태양의 구조

[白山 김기수]

태양은 태양계에 있는 모든 생명체에게 있어 어머니와 같은 천체이다. 사실상 인간이 사용하는 모든 연료는 그 근원이 태양에너지에 있으며, 여덟 개의 행성은 물론 그 위성들과, 소행성, 혜성 등 태양계의 모든 천체들이 태양에너지를 받아 제 모습을 유지하고 있는 것이다. 태양은 주성분인 수소 원자가 융합되어 헬륨을 만들 때 엄청난 빛과 에너지를 쏟아내는데, 이는 약 1억 5,000만km 거리에 있는 지구에 1m²당 1.4kw의 에너지를 공급하고 있을 정도로 엄청난 양이다. 태양의 중심부는 섭씨 1,500만K이며 기압은 수천억 기압으로 추정되고 있다. 그렇기 때문에 태양에는 고체나 액체는 존재할 수 없고 가스(기체) 형태로만 존재할 수 있다. 태양계 내에서 스스로 빛을 내는 유일한 천체인 태양의 내부와 외부는 어떻게 구성되어 있을까?

  

태양의 구조.

태양의 외부 구조

태양의 표층은 표면과 대기로 구성돼 있는데 우리가 매일 볼 수 있는 태양의 표면이 '광구'이고 이 구를 둘러싸고 있는 대기 중 하층대기를 '채층', 상층대기를 '코로나', 채층과 코로나를 분리하는 영역을 ‘전이영역’이라 한다.

광구
광구는 태양의 표면으로, 약 100km 두께의 가스로 이루어진다. 중앙부가 가장 밝고, 가장자리로 갈수록 복사방향에 대한 시선방향의 각이 커지므로 어두워지는데, 이런 현상을 '주연감광(limb darkening)'이라고 한다. 흑점, 백반, 쌀알무늬 등을 관측할 수 있다. 태양은 약 27일을 주기로 자전하는데, 태양은 가스로 된 공과 같기 때문에 고체의 행성과 같이 회전하지는 않는다. 태양의 적도지역은 극지방보다 더 빠르게 회전하는데, 이러한 차등회전의 근원은 현재 태양천문학의 주요 연구분야이다.

광구는 약 100km 두께의 가스로 이루어져 있으며, 광구에서는 흑점, 백반, 쌀알무늬 등을 관측할 수 있다.

채층은 광구 위에 약 1600km까지 뻗어있는 영역으로, 온도가 약 6000K에서 약 10,000K로 불규칙한 층이다.

채층
태양의 채층은 광구 위에 약 2000km까지 뻗어있다. 온도가 약 6000K에서 약 10,000K로 불규칙한 층이다. 이 정도의 높은 온도에서 수소는 불그스레한 색의 빛을 방출하는데, 이것은 개기일식 동안에 태양의 가장자리 위로 올라오는 홍염을 통해 확인할 수 있다. 또한, 특정 필터를 통해 관측하면, 채층의 자기장 요소들과 흑점 주위의 밝은 플라주(Plages), 태양 외부를 가로지르는 어두운 필라멘트, 그리고 가장자리 위로 나오는 홍염과 같은 태양의 특징들을 관측할 수 있다.

전이영역
전이영역은 얇고 매우 불규칙한 태양의 대기층으로 뜨거운 코로나와 상대적으로 온도가 낮은 채층을 분리한다. 열은 코로나에서 채층으로 흐르며 이 과정에서 온도는 1,000,000K에서 약 20,000K까지 빠르게 변한다.

코로나
코로나는 이온화된 기체가 높이, 넓게 퍼져있는 상층 대기권이다. 코로나의 형태와 크기는 일정하지 않지만 일반적으로 흑점과 관계가 깊다. 흑점이 최소일 때 코로나의 크기는 작고 최대일 때는 크고 밝으며 매우 복잡한 구조를 갖는다. 코로나는 광구의 빛이 달에 의해 완전히 차단되는 개기일식 때에만 볼 수 있는데 태양의 가장자리로부터 멀리까지 뻗어있는 밝은 빛이 바로 코로나이다. 코로나의 온도는 약 1,000,000K나 되는데, 이런 높은 온도에서 수소와 헬륨은 모두 전자를 완전히 잃어버리게 되고, 철, 칼슘과 같이 상대적으로 무거운 원소들 만이 전자를 남길 수 있다. 코로나의 스펙트럼에서는 이렇게 고도로 이온화된 무거운 원소들에 의한 방출선을 확인할 수 있다.

코로나는 광구의 빛이 달에 의해 완전히 차단되는 개기일식 때에만 볼 수 있는데 태양의 가장자리로부터 멀리까지 뻗쳐있는 밝은 빛이 바로 코로나이다.

코로나의 온도는 약 1,000,000K나 되는데, 이 온도에서는 철, 칼슘과 같은 상대적으로 무거운 원소들 만이 전자를 남길 수 있다. 코로나의 스펙트럼에서는 이렇게 고도로 이온화된 무거운 원소들에 의한 방출선을 확인할 수 있다.

태양의 내부 구조 

태양의 내부는 핵, 복사층, 접합층, 대류층의 네 개의 부분으로 나누어진다. 에너지는 핵에서 발생되는데, 핵에서 나와 복사층을 통하여 대부분 감마선과 엑스선의 형태로 확산된다. 그리고 바깥 대류층의 유동적인 흐름에 의해 이동한다. 복사층과 대류층 사이의 얇은 경계면은 태양의 자기장이 생산된다고 여겨지는 곳이다.

핵
핵은 수소 핵융합반응이 일어나는 태양의 중심부이다. 수소가 헬륨으로 바뀌는 이 반응에서 많은 에너지가 방출된다. 반응은 높은 온도와 밀도를 필요로 하는데, 태양 중심부의 온도는 약 15,000,000K이고 밀도는 약 150g/cm³(금이나 납의 밀도의 약 10배)나 된다. 온도와 밀도 모두 태양의 중심으로부터 멀어지면서 줄어들며, 핵반응은 핵의 중심으로부터 표면까지 거리의 약 25%를 지나면 거의 일어나지 않는다. 바로 그 지점에서 온도는 중심부의 반값이 되며, 밀도는 약 20g/cm³로 줄어든다.

복사층
태양의 복사층은 핵에서 나온 에너지를 복사의 형태로 대류층까지 전달하는 구간이다. 복사층은 핵 외부의 가장자리에서부터 대류층 바닥의 접합층까지 뻗어있다. 핵에서 발생된 에너지는 복사층을 통해 입자에서 입자로 튀어 오르는 빛에 의해서 옮겨진다. 광자들은 빛의 속도로 이동하지만, 각각의 광자가 접합층에 도달하기까지 불투명한 물질을 통과하며 수없이 많은 입자와 충돌하기 때문에 약 17만 년의 시간이 필요하게 된다. 태양의 중심 방향에서 외곽의 대류층 방향으로 이동하면서 복사층의 밀도는 20g/cm³에서 0.2g/cm³까지 떨어진다. 그리고 온도는 약 7,000,000K에서 약 2,000,000K로 떨어진다.

접합층은 복사층과 대류층 사이에 놓인 부분으로, 접합층의 자기운동에 의해 태양 자기장이 발생한다고 여겨지고 있다.

대류층은 태양 내부에서 가장 외부에 있는 층으로, 대류에 의해 에너지를 광구로 전달하는 부분이다.

접합층
태양의 접합층은 복사층과 대류층 사이에 놓인 부분이다. 접합층의 자기운동에 의해 태양 자기장이 발생한다고 여겨지고 있다. 

대류층
대류층은 태양 내부에서 가장 외부에 있는 층이다. 대류층은 태양 표면에서 밑쪽으로 약 200,000km 깊이에서부터 시작되고, 온도는 약 2,000,000K이다. 이 층에서는 복사를 통해 에너지를 전파할 수 있을 만큼 밀도나 온도가 높지 않기 때문에, 복사가 아닌 열대류가 일어난다. 태양 표면에서, 온도는 6000K까지 떨어지며 밀도는 단지 0.0000002g/cm³ 밖에 되지 않는다. 대류층의 대류운동은 쌀알 무늬가 생기는 원인이 된다.

 

생명의 원천, 태양.

생명의 원천, 우주의 비밀을 여는 열쇠

태양의 빛은 생명의 원천이다. 우리 조상들은 그들의 삶이 태양에 의존한다는 것을 알았고, 태양을 경외하는 마음으로 숭배하였다. 우리는 여전히 태양의 중요성을 인식하며 태양이 어떻게 작용하는지, 왜 변화하는지 그리고 이러한 변화들이 지구에 있는 우리들에게 어떠한 영향을 주는지 이해하려고 노력하고 있다. 또한, 태양은 우리가 표면을 볼 수 있는 유일한 별이기 때문에 우주를 이해하는 데 중요하다. 만일 태양이 없었다면 우리는 다른 별들 또한 흑점과 뜨거운 바깥 대기를 가지고 있다는 것을 쉽게 알아내지 못했을 것이다. 우리는 태양의 나이, 반경, 질량, 등 많은 물리량을 알고 있으며, 또한 태양의 내부와 대기에 대한 상세한 정보를 얻었다. 이러한 정보들은 다른 별들을 이해하고 그들이 어떻게 진화하는지에 대한 중요한 지식이 되어, 나아가 행성계, 은하, 그리고 우주 자체에 대하여 많은 것을 알려준다.

[白山 김기수]

우리에게 가장 가까운 별, 바로 태양입니다. 빛의 속도로 8분, 거리로는 150,000,000km이고
두번째로 가까운 별은 알파센타우리 2.25광년, 거리로는 40,000,000,000km에 있습니다.
맨눈으로 볼 수 있는 가장 가까운 별은 시리우스 8.7광년입니다.