오로라(aurora 극광,極光)

1) 오로라란?

 

전하량q인 대전입자가 자기장 B와 각φ를 이룰 때, 속도 v의 자기장 B에 직각인 성분(vsinφ)은 로렌츠힘F=qvBsinφ으로 등속 원운동을 하고, B에 나란한 성분(vcosφ)은 B방향으로 등속운동을 함.

따라서 대전입자는 자기력선을 따라서 등속운동과 회전 운동의 합성인 나선 운동을 하게 된다.

태양이나 별에서 날아오는 대전 입자는 지구 자기장 때문에 나선 운동을 하면서 지구 자길력선을  따라서 이동하게 된다.  계속 날아오는 대전 입자들 즉, 태양풍이 지구 자기장에 포획되어 지구 주변에서 무리를 지어 발알렌대를 형성한다.

대전 입자들이 지구  자기력선에 잡혀 나선 운동을 하면서 극쪽으로 이동하여 대기권의 상층부에서 대기 입자들과  충돌하면서 빛을 내는 데, 집단 충돌일 경우 하늘에 다양한 색의 빛무리가 생성.

흑점이 크고 많이 나타나 태양활동이 활발하면때 태양으로부터 날아오는 대전 입자 수가 증가하게 되어 오로라가 크게 나타남.


 

2) 오로라의 종류

 

오로라는 선상 구조를 갖는 것, 선상 구조를 갖지 않는 것, 광염상(光炎狀)인 것이 있다.


선상 구조를 갖는 것으로는 막상(幕狀)과 코로나형인 것이 있다. 후자는 오로라대의 천정(天頂) 부근에 나타난다. 선상 구조를 갖지 않는 것으로는 균일한 호상(弧狀), 대상(帶狀), 막상, 그리고 맥동성(脈動性)인 것이 있다. 광염상인 것은 강한 빛의 파(波)가 급속히 천정을 향하여 타 올라가는 것처럼 보이는 경우이다.


오로라의 빛깔에는 황록색·붉은색·황색·오렌지색·푸른색·보라색·흰색 등이 있다. 저위도 지방에서 나타나는 붉은색 오로라는 산소에서 나오는 파장 6,300 Å의 빛에 의한 것인데, 고위도 지방의 호상 오로라의 최하한에 나타나는 붉은색은 질소에 의한 것이다. 오로라의 밝기는 은하보다 약한 것부터 1등성밖에 볼 수 없는 새벽녘에도 볼 수 있는 것까지 폭넓게 변화하며, 가장 약한 것의 광도를 1이라 하면 가장 강한 것은 1만 정도의 값이 된다. 오로라의 하한고도는 드물게 1,000km 이상에 이르는 것도 알려져 있으나 대부분은 90∼150km 범위에 있다. 나타나는 시기와 모양에 따라 고도가 다르고, 상하의 범위도 200∼250km, 드물게 1,000km에 이르는 경우가 있다. 호상 오로라의 범위를 지도상에 그려 보면 지자기의 위도권(緯度圈)과 약 10°의 경사를 가지고 동서방향으로 퍼져 있다.


 

3) 원인

 

오로라의 빛을 스펙트럼으로 분석해 보면 대기중의 질소분자 N2 ·질소 분자이온 N+, 그리고 산소원자 O의 방출에 기인되는 것을 알 수 있다. 그리고 여러 이론에 따르면 자기폭풍과 태양에서 오는 대전입자에 관계되는 것으로 보고 있다. 발광은 태양에서 방출하는 대전입자가 기체를 이온화시킴으로써 나타나는 것이다.


태양흑점(太陽黑點)의 극대기(極大期) 등에 오로라의 빛 속에 수소원자에서 나오는 스펙트럼이 검출되는 경우가 있는데, 이것은 태양에서 날아오는 수소원자에서 직접 나오는 것이며, 스펙트럼선에 나타난 도플러효과로부터 1시간에 평균 약 500km의 속도로 수소원자가 태양으로부터 대기고층에 침입해 오고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 오로라의 활동은 태양의 활동과 밀접한 관계를 갖고 있고, 출현빈도의 극대는 태양흑점의 약 10년 주기의 극대기 다음해에 나타난다.