위키독:오로라의 아버지

Aurora on March 24, 2014 near Fairbanks, Alaska. Credit and copyright: John Chumack.

극지방 근처에서 나타나는 빛의 무도회 오로라. 오로라의 생성원인을 규명하고 실험실에서 직접 오로라를 만들어낸 사람이 있다.

그의 이름은 크리스티앙 올라프 베른하르트 비르켈란Kristian Olaf Bernhard Birkeland (1867.12.13 ~ 1917.6.15). 그는 현대에 와서 노르웨이의 화폐 중 하나인 200크로네 지폐에 얼굴을 올린 노르웨이에서 손에 꼽히는 과학자가 되었다.

이것이 200크로네. 하지만 2017년부터 새지폐가 도입되어 그의 얼굴은 사라진다고 한다. 지못미...

오로라

오로라라는 이름은 새벽이라는 뜻의 라틴어(aurora)에서 유래했다. 이는 그리스/로마 신화의 새벽과 햇살의 여신인 aurora(아우로라)와도 같은 어원을 가진다.

거의 극지방에서만 볼 수 있는 이 신기한 현상은 예전부터 미스터리였다. 과학적인 설명이 불가능했던 예전에는 이 현상을 설명하는 예쁜 이야기들이 많이 있었다. 한 예로 극지방의 주민들은 이를 '신의 영혼'이라고 부르기도 했고 전쟁에서 죽은 전사들이 춤을 추는 것이라고도 말하기도 했다.

주로 북유럽이나 알래스카, 캐나다 일부지역에서 관측할 수 있으며 의외로 남극에서는 관측하기가 힘들다. 가장 쉽게 볼 수 있는 지역이 위도 65~70도 지역이기 때문. 하지만 정말로 거대한 자기폭풍이 밀어닥칠 경우 위도 40도즈음에서도 볼 수 있다고 한다. 여름보다는 겨울에 많이 관측되며 우주에서도 관측할 수 있다.

오로라의 생성원리를 보면 알겠지만 자기장과 대전입자가 충돌하여 생기는 현상이므로 극소량이지만 방사선을 뿜어내고 있다. 이때문에 어떤 경우에는 원전에서 일하는 작업자보다 북쪽항로를 이용하는 비행기기장이나 선원들이 방사능 피폭량이 더 높게 나타기도 한다.

아래는 우주에서 관측된 오로라.

국제 우주 정거장에서 촬영한 오로라의 영상이다.

물론 우주적인 현상인 만큼 지구뿐만 아니라 자기장이 강한 목성이나 토성에서도 관측된다고 한다.

허블 망원경으로 촬영한 목성 북극의 오로라.

목성을 상징하는 대적점에 지구 3개가 들어가고도 남으니 저 오로라의 크기는 그야말로 엄청나다고 할 수 있다.

토성의 오로라.

오로라의 원리

15초만에 이해하는 오로라의 생성원리.gif

물론 저 영상만으로는 이해되지 않는 부분이 있을 것이다.

처음부터 차근차근 살펴보자.

먼저 지구는 눈에 보이지 않는 자기장으로 둘러싸여 있다. 이 자기장은 나침반의 작동원리가 되기도하는데, 여하튼 이 자기장 덕분에 우리는 무시무시한 우주방사선을 쐬지 않고도 살아갈 수 있다. 이를테면 지구를 지키는 눈에 보이지 않는 보호막인 셈.

그리고 태양. 태양은 빛을 포함한 온갖 것을 지구에 뿌리고 있는데 가끔씩 큰 폭발을 일으켜 전기적으로 대전된 입자를 내보내기도 한다. 이때 이 입자들이 지구에 갖다박으면 자기장 보호막으로 인해 대부분은 튕겨나가 우주밖으로 향하는데, 그 중 일부의 입자가 지구 자기장에 붙잡히게 된다. 그 결과 자기들끼리 부딪치면서 힘을 잃은 이 입자들이 자기장을 따라 지구의 극지방으로 향하게 되는데 이들이 대기권에 있는 기체 분자들과 부딪히면서 일어나는 현상이 바로 오로라가 되겠다. 이때 충돌하는 기체의 종류에 따라 색이 다양하게 나타나는데 가장 흔히 보이는 색인 녹색은 산소와 충돌한 것이며 검붉은 빛은 질소와 반응한 것이다. 충돌 시 발생한 에너지가 전자기파(빛) 형태로 방출된 것.

오로라 관측의 역사와 비르켈란의 이론

사실 비르켈란 이전에도 오로라를 규명하고자하는 과학자들은 많이 있었다. 간단히 살펴보면

1741년에 히오르테르라는 사람이 오로라의 활동성이 지구 자기장의 변화와 관련이 깊다는 사실을 알아냈다.

1700년대 말에는 쿡 선장이 남극에서 발생하는 오로라를 발견했으며

영국의 물리학자 케번디시가 삼각측량법을 이용하여 오로라의 고도를 측정하고자 했다.

1860년 루미스가 오로라가 많이 발생하는 지역을 연구하여 그 영역이 북극으로부터 20~25도 정도 떨어진 곳에서 발생하는 타원모양이라는 것을 밝혀냈다.

1878년 베크렐이 태양에서 방출된 입자들이 지구의 자기력선을 따라서 오로라 영역으로 들어온다고 주장했다.

그리고 드디어 19세기 말부터 20세기초까지 이루어진 극지방 탐험에서 비르켈란이 오로라가 발생하는 동안 자기력선을 따라 강한 전류가 흐른다고 결론짓는다. 이를 비르켈란 전류라고 한다.

그는 월리엄 길버트가 발명한 테렐라를 개량한 물건으로 오로라를 만들기까지에 이른다.

월리엄 길버트의 테렐라 모형. 그는 이 모형을 작은 지구라는 의미로 테렐라Terrella라고 부른다. 지구가 자석이라는 그의 생각이 담긴 물건이었다. 무려 비르켈란의 시대에서도 300년 전의 생각이었다.

비르켈란은 테렐라 모형을 더욱 발전시켜 실험을 한다. 그는 오로라가 생기는 이유가 지구의 자기장과 상호작용하는 입자들 때문이라고 생각하여 지구를 축소한 모형을 만든다. 진공 탱크속에 구형 자석을 넣고 음극선을 쏘이자 테렐라의 극 주위에서 오로라와 비슷한 불빛이 반짝이는 현상을 관측하게 된다. 하지만 안타깝게도 그는 왜 오로라가 극 주위에서 발생하는지는 끝내 알지 못했다.

하지만 이 이론이 처음부터 환영받은 것은 아니었다. 그의 이론의 핵심은 비르켈란 전류라고 불리는 것이었는데 이것을 지상에서는 확인할 방법이 없으므로 그는 자신의 이론이 증명되는 것을 보지 못한채 자살로 생을 마감하고 만다. 이 이론의 증명은 인공위성 프로브가 지구밖으로 나간 1967년에야 완성되었다. 하지만 그의 이론은 정확했으므로 오늘날 비르켈란은 오로라의 아버지라고 불리고 있다.