태양풍
1. 개요
太陽風, Solar Wind
'''태양풍'''은 태양의 강력한 자기장에 의해[2] 태양의 대기층에서 이온 입자들이 플라즈마 형태로 고속으로 방출되는 현상으로, 이것이 마치 지구에서의 바람과 같다하여, 태양'''풍'''(Solar '''Wind''')이라고 부른다.
2. 상세
수소가 이온화된 형태이기 때문에 그 성분은 양성자와 전자로 구성되어있으며, 속도는 약 초속 400km 정도이다.[3] 파커 태양 탐사선의 조사에 따르면 태양과 가까운 곳에 위치한 태양풍 입자는 자기장이 갑자기 휙 바뀌어버리는 '스위치백(switchback)'이라는 현상이 발생한다고 한다, 이 현상은 수성의 공전 궤도 바깥에서부터는 관찰되지 않으며, 그 원인조차 아직까지는 불분명한 상태라고 한다.[4]
3. 지구에 미치는 영향
3.1. 지구자기장
지구는 자체적인 지구자기장을 가지고 있어서 태양풍의 영향으로부터 보호받고 있다. 극지방의 오로라는 지구자기장에 의해 태양풍 입자가 산란하면서 발생한다. 태양풍 입자가 지구자기장에 잡혀 극지방으로 끌려가고, 이것이 지구 대기와 상호작용하는 과정에서 빛이 발생하여 오로라 현상을 일으키는 것이다.
태양풍으로 인해 지구자기장이 일시적으로 불안정해지거나 뒤틀릴 수 있는데 이를 자기폭풍(磁氣暴風, Magnetic Storm) 현상이라고 부른다. 자기폭풍이 발생하면 지구자기장을 이용하는 전자기기들이 교란되고 순간적으로 지상의 금속 물체에 유도전류가 흐를 수 있는 등 위험한 현상이 발생한다.
또한 혜성의 꼬리가 발생하는 원인이기도 한데, 혜성이 태양풍의 열과 압력에 녹아내리면서 벗겨지고 날아가버리는 게 꼬리이다. 이 때문에 혜성의 꼬리는 자신의 진행방향 반대가 아닌, 태양의 반대방향으로 생기는 것을 관찰할 수 있다.
3.2. 태양폭풍
플레어가 발생하거나 하면 평소와는 다르게 대규모의 태양풍이 발생하기도 하는데 이를 태양폭풍(太陽暴風, Solar storm)이라고 부른다. 강력한 자기장과 방사능을 수반하기에 지구 자기권에 영향을 주어 자기 폭풍과 전리층의 요란을 일으키게 된다. 이는 EMP 효과를 발생시켜 전자기기가 먹통이 되며, 심각할 경우 국지적인 정전을 일으킬 수도 있다.
태양폭풍으로 인한 피해는 일반인들에게는 잠깐 불편하고 마는 수준으로 넘어갈 수도 있지만 정밀한 기기를 다루는 연구진들이나 전자기기에 의존해야하는 원양어선, 우주공간에서 활동하는 인공위성이나 우주인들에게는 그야말로 재앙과도 같은 일이다. 그나마 다행이라면 기술이 발전하면서 태양폭풍의 발생 가능성을 어느정도 예측이 가능해졌기 때문에 태양폭풍이 발생할 거 같으면 그에 대한 대처를 할 수 있게 되었다는 점 정도.[5] 1989년 대규모 태양 폭풍에 직격당한 캐나다 퀘벡 지역의 전기망이 모조리 마비된적이 있다. 태양폭풍은 27일~54일 주기로 매우 강하게 발생하며 이것을 '델린저 현상'이라고 한다.
만약 엄청난 규모의 슈퍼플레어가 발생해서 그로 인한 태양폭풍이 지구에 직격한다면 인류 문명에는 재앙에 가까운 타격이 발생할 수 있다. 다만 슈퍼플레어는 현재까지 관측된 적이 없으며 인류가 멸망할 정도로 피해를 입으려면 방사되는 태양폭풍 궤도의 한 가운데에 있어야하는 천문학적인 확률이기 때문에 그다지 위험성은 없는 편. 2012년에 1800년대 이래 가장 강력한 플레어가 발생했는데, 다행히 지구의 이동 궤도보다 2주 빨리 발생해 직격당하지는 않았다.
4. 다른 별들의 항성풍
태양이 항성이므로, 태양풍은 항성풍의 일종이다. 항성풍은 태양과 같은 항성이 주변으로 입자를 뿜어내는 것을 말하며, 뜨거운 별일수록 기하급수적으로 그 파워가 강해진다. 예를 들어 O형 초거성 나오스 같은 경우 항성풍의 세기가 태양의 백만 배 수준이다. 이 정도면 지구 대기 정도는 가볍게 벗겨진다. 젊은 별들 중에 태양풍의 세기가 제일 강력한 항성은 리겔인데, 만약 태양 대신 리겔을 태양계에 앉혀두면 엄청난 항성풍으로 인해 지구의 대기를 날려버리고 지표면을 난장판으로 만들어버린다.
의외로 거대한 A형 주계열성들의 항성풍은 그렇게 강력하지 않은데, 이는 해당 항성들이 대류층이 형성되어있지 않아 다이나모 현상에 따른 자기장이 발생하지 않기 때문이다.
현재 천문학계에선 태양풍, 혹은 항성풍이 미치는 최대범위를 항성계의 경계라고 정의하고 있다. 명왕성이나 카이퍼 벨트도 이 기준에선 태양 주변에 불과하다.
이 항성풍의 압력을 이용해서 일렉트릭 세일이라는 추진방식이 구상되어있다. 금속 와이어에 만든 전기장을 돛으로 삼아 추진력을 얻는 방식으로, 유사품으로는 범선처럼 거대한 돛으로 복사압(바람이나 태양풍 입자 대신 광자라고 생각하면 됨)을 받아 나아가는 솔라 세일이 있다.
5. 테라포밍에 미치는 영향
화성의 테라포밍이 어려운 이유가 태양풍 때문이라는 이야기가 있는데, 결론부터 말하자면 맞는 이야기다. 허나 화성에 지구처럼 강한 행성 자기장이 있다면 태양풍 때문에 테라포밍이 지장을 받지는 않는다. 이를 이해하기 위해서는 우선 지구가 태양풍으로부터 어떻게 보호받고 있는지 이해해야 한다.
지구는 지구자기장이라는 자기장으로 둘러싸여 있으며, 이 자기장은 태양풍에 포함된 고에너지 입자를 붙들어 지구의 오존층을 보호한다. 오존층은 태양광 중의 자외선을 대부분 차단해 지구 표면에 강한 자외선이 내리쬐는 것을 막아준다. 오존층이 파괴된 지역(호주 등)에서 자외선으로 인해 피부암 발생률이 급증한다는 등의 이야기를 들어본 적이 있을 것이다.
자외선은 강한 살균력을 갖고 있어, 오존층이 전혀 없다면 지구 표토에 존재하는 미생물과 해수 상층에 존재하는 플랑크톤은 자외선 살균으로 인해 전멸한다. 이러한 미생물들은 먹이사슬의 가장 아래에 존재하는 중요 생물군(biome)이며, 이들이 사멸할 경우 먹이사슬 전체가 붕괴하며 지구 생태계는 끝장난다.
화성에 테라포밍을 한다는 것은 화성에 에어록이 달린 기밀 돔을 건설하고 그 속에 산다는 의미가 아니다. 테라포밍이란 단어는 “지구처럼 만든다”는 뜻이며, 생태계를 밑바닥부터 구축하고 인간이 맨몸으로 살 수 있는, 즉 산소가 포함된 대기를 만들어낸다는 의미이다.
이를 위해서는 광합성을 하는 생물들을 가져가 대규모로 번식시켜, 거기서 발생하는 산소를 화성 대기 중에 퍼뜨려야 한다. 광합성 생물이라 하면 우리는 나무나 풀 같은 식물을 먼저 떠올리지만, 지구의 산소는 대부분 해수에 존재하는 식물성 플랑크톤이 만들어낸다. 이런 광합성 미생물을 화성의 표면에 널리 번식시키는 것이 화성 테라포밍의 첫 단계이다.
그런데 화성에는 오존층이 없다. 물론 이는 화성 대기 중에 산소가 별로 없어 대기 상층에서 오존을 형성하지 못하기 때문이기도 하지만, 광합성 미생물을 퍼뜨려 산소를 만들어내더라도 오존층은 형성되지 않는다. 화성에는 행성 자기장이 없기 때문에, 오존층이 생겨나려고 해도 오존이 태양풍의 고에너지 입자에게 파괴당해 다시 산소로 돌아가기 때문이다.
즉 행성 자기장이 없다 -> 오존층도 없다 -> 태양광 내 자외선이 화성 표토의 미생물을 전멸시킨다 -> 테라포밍 실패의 순서를 밟는 것이다. 결국 앞서 말한 대로 태양풍이 화성 대기를 날려버리기 때문에 테라포밍이 불가능한 것이다.
이렇듯 화성이 지구와 다르게 자기장이 미약하고 중력도 약해서 대기를 지구처럼 만든다 해도 태양풍에 의해 날아간다는 것은 사실이다. 실제로 화성의 대기는 과거에는 훨씬 두꺼웠지만 화성의 자기장이 거의 사라진 뒤로 대부분 날아가고 화성의 약한 중력으로도 붙잡을 수 있는 정도로만 유지되고 있는 상황이며, 태양풍의 영향으로 인해 지속적으로 점차 얇아지고 있다.
이 때문에 화성의 테라포밍을 위해서는 대기가 태양풍에 날아가지 않도록 인공적으로 자기장을 형성시켜 주어야 한다는 지적이 있기도 하고, 더불어 굳이 테라포밍 때문만이 아니더라도 화성에서 인류가 자유로운 유인탐사를 하기 위해서는 태양풍을 비롯한 각종 우주방사선에 대한 대책이 필요해진다. 그런 이유 때문에 실제로도 자기장 발생기를 탑재한 인공위성을 화성의 L1 라그랑주점에 띄워서 화성에 인공적인 자기장을 씌운다는 아이디어가 제시되고 있다.[6] 이는 단순히 화성의 대기를 태양풍으로부터 보호하기 위해서만이 아니라 더 나아가서는 화성의 지표면에서 활동할 우주비행사들을 우주방사선으로부터 보호하기 위함이기도 하다.
[1] 쿠르츠게작트의 영상.[2] 태양계의 행성 중 가장 강력한 목성의 자기장조차도 비교가 불가능한 수준으로 태양계 전체에 걸쳐져있다.[3] 느린 태양풍과 빠른 태양풍으로 구분하며 느린 태양풍은 250km/s~400km/s의 속도, 빠른 태양풍은 400km/s~800km/s의 속도다. #[4] #[5] 전자기기를 보호하기 위해 차폐막을 두르거나 우주선 안으로 피신해서 태양폭풍이 지나가기를 기다리는 등의 조치를 취한다.[6] 이 아이디어를 제시한 것은 NASA인데, NASA의 설명에 따르면 화성에 인공적인 자기장을 씌워 주게 되면 계속 얇아지고 있는 화성의 대기를 보존하는 데에 도움이 될 수 있고 화성의 기온을 높이는 데에도 어느 정도 도움이 될 것이라고 한다. 물론 가장 큰 이득은 화성을 탐사하는 우주비행사들을 우주방사선으로부터 보호할 수 있다는 것이다.