태양 표면에 점이 있다는 사실 들어보셨나요? 태양에는 작고 검은 점인 흑점이 있습니다. 태양이 워낙 크기 때문에 태양 표면에서는 작아보일지 모르지만 이 흑점의 크기는 수천 km에서 수만 km로 우리가 사는 지름이 약 12800km인 지구보다 클 때도 있습니다.
흑점은 옛날 고구려인들이 다리가 셋 달린 까마귀인 삼족오라고 생각했다는 이야기도 있는데 이를 통해 아주 옛날부터 태양에 있는 흑점을 관측할 수 있었다는 것을 알 수 있습니다.
이번 UNUVERSE X-FILE의 주제는 바로 위 그래프에서 시작됩니다. 그래프는 최근 10000년간의 지구 평균기온과 흑점 수를 나타내고 있습니다. 빨간 선은 지구 평균기온을 나타내고, 노란 선은 흑점 수를 나타냅니다. 두 요소가 부분적으로는 맞지 않지만 6000년 전부터 최근까지의 대체적인 변화가 비슷한 것을 알 수 있습니다. 지구 기온에 영향을 미치는 요소가 다양하다는 것을을 감안할 때 두 요소가 어느 정도 관련이 있다고 할 수 있을 것입니다.
도대체 흑점 수와 지구 평균 기온 간에는 어떤 관계가 있는 것일까요? 수수께끼를 풀기 위해서는 흑점과 태양의 자기장의 관계가 첫 번째 실마리입니다. 자기장은 전하를 띈 입자가 움직일 때 생깁니다. 태양은 온도가 매우 높아 전자와 원자핵이 분리된 상태인 플라즈마 입자들이 가득합니다. 이 플라즈마 입자들이 태양의 자전에 따라 회전하면서 태양의 북극에서 남극으로 뻗어나가는 자기력선을 만들어냅니다. 그러나 태양은 고체덩어리가 아니기 때문에 위도에 따라서 자전하는 속력이 다르며 위도가 낮을수록 더 빠르게 자전합니다. 그러다 보니 태양의 자기력선 또한 아래 그림과 같이 태양이 자전함에 따라 태양표면을 돌돌 말아 감싸게 됩니다. 태양의 자기장이 강할수록 자기력선은 더욱 촘촘하게 되는데 대류 작용에 의해 자기력선의 밀도가 높아지면 자기력선이 고리 모양으로 태양 표면에서 떠오르게 되며, 이 때 자기력선이 표면을 뚫고 나온 부분에서 흑점이 생기게 됩니다. 뚫고 나오는 자기력선이 에너지의 흐름을 방해해서 뚫고 나온 부분의 온도가 낮아지고, 온도가 낮을수록 별 표면에서 에너지 방출 세기가 네제곱에 비례해서 낮아지기 때문에 흑점이 어둡게 보입니다.
그렇다면 이 흑점이 왜 지구의 기온과 관련성을 보이는 것일까요? 우주에는 높은 에너지를 가진 입자나 빛들이 날아올 때가 있습니다. 이를 우주선(宇宙線;Cosmic Ray)이라 하며, 이 우주선들은 대부분 별이 죽어가는 과정에서 초신성 폭발을 할 때 방출됩니다. 우주선은 거의 양성자로 이루어져 있으며, 따라서 전하를 띄고 있습니다. 이 우주선들은 높은 에너지를 가지고 있기 떄문에 지표면에 바로 들어와 인체에 닿으면 위험합니다. 하지만 다행스럽게도 우주선들은 태양과 지구의 자기장에 의해 대부분은 튕겨 나갑니다. 우주선들이 전하를 띄고 있기 때문에 자기장에 의해 튕겨나가는 것입니다. 이것이 이번 수수께끼의 두 번째 실마리입니다. 세 번째 실마리는 우주선이 지구의 구름 생성에 영향을 미친다는 덴마크의 물리학자 헨리 스벤스마크(Henrik Svensmark)의 이론에 있습니다. 강한 에너지를 가진 우주선 중 몇몇은 태양의 자기장을 뚫고 지구의 대기에 도달합니다. 우주선이 지구의 대기에 들어서면서 대기를 구성하고 있는 분자와 충돌해 이온을 만들어냅니다. 이 이온이 구름의 응결핵이 되어서 수증기가 이 이온을 중심으로 모여들어 구름을 이룬다는 것입니다. 마지막 실마리는 간단합니다.
구름의 양이 많아지면 태양 빛을 많이 반사해서 지구의 기온이 낮아진다는 것입니다. 이제 실마리들을 이어보면 다음과 같습니다.
- 흑점의 수가 많다는 것은 태양의 자기장이 강하다는 것입니다.
- 태양의 자기장이 강하면 우주선이 지구에 도달할 확률이 줄어든다.
- 우주선은 구름 형성에 영향을 미치므로 구름의 양이 적어질 것이다.
- 구름의 양이 적어지면 태양빛을 덜 반사하기 때문에 지구의 기온이 올라갈 것이다.
이것이 태양의 흑점과 지구기온간의 상관관계를 설명하는 논리입니다. 흑점은 지구 기온에 영향을 미치는 것이 아니라 단순히 태양의 자기장의 세기를 보여주는 척도이고, 중요한 것은 태양 활동의 세기인 것입니다. 헨릭 스벤스마크는 우주선이 구름 형성에 영향을 미친다는 이론을 통해 태양의 활동과 지구 기온을 설명하고자 했습니다. 아직 검증되어야 할 부분이 많지만, 이 이론은 기존의 이산화탄소가 지구 온난화에 영향을 미친다는 것에 대한 반증으로 쓰이는 이론이기도 합니다.
태양의 자기장 세기의 변화가 지구 기온까지 영향을 미칠 수 있다는 것이 직접적으로는 이해가 되지 않지만, 중간 중간 실마리들을 엮어나가다 보니 어느새 지구 기온에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었습니다. 이번 Universal X-file은 여기까지입니다. 다음에 더 흥미로운 주제로 찾아뵙겠습니다.
