1. 태양의 일반적 특징

태양은 우리에게 정말 특별한 존재이지만 사실 우주에서는 아주 흔한 항성 (스스로 빛을 내는 별) 이다. 태양은 지구에서 평균 149,598,000 km 떨어져 있는데, 1월 3일경에는 147,100,000 km 으로 가장 가까워지고, 7월 4일에는 152,100,000 km 로 가장 멀어진다. (편의상 평균 1억 5천만 km 떨어져 있다고 할 수 있다) 지구는 이심률 0.016 정도 되는 궤도를 돌기 때문에 거의 원궤도에 가까운 셈이다. 사실 원궤도에서 일그러질 수록 지구 기후에는 큰 변화가 생기게 된다.

 태양의 색깔이 뭐냐고 물어보면 대부분 사람들은 노란색이라고 말할 것이다. 물론 노을 질 때는 붉은색으로 변하지만 말이다. 그러나 실제 태양의 색깔은 하얀색에 가깝다. 그 이유는 태양 표면의 온도 때문인데, 태양 표면의 온도는 5,780 K (5,510 °C) 로 이 온도에서는 항성이 흰색으로 빛나기 때문이다.

그러나 태양광선이 지구 대기에 들어오면 산란되게 되는데, 이 때 파장이 짧은 파란색이나 자주색 계통색의 파장이 주로 산란되, 인간의 눈에는 마치 노란색으로 보이는 것이다. 그리고 파란색 계통의 광자가 선택적으로 대기에서 산란된 덕분으로 하늘은 파랗게 보인다. 반면 저녁이나 아침에 태양 광선이 긴 거리의 대기를 통과할 땐 이 현상이 더 심해져 심지어 붉은색으로 보이는 것이다.

지구에서 떨어진 거리 때문에 태양 광선은 8분 19초의 시간이 지나야 지구에 도달한다. 태양은 3.86×1026 와트의 엄청난 에너지를 각종 파장으로 뿜어내는데, 지구는 이중 1.740×1017 와트의 에너지를 받게 된다. 이 에너지가 지구의 모든 생명현상을 가능하게 만드는 것이다. 그러나 태양에서 나오는 에너지의 20억분의 1도 안되는 에너지만이 지구로 도달할 뿐이다. 그나마 그 전부가 흡수되지도 않는다.

(신화 속의 태양 마차는 인간이 태양의 거대한 크기에 대해서 너무나 무지했다는 것을 보여준다)

그러니 지구를 밝히기 위해 태양을 만들었다는 각종 고대의 신화들은 사실 터무니 없다고 할 수 있다. 우리는 태양이라는 거대한 에너지의 곁불을 약간 쬐는 수준도 되지 않는 에너지만을 받고 있으며, 태양의 거대한 크기에 비해 지구는 너무나 왜소한 존재인 것이다. 그리고 말할 것도 없이 인간은 어머니 행성 지구를 세상이라 믿는 아주 작디 작은 존재다.

그러면 태양의 크기는 어느 정도인가? 필자도 기억이 가물가물하지만 이미 중고등학교 과학 시간에도 이 질문에 대한 대답을 들은 듯 하다. 태양의 적도 지름은 1,392,000 km (1백 39만 km) 로 지구의 109배에 달하며, 그 크기는 지구의 130만배, 무게는 33,200 배, 표면적은 대략 11990배에 이른다. 아래의 태양과 태양계 행성의 크기 비교를 보면 약간 감이 올 것이다.

2. 은하계에서 태양의 위치

태양은 우리 은하계 중심에서 약 24000 - 26000 광년 떨어진 지점에서 약 2억 2천 5백마년에서 2억 5천만년 주기로 우리 은하계의 다른 천체들과 같이 한 바퀴 도는 것으로 생각된다. 현재 태양을 포함한 태양계의 위치는 우리 은하계의 페가수스 팔 (Pegasus Arm) 과 사지타리우스 팔 (Sagittarius Arm) 사이에 있는 오리온 팔 (Orion Arm) 에 속해 있다고 믿어진다.

(우리은하에서 태양의 위치)

과거에는 은하계에 천억개의 항성이 있다고 믿어졌으나 최근에 연구는 이보다 더 많은 2천억개의 항성이 있거나 혹은 4천억개의 항성도 가능하다고 생각되고 있다. 과거에는 잘 보이지 않던 작은 질량의 항성들이 발견되고 있기 때문이다. 덕분에 태양은 평범하긴 해도 은하계의 항성들 중 85% 보다는 더 밝은 편에 속하는 항성이 되었다. 상위 15%안에는 든다는 말이다. 그래도 흔한건 어쩔 수 없지만.

그러나 태양은 단지 흔하디 흔한 별이 아니라 주류에도 속하지 못한 별이다. 우리 태양계가 속해 있는 오리온 팔은 사실 은하계에서도 마이너에 속하는 작은 팔로 Local Spur (Spur - 가시나 돌기) 라는 더 굴욕적인 이름으로도 불린다. 이 작은 팔은 페가수스 팔에서 약 6500 광년 정도 떨어져 있다.

태양계가 우리 은하계에서 움직이는 속도는 은하 중심을 기준으로 초속 251 km (과거 220 km/s 였으나 새롭게 계산된 결과다) 로 사실 160초면 지구를 한바퀴 돌 수 있을 정도로 빠르지만 태양계의 크기와 은하계의 크기를 감안하면 정말 달팽이와도 비교되지 않게 느린 속도이다. 무려 1,190년 걸려야 1광년을 이동하는 속도니 말이다.

그래서 1 은하년 (Galactic Year : 은하계를 한바퀴 도는 시간) 이 무려 2억 2천 5백마년에서 2억 5천만년에 달하는 것이다. 지금까지 태양계가 생기고 나서 아마 20은하년이 지난 것으로 생각되며, 인간이란 미물(?) 이 생긴 것은 불과 1/1250 은하년 밖에 되지 않았다고 할 수 있다.

이렇게 설명하면 이제 은하계에서 태양계가 얼마나 평범하고 하찮은 존재인지 어느 정도 감이 잡히실 것이다. 그러나 우리 은하계 역시 우주에 존재하는 천억개 이상의 은하계중 흔한 것 중에 하나일 뿐이다. 솔직히 태양계에서 지구가 없어도, 태양계가 우리 은하계에 없어도, 우리 은하계가 우주에 없어도 전혀 표시도 나지 않을 것 같은게 현실이다. 하지만 그래도 지구는 우리 인류에게 무엇보다 더 중요한 천체이다.

3. 태양의 구조

태양의 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있다. 수소는 전체 질량의 74%와 부피의 92%를 차지하고 있으며, 혈륨은 질량의 24%와 부피의 7 %를 차지하고 있다. 이외에도 철과 니켈, 산소, 탄소 등 여러가지 미량물질들이 존재하는 것으로 보인다. 밀도는 지구의 1cm3당 5.52g에 대해서 약 1/4인 1.41g이다. 물론 주로 기체로 구성되었기 때문이다.

태양의 구조를 - 물론 직접 측정이 불가능하니 이론적인 부분이 많지만 - 설명하면 일단 내부의 핵(Core) 이 있고, 그 주변을 복사층 (Radiative Zone) 이 둘러싸고 있으며, 다시 그 위에는 대류층 (Convective Zone) 이 둘러싸고 있다. 그리고 그 위에 육안으로 보이는 광구 (Photosphere) 가 있는데 사실 이는 표면이기도 하면서 태양 대기의 일부이기도 하다.

핵 (Core)

: 태양의 핵은 태양 지름의 20% 정도에 해당되는 듯 한데, 그 온도는 대략 1500만도 정도로 생각되며 밀도는 150,000 kg/m3 에 달해 물의 밀도의 150배에 달하는 고밀도, 고온의 지역이다. 압력은 30억 기압에 달한다고 생각된다. 이 초고온, 고압의 힘으로 핵융합 반응이 일어나며, 이로 인해 태양이 빛나게 되는 것이다.

잠시 핵에 대해서 설명하면서 태양에서 일어나는 핵융합 반응에 대해서 설명하고자 한다. 흔히 알기로 태양 내부에서 발생하는 핵융합 반응은 4개의 수소 원자가 (실제로는 플라즈마 상태이기 때문에 원자핵과 전자가 분리된 상태이다. 그러니 정확히 말하면 수소 원자핵인 양성자 4개인 셈이다) 헬륨 원자 하나로 바뀌는 과정에서 물질의 일부가 에너지로 바뀌는 과정을 말한다.

좀더 자세히 말하면 이 반응은 양성자 - 양성자 연쇄반응 (proton - proton chain reaction) 으로 알려져 있다. 아래의 그림을 보면서 설명하자.

(Gamma Ray - 감마선, Neutrino : 중성미자, 그냥 뉴트리노라고 부르겠음.

Proton - 양성자, Neutron - 중성자,

Positron - 양전자, 이 물질은 전기량, 질량, 스핀 등 소립자로서의 속성은 전자와 같지만, 양의 전하를 가지는 입자로써, 한마디로 전자의 반입자이다. 전자와 만나면 감마선을 내놓으며 쌍소멸되어 없어진다)

그림의 첫번째 단계는 수소 원자핵 (양성자) 2개가 만나서 양전자 (Positron) 와 뉴트리노를 내놓으면서 양성자와 중성자 하나씩으로 구성된 중수소(D)가 되는 과정이다.

여기서 0.42 MeV 의 에너지가 나온다. 그리고 첫단계에서 나온 양전자는 전자와 만나 감마선이 되면서 쌍소멸 되고 에너지를 내놓는다.

다시 여기서 1.02 MeV 의 에너지가 나온다. 그 다음 단계에서는 첫단계에서 나온 중수소 원자핵이 양성자와 만나서 헬륨 3 가 되면서 감마선과 에너지를 내놓는 것이다.

이 단계에선 5.49 MeV 의 에너지가 나온다. 헬륨 3는 양성자 2개와 중성자 1개로 형성되어 있다. 이 단계까지 이르면 PP I, PP II, PP III, PP IV 의 반응을 거쳐 각자 헬륨 4 나 베릴륨/리튬 을 만들게 된다. 현재 태양 핵의 온도에서 주도적인 반응은 헬륨 4를 만드는 PP I 반응이며, 위의 그림에도 PP I 반응만 적혀있다. 즉 2개의 헬륨 3원자핵이 반응 2개의 수소와 1개의 헬륨 4를 만들면서 에너지를 만든다.

이 반응은 12.86 MeV 비교적 큰 에너지를 만든다. 이 PP I 반응은 태양 핵융합의 86%를 차지한다고 생각된다. 결국 수소 4개가 하나의 헬륨을 만들면서 생기는 총 에너지는 26.73 MeV 이다. 이는 수소 4개가 헬륨 1개가 되면서 0.7%의 질량을 소실하고 만드는 에너지이다.

아무튼 태양의 중심부에선 초당 3.4 × 1038 개의 양성자 (즉 수소 원자핵)가 헬륨 원자핵으로 바뀌면서 이때 생성되는 에너지로 태양이 빛나게 되는 것이다. (참고로 태양은 약 8.9 × 1056 개의 양성자가 있다) 이는 달리 말하면 태양에선 426만 톤의 물질이 매초 에너지로 바뀌고 있다고 생각된다.

 이는 3.83×1026 W 의 에너지를 생산하는 셈인데, 지구에 도달하는 에너지는 앞서 이야기 했듯 20억 분의 1도 안된다. 그러나 1시간 동안 지구에 도달하는 태양에너지의 양이 인류가 1년간 사용하는 에너지양에 맞먹는다.

하지만 한가지 재미있는 점은 태양 핵의 부피와 질량이 워낙 크기 때문에 이를 단위당으로 나누면 사실 에너지 발생량은 얼마되지 않는다는 점이다. 태양의 핵에서 발생되는 에너지가 입방 미터당 0.3 와트 (0.3 W/m3) 에 지나지 않는다는 점은 놀라운 일인데, 이것은 단위 면적당 에너지로 촛불 수준에도 미치지 못할 정도이기 때문이다.

태양 중심의 에너지를 밀도를 무게당 으로 나누면 더 한심한 지경에 이르는데, 이는 태양 중심의 밀도가 높기 때문이다. 즉 태양 핵에서 생산되는 에너지 밀도는 6 ?W/kg 에 불과한데, 인간의 몸에서 생산되는 에너지가 1.2 W/kg 에 달하는 점과 비교하면 터무니 없이 낮은 수치이다.

즉 태양의 질량이 크기 때문에 많은 에너지가 생기는 것 같아도 단위 면적당 나누면 얼마 되지 않는다는 것이다. 태양은 덩치에 비하면 아주 느리게 천천히 타는 물질인 셈이다. 이것은 인류를 위해 중요하다. 인간이라는 생명체가 탄생하기 까지 40억년 이상이 필요하기 때문에 태양이 천천히 타지 않고 빨리 타서 없어졌다는 지금 이글을 쓰는 필자나 읽는 독자나 모두 존재하지 않을 것이다.

하지만 그러면 대체 태양은 어떻게 그 높은 열을 유지한단 말인가? 여기서 내릴 수 있는 결론은 태양에너지가 내부에서 잘 보존되어 천천히 밖으로 새어나온다는 점이다. 즉 태양은 에너지를 잘 내뿜는게 아니라 잘 보존하는 물체인 것이다. 이는 태양 중심의 에너지가 밖으로 빠져 나오려면 두꺼운 복사층과 대류층을 건너 뛰어야 하는 문제가 있기 때문이다.

복사층 (Radiative Zone)

: 앞서 핵융합 반응에서 생선된 감마선 - 이 감마선은 높은 에너지의 광자(High energy Photon)이다 - 는 태양의 플라즈마에서 불과 몇 밀리미터밖에 전진할 수 없다. 따라서 이 감마선은 보다 낮은 에너지의 여러 광자 (Photon) 으로 바뀐 이후 태양의 표면으로 기나긴 여행을 시작한다. 이들은 평균 1만년에서 17만년 정도 여행을 해서 태양 표면에 도달하며, 일단 표면에 도달하면 가시 광선등의 형태로 8분 19초 만에 지구에 도달한다.

태양의 핵 주위의 복사층은 태양 반지름의 20%에서 70%에 해당하는 영역이다. 이 복사층은 밀도가 높고 온도가 높은 물질로 되어 있기 때문에 대류가 아닌 복사의 힘으로 에너지를 전달할 수 있다. 다만 69만 5천 km 에 달하는 태양 반지름의 절반 (대략 37만 km) 정도 되는 긴 길이 때문에 광자가 이를 통과하는데는 아주 오랜 시간이 필요하다.

대류층 (Convection Zone)

: 이 대류층은 태양 외곽의 30%에 해당하는 부분을 차지하고 있다. 이 영역에서 물질의 밀도와 에너지가 낮아져 직접 복사로는 에너지 전달이 잘 되지 않으며, 주로 대류를 이용해서 에너지가 전달되게 된다. 대류층의 위 부분에서는 온도가 급격히 낮아져 차가워진 물질이 하강하게 되며 하강한 물질은 복사층 근처의 뜨거운 열에 의해 다시 가열되어 상승하게 되므로 거대한 대류가 발생하게 된다. (아래 그림 참조) 대류권의 깊이는 약 14.5만 km 정도로 생각된다.

이러한 대류 현상은 표면의 광구에서 쌀알무늬 (Solar granule) 이 발생하는 원인이 된다.

4. 광구

광구 (Photosphere) 는 육안적으로 볼수 있는 태양의 표면이다. 광구 보다 깊은 곳은 가시 광선으로 볼 수 가 없다.

(광구의 모습)

태양은 기체로 이루어진 천체이기 때문에 광구 역시 기체 상태이다. 그 깊이는 약 수십 - 수백 km 정도라고 생각되며, 물론 주로 수소로 구성되어 있다. 이 수소 이온은 가시 광선을 잘 흡수하기 때문에 결국 우리가 태양의 깊은 곳을 볼수가 없는 것이다. 또 한편으로 우리가 보는 빛은 이 수소 이온이 내는 것인데, 스펙트럼을 분석한 과학자들은 수소 이온 말고도 다른 원소가 다량 포함되어 있다는 사실을 알았다. 당시 이 원소는 지구에서 발견되지 않았기 때문에 태양에만 있는 원소라고 하여, 태양신 헬리오스의 이름을 붙여 헬륨 이라 칭했다. (물론 나중엔 헬륨이 지구에서도 발견되었지만)

과거 교과서 등에서 태양이 완전 흑체에 가까운 물체라는 이야기를 들은 적이 있는 듯 하다 (기억은 가물가물 하지만) 태양의 표면은 받은 에너지를 모두 흡수하는 물체인 흑체 (Black Body) 에 가깝다. 이런 완전 흑체에 가까운 물질은 에너지 평형상태에서 흑체 복사를 할 경우 이 흑체 복사의 성질 (에너지, 파장) 으로 부터 흑체 내부의 온도를 알 수 있다. 결국 태양 광구를 관측하므로써 온도까지 알 수 있다는 것이다. 이는 태양 뿐 아니라 다른 항성의 온도를 측정할 때도 유용하게 사용된다.

(완전 흑체와 태양의 실측 에너지/파장을 비교함으로써 광구의 온도가 5777K 라는 사실을 알 수 있다, K는 Kelvin / 절대온도란 뜻이다)

물론 대략적으로는 태양의 표면 온도를 6000도 라고 이야기 하는데 실제로는 이보다는 약간 낮을 것으로 생각된다. (대충 5800K)

태양의 광구는 물론 기체로 되어 있는 부분이다. 그러나 대개의 원자들은 이 상태에서 원자의 형태를 완전히 유지하지 못하며, 실제로는 원자핵과 전자가 분리되는 플라즈마 상태로 있기 때문에 엄밀히 말하면 플라즈마 상태로 되어 있다고 말하는 것이 옳다. 이 플라즈마 상태의 물질의 밀도는 광구 표면에서 지구 대기보다도 낮다. 비록 태양의 중력이 표면에서 27.94 G (지구의 중력이 대충 1G)에 달하긴 하지만 뜨겁게 가열되어 팽창하기 때문에 밀도는 낮은 것이다.

광구에서는 쌀알무늬, 흑점, 홍염, 플레어등의 여러 현상이 일어난다.

쌀알무늬 (Solar granule)

: 앞서 대류권의 상승 기류로 인해 광구 표면에서 쌀알무늬 같은 무늬가 나타난다고 설명한 바 있다. 이 쌀알무늬는 상승 기류가 일시적으로 보이는 것에 의한 것이기 때문에 주위보다 약간 뜨거우며 (50 - 500K 정도) 몇분 내로 사라지게 된다. 대개 크기는 1000 - 5000 km 이다. 그러나 24시간 지속되면서 크기가 3만 km 이르는 super granule 이 나타나는 경우도 있다.

(북미 대륙과의 쌀알무늬 사이의 크기를 비교해보면 얼마나 거대한지 알 수 있다)

흑점 (Sunspot) 과 홍염 (Prominence)

: 흑점은 이미 갈릴레오 시절부터 관측된 태양 표면의 현상이다. 이 역사가 깊은 관측을 통해 과학자들은 태양이 자전한다는 사실을 알았을 뿐 아니라 태양 기후와 태양 활동에 대해서 중요한 정보들을 얻을 수 있었다.

(흑점의 크기는 지구보다 큰 경우도 많다. - NASA SOHO 미션에서 나온 사진)

흑점은 주변부 보다 온도가 낮아서 검게 보이지만 4000 - 4500K 정도의 고온 상태이다. 주변부 보다 온도가 낮아지는 메카니즘은 다음과 같다. 태양에서 발생하는 거대한 자기장의 활동으로 인해서 광구 밑의 대류가 억제되게 된다. 그러면 대류를 통해서 표면으로의 열전도 현상이 억제되기 때문에 온도가 떨어지고 검게 보이게 되는 것이다. 자기력의 세기는 100 - 4만 G (가우스) 정도로 생각된다. 아래 그림을 참조하자

(이렇게 흑점은 보통 두개의 극에 의해 쌍으로 나타난다고 할 수 있다. 그리고 자기장의 영향으로 광구 표면에서는 흑점이 발생하고, 그 위로는 자기장을 따라 고리처럼 나타나는 가스인 홍염 (Prominence) 를 보인다)