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계정을 잊어버리셨나요?

by 심백호 Mar 03. 2016

아주 흔하디 흔한.

태양에 관하여

우주에서 본 일출

아주 흔하디 흔한 친구가 있었습니다. 이 친구는 다른 친구들에 비해 덩치가 크지도, 그렇게 따뜻하지도 않은 친구입니다. 그냥 아주 평범한 친구에 불과했죠.

하지만, 그에게는 아주 큰 꿈이 있었습니다.

내가 살고 있는 온 세상을 좀 더 따뜻하게 만들자!

이 꿈은 사실상 실현 불가능했습니다. 세상에서 가장 뜨겁던, 가장 덩치가 크던 이것을 이루지 못했거든요. 단지, 그들이 살고 있는 주변 세상에만 영향을 미쳤을 뿐. 온 세상을 따뜻하게 만들지는 못했습니다. 그렇지만 포기하지 않고 계속 노력하고 노력하고 노력하고... 그 결과, 그 친구는 아주 값진 보석 하나를 얻을 수 있었습니다. 바로 '생명'. 그는 앞으로 세상을 살면서 이 보석을 아주 조심히 간직할 것입니다. 그 친구의 이름이 무엇이냐고요? 바로 '태양(Sun)'이라는 친구입니다.

태양(Sun)

기호:⦿
거리:149.6 ×10^6Km(149,600,000Km)
겉보기 등급:-26.74
절대 등급:4.83
평균 지름:1.392 ×10^6 Km (지구의 109배)
부피:1.41 ×10^18 Km^3(지구의 1,300,000배)
질량:1.9891 ×10^30Kg(지구의 332,946배)
표면온도:5,855K
핵의 온도:약 15MK(15,000,000K)
자전주기:25.38일(태양은 위도에 따라 자전 주기가 다릅니다.)
구성 원소:수소(73.46%), 헬륨(24.85%)이 거의 대부분!

*참고:2^3은 2의 세제곱을 뜻하므로 '8'을 나타냅니다.

한번 여러분의 어렸을 때로 돌아가 볼까요?

해님이 떠있을 때, 별들은 어디로 갔어요?

저뿐만이 아니라 대부분의 우리가 어렸을 때 했던 질문입니다. 그리고 꼬마 친구들이 저에게 많이 물어보는 것이기도 합니다. 그럴 때 가장 대표적인 대답은

1. 별님들은 졸려서 코~자러 갔어요!
2. 태양빛의 인터퍼런스(간섭)와 디스퍼젼(산란)으로 인해....
3. 해님이 너무 밝아서 별들이 빛 뒤로 숨었어요!

여기서 옳은 것은 무엇일까요?

여러분도 아시다시피 '3번'이 가장 정확한 설명입니다.(2번도 뭐... 맞긴 맞죠.) 참고로 저희 부모님께서는 '1번'으로 대답해 주셨습니다.

우리가 느끼는 가장 밝은 별,태양.

태양을 제외한 별 중에서 가장 밝은 별은 '시리우스'라는 별인데 시리우스의 겉보기 등급은 -1.46입니다. 하지만 태양을 포함시킨다면 어떨까요? 태양의 겉보기 등급은 -26.74로 우리가 하늘에서 볼 수 있는 천체 중에서 가장 밝습니다.(겉보기 등급은 숫자가 작을수록 별은 더 밝게 빛납니다.) 그렇다 보니 별은 항상 떠있지만 태양의 밝은 빛 때문에 우리는 낮에 별을 쉽게 볼 수가 없습니다.

이렇듯, 별은 우리에게 '낮'과 '빛'. '따뜻함'과 '날씨'를 만들어 줬습니다. 그렇다면 태양은 도대체 어떻게 우리에게 빛과 따뜻함을 줄 수 있었을까요?

구조와 원리

태양의 내부구조

우선 그 원동력이 무엇인지 살펴보기 전에 태양의 내부구조가 어떻게 되었는지 살펴보도록 하겠습니다. 크게 태양은 핵, 복사층, 대류층으로 이루어져 있습니다.

핵: 에너지 공장. 말 그대로 태양으로부터 방출되는 따뜻함, 빛의 에너지는 모두 핵에서 만들어진 에너지입니다.
복사층: 에너지가 생성되었다면 밖으로 전해주는 역할이 필요하겠죠? 이때, 태양의 온도 감소율이 그렇게 크지가 않다 보니 '복사'의 방법을 통하여 에너지를 전달합니다.
대류층: 중심부와 거리가 멀리 떨어져 있다 보니 복사를 통해 내부 에너지를 전달하기 힘들어집니다. 그 결과로 뜨거운 물질은 위로 상승하고 상대적으로 차가운 물질은 아래로 하강하는 '대류'가 발생하므로 대류권이라고 합니다.

저는 이 태양을 선물공장에 비유하고 싶습니다.

우선 핵은 '선물(따뜻함, 빛)을 만드는 공장'. 그리고 복사층은 '선물을 출구 근처까지 나르는 컨베이어 벨트'. 그리고 대류층은 '선물을 안전하게 배송해주시는 택배기사님들'. 그리고 이 선물들은 그대로 우주 속을 날아와 우리에게 기쁨을 선물합니다. 그렇다면 도대체 이 선물을 만들 수 있는 방법은 무엇이며 언제부터 선물공장은 움직이기 시작했을까요?

우선 첫 번째로 다룰 것은 선물을 만드는 법. 이것은 아인슈타인을 대변하는 식 하나로부터 비롯됩니다. 바로

E=mc^2

E는 생기는 에너지, m은 질량의 변화량. 그리고 c는 빛의 속력입니다.

아인슈타인의 상대성이론에 따르면(어려워 안 하셔도 됩니다! 왜냐하면 나중에 다룰 내용이거든요.) 어떤 물질이 다른 물질로 바뀌게 될 때, 감소한 질량에 비례해서 에너지가 방출됩니다. 대표적인 예로 수소 4개가 헬륨으로 바뀌는 '수소 핵융합 반응'을 들 수 있습니다.

수소 핵융합이 뭔데요?

여기서는 약간의 화학적 지식이 필요한데 바로 '원자량'입니다.

탄소로 구성된 석탄

우리가 글을 쓸 때나, 불을 땔 때 아주 많이 사용하는 물건들은 대부분 탄소로 이루어져 있습니다. 이때 탄소의 원자번호는 '6'인데 이때 6의 2배인 12라는 숫자는 탄소가 가지고 있는 양성자와 중성자의 총 개수를 뜻하기도 합니다.(대체적으로 원자번호가 작을수록 그 원자가 가지고 있는 양성자와 중성자의 수는 거의 일치하게 됩니다. 단, 탄소라고 무조건 12개 만을 가지고 있지많은 않습니다. 8개부터 22개까지. 다양하지만 대부분의 탄소원소는 12개의 양성자+중성자를 가지고 있는 것이죠.) 이때, 탄소원자 하나의 질량을 12라고 했을 때, 다른 원소의 상대적인 질량을 '원자량'이라고 합니다. 대표적인 예로 수소는 1.0008 헬륨은 4.003입니다. 그렇다면 이 원자량이라는 개념은 왜 수소 핵융합 반응을 이해하는데 필요할까요?

수소 핵 융합반응.

수소 핵융합 반응은 4개의 수소 원자핵이 모여 하나의 헬륨 원자핵으로 바뀌는 것인데 처음 수소의 원자량의 합은 4.032 정도로 추정됩니다. 하지만 높은 온도와 압력에서 이 4개의 수소 원자핵이 반응하게 되는데, 그 결과 1개의 헬륨 원자핵이 생기게 됩니다. 이때, 헬륨의 원자량을 측정해 보면 4.003이 됩니다.

0.029만큼 줄어들었네요!

네! 맞습니다. 아까 아인슈타인의 공식에 의하면 줄어든 0.029의 질량은 에너지로 바뀌게 되고, 이 에너지들이 모이고 모여서 우리가 태양으로부터 받게 되는 선물이 될 수 있었습니다.

이 선물공장은 46억 년 전부터 가동되기 시작했습니다. 그렇다면 이 선물공장은 곧 있으면 문을 닫을 것이라고 생각하실 수도 있습니다. 하지만 앞으로 50억 년 동안은 계속 가동이 된다고 합니다. 그러니 우리는 안심해도 될 거 같습니다.(자세한 내용은 '요람에서 무덤까지'를 참고해주세요.)

그럼 이번에는 한번 좀 더 태양에 가까이 가볼까요?

태양에서의 현상

(좌) 흑점과 쌀알무늬 (우) 쌀알 무늬의 생성 원인

지구에 지각이 있는 것처럼 태양에도 광구라는 것이 존재합니다.(지각은 고체, 광구는 기체로 이루어져 있습니다.) 가장 겉 표면을 일컫는 말인데 광구를 자세히 살펴보시게 되면 크게 2가지를 보실 수 있습니다. 바로 쌀알 무늬와 흑점입니다. 쌀알 무늬는 위의 그림에서 볼 수 있듯이 바로 밑에 있는 대류층에 의해 나타나게 됩니다. 상대적으로 뜨거운 상승 기체는 노랗게 보이고 에너지를 발산하여 차가워진 하강 기체는 상대적으로 어둡게 보이게 됩니다. 따라서 우리는 태양 겉표면의 쌀알 무늬를 관측할 수 있습니다.

그리고 흑점은 광구에 점처럼 보이는 곳들을 말합니다. 이 흑점들은 지구보다 작은 것도 있지만 큰 것도 있으며 대부분의 과학자들은 이 흑점을 보고 태양의 자전주기를 계산해 냅니다. 그 결과, 태양은 위도마다 자전 속도가 다른 것을 알 수 있었고 태양이 기체로 이루어진 천체라는 것을 알 수 있었습니다. 그리고 흑점은 평균 11년을 주기로 많아졌다가 적어졌다를 반복하는데, 태양의 흑점이 많다면 태양의 활동은 활발해지게 됩니다. 그리고 흑점 또한 빛을 방출하지만 주변에 비해 온도가 너무 낮다 보니 어둡게 보이게 되고 그것이 우리 눈에는 까만 점처럼 보이게 되는 것입니다.

흑점은 지구보다 작은것도 있지만 아주 더 큰것도 있습니다.

그럼 우리 흑점에 깃발 꽂고 와요!

음.... 그거는 좋지 않은 생각일 거 같아요. 흑점의 온도는 자그마치 4000K~5000K 정도 이거든요.

뭐.. 나중에 간단하게

태양의 방사선을 견뎌낼 수 있고, 태양풍을 견뎌내고, 아주 높은 온도에 녹지 않으며, 아주 밝은 빛으로부터 눈을 멀지 않고, 공중에 뜰 수 있으며, 태양의 아주 큰 중력에 맞설 수 있는 우주복과 깃발. 그리고 우주선이 개발된다면(그리고 우주비행사가 동의한다면) 가서 깃발을 꽂는 걸로 하죠.

그럼 광구가 아닌 다른 곳을 살펴보도록 할까요?

채층과 코로나.

태양의 대기라고 할 수 있는 채층과 코로나는 개기일식이 일어나야지 관측을 할 수가 있는데 요즘은 관측기술의 발달로 '코로나 필터'라는 것을 사용하면 개기일식이 아니더라도 관측할 수 있습니다.(안타깝게도 3/9일에 있을 부분일식에선 태양의 대기층을 관측할 수 없습니다. 이런...)

우선 채층을 살펴보게 된다면 위의 사진에서 보이는 낮고 붉은 대기층을 말합니다. 이 채층에서 관측할 수 있는 대표적인 현상이 스피큘입니다.(아마 몇몇 분들은 모 회사의 쿨o스를 생각하셨겠죠?)

톱날모양의 스피큘.

스피큘은 광구로부터 솟구쳐 오른 기체라고 생각하시면 되는데 마치 톱날처럼 생겼습니다. 이 기체는 광구로부터 3000~10000Km까지 솟구쳐 오릅니다.

그리고 상층 대기에 속하는 코로나는 태양의 표면온도보다 매우 높은 100만~300만 K 정도의 온도를 가지고 있습니다. 그렇다 보니 위의 사진에서 보시다시피 밝게 빛다는 대기층을 보실 수 있습니다. 코로나는 흑점이 많을 때는 위와 같이 관측되지만 흑점이 적을 때 관측하게 된다면 적도 쪽으로 부푼 코로나 대기를 관측하실 수 있습니다. 하지만 아직까지 코로나를 명확하게 설명해 주는 가설이 없기에 많은 과학자들의 관심을 끌고 있습니다.

코로나에서 관측할 수 있는 뜨거운 아름다움을 살펴보자면 태양의 홍염을 볼 수가 있습니다.

(좌) 태양의 홍염 (우) 짓 고과 홍염의 상대적인 크기 비교

많은 분들이 생각하시기에 '태양의 특징을 생각해봐라'라고 한다면 붉은 홍염을 생각하실 것입니다. 이것이 정확히 왜 발생하는지에 대해서는 아직 뚜렷한 증거는 없습니다. 하지만 많은 과학자들이 생각하는 그 원인은

펑!

폭발입니다. 홍염과 같은 현상은 흑점 주위에 발생하게 되는데 흑점 자체가 자기장의 방해를 받아서 온도가 낮아진 것입니다. 그렇다 보니 계속 에너지가 쌓이고 쌓이다 보면 어느 순간 그 한계점을 넘게 되었을 때, 쌓였던 에너지가 한 번에 방출되는 것입니다. 그렇다 보니 불꽃도 커지고 폭발적으로 발생하게 되는 것입니다.( 이것은 아직 가설에 불과하며 사실이 아닐 수도 있기에 100% 믿으시면 안 됩니다!)

그렇게 우리는 태양을 가까이서 보며 어떤 옷을 입었는지, 어떤 현상이 발생하는지에 대해 알 수 있었습니다. 그렇다면 마지막으로 태양의 이름인 'Sun'는 어떻게 생겼는지, 태양이 우리에게 보내는 경고는 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

이름의 유래

태양의 신, 라(Ra)-고대 이집트 신화

사실 태양(sun), 지구(earth), 달(moon)은 신화가 지어지기 전에 지어진 이름이다 보니 이름의 유래들이 신화에 근거하고 있지 않습니다. 그러나 지금까지에 영향을 미친 태양의 신들이 있는데 대표적으로 2명을 보자면 이집트 태양의 신 '라(Ra)'와 로마 신화의 태양의 신 '솔(sol)'이 있습니다.

'라'의 신화를 보면 최초의 혼돈의 바다인 '누'에 '벤벤'언덕이 하나 솟아올랐는데 그곳에서 최초의 신인 '아톰'이 스스로 태어났다고 합니다.( 참고로 원자를 영어로 하면 'atom'입니다.) 아톰이 가장 먼저 창조한 것은 바로 '빛'이 었는데, 이 빛이 태양의 신인 '라'가 되었다고 합니다.

(좌) 태양의 돛단배(우) 하늘의 여신 누트와 땅의 신, 게브.(누워있는 사람이 게브. 엎드린 사람이 누트.)

라에게는 돛단배가 있어서 하늘의 나일강인 은하수를 따라 하늘의 여신인 누트를 따라 가면 낮이 되고 땅의 신인 게브를 따라가게 되면 밤이 되었다고 합니다. 고대 이집트인들은 '해가 진다.'라는 것을 죽음으로 알았다고 합니다. 그래서 해가 뜨는 동쪽의 땅은 부활의 땅이며 해가지는 서쪽의 땅은 죽음의 땅이었습니다. 그래서 이집트 유적지를 가본다면 대부분의 피라미드나 무덤들은 나일강의 서쪽에 위치해 있는 것을 보실 수 있습니다. 이 '라'는 태양에서 나오는 빛을 뜻하는 '광선(Ray)' 속에서 태양의 돛단배를 타고 은하수와 함께 흐르고 있습니다.

고대 그리스, 로마 신화- 헬리오스(솔)

그리고 로마 신화의 '솔(sol)'은 그리스 신화의 헬리오스에 해당이 되는데, 그는 4마리의 말이 끄는 전차를 타고 새벽녘에는 동쪽에서 올라오고 저녁 무렵에는 다시 서쪽으로 내려가는 것을 반복했다고 합니다. 그에게도 파에톤이라는 아들이 있었는데 한 번은 아들이 '전차를 타고 싶다'고 합니다. 처음에는 거부를 했지만 결과적으로는 파에톤이 전차를 끌게 됩니다. 하지만 그 행복도 잠시. 파에톤이 전차를 타고 아주 큰 사고를 내서 제우스가 번개로 아들을 죽였다고 합니다.( 제우스 ...) 이 슬픔으로 헬리오스는 며칠 동안 전차를 움직이지 않아서 긴 암흑의 시간이 계속되었다고 합니다.(밤이 계속되는 '극야 현상'일 수도 있겠네요!) 나중에 다른 신들이 간곡히 부탁해서 다시 전차를 끌었지만요.

비록 태양의 이름에는 들어가지 않았지만 Solar(태양의), Solar system(태양계)이라는 단어 속에 그의 이름이 들어가게 됩니다.

우리에게의 경고

태양은 우리에게 선물을 주기도 하지만 어떨 때는 아픔을 주기도 합니다. 바로 '태양풍'이라는 것인데 태양풍은 방사선물질로 이루어져 있다고 생각하면 쉽습니다. 그 방사능은 우주를 날아서 지구까지 도달하게 됩니다. 하지만 지구가 가지고 있는 자기장은 우리를 이 태양풍으로부터 지켜주게 됩니다. 하지만 11년 주기로 태양의 활동이 활발해짐에 따라 이 자기장을 뚫고 지구 안까지 들어오게 될 수 있습니다. 그렇게 되면 휴대폰이나 가전제품이 먹통이 되는 '델린저 현상'이 발생하게 되는데 전파가 터지지 않으며 가전제품이 고장 나기도 하고 심할 경우는 인공위성이 오류가 난다던가, 국제 우주정거장인 ISS에 있는 사람들이 모두 긴급대피를 해야 되는 경우까지도 가게 됩니다.

저는 이 아픔이 경고일지도 모른다고 생각합니다. 과학과 기술의 발전이 있음에 따라 사람들의 생활수준이나 위생은 발전했지만, 밝은 부분이 있으면 어두운 부분이 있듯이 과학과 기술은 우리의 환경을 파괴한 주원인이기도 합니다. 지구를 자식으로 거느린 태양은 자신의 자식이 아파하고 죽어가는 것이 싫기에 우리 인류에게 경고를 보내며 '더 이상 때리지 마라.', '지구를 살려다오.'라는 말이 그가 보내는 태양풍 사이사이에 그의 메시지를 실어 보냈을 것입니다. 인류는 그 메시지를 들었기에 점차 환경을 보전하는 것, 서로 공존하는 것. 그리고 과학과 기술을 다시 환경을 살리는데 쓰고 있습니다. 그렇기에 우리는 언젠가는 당당하게 말하고 싶습니다.

더 이상 지구는 아프지 않습니다.

평범한 그에게는 원대한 꿈이 있었죠. 바로 '온 세상을 따뜻하게 만들자.' 사실상, 이 꿈은 실현 불가능했기에 누구도 그가 그 꿈을 이루리라고는 생각하지 못했습니다. 하지만 그는 좌절하지 않고, 넘어지더라도 다시 일어나서 자신의 빛과 따뜻함을 밝혔으며, 얻은 자그마한 보석. '생명'을 조심히 간직하고 아끼었습니다. 그 결과, 인류는 '지식'이라는 힘으로 그들의 고립된 섬을 넓혀 나가고 있습니다. 앞으로도 태양은 좀 더 따뜻한 세상을 위해 포기하지 않을 것입니다.