태양[Sun]

 

태양[Sun]

태양은 태양계에서 가장 특기할만 한 존재로서 태양계의 약 98%에 해당하는 질량을 차지하는 거대한 천체이다. 그 직경은 지구의 109배에 상당하고 부피는 130만배에 달한다. 관찰할 수 있는 가장 외층을 광구(photosphere)라 부르며 그 온도는 섭씨 6,000도 (화씨 11,000도)나 된다. 태양의 표면은 얼룩덜룩 하게 보이는데, 이는 여기저기서 에너지의 분출이 일어나기 때문이다. 태양 에너지는 태양의 깊숙한 곳에 있는 핵으로부터 생성된다. 이 곳에서는 온도(섭씨 15,000,000도; 화씨 27,000,000도) 와 압력(지구의 해수면 대기압의 3400억배)이 매우 높아 핵반응이 일어날 정도이다. 이 핵반응에서는 수소 원자핵의 양성자 4개가 융합하여 하나의 알파입자 혹은 헬륨 원자핵을 만들어 낸다. 알파입자는 4개의 양성자보다 약 0.7퍼센트 정도 더 가볍다. 이 결손 질량은 에너지로서 방출되고 대류(convection)에 의해 태양의 표면까지 운반된 다음 빛과 열로서 발산된다. 태양의 핵에서 생성된 에너지가 표면까지 도달하는데에는 100만년이 걸린다. 매초 7억톤의 수소가 헬륨의 재로 바뀐다. 이 과정에서 5백만 톤의 순수한 에너지가 방출된다. 그러므로 시간이 갈 수록 태양은 더욱 밝아진다.  방출된 에너지중 약20억분의1만이 지구에 도달한다. 지구로부터 태양까지의 거리는 약 1억5천만km로 태양빛이 지구에 도달하는데는 약8분20초 정도 걸린다. 채층(chromosphere)은 광구면(photosphere)의 위에 있다. 태양 에너지는 태양의 중심부로부터 나온 길을 따라 이 층을 통과한다. 백반(Faculae)과 플레어(Flare)가 채층에서 생긴다. 백반은 흑점이 생기려고 하는 부분의 위에서 만들어지는 밝게 빛나는 수소 구름이다. 플레어는 흑점 지대로부터 방출되는 뜨거운 개스의 밝은 필라멘트이다. 흑점은 광구면의 어두운 저기압 지대로서 온도는 보통 섭씨 4,000도(화씨 7,000도) 정도이다. 코로나는 태양 대기의 바깥층이다. 이 곳에서 홍염(prominences)이 나타난다. 홍염은 빛나는 개스로 된 거대한 구름으로 채층의 상부에서 분출된다. 코로나의 바깥 영역은 우주 공간으로 널리 펼쳐지는데 태양을 떠나 비교적 낮은 속도로 여행하는 작은 입자들로 이루어 진다. 코로나는 개기 일식일 때에만 볼 수 있다. 태양은 46억년 동안 활동해온 것으로 보이며 50억년은 더 태울 연료가 남아있다. 말기의 태양은 헬륨을 더욱 무거운 원소로 융합하는 반응이 일어나고 부풀어 오르는데, 지구를 삼킬 정도까지 극도로 커진다. 그 후 10억년은 적색거성(red giant)으로 생활하며, 이내 갑자기 수축하여 백색왜성(white dwarf) 이 된다 -- 우리의 태양과 같은 별의 종말은 이와 같다. 완전히 식으려면 아마 1조년 정도의 시간이 걸릴 것이다.

소개(Introduction) 특징 신화와 전설 진화 태양면현상 대기 탐사 사진

 

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특   징

질량 Mass(kg) 1.989e+30 질량(지구 = 1) 332,830 적도반경 Equatorial radius(km) 695,000 적도반경(지구 = 1) 108.97 평균밀도 Mean density(gm/cm^3)  1.410 자전주기 Rotational period (days)  25-36* 탈출속도 Escape velocity(km/sec)  618.02 광도 Luminosity(ergs/sec)  3.827e33 밝기 등급 Magnitude(Vo)  -26.8 평균표면온도 Mean surface temperature(°C)  6,000 나이(10억년)  4.5

화학구성(Principal chemistry) 수소(Hydrogen)  92.1% 헬륨(Helium)  7.8% 산소(Oxygen)  0.061% 탄소(Carbon)  0.030% 질소(Nitrogen)  0.0084% 네온(Neon)  0.0076% 철(Iron)  0.0037% 규소(Silicon)  0.0031% 마그네슘(Magnesium)  0.0024% 황(Sulfur)  0.0015% 기타(All others)  0.0015%

 

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신화와 전설

태양은 인간생활에 가장 밀접한 관계가 있다. 태양이 떠 올라야 인간은 물체를 볼 수 있고 태양이 제공하는 따뜻함으로 농작물이 생장하므로 생사를 좌우하는 중요한 존재이다. 그러므로 옛부터 태양은 숭배의 대상이었으며, 더욱이 그 존재와 운행은 누구나 직접 관찰할 수 있으므로 태양에 관한 신화나 신앙등이 여러 민족에게서 찾아 볼 수 있다. 낮에는 태양을 볼 수 있고 밤에는 달이 가장 밝으므로 태양과 달을 관련지은 신화가 많다. 미국 중앙 캘리포니아에 있는 인디언 전설에는 태초에 어둠 속에서 격렬하게 충돌한 매와 코요테가 2개의 구슬을 만들고, 매가 2개의 구슬을 가지고 하늘로 날아올라 부싯돌로 불을 붙여 그것이 태양과 달이 되었다고 한다. 대부분의 문화에서는 태양과 달을 인격화하여 태양은 남성을, 달은 태양의 아내로 인식하였다. 이런 종류의 신화는 지중해, 아프리카, 남아시아, 태평양제도 등의 적도 지방에서 찾아 볼 수 있다. 케냐의 마사이족 신화에서는 남성인 태양이 여성인 달과 결혼하였는데, 어느날 둘은 부부싸움을 하여 크게 다치고 말았다. 태양은 자신의 상처를 수치스럽게 여겨 사람들이 보지 못하도록 눈부시게 빛나게 되었으나, 달은 이를 부끄러워하지 않아 달의 표면을 보면 입이 상처를 입고 한쪽 눈은 없어진 채로 보인다고 한다. 안개속에서 태양을 보면 가끔 흑점이 보이기도 하는데 달보다는 상처가 깊어 보이지 않는다. 이와는 반대로 달을 남성으로, 태양을 달의 여동생으로 보는 민족도 있다. 한국을 포함하여 유라시아, 북아메리카에 이런 신화가 남아있으며 지중해, 인도, 태평양 지역에서도 이렇게 해석한 것으로 보인다. 에스키모나 북아메리카의 체로키족 신화에 이런 신화가 남아 있으며, 고대의 페니키아, 남아라비아, 히타이트에서 태양은 여신이었다. 태양을 새로 생각한 민족도 많이 있다. 중국에서는 3발 달린 까마귀(삼족오)가 태양 속에 있다고 여겼으며 다른 아시아 지역과 북아메리카에서도 까마귀가 등장한다. 인도네시아, 한국, 중국, 일본, 몽골, 북아메리카 인디언이 포함되는 환태평양 지역의 신화에는 처음에는 많은 태양이 있었으나, 뜨거운 열과 계속되는 낮으로 고통받게 되자 활로 쏘아 한 개의 태양만 남겨 놓았다고 한다. 그리스, 바빌로니아, 인도 등 인도-유럽 어족 계통의 민족은 태양이 마차를 타고 하늘을 난다고 생각했다. 그리스의 태양신 아폴론은 하루에 한번씩 태양 마차를 타고 하늘을 난다고 여겼으며 인도의 태양신도 수레바퀴로 보고 있다. 태양과 달이 서로 쫓아다닌다는 전설도 있다. 멕시코에서는 달이 언제나 태양을 쫓아다니고 있으며 영원히 따라잡을 수 없다고 한다. 반대로 파타고니아의 오나스족 신화에서는 여성인 달이 남성사회의 비밀을 알아내자 남성인 태양이 달을 추적하였고, 하늘에 올라가서도 계속 추적하고 있다고 한다. 남아프리카의 한 부족 전설에서는 달이 이지러지는 것은 언제나 태양에게 추적당하여 지쳤기 때문이라고 한다. 태양은 옛날에는 더 빨리 운행하고 있었으나 영웅이 그 속도를 늦추었다는 신화가 폴리네시아에서 북아메리카에 걸쳐 분포하고 있다. 뉴질랜드 마오리족의 영웅 마우이는 태양과 싸워 태양의 발에 상처를 입혔기 때문에 그 후로 태양은 천천히 운행한다고 한다. 사모아에서는 태양의 아이를 갖게 된 여성이 태양을 덩굴에 걸려 넘어지게 하고, 다른 여성이 올가미로 태양을 붙들어 천천히 운행하게 했다고 한다. 태양숭배사상은 세계 여러곳에서 볼 수 있다. 이집트에서 절대권력을 휘두르던 파라오는 태양신 라(Ra)의 아들로, 그 문장(汶章)에는 매나 날개 달린 사자가 그려져 있다. 고대 오리엔트에서는 매, 독수리, 사자 등이 태양을 상징하는 동물로서 숭배의 대상이었다. 잉카제국에서도 태양숭배 사상이 있었다. 왕은 태양의 아들로 숭배되었으며 정복한 여러 민족에게도 태양숭배를 강요하였다. 잉카제국의 곳곳에 태양신을 모신 신전이 건설되었고 수도 쿠스코의 태양신전에는 태양을 상징하는 거대한 황금원반이 있었다. 태양의 아들인 잉카왕은 태양으로부터 휴식을 위해 초대될 뿐이고, 절대 죽지 않는다고 믿었다. 이런 태양숭배를 통하여 강력한 왕권을 유지할 수 있었다.

 

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태양의 진화

기원 태양은 지금으로부터 약 46억년 전에 만들어졌다. 은하계 어느 부분에서 초신성의 폭발로 인한 충격파가 성간운을 수축하게 하였다. 성간운은 수축하면서 회전하기 시작하였다. 원심력의 작용으로 얇은 원반모양으로 변하고 얼마 후 태양계로 발전하게 되었다. 회전 원반의 중심부에서는 밀도가 높은 가스가 수축하여 중력에너지가 열에너지로 바뀌고 중심부의 온도는 점점 올라간다. 밀도가 낮을 때는 열이 달아나지만 밀도가 높아지면 중심부에 열이 모이고, 천만도의 고온이 되면 수소 원자핵이 서로 충돌하여 핵융합반응이 시작된다. 그래서, 스스로 빛을 내게 되면 중심부의 압력이 올라가 수축이 정지되어 마침내 주계열성이 된다. 소멸 앞으로 15억년 뒤, 태양은 전체적으로 밝아져 지구의 북극, 남극의 얼음이 녹아 해수면이 수 십m 상승하게 된다. 그리고, 앞으로 50억년 뒤에는 중심핵이 거의 헬륨으로 바뀌어 중심부에서 바깥쪽의 수소가 핵융합반응을 하면서 전체적으로 팽창하게 된다. 밝기는 현재의 500배가 되고, 반지름은 100배나 커져 수성의 궤도까지 팽창한다. 그러나, 표면온도는 4000도로 내려가 적색거성이 되며, 지구는 거대한 태양의 열로 모든 것이 타 버리는 종말을 맞이하게 된다. 헬륨으로 된 중심핵은 중력으로 수축되고, 그 결과 온도는 1억도 까지 상승한다. 그러면, 헬륨도 핵융합반응을 하게 되어 폭발적으로 타기 시작한다. 그 결과 태양 가스의 일부가 우주공간으로 방출된다. 헬륨이 다 타 버리면 다음 원소가 타는 과정을 반복하면서 다량의 가스를 방출하여 행성상 성운이 되고 중심부는 백색왜성이 된다. 거문고자리의 행성상 성운인 고리성운. 태양도 50억년 후 행성상 성운이 된다.

 

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태양면 현상

10년 이전에는 태양은 티없이 완전히 빛나는 공이라고 믿어왔다. 이 해 갈릴레이는 태양 표면에 흑점을 발견하였다. 흑점은 광구에 나타나는 현상으로 그 둘레의 광구면보다 온도가 낮아서 검게 보인다. 작은 흑점은 지름이 약 1500km로서 망원경으로 볼 수 있고, 십여 만 km에 이르는 큰 것은 육안으로 관측할 수 있다. 수명은 짧은 것은 1일 이하이고 긴 것은 모양이 변하면서 수개월 동안 지속된다. 흑점이 나타나는 구역은 태양의 자전과 관련이 있는데, 태양의 적도로부터 남북 45°의 위도범위에 한정된다. 흑점의 이동으로 태양의 자전 주기를 구할 수 있다. 흑점의 특징으로는 강한 자기장을 들 수 있다. 자기력의 방향은 대략 태양면에 수직으로 안쪽으로 들어갈수록 강하다. 태양 흑점에 자기장이 있다는 사실은 1908년 미국의 천문학자 헤일에 의해 처음으로 밝혀졌다. 지구도 큰 자석이지만 흑점의 자기장 세기는 지구 자기장의 수천 배나 된다. 자기장의 이 강한 에너지가 플레어 폭발의 원인이 된다. 흑점은 태양 내부에서 형성된 자기장의 관이 태양의 광구면으로 떠오른 것으로 자기장 관의 절단면에 해당한다. 자기장 관은 태양 내부에서 비틀어지거나, 광구면으로 떠오른 후에 주위의 가스 흐름에 밀려 뒤틀어진다. 자기장 관의 변형이 축적되면 마침내 변형을 견디지 못하고 대폭발이 일어나는데 이것이 플레어 폭발이다. 백반 흑점을 둘러싼 영역에는 수백G(가우스)의 자기장이 흩어져 있으며 주변보다 밝다. 광구의 얇은 표면층만이 수 백K 높고 밝게 보이는데 이 부분을 백반(白班, faculae)이라고 한다. 백반은 태양면 중앙부에서는 보기 어려우나 가장자리 가까이에서는 흰 반점으로 보인다. 수명은 1시간∼3개월 정도이다. 극역에서도 백반이 보이는데, 이를 극백반이라고 한다. 적도 영역의 백반은 태양활동 극대기에 많으나, 극백반은 극소기에 많이 나타난다. 플라지(양털무늬) 채층의 모든 면이 같은 밝기가 아니고, 흑점 가까이 특히 밝은 영역이 나타나는데, 이를 양털무늬 또는 플라지(plage)라고 한다. 수명은 1∼6개월정도로 신생흑점이 성장하기 시작하는 영역에 주로 나타나며, 흑점이 없어질 때 사라진다. 크기는 태양 반지름의 1/10∼1/3 정도이다. 여기에는 수백G의 자기장이 있고, 흑점이 나타나거나 플레어가 발생, 활동적인 홍염이 관측된다. 이러한 활동현상이 일어나므로 활동영역이라고도 한다. 플라지는 강한 자기장내에 있는 채층이 심하게 가열될 때 발생한다. 흑점 주위의 밝은 부분을 플라지라고 부른다. 플레어 플레어(flare)는 태양 대기 속에서 일어나는 폭발현상으로 막대한 에너지를 발산한다. 플레어가 일어나면 채층이나 코로나의 일부가 빛나기 시작한다. 흑점 가까운 곳은 몇분 동안 급격히 밝아지며, 그 뒤 서서히 밝기가 감소되어 수십 분∼1시간이면 원래 밝기로 되돌아간다. 빛나는 영역은 지구의 표면적 크기에서 10배에 이르는 크기까지 있다. 발생빈도는 태양활동의 극대기에는 하루에 몇 개∼수십 개, 극소기에는 수일∼수십일 동안에 1개의 비율이다. 플레어가 발생하면 γ선, X선, 자외선이나 플라스마 구름이 방출되며, 강렬한 X선이나 자외선이 지구의 이온층을 교란함으로써 지상의 전파통신을 방해한다. 행성 사이에 방출된 플라스마 구름은 1∼2일 후에 지구에 도달하고, 지구 자기장에 영향을 주어 자기폭풍현상을 일으킨다. 또 극지역에 입자가 진입하여 오로라를 발생시킨다. 홍염 태양 표면으로부터 수천∼수만 ㎞ 상공에 떠 있는 가스체로 개기일식 때 붉은불꽃으로 관찰되므로 홍염(紅焰, prominence)이라는 이름이 붙었다. 가늘고 긴 모양이며 수명은 2∼3개월이지만 몇 시간으로 단명한 것도 있다. 홍염은 수천∼수만 도의 저온 가스로 보통은 코로나 위에 조용히 떠 있다. 그러나 때때로 대폭발을 일으켜 태양에서 밖으로 날아가 버린다. 소실된 홍염과 같은 위치에서 다시 홍염이 발생하는 일이 많다. 홍염은 흑점 부근에서 발생하는 활동영역형 홍염과 흑점에서 멀리 떨어져 존재하는 정온형(靜穩型) 홍염으로 크게 나뉜다. 그 밖에 특별한 형으로서 서지형 홍염과 루프형 홍염이 있다.

 

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대   기

광구 보통 눈으로 태양을 볼 때 둥글게 백색 광으로 보이는 부분이 광구이다. 광구는 태양대기의 가장 안쪽에 있으며 그 두께는 300-500km에 불과하다. 광구의 아랫부분의 온도는 8000K, 상층부의 온도는 4500K이다. 태양을 자세히 살펴보면 중심부는 밝아 보이고 가장자리로 갈수록 밝기가 감소한다. 이런 현상을 주연감광(周緣感光, limb darkening)이라 한다. 태양표면에서 온도가 높을수록 밝아 보인다. 그런데, 태양의 가장자리 부분은 지구에서 볼 때 대기층을 비스듬히 보게 된다. 그러므로 태양의 온도가 높은 깊은 곳까지 볼 수 없으므로 어둡게 보이게 된다. 채층 광구 밖으로 두께가 약 5000km, 온도가 4500K에서 6000K에 이르는 대기층이 존재하는데 이를 채층(彩層, chromosphere)이라고 부른다. 개기일식 때에 달에 가져진 검은 태양의 주위가 핑크색의 테두리처럼 보이기 때문에 채층이라는 이름이 붙게 되었다. 채층은 평소에는 볼 수 없으며 완전일식 때, 달이 태양을 완전히 가리는 순간부터 수 초 동안 모습을 드러낸다. 이 때 채층은 옅은 붉은 색의 고리모양으로 보인다. 채층은 매우 희박한 가스이며 가스 밀도는 높이에 따라 감소하게 되는데, 태양 대기에 존재하는 자기장의 감소보다도 급격하여, 높이가 높아질수록 가스보다 자기장의 세력이 더욱 강해져 채층의 모양은 자기력선의 형상에 따라 정해진다. 채층에서는 약 5분을 주기로 하는 진동이 끊임없이 일어나고 있으며 매초 약 10km의 난류운동도 볼 수 있다. 스피큘이라고 하는 제트류가 채층을 뚫고 나와 코로나에 도달하고 있다. 코로나 코로나는 완전일식이 진행될 동안에만 관측이 가능하다. 태양의 가장자리로부터 멀리까지 퍼져 있으며 진주빛의 해무리처럼 보인다. 코로나는 채층 위에 퍼져 있는 희박한 대기로 200만도나 되는 고온의 플라스마이다. 개기일식 때 보이는 진주색 코로나는 태양 광구에서 오는 빛이 코로나의 플라스마에 부딪쳤다가 되돌아오기 때문에 나타나는 것으로 보인다. 밝기는 가장 밝은 곳에서도 태양 본체의 1/1000000로, 보름달 정도의 밝기이다. 코로나의 형태는 수일∼10일 정도로 변하는데, 이것은 코로나 자체의 변화에 의하기도 하지만, 태양의 자전에 의해서 지구에서 본 코로나 빛줄기의 각도가 변하는 것에도 기인한다.

 

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탐   사