태양의 극지 소용돌이와 자기장

미국 국립과학재단 국립대기연구센터(NSF NCAR)가 주도한 새로운 연구에 따르면, 태양에도 지구처럼 소용돌이치는 극지 소용돌이가 있을 가능성이 높다.

그러나 지구와 달리 이러한 소용돌이의 형성과 진화는 자기장에 의해 주도된다.

 

이 연구 결과는 최근 미국 국립과학원회보(PNAS)에 발표되었으며, 태양의 자기장과 태양 주기에 대한 기본적인 이해에 영향을 미칠 수 있다.

이는 궁극적으로 파괴적인 우주 날씨를 예측하는 능력을 향상시킬 수 있다.

또한 이 새로운 연구는 향후 태양 탐사 임무에서 태양 극지에서 관측할 수 있는 것에 대한 그림을 그려주고, 이러한 임무의 시기를 계획하는 데 유용한 정보를 제공한다.

"아무도 태양 극지에서 무슨 일이 일어나고 있는지 확실히 말할 수 없다"고 이 연구를 이끈 NSF NCAR의 수석 과학자인 Mausumi Dikpati는 말했다.

"그러나 이 새로운 연구는 우리가 태양 극지를 처음으로 관측할 수 있을 때 무엇을 발견할 수 있을지에 대한 흥미로운 시각을 제공한다."

 

이 연구는 NSF와 NASA의 지원을 받았으며, NSF NCAR의 Cheyenne과 Derecho 시스템에서 슈퍼컴퓨팅 자원을 사용했다.

태양에 어떤 형태의 극지 소용돌이가 존재할 가능성이 있다는 것은 놀라운 일이 아니다.

이러한 회전하는 형성은 코리올리 힘으로 인해 회전하는 물체 주변의 유체에서 발생하며, 우리 태양계의 대부분의 행성에서 관측되었다.

지구에서는 북극과 남극 주위의 고층 대기에서 소용돌이가 회전한다.

이러한 소용돌이가 안정적일 때, 그들은 극지에 혹한의 공기를 가두어 두지만, 약해지고 불안정해지면 그 차가운 공기가 적도 쪽으로 스며들어 중위도 지역에 한파를 일으킨다.

 

NASA의 주노 임무는 목성의 극지 소용돌이의 놀라운 이미지를 반환하여, 가스 거인의 북극 주위에 8개의 밀집된 소용돌이와 남극 주위에 5개의 소용돌이를 보여주었다.

NASA의 카시니 우주선이 관측한 토성의 극지 소용돌이는 북극에서는 육각형 모양이고 남극에서는 더 원형이다.

이러한 차이는 과학자들에게 각 행성 대기의 구성과 역학에 대한 단서를 제공한다.

 

 

자기장으로 인한 독특한 형태의 극지 소용돌이

화성, 금성, 천왕성, 해왕성, 토성의 위성 타이탄 등에서도 극지 소용돌이가 관측되었으므로, 태양과 같은 회전하는 천체가 이러한 특징을 가질 수 있다는 것은 어떤 면에서 당연하다.

그러나 태양은 대기를 가진 행성이나 위성과 근본적으로 다르다.

태양을 둘러싸고 있는 플라즈마 '유체'는 자기적이다.

 

이 자기장이 태양 극지 소용돌이의 형성과 진화에 어떤 영향을 미치는지, 또는 소용돌이가 형성되는지 여부는 인류가 태양의 극지를 관측할 수 있는 우주 임무를 보낸 적이 없기 때문에 미스터리로 남아 있다.

사실 우리의 태양 관측은 지구를 향하는 태양의 표면만을 볼 수 있으며, 극지에서 무슨 일이 일어나는지에 대한 힌트만을 제공한다.

태양의 극지를 관측한 적이 없기 때문에, 연구팀은 컴퓨터 모델을 사용하여 태양 극지 소용돌이가 어떻게 생겼을지에 대한 공백을 메웠다.

그 결과, 태양은 태양 주기에 따라 진화하고 각 주기의 강도에 따라 달라지는 독특한 극지 소용돌이 패턴을 가질 가능성이 높은 것으로 나타났다.

 

시뮬레이션에서, 극지 소용돌이의 밀집된 고리는 '극지로의 돌진'이라는 현상과 동시에 위도 55도(지구의 북극권에 해당) 부근에서 형성된다.

각 태양 주기의 최대기에 태양 극지의 자기장은 사라지고 반대 극성의 자기장으로 대체된다.

이러한 플립플롭은 반대 극성의 자기장이 위도 약 55도에서 극지로 이동하기 시작하는 '극지로의 돌진'에 앞서 일어난다.

 

소용돌이가 형성된 후, 소용돌이는 극지로 향하는 고리를 조여가며 소용돌이를 흘려보내고, 결국 태양 최대기에 완전히 사라지기 전에 극지에 직접 접하는 한 쌍의 소용돌이만 남게 된다.

형성되는 소용돌이의 수와 극지로 이동하는 동안의 구성은 태양 주기의 강도에 따라 달라진다.

 

 

미래 태양 탐사에 시사점과 연구

이러한 시뮬레이션은 태양의 자기장이 극지 근처에서 어떻게 행동하는지에 대한 퍼즐의 빠진 조각을 제공하며, 태양의 태양 주기에 대한 몇 가지 근본적인 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있다.

예를 들어, 과거 많은 과학자들은 '극지로 돌진하는' 자기장의 세기를 다가오는 태양 주기의 강도를 예측하는 대용 지표로 사용했다.

그러나 이러한 것들이 어떻게 연결되는지, 연결되는지 여부는 명확하지 않다.

 

이 시뮬레이션은 또한 태양을 관측하기 위한 미래 임무를 계획하는 데 사용될 수 있는 정보를 제공한다.

즉, 결과는 태양 주기의 모든 부분 동안 태양 최대기를 제외하고는 어떤 형태의 극지 소용돌이가 관측될 수 있음을 나타낸다.

"태양 임무를 발사할 수 있지만, 태양 극지를 관측하기에 완전히 잘못된 시간에 도착할 수 있다"고 Lynker의 우주 운영 부사장이자 논문의 공동 저자인 Scott McIntosh는 말했다.

NASA와 유럽 우주국이 공동으로 진행하는 태양 궤도선은 연구원들에게 태양 극지의 첫 번째 모습을 제공할 수 있지만, 첫 번째 관측은 태양 최대기에 가까울 것이다.

저자들은 태양의 극지를 관측하고 연구원들에게 태양의 여러 시점을 동시에 볼 수 있는 관점을 제공하는 임무가 태양의 자기장에 대한 오랜 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있다고 지적했다.

 

"우리의 개념적 경계는 현재 단일 관점으로 운영되고 있다는 것이다"라고 McIntosh는 말했다.

"중요한 진전을 이루려면 가설을 검증하고 이러한 시뮬레이션이 정확한지 확인하는 데 필요한 관측을 해야 한다."