을까요? 채츠에서는 홍염과 플레어 이 두가지 현상을 볼 수 있습니다. 홍염은 채층에서 상승부인 코로나를 향해 수십만킬로미터까지 솟아올라가는 불꽃 모양의 대기를말합니다. 이 거대한 불꽃의 주 성분은 대부분 수소원자로 구성되어있으며 붉은 빛을 강하게 내뿜고 있으며 홍염이라는 이름을 얻게 된거죠. 홍염의 온도는 태양의 표면온도보다 훨씬 높은 약 10,000k정도이며 홍염의 불꽃은 몇 시간에 걸쳐 솟아오르다가 소멸되는 것도 있지만 몇 달동안 꺼지지 않고 계속 불꽃을 내뿜는 홍염도 있습니다. 홍염의 모양 역시 대류층에서발생하는 자기장의 세기와 형태에 따라 다양하게 나타나고 있습니다. 대부분의 홍염은 태양 표면으로부터 수만킬로미터높이의 상층까지 뻗어있어 이렇게 루프형을 나타내고 있습니다. 하지만 군주령홍염같은 독특한 홍염도 있습니다. 채층에서 일어나는 또 다른 현상으로 플레어를 확인할 수 있습니다. 플레어는 광구의 표면에 흑점 수가 증가할 때 에너지가 폭발적으로 분출되면서 일어나는 현상입니다. 플레어가 폭발하는 순간 방출되는 물질은 1천만도까지 가열되며 이때 발생되는 에너지 양은 감히 놀랄만합니다. 현재 미국의 전력소비율로 계산해봤을때 미국이 10만년동안 사용하고도 남을 정도의 양이라고 합니다. 일반적으로 플레어는 태양활동이 활발할때 발생하며 소규모 플레어는 하루 평균 3번에서 5번 5분에서 10분정도 지속되며 규모가 큰 플레어는 수 주에 한번 꼴로 수십억동안 지속되기도 합니다. 그렇다면 이렇게 플레어가 발생하는 원인은 무엇일까요? 현재까지는 태양의 복잡한 자기장에 원인이 있다는 설이 가장 유력합니다.

(인터뷰)

봉수찬 박사 - 한국천문연구원

: 플레어가 발생하는 과정은 지구의 지진과 비슷한데요. 지각의 비틀림이 한계를 벗어나게 되면은 지진이 일어나게 되는 것처럼 태양에서도 이런 자기장의 비틀림이 한계를 벗어나게 되면은 자기력선의 결합이 뒤바뀌게 되면은 자기 재결합이 발생하면서 그 과정에서 엄청난 양의 에너지가 분출되게 됩니다. 이 과정에서 엄청난 양의 에너지가 방출이 되는데요. 이 에너지는전자기복사와 엄청난 양의 물질로 물질방출로 나타나게 됩니다. 이렇게 태양에서부터 나오는 물질방출을 코로나 물질 방출이라고 얘기하는데요. 이것은 지구에 지자기 폭풍과 같은 형태로 영향을 미치게 됩니다. 

플레어 이외에도 태양의 대기 중엔 태양으로부터 꾸준히 불어나가는 바람, 즉 태양풍이 존재하고 있습니다. 태양의 가장 상층부에 있는 코로나는 높은 온도를 가지고 있어 태양으로부터 벗어나려고 하는 특성이 있고, 또 태양은 끊임없이 코로나를 잡아당기고 있죠. 하지만 태양의 만유인력은 코로나를 붙잡아두기에는 충분하지 못해 태양으로부터 꾸준히 불어나가는 태양풍이 생기게 됩니다. 이때 방출되는 질량은 초당 100만톤에 이르지만, 태양 전체 질량에서 보면 많은 양은 아닙니다. 이렇게 태양으로부터 방출되어 사방으로 날라가는 태양풍은 태양이자전을 하고 있기 때문에 이렇게 나선형태로 날아가고 있습니다. 이 태양풍은 지구를 비롯한 태양계의 행성들에게로 날아가직간접적인 영향을 미치게 되죠. 자 그렇다면 지금부터 앞서 우리가 만나본 많은 태양 현상들 중 우리가 사는 지구에 영향을 미치고 있는 주인공들을 만나볼까요?

5. 태양이 주는 영향

우리에게 태양 활동의 영향으로 가장 잘 알려진 것은 바로 오로라 현상입니다. 오로라는 극지방에서 주로 발견되는 현상으로, 발생 원인은 지구의 자기장 구조 때문으로 알려져 있습니다. 거대한 플레어 현상은 코로나 질량 방출을 동반하게 되고 며칠 후 지구 자기장에 이끌려 극지방을 통해 지구 대기로 진입하게 되죠. 극지역에 진입한 입자가 대기와 반응했을 때 원자나 분자가 빛을 내는 현상이 바로 오로라입니다.

  오로라는 대기 속에서 신비로운 아름다움을 연출하지만, 오로라의 탄생이 결코 좋은 징조만은 아닙니다. 오로라가 관측된다는 것은 태양에서 많은 대전 입자들이 방출되었다는 뜻이고 이는 지구에 좋지 못한 영향을 미칠 수 있다는 것을 예고하는 것이죠. 그리고 태양의 표면에서 폭발이 일어날 때에도 강한 전자기파들이 방출됩니다. 이때 전자기파들이 통신용 전파를 흡수하면서 무선통신이 일시적으로 끊어지는 현상이 발생하는데 이 현상이 우리가 잘 아는 델린저 현상입니다. 그러나 이 같은 태양의 현상들이 지구에게만 영향을 끼치는 것은 아닙니다.플레어가 진행되는 동안 방출되는 단파장의 복사는 지구상층대기를 가열시키고 상층대기의 팽창을 초래해 인공위성과 상층대기의 마찰을 증가시키게 됩니다. 이 때문에 인공위성은 고도가낮아지게 되고 태양 활동이 극대기일때는 다수의 위성들이 대기와의 마찰로 인해 소실되기도 합니다.  이처럼 태양의 활동이 지구에 미치는 영향은 이런 신비로움을 안겨주기도 하지만 때론 지구의 안전을 위협하기도 합니다. 이렇게 두 얼굴을 가지고 언제나 우리 가까이 존재하고 있는 태양. 앞으로 태양의 활동은 어떻게 변화해 갈까요?

6. 태양의 미래

먼저 앞으로 남은 태양의 수명은 얼마나 될까요? 태양의 내부를 여행하면서 알아본 핵융합 반응과 핵에 남아있는 수소의 양을 통해 태양의 남은 수명을 계산해보았습니다. 그 결과 태양은 앞으로 50억년 정도 더 활동할 것으로 기대되고 있습니다. 그렇습니다. 태양은 앞으로도 50억년 동안 끊임없이 핵융합 반응을 하면서 살아남을 것입니다. 그리고 끊임없이 우리에게 에너지를 나눠주다가 50억년후엔 적색거성으로 진화할 것입니다. 태양이 적색거성이 되는 그 날엔 태양의 크기가 엄청나게 커져서 금성궤도의 크기만큼 커진다는 설도 들리고 있습니다. 이렇게 거대해진 태양의 모습은 계속 팽창하다가 점점 표면의 껍질처럼 벗겨져 나아질 것이고 태양의 내부는 핵융합반응이 멈추어버려 더이상 에너지를 만들지 못하게 될겁니다. 태양의 모습을 완벽하게 잃게되는 것이죠. 그때는 태양이라는 이름 대신성운으로 불리게 될 것입니다. 

  이렇게 태양이 본연의 모습을 잃게 되면 태양계의 모든 천체들도 태양에게 흡수되거나 태양 주위를 떠나게 되 결국 하나 둘 소멸되고 말 것입니다. 결국 태양은 별의 시체라 불리는 백색왜성이 되어 홀로 태양계에 남겨 지겠지요. 이 엄청난 일은 앞으로 50억년 후에 펼쳐질 먼 미래의 일입니다. 그때까지 태양은 우리에게 끊임없이 에너지를 선물해 줄 것입니다. 그러니 우리도 태양의 소중함을 잃지 말고 태양이 만들어내는 에너지를 아끼고 소중하게 사용하면서 오래오래 태양과 함께 이 우주를 지켜가야겠습니다.