무한한 혜택: 태양 에너지 시스템

Sun Energy

Jun 29. 2025

이번 시간에는 가장 가까운 천체 '태양'에 대해 알아보겠습니다. 태양은 누구나 매일 보는 가장 친숙한 천체로 인류가 탄생하기 전부터 지구에 무한한 빛과 열에너지를 공급해 왔습니다. 지구에 생물이 존재할 수 있는 것도 태양의 빛이 있기 때문이라고 할 수 있습니다. 지구는 '기적의 행성'이라고도 불리는데, 사실 태양도 단순한 '불타는 별'이 아니라 매우 정밀하게 조정된 기적의 별이라고 할 수 있습니다. 이번에는 한 걸음 더 나아가 태양의 메커니즘에 대해 설명해 보겠습니다.

**태양의 기본 사양(Speculation, *1, 2, 3)**

표면 온도 : 약 5800도 K (켈빈) (= 약 5500℃)

반경 : 약 70만 km (킬로미터) (지구의 약 109배)

부피 : 약 141경(1.41x10^18)km^3 (입방킬로미터) (지구의 약 130만 배)

질량 : 약 1.99x10^30 kg (킬로그램) (지구의 약 33만 배)

평균 밀도 : 약 1.4 g/cm^2 (지구의 0.26배) 광도: 약 3.86x10^26 W (와트)

대략적인 태양의 기본 정보입니다. 이미 알고 계신 분들도 많으실 거라 생각합니다.

태양의 단면도

일반적으로 잘 알려져 있지 않지만, 태양의 내부도 지구의 내부와 마찬가지로 여러 층으로 나뉘어져 있는데, Figure 3에 그려진 것처럼 중심에는 태양핵(Core)이 있고, 그 바깥에는 복사층(Radiative zone), 그 바깥에는 대류층(Convective zone), 그리고 우리가 볼 수 있는 표면(Surface)으로 구성되어 있습니다. 그리고 표면의 우리가 볼 수 있는 부분을 광구(Photosphere)라고 부릅니다.

태양핵(Core)은 중심에서 태양 반경의 20% 정도의 영역을 차지하고, 그 바깥쪽의 복사층(Radiative zone)은 중심에서 반경의 20%~70% 정도의 영역을 구성하며, 그 바깥쪽에 있는 대류층(Convective zone)은 중심에서 반경의 70%~100%까지의 영역을 구성합니다. 태양 표면을 구성하는 광구(Photosphere)는 두께가 태양 반경의 0.1%도 되지 않지만, 그럼에도 불구하고 300~600km의 두께를 가진 구조입니다.

태양 내부의 온도

태양 표면의 온도가 약 6000도라는 것은 잘 알려져 있지만, 내부 온도는 어느 정도일까요? 태양 중심부터 표면까지의 온도 그래프가 Figure 4에 나와 있는데, 태양 중심부의 온도는 1500만도 이상으로 표면의 1000배 이상 고온입니다(*4). 그리고 그래프를 보면 알 수 있듯이 10000도 이하인 것은 태양 표면뿐이고 내부는 대부분 10만도 이상의 고온입니다.

태양 내부의 상태 = 제4의 상태 '플라즈마'

우리가 살고 있는 지구의 환경은 보통 1기압[1 atm], 실온 20도 정도[약 300 K]가 자연 상태입니다. 지구상의 일반적인 물질의 상태는 '고체(Solid)', '액체(Liquid)', '기체(Gaseous body)' 3개의 상태 중 하나에 해당합니다. 이에 비해 태양의 내부는 온도 10000도 이상, 기압도 10000 atm 이상의 환경입니다. 이러한 고온 상태에서는 원자의 운동이 너무 격렬하여 원자핵과 전자가 분리되어 버립니다(Figure 5).

이러한 상태를 고체/액체/기체 어느 쪽에도 속하지 않는 상태 '플라즈마(Plasma)'라고 부릅니다. 매우 높은 온도나 일정한 조건에서 물질은 플라즈마 상태가 되어 빛을 발산합니다. 우리 주변에서는 불꽃의 내부나 형광등에서 그 현상을 볼 수 있으며, 자연 현상으로는 오로라가 플라즈마 발광 현상으로 알려져 있습니다.

태양은 어떻게 에너지를 만들어 내는가?

태양은 핵융합을 통해 에너지를 생산하고 있다는 것은 잘 알려져 있지만, 그 주요 반응은 양성자-양성자 연쇄반응(Proton-proton chain reaction, *5)이라고 불립니다. 실제로는 Figure 6A에서 보는 바와 같이 양성자(1H: 수소 원자핵: proton)와 양성자가 핵융합을 일으켜 중수소(2H: 양성자 1개와 중성자 1개가 결합된 수소, Deuterium)가 생성됩니다. 이때 동시에 1.442 MeV(메가전자볼트)의 에너지(광자: photon)와 중성미자가 방출된다.

또한 중수소(2H)는 양성자와 핵융합하여 헬륨-3(3He: 일반 헬륨4보다 중성자가 하나 적은 헬륨-3)를 생성하고, 5.494 MeV의 에너지가 방출됩니다(Figure 6A 중단). 그리고 헬륨-3가 반응하면 헬륨 원자핵(4He)과 양성자(1H) 한 개가 생성되며, 동시에 12.86 MeV의 에너지가 방출됩니다.

이렇게 4개의 양성자에서 1개의 헬륨 원자핵이 생성되는 핵융합 반응에 의해 에너지가 생성됩니다. 두 개의 양성자 이 반응이 우리 인류가 태양으로부터 얻는 에너지의 핵심입니다. 이 외에도 에너지를 생산하는 반응은 많이 존재하지만, 여기서는 주요한 반응 외에는 생략했습니다.

태양은 대폭발하지 않는가?

태양이 '핵반응'으로 에너지를 생산하고 있다고 하면, "반응이 한꺼번에 가속되어 대폭발하지 않을까?"라고 생각하는 사람도 있을 것입니다. 그래서 태양의 핵반응 주기에 대해 설명하겠습니다.

Figure 6B가 태양의 핵반응 사이클입니다. 그림 상단과 같이 '핵융합이 일어나 에너지가 생산된다'고 가정합니다. 그러면 다음 단계로 '온도 상승/압력 상승'이 일어납니다. 이에 따라 '태양 내부의 부피 팽창(Volume Expansion, Figure 6B bottom)'이 일어납니다. 그러면 팽창에 의해 '온도 저하/압력 저하'가 일어납니다. 그러면 '온도 저하'에 의해 '핵반응이 억제되는' '부정적 조절(Negative Feedback)'이 작용합니다.

이 사이클을 정리하면 '핵반응이 진행되면 팽창에 의해 온도가 낮아져 핵반응이 억제되고, 핵반응이 억제되면 팽창이 적어 온도 저하가 억제되어 핵반응이 진행되기 쉬워진다'는 식으로 '핵반응이 너무 진행되면 억제도 커지고, 핵반응이 적으면 억제가 적어진다(반응이 진행됨)'는 절묘한 조절 메커니즘이 작용합니다. 따라서 "태양은 핵반응 제어 시스템에 의해 안전하게 유지되고 있다(안전 메커니즘)"고 말할 수 있습니다.

태양은 다 타버리지 않는가?

태양이 방출하는 에너지(382x10^24 J/s)는 1초당 휘발유 5000조 리터 이상에 해당합니다. ⧏33⧐ second ⧏35⧐ 초당 ⧏34⧐ "그 정도의 에너지를 초당 방출한다면 태양의 에너지가 고갈되지 않을까?"라고 걱정하는 분들도 있을 것입니다. '라고 걱정하시는 분들도 계실 겁니다. 이에 대해서도 설명해 드리겠습니다.

태양의 핵반응률(Nuclear reaction rate)은 사실 그렇게 높지 않다고 말할 수 있습니다.

Figure 7A에 중수소(2H: Deuterium)와 삼중수소(3H: Tritium)의 반응 속도와 온도의 관계를 나타낸 그래프가 표시되어 있습니다. 이 그래프에서는 가로축(위쪽)에 온도가 표시되어 있는데, 태양 중심부의 온도는 1500만K 이상의 고온임에도 불구하고 이 그래프에서는 가장 왼쪽의 낮은 부분에 해당합니다.

그래프에서는 태양의 핵융합으로 나오는 중수소와 중수소 등의 반응속도를 보여주고 있는데, 세로축의 '반응단면적(cross-section)'을 보면 '10^-32 (10의 마이너스 32승)'을 밑돌아 반응속도가 매우 낮다는 것을 알 수 있습니다. 매우 낮다는 것을 알 수 있습니다. 실제로 양성자(H: 수소 원자핵)가 반응하는 비율은 태양 중심부에서도 '초당 10^18개에서 18개' 정도의 비율로 반응합니다.

태양 중심부는 1570만도 K, 압력은 2400억 기압이라는 고온, 고압의 환경인데도 불구하고 핵반응률이 왜 그렇게 낮은지, Figure 7B가 양성자(수소 원자핵)가 접근했을 때의 모습입니다. 태양 내부의 원자는 '플라즈마 상태(*6)'이기 때문에 전자와 원자핵이 분리되어 있고, 원자핵도 노출된 상태로 존재합니다. 그러면 양성자는 양전하를 띠고 있기 때문에 어느 정도 거리가 가까워지면 '전자기력에 의한 반발력'이 작용해 서로 부딪힐 수 없습니다. "물질에 작용하는 기본적인 힘"에 대해 더 자세히 알고 싶으신 분은 지난 글(*7)을 참고하시기 바랍니다.

위와 같은 핵반응률로 계산하면 태양의 수명은 약 100억 년으로 추정됩니다. 탄생 후 약 46억 년으로 알려져 있지만, 고갈될 걱정은 전혀 없어 보입니다. 이렇게 보면 '태양은 핵융합의 관점에서 보면 반응률이 낮은 온도대에서 활동하고 있다', '태양은 낮은 반응률로 고효율로 에너지를 생산하고 있다', '태양은 안전한 에너지 절약형 핵융합로'라고 말할 수 있을 것 같습니다.

태양핵의 에너지는 너무 강해서 지구에 해를 끼치지는 않을까?

핵융합 반응의 중심인 태양핵(Solar core)에서는 항상 엄청난 에너지가 계속 생산되고 있습니다. 여기서 생산되는 에너지는 Figure 6A에서 보는 바와 같이 1~10MeV(10,000,000 전자볼트)의 고에너지입니다. 태양광 중 에너지가 강한 자외선(UV)의 에너지가 1~10eV 정도이므로 중심부의 빛의 에너지는 100만 배 이상 강한 것을 알 수 있습니다. 만약 이 강도의 빛이 지구에 내리쬐면 며칠 안에 생명체가 멸종할 정도로 강한 빛입니다. 그렇다면 이 문제는 어떻게 해결될까요?

우선 '플라즈마 상태'에서는 그림 5 왼쪽과 같이 에너지(빛: photon)는 원자핵이나 전자와 간섭을 일으켜 똑바로 날아갈 수 없습니다. 중심에서 방출된 광자(photon)가 태양 반경 70만 km를 가로질러 태양 바깥쪽으로 나가려고 할 때, 단순히 직진할 경우 약 2초 만에 표면에 도달할 수 있습니다. 하지만 실제로는 다양한 입자와 부딪히며 무작위로 방향을 바꾸기 때문에 그림 8 왼쪽과 같이 언제 표면에 도달할 수 있을지 알 수 없습니다.

무작위로 튕겨져 나가기 때문에 언제까지나 표면에 도달하지 못하는 광자도 존재할 것으로 생각됩니다. 이를 시뮬레이션하여 태양 중심부에서 발생한 광자가 태양 표면에 도달하는 데 필요한 시간을 계산한 것이 그림 8 오른쪽 그래프입니다(*8). 그래프의 왼쪽 끝(태양 중심)에서 오른쪽 끝(태양 외곽)까지의 시간이 세로축으로 표시되어 있습니다. 이에 따르면 중심부의 빛이 표면에 도달하기까지의 시간은 약 20만 년(!) 걸리는 것으로 계산됩니다. 이를 통해 '태양 중심부의 매우 강한 에너지가 표면에 직접 도달할 가능성은 거의 없다'고 말할 수 있습니다.

그리고 또 하나의 벽은 태양 표면의 '광구(Photosphere)'라는 층이 장벽이 됩니다. 이 층은 앞서 언급했듯이 온도는 약 6000K로 내부에 비해 매우 낮은 온도로 유지되고 있습니다(그림 8 왼쪽). 그리고 태양의 반경으로 보면 0.1%도 되지 않지만, 두께가 300~600km에 달해 내부에서 오는 고에너지 광자를 차단하기에 충분한 두께를 가지고 있습니다. 이러한 메커니즘을 통해 '중심부의 강력한 에너지가 외부로 방출되는 것을 막고', '지구에 생명체가 존재할 수 있는 적당한 온도와 빛을 제공하는 것'이 가능해졌습니다.

태양의 특징 정리

표면은 약 6000도K이지만 중심부는 1500만도K 이상 　

지름은 지구의 약 100배, 질량은 약 33만 배 　

주된 반응은 양성자-양성자 연쇄에 의한 핵융합 　

핵융합에서 1M(10^6)eV 이상의 고효율 에너지 생성 　

핵융합은 '음의 조절'에 의해 안정화(안전 메커니즘) 　

핵융합적으로는 '저온 가동'으로 안정적(안전 메커니즘) 　

핵반응률은 매우 낮은 확률(에너지 절약 메커니즘) 　

플라즈마 상태에서 고에너지가 직접 외부로 나가지 않음(안전 메커니즘) 　

표면의 Photosphere층에 의해 한층 더 강한 방사선을 차단(안전 메커니즘) 　

태양의 수명은 약 100억년(초지속형 연료로)

다시 한 번 태양이 에너지를 만들어내는 메커니즘을 알게 되면, 태양이 단순히 타는 것뿐만 아니라 '핵융합에 의한 고효율 에너지 생성 메커니즘', '대폭발을 일으키지 않는 안전 메커니즘', '100억 년 동안 지속 가능한 에너지 절약 메커니즘', '지구 생명체에 안전한 출력 조절기'라는 것을 알 수 있습니다.

인류의 문명과 문화에 미친 태양의 영향

지금까지 다양한 문명이 발견되어 왔지만, 어느 문명에서나 태양은 벽화나 유적에 그려져 있습니다. 자연이 중심이었던 고대 문명에서 태양의 영향력은 지금보다 더 컸다고 할 수 있습니다. 인공물이 적었던 당시에는 태양의 방향이나 태양의 고도 등이 위치나 달력을 결정하는 중요한 기준이었음을 과거 자료들을 통해 알 수 있습니다. 그리고 태양은 점성술이나 다른 점성술에서도 중요한 의미를 가지고 있음은 두말할 나위가 없습니다.

태양이 인류에게 가져다 준 것

문명적 영향 이전에 태양이 없으면 적외선이 지구에 도달하지 못해 열이 없다. 영하 200도 이하의 극한의 별에서 생명체가 탄생할 수 없었을 것이다. 또한 빛도 없으니 낮도 밤도 없는 암흑의 행성이었을 것으로 생각됩니다. 즉, 애초에 태양의 중력이 없었다면 지구의 재료가 되는 물질이 모이지 않아 지구라는 행성조차 탄생하지 못했을 것입니다. 이를 고려하면 온도, 빛, 대지, 대기, 모든 생명체가 모두 태양의 존재로 유지되고 있음을 알 수 있습니다.

태양의 역할

지금까지 매우 과학적인 관점에서 태양의 구조/핵융합 반응/안정적으로 지속되는 메커니즘 등을 자세히 살펴보았습니다. 태양은 우주 탄생부터 별과 은하가 형성되는 과정에서 순수한 자연현상으로 형성된 항성 중 하나입니다. 순수하게 우주 물리학과 양자역학 법칙에 따라 형성된 자연 천체입니다. 그러나 핵반응의 안정성과 항상성, 출력의 제어, 생명체에 대한 안전 메커니즘이 우연이라고 생각하기 어려울 정도로 치밀하게 제어되고 있습니다.

비과학적인 관점에서 보면 "태양은 생명체가 생존할 수 있는 환경을 유지하기 위해 존재하는 것이 아닐까?"라는 생각이 들 정도로 정교한 조화를 이루고 있습니다. 물론 위의 그래프에서 보듯이 '양성자 간의 핵반응', '빛의 성질', '기압과 열의 관계' 등 모든 것이 자연계의 법칙을 따르고 있습니다. 하지만 '왜 그 온도에서 핵융합이 일어나는지', '왜 수천도에서 원자구조를 유지할 수 없는지', '왜 전자기력이 중력보다 강한지', '왜 빛에 질량이 없는지', '왜 전자가 양성자보다 작은지' 등은 더 이상 밝혀지지 않는 부분이 있습니다.

왜냐하면 '그런 자연계의 법칙이 정해져 있기 때문에'라는 부분은 더 이상 밝혀낼 수 없기 때문입니다. 그렇다면 "그 법칙은 누가 결정한 것인가?" "그렇게 우주를 창조한 사람은 누구인가?" "이 우주를 창조한 사람이 있다면 태양을 만들고 싶었던 걸까, 아니면 인간을 만들고 싶었던 걸까?" 라는 의문이 생길 수 있습니다. 그 질문은 과학의 영역에서는 다룰 수 없습니다. 왜냐하면 '물질에 의해 물질을 해명하는 학문이 형체가 있는 것의 학문, 즉 형이상학=과학'이기 때문에 형체가 생기기 전의 일은 다룰 수 없기 때문입니다. 우주가 생기기 전, 즉 '형태가 생기기 전, 형태가 없는 영역'을 다루는 학문인 형이상학의 영역이 됩니다.

과학을 기반으로 한 사고방식으로는 '먼저 태양이 생기고 우연히 지구가 형성되어 기적적으로 생명체가 탄생하고 인류가 번영했다'는 것이 통설일지도 모릅니다. 하지만 형이상학적 관점에서는 '먼저 우주라는 토대를 만들고, 태양을 만들고, 지구라는 무대를 마련하고, 최종적으로 인간을 만들었다'는 관점도 있을 수 있습니다. 그리고 기적적인 지구와 인류의 탄생도 '시나리오대로' 이루어진 것일지도 모르겠습니다.

어쨌든 태양은 모든 신화에 등장하며 신격화되어 있는 존재입니다. 수명이 있다고는 하지만 인류의 시간으로 보면 영원하다고 할 수 있을 만큼 오랫동안 지구를 지켜왔고, 무한하다고 할 수 있을 만큼 엄청난 에너지라는 혜택을 제공해왔습니다. '항상 마음에 태양을 품어라'라는 말은 18세기 미국의 저명인사 벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin, *9)의 말이며, '어려움을 예상하지 말라. 결코 일어나지 않을지도 모르는 일에 마음을 괴롭히지 마라. 항상 마음에 태양을 품어라. '라는 말을 전하고 있습니다. 명상에서도 항상 마음속에 태양이나 신격화된 존재들을 떠올리고 있다면 모든 근심걱정을 태워버리고 긍정적인 마음을 계속 불태울 수 있을 것 같습니다.

저자: Takuma Nomiya 노미야 타쿠마、번역: Minaa Sim 심민아

Profile

Takuma Nomiya

MD, PhD, Meditation/Metaphysics Guide

의학박사, 명상・형이상학 가이드

임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거 중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.

Takuma Nomiya

Medical Doctor, Tokyo, Japan - 인용 횟수 1,222번 - Oncology - Biology - Physics - Metaphysics - etc.

https://scholar.google.com/citations?hl=ko&oi=ao&user=DGtJE_kAAAAJ

출처

無限の恩恵：太陽のエネルギーシステム｜NEW LIFE

今回は最も身近な天体「太陽」に注目していきます。太陽は誰もが毎日目にしている最も身近な天体で、人類が誕生するよりも前から地球に無限の光と熱エネルギーを与え続けてきました。

https://note.com/newlifemagazine/n/n19ba0f093c00

인용문헌

*1. The Sun-factsheet. NASA.

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html

*2. Eddy, J. A. (1979). A new sun: the solar results from SKYLAB (Vol. 402). Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration.