태양의 광구와 대기
본문태양을 특수 필터로 보면 눈부신 표면 곳곳에 검은 점이 보인다. 흑점이다. 그런데 흑점의 온도는 약 4000 K로, 쇠를 녹이는 용광로보다 두 배 넘게 뜨겁다. 그렇게 뜨거운 곳이 왜 검게 보일까? 그리고 태양을 엑스선이나 자외선으로 찍으면 눈에 보이는 모습과 전혀 다른 태양이 나타난다. 태양의 표면과 대기는 어떤 층으로 되어 있을까?
2.1.1광구와 흑점
우리가 보는 태양의 둥근 표면을 광구라 한다. 광구는 온도가 약 5800 K인 기체층으로, 태양 빛의 대부분이 여기서 나온다. 광구를 자세히 보면 쌀알 같은 무늬(쌀알 조직)가 가득한데, 아래에서 뜨거운 기체가 올라오고 식은 기체가 내려가는 대류의 흔적이다.
흑점은 강한 자기장이 대류를 막아 아래에서 열이 덜 올라와 주변보다 온도가 1500~2000 K 낮은 곳이다. 같은 넓이에서 내는 에너지는 \(\sigma T^4\)이므로, 흑점은 광구보다 \(\left(\dfrac{T_{\text{흑점}}}{5800}\right)^4\)배 어둡다.
그림 1에서 흑점의 온도를 바꾸어 보자. 4000 K이면 광구의 약 23%, 3000 K이면 약 7%이다. 흑점 자체는 밝게 빛나지만, 훨씬 밝은 광구 옆에 있어 검게 보인다. 흑점을 따로 떼어 밤하늘에 놓는다면 보름달보다 훨씬 밝을 것이다. 흑점의 수는 약 11년을 주기로 늘고 줄며, 흑점이 많을 때 태양 활동이 활발하다.1
2.1.2태양의 대기
광구 위에는 채층과 코로나가 있다. 채층은 개기 일식 때 붉게 빛나는 얇은 층이고, 코로나는 수백만 K로 매우 뜨겁지만 기체가 희박하여 빛이 약하다. 그래서 평소에는 광구에 가려 보이지 않다가 개기 일식 때 진주색 빛으로 드러난다. 코로나처럼 뜨거운 기체는 엑스선을 내므로, 엑스선으로 찍은 태양에서는 광구가 거의 보이지 않고 코로나가 밝게 빛난다. 같은 태양이 파장마다 다른 층을 보여 주는 셈이다.
2.1.3예제 풀이
광구의 온도는 5800 K, 흑점의 온도는 4200 K이다. 같은 넓이에서 흑점이 내는 에너지는 광구의 몇 %인가? 두 곳에서 가장 센 빛의 파장을 빈 법칙(\(\lambda_{\max}T = 2.9 \times 10^6\) nm·K)으로 구하여라.
에너지 비는 \(\left(\dfrac{4200}{5800}\right)^4 = 0.724^4 \approx 0.275\), 곧 약 27%이다. 흑점은 광구보다 약 4배 어둡다.
가장 센 파장은 광구가 \(\dfrac{2.9 \times 10^6}{5800} = 500\) nm로 청록빛, 흑점이 \(\dfrac{2.9 \times 10^6}{4200} \approx 690\) nm로 붉은빛이다. 흑점은 어둡기만 한 것이 아니라 조금 더 붉다. 즉 흑점의 밝기와 색을 함께 재면 그 온도를 알 수 있고, 온도 차이로 흑점 아래의 자기장이 얼마나 강한지도 짐작할 수 있다.
아래 탐구 카드에서 별의 색으로 온도를 아는 방법과, 같은 태양이 파장마다 다르게 보이는 까닭을 살펴보자.
- 1645년부터 약 70년 동안 흑점이 거의 나타나지 않은 시기를 마운더 극소기라 한다. 이 무렵 유럽은 유난히 추웠는데, 태양 활동과 기후의 관계는 지금도 연구되고 있다.
광구는 약 5800 K의 기체층이고, 흑점은 강한 자기장이 대류를 막아 1500~2000 K 낮은 곳이다. 같은 넓이에서 내는 에너지는 온도의 네제곱에 비례하며, 광구 위의 채층과 코로나는 더 뜨겁지만 희박하여 특정 때와 파장에서만 잘 보인다. 그래서 처음 질문의 흑점은 검은 점이 아니라, 4000 K로 밝게 빛나지만 더 밝은 광구 옆이라 어둡게 보이는 곳이다.