[알쏭달쏭+] 북극과 남극의 오로라는 왜 모양과 색이 다를까?

북극과 남극의 오로라는 왜 모양과 색이 다를까?

지구의 극지방에서 볼 수 있는 오로라는 초록이나 붉은빛의 띠가 하늘에 펼쳐지는 환상적인 우주쇼로, 오래전부터 많은 사람을 매료해 왔다. 이런 천문 현상은 북극권과 남극권에서 비슷한 발광 패턴을 갖지만 관측되는 빛에는 차이가 있어 연구자들은 ‘북극과 남극의 오로라는 왜 모양과 색이 다를까?’라는 의문을 갖고 수수께끼를 풀기 위해 조사하고 있다.

지구에는 이른바 지자기로 불리는 자기장이 존재해 자석의 N극은 S극에 해당하는 북극을 가리킨다. 반대로 자석의 S극은 N극에 해당하는 남극을 향하는 것이다. 특히 지자기에서 발생하는 자력선은 남극권에서 북극권으로 지구의 대기를 뚫고 호를 그리며 존재한다. 지구의 자기장이 작용하는 범위를 지구 자기권이라고 하는데 일반적으로 지구 중심에서 지구 반지름의 10배 정도(고도 약 6만 ㎞)다.

이런 지구 자기권에는 태양에서 뿜어져 나오는 태양풍의 플라스마가 맞닿아 떨어지는 데 플라스마는 자기권을 쉽게 통과하지 못하고 자력선을 따라 이동한다. 플라스마는 자력선이 대기와 교차하는 극지방을 향해 가속하면서 나아가며 자력선을 따라가 마침내 지구의 대기에 부딪힌다. 그러면 플라스마가 대기의 원자와 분자에 충돌해 환상적인 빛의 띠를 생성한다. 바로 이것이 오로라의 원리로 여겨진다.

지구 자기권과 태양풍 플라스마의 관계를 나타낸 그림은 아래와 같다. 붉은 선은 지구 자력선이며 이 자력선을 따라 플라스마가 하강해 북극이나 남극 근처에서 대기와 충돌한다. 지구의 자력선은 외부에서 힘이 있어야 대조적인 모양을 갖지만 실제로는 태양이 지닌 강력한 자기장에 의해 자력선이 뒤틀리므로 태양 측(지구의 낮 쪽)이 짓눌린 타원 모양으로 태양과 반대 측(지구의 밤 쪽)이 오래 지연되고 있다.

오로라는 똑같은 자력선을 따라 하강한 플라스마가 남북에서 동시에 대기와 충돌하므로 북극권과 남극권에서 비슷한 색과 모양으로 나타나야 한다. 이렇게 같은 자력선으로 연결돼 있는 남북의 지점을 켤레점이라고 부르지만 켤레점이어도 어떤 이유에 의해 완전히 똑같은 모양의 오로라를 관측할 수는 없다.

연구자들은 남북의 오로라가 일치하지 않는 이유에 대해 지구 자기권에 있어서의 자기 재결합이 원인이 아닐까 생각하고 있었다. 지구 자기권의 자기 재결합은 변동하는 태양풍이 지구의 밤 쪽에 해당하는 자력선의 꼬리를 흔들어 지연시켜 자력선을 원래의 켤레점보다 지구에 가까운 곳에서 재결합시키는 것이다. 자기 재결합에 의해 자기권 꼬리에 쌓인 플라스마가 단번에 지구 측에 방출됨으로써 남북으로 비대칭한 위치에 색상과 모양도 다른 오로라가 만들어지는 모델이 기존의 것이었다.


그런데 노르웨이 베르겐대 연구팀은 이 자기 재결합에 의한 오로라의 변동 모델이 잘못된 것임을 발견했다.

‘지구물리학 연구 저널: 우주 물리학’(Journal of Geophysical Research: Space Physics) 최근호에 실린 연구논문에 따르면, 연구팀은 2001년부터 2005년까지 북반구와 남반구에서 동시에 관측된 오로라에 대해 우주에서 촬영한 사진을 분석했다. 이 관측 결과를 지구 자기권의 꼬리 부분에서 발생한 활동에 비춰보면 자기 재결합에 의해 오로라의 상태가 남북으로 변화하는 것이 아니라 오히려 자기 재결합의 발생과 함께 오로라의 대칭성이 더 커지는 것을 알 수 있었다고 한다.

연구를 이끈 니콜라이 외스트고르 베르겐대 교수는 “지구 자기권에서 자기 재결합은 사람들이 생각하고 있던 것과 반대의 효과를 가져온다”고 말했다. 그 대신 연구팀은 태양의 자기장이 지구 자기장을 남북에서 불균일하게 압박하고 남북에서 자력선의 왜곡이 발생함으로써 남북에서 오로라의 색상과 모양, 발생하는 위치가 변화하는 것을 발견했다. 자기 재결합은 이 왜곡(비대칭성)을 감소하는 효과를 가지고 있었다.

이에 대해 이번 연구에 참여하지는 않았지만 연구논문을 살핀 영국 임페리얼칼리지런던(ICL)의 행성과학자인 인고 뮐러-보다그 박사는 외스트고르 교수팀의 발견에 대해 기존 모델과 전혀 다른 점에서 “놀랍다”고 밝혔다.



사진=오로라(CC BY-SA 1.0)

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr