안녕하세요.
오늘은 태양 이야기를 좀 하겠습니다.
태양은 표면부터 섭씨 6000도인 고온으로, 태양의 대부분을 이루고 있는 수소의 일부에서 핵과 전자가 분리될 수 있는 조건을 갖추고 있습니다. 이 상태를 플라즈마라고 하는데요, 플라즈마 상태에서는 전자들이 비교적 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 전자기 유도에 의해 자기장이 생기게 됩니다. 그리고 이러한 자기장이 국지적으로 강하게 나타나는 부분을 흑점이라고 부릅니다.
그러면 흑점은 왜 생기느냐? 아까 말씀드린대로 태양은 플라즈마의 형태라서 유체운동을 합니다. 태양은 약 한달에 한번씩 자전을 하는데, 신기하게도 적도의 자전주기가 극지방보다 짧습니다. 즉, 적도에 있는 플라즈마가 더 빨리 회전합니다. 그러면 원래 남북으로 놓여져 있던 태양의 자기장이 적도방향으로 계속 꼬이게 되고, 자기장의 밀도가 점점 높아져서 흑점이 생기기 쉬운 상태가 됩니다.
이 흑점들은 자기장 에너지가 응축된 상태이기 때문에 쉽게 불안정성을 띄게 되고 에너지를 방출하게 되는데 이 과정에서 온갖 폭발이나 질량 분출이 발생하게 됩니다. 에너지 방출이 다 끝나면 자기장은 재연결을 거쳐 다시 남북방향으로 정렬합니다. 그러면 흑점은 거의 사라지죠. 이러한 이벤트가 활발한 시점을 태양활동의 극대기라고 하고, 그 반대를 극소기라고 합니다. 이 싸이클이 대략 11년 입니다. 그리고 이 한 싸이클이 지나면 태양의 자기장은 남북이 바뀝니다.
아래 그림은 지난 400년간 관측된 흑점의 분포를 보여주고 있습니다. 11년 주기로 진동하는 것을 볼 수 있습니다.
그런데 이런 11년 주기 말고도 태양활동은 장기적인 트렌트를 보입니다. 보시다시피 1600년대에는 활동이 매우 저조했음을 알 수 있습니다. 왜인지는 정확히 알려져 있지 않습니다. 그러나 대략 250내지 500년 주기로 이러한 패턴이 있는 것으로 알려져 있습니다. (*250년 주기설, 혹은 500년 주기설은 아직 주류에서 정설로 확립된 건 아닙니다. 오해 없으시길 바라겠습니다.)
태양이 지구에 미치는 영향이 절대적인지라, 이러한 태양활동의 변화가 지구환경에도 영향을 미칠 수 있습니다. 태양의 활동이 활발한 극대기를 가정하면, 태양에서부터 강한 자기장이 주변으로 더 많이 뻗습니다. 아래 일식 사진에서 보시는 코로나의 모양이 자기력선의 형태를 보여줍니다. 강한 자기장이 태양계를 덮으면, 우주에서 날아드는 우주선을 자기장에 가둘 수 있습니다.
이 우주선 중에 일부가 지구대기와 반응하면 구름 생성을 트리거 할 수 있습니다. 만일 우주선이 지구에 많이 도달하면 더 많은 구름이 생기겠고, 구름이 많으면 태양빛을 더 반사하므로 지구의 온도는 내려갈 것입니다.
즉 태양활동이 활발하면 (즉 흑점이 많으면) 지구기온이 상승, 약해지면 기온이 감소합니다.
아까 위에서 보신 400년의 태양활동 기록과 아래 지구의 온도 그래프를 한 번 비교해 보시겠습니다.
우연히도 1600년대 태양활동이 바닥을 치는 시점과 소빙하기가 일치합니다. 이때 즈음에 역사적으로 의미있는 사건들이 많이 일어나는데 이 때 즈음하여 발생한 기근이 간접적인 원인이라고 추정됩니다.
그렇다면 250년 혹은 500년 주기라는 태양활동의 다음 바닥지점은 언제가 될 것인가? 2000년대에 들어서면서 태양의 활동이 급격히 줄어들고 있음이 관측되고 있습니다. 2020년 현재 11년 주기의 극소기를 지나가고 있습니다만, 이를 감안해도 태양이 너무나 조용합니다. 아래 사진은 오늘자 흑점없는 태양 표면입니다.
"세종남극기지에서 주변 바다 바닥의 토양샘플을 채취했는데 놀랍게도 해당 샘플들이 소빙하기 때마다 빙하의 이동으로 육지에서 쓸려나간 썩은 식물위주의 흙이란 것이 밝혀졌다. 그리고 이 샘플들은 약 500년 주기마다 층층이 쌓였는데 만약 소빙하기가 500년 주기로 발생한다면 다음 소빙하기는 2021~2030년에 발생한다는 매우 섬뜩한 예측이 나온다."
https://namu.wiki/w/%EC%86%8C%EB%B9%99%ED%95%98%EA%B8%B0
만일 지금이 소빙하기에 접어들고 있는 시점이라면 최근의 지구온난화는 어떻게 설명할 것인가? 앞에 말씀드린 대로 지구의 온도는 태양활동과도 상관관계가 있어서 십여년 전까지만 해도 과학자들은 이 기온상승이 태양활동 때문인지 인간활동 때문인지 결론을 내지 못하고 있었습니다. 때마침 지구온도가 올라갈 때쯤 태양활동도 같은 방향을 암시하고 있었기 때문입니다.
만일 이게 사실이라면, 지금 소빙하기에 접어들어야 할 시점에 오히려 역사적으로 더운 날씨를 경험하는 아이러니가 일어나고 있는 것입니다.
자연을 해친 결과는.. 더 큰 재앙으로 다가오지 않을까 싶네요..
속도가 너무 가파르네요.
오늘도 흥미로운 이야기 감사합니다. 지표에서 멀찍이 떨어진 대기에서 일어나는 일들은 그냥 받아들이는 입장에서, 관련수업들을때 11년주기가 있고 계속 변해왔다는 것을 간략하게만 들었지, 지구의 밖의 태양이 크게 변할거라는 생각은 거의 못해봤습니다.
몇가지 궁금한게 생겼는데요, 기후모형에서 위에서 말씀하신 것 같은 태양의 활동주기를 고려할까요? RCP2.6, RCP8.5과 같은 시나리오가 태양의 활동이 강해지거나 약해지는 효과를 간접적으로 반영할 수 있는건지, 아니면 다른 방식으로(막 생각하기에는, 태양으로부터 오는 복사에너지 양이 커지고 작아지는 것을 추가적인 변량으로 표현?)해야하는 건지 궁금합니다!
1600년대에도 관측이 되었다는 점에 놀랍니다... 소빙하기에 들어가야하는데, 인간의 활동으로 기온이 올라갔다는 말씀인가요? 정말 섬뜩합니다
갈릴레오가 망원경을 발명한 게 1600년대 초반입니다. 이 때부터 흑점관측이 본격적으로 됩니다.
와 감사합니다 잘 읽었어요. 직접 관련없는 얘기지만 19세기에 경기 변동이 sunspot에 영향을 받는다는 경제 이론(?)도 있었다고 해요. 이걸 반쯤은 우스개로 차용해서, 전혀 경제에 직접적인 영향이 없는 변수도 충분히 많은 사람들이 영향을 주는 것처럼 생각한다면 결과적으로 경기 변동에 중요한 요소가 될 수 있다는 sunspot equilibria라는게 있죠.
그런 주장도 본 것 같습니다. 경제위기의 주기와 비슷하다는..
와. 감사해요. 이 시리즈 정말 좋아요.ㅎㅎ
나중에 시간 나시면 최근의 태양 탐사섬에 대한 이야기도 들려주실 수 있을까요? ( '-')
흥미로운 글 감사합니다. 이렇게 오랫동아 축적된 자료들을 그래프로 볼때마다 궁금한게 400년이아닌 1000년, 4000년을 두고 패턴을 보면 과연 어떤 그래프가 그려질까 궁금합니다. 아마 우리가 모두 죽고나서 600년동안 기록이 계속 축적될때까지 기다려야겠죠 ㅠ
저도 궁금합니다. 결국 장기적인 패턴을 보려면 일관된 방식으로 관측하는 게 도움이 되죠. 그래서 Mt. Wilson 천문대에서는 아직도 백여년전과 같은 망원경을 이용해 손으로 흑점을 그린다고 합니다.
좋은 글 감사드립니다. 저 예전부터 궁금한게 하나 있었는데, 묻어가는 질문한 번 해 볼께요.. 왜 자전이 다 반시계방향인가요? 태양이 그렇게 도니까 행성도 그방향으로 공전한다 쳐도.. 그럼 시계방향으로 도는 행성계도 있을까요? 뭔가 우주 은하 그림이나 사진들을 보면 항상 반시계로 돌아가는 것 같아서요.. 저는 물리를 못해서 포기했지만, 정말 천체물리학하시는 분들 존경해요.
태양계가 생성될 때 물질이 점점 모이면서 각의 모멘텀이 한 방향으로 결정된 것으로 보입니다. 그 중에 국지적으로 질량 밀도가 높은 곳에 행성이 생성되었겠죠. 결국 태양계는 동일하게 형성된 시스템이라는 뜻이 되겠습니다. 만일 행성이 태양계 생성 후 외부에서 포획된다면 다른 방향으로 공전할 가능성도 있습니다. 더 큰 스케일에서 보면 태양계는 2천억개의 별이 모인 우리은하 속에 있습니다. 그리고 우리 은하도 어느 한 방향으로 자전하고 있죠. 그것또한 은하에 물질이 모이면서 하나의 각 모멘텀이 형성된 것으로 볼 수 있겠습니다. 태양계의 회전축과 우리 은하의 그것은 거의 60도 기울어져 있어서 크게 상관관계가 없고, 우리은하를 제외한 다른 은하들의 회전방향도 거의 랜덤이라고 합니다.
그림까지 넣어서 설명해 주셔서 감사합니다. 결국 랜덤으로 생성되는 것이었군요. 오른쪽 자전이 자연스러운데 아닐 수도 있다니.. 우리는 정말 우물안 개구리 같네요!
신기하네용...재밌게 읽었습니다!
감사합니다.
이런 이야기 좋습니다 'ㅁ')/
그나저나 정말 최근 몇십년 사이에 기후가 좀 많이 변한건 사실이지요. 장마도 심해지고, 각종 재해도 심해지고요. 제가 알기로 태풍이나 비 등으로 지구 전체의 온도 격차를 제어하는 것으로 아는데, 그런 점에서 보면 지구 온난화가 맞다고 봅니다.
우주선이 구름을 만드는 데 일조를 한다라...
잠깐 생각해봤는데, 그 우주선이 어떤 종류일까요...?
지구에 들어오는 태양복사열을 반사시켜 지구 온도를 낮추는 역할을 하는 것은 주로 고층 구름입니다. 그런데 고층 구름 위에 성층권이 있죠. 그래서 자외선보다 짧은 파장의 광선은 거의 다 막히고, 전하를 띈 입자도 지구 자기장 때문에 못들어옵니다. 그래서 무언가 어떤 종류의 우주선이 지구 대기권으로 '조금(?)' 더 들어온다고 했을 때 과연 증가하는 구름의 양은 어느정도일 것인가, (다른 조건이 같다는 가정 하에) 지구 복사 평형에 영향을 줄 만큼 유의미할까... 등을 생각해보면 쉽지 않을 것 같습니다. (태양 복사 에너지 자체가 줄었을 가능성은 없나요? ^^)
얼마 안되지만 우주선은 지표까지 도달할 수 있습니다. 물론 태양활동에 따른 구름 생성의 차이는 수치로는 크지 않습니다. 달리 말하면 그만큼 지구 시스템이 작은 변화에 예민하다는 뜻일지도요.
물론 지구 시스템이 예민합니다. 하지만 예민하다는 말 자체가 상대적인 개념이라 여기서 이를 논하기는 적절치 않아 보이구요. 소빙하기의 발생 원인과 관련해서는 (위의 댓글과 같은 이유로) 우주선의 영향은 마이너한 또는 부차적인 영향일 것 같고, 다른 주요 원인이 있지 않을까 싶네요. 혹시 모르죠. 태양 자기장에 반응해서 지구 자기장도 약해졌다면 또 모를까... 자기장은 제 전공이 아니라서 ㅎㅎ
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위처럼 댓글을 마무리하려다가, 그래도 좀 찾아보자 싶어서 구글님께 좀 여쭤봤습니다.
먼저 "cosmic ray trigger cloud"를 검색했더니 CERN이 가장 먼저 뜨네요.
https://home.cern/science/experiments/cloud
여기서 cloud는 구름이 아니라 "Cosmics Leaving Outdoor Droplets"의 약자네요 ㅎㅎ
여기서 링크타고 2014년에 무려 Science에 발표된 논문이 나오는데, https://science.sciencemag.org/content/344/6185/717.full
제목: Oxidation Products of Biogenic Emissions Contribute to Nucleation of Atmospheric Particles
그러니까 이 논문은 숲에서 나오는 물질이 우주선을 맞고 구름씨앗이 된다라는 내용이네요.
그리고 제가 잘 모르니 "galactic cosmic rays"도 검색해서 여기로 가봤어요: https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/galactic-cosmic-rays
이 사이트에서 알게된 것은, 우주선은 기본적으로 이온화된 플라즈마 상태이고, 에너지가 높아서 입자 하나가 대기 상층에서 내려오면서 기존의 분자들과 반응하여 다양한 파생효과를 나타내며, 기본적으로 적도지역에선 지구 자기장에 막히지만 55도 이상되는 고위도지역에선 지구에 충분히 영향을 줄 수 있다라고 하네요.
이를 종합해보면, 우주선으로 인해 구름 씨앗이 의미있게 생기는 지역은 중위도보다도 약간 더 높은 고위도 지역의 숲 지역이 되겠고, 지표상에서 늘어난 구름 씨앗이 그것도 중/고위도 지역의 씨앗이 과연 어디로 가서 어떤 구름이 되는 지, 그래서 지구의 에너지 균형에 어떻게 영향을 미칠 지 아직 불확실성이 너무 큽니다. (위에서 얘기했지만 구름은 어느 고도에서 어떤 두께로 존재하느냐에 따라 태양복사와 지구복사에 반응하는 게 달라 그 영향이 천차만별입니다)
혹시 몰라 "cosmic ray ice age"도 검색해봤는데, "
" (https://physicsworld.com/a/did-cosmic-rays-cause-ice-ages/) 여기를 가보니 이건 좀 오래된 글이긴 한데 (2004년 반면 위 논문은 2014년), 문장 2개가 특히 제 눈에 띕니다.
By challenging the established insolation theory of glacial cycles, the physicists are sure to encounter opposition from the geophysics community : 즉, 지구과학 쪽에서는 반발이 있다는 뜻이네요 ㅎㅎ
One is an orbital modulation of the geodynamo that would results in changes in the strength and direction of the Earth’s magnetic field. : 역시 지구 자기장에 유의미한 변화가 없으면 효과가 미미한게 아닐까하는 제 생각과 같네요.
역시 이것저것 찾아봐도 우주선이 소빙하기를 이끌었다고 결론내기에는 아직 모르는게 너무 많습니다.
우주선과 지구온도와의 인과관계가 명확하게 밝혀진게 아니라는 점에는 동의합니다. 다만 이 둘 사이의 correlation은 상당하다고 여겨집니다. 우주선의 증가가 딱히 고위도지방에서만 나타나는 것으로 보이지는 않구요, 우주선으로부터 생성되는 구름은 대부분 저층대기에 위치해서 지구를 냉각시키는 데 기여한다고 합니다. 아래 아티클을 한 번 참고해 보시면 좋을 것 같습니다.
태양 활동과 지구 자기장은 태양 폭발과 같은 short term에서는 상관관계가 있는데, 11년 주기와 같은 long term effect는 저도 잘 모르겠네요.
한 가지 잘못된 게 있는데 태양 복사를 반사시켜서 지구의 온도를 낮추는 역할은 대기의 저층에 있는 구름들이 담당하고 대류권 상층에 있는 얇은 구름들은 오히려 온실효과에 기여합니다.
좋은글 감사합니다.. 재미있게 읽었습니다..
지금 지구 온도가 역대 최고라니, 몰랐어요.. ㅠㅠ
수십년만의 최고기온이라는 이야기를 들은 것 같습니다.
태양활동의 영향은 성층권이나 중간권에서 두드러지게 나타납니다. 여러가지 관측자료가 있고 관련연구도 활발하지요. 현재 대류권과 지표면의 온난화는 인간들이 배출한 온실기체 때문이지 태양에서 날아오는 복사 에너지가 증가했기 때문이 아니죠. 태양복사 에너지가 증가한 게 온난화의 원인이라면 대류권 성층권 중간권이 모두 더워져야 하는데 관측자료를 분석하면 대류권만 더워지고 성층권이랑 중간권은 계속 냉각되고 있거든요. 대기중의 온실기체가 늘어나면 적외선 복사방출도 증가하는데 성층권과 중간권에서 지구 바깥쪽으로 방출한 적외선 복사 에너지는 위쪽에서 흡수되서 재방출되는 비율이 낮습니다. 그래서 온실기체가 증가해도 성층권과 중간권의 기온은 내랴갑니다. 반면 대류권에선 증가한 온실기체 (e.g., 이산화탄소, 메탄, 수증기)들이 마치 이불을 덮어놓은 듯한 효과를 보여주면서 데워지는 거죠. 상층에 있는 얇은 구름들도 온실기체와 비슷한 역할을 합니다.
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