타코선, 대류권, 광구, 태양 내부에서 발생하는 소리파

타코선 (tacholine)

타코선은 복사권과 대류권의 경계를 말하는데, 타코선의 하층부에서 상층부로 올라갈수록 복사현상 보다는 액체의 성질에서 흔히 일어나는 대류현상이 더 짙어집니다. 이러한 액체 성질로 인해, 태양의 외부쪽으로 분출되던 플라즈마 가스의 속도에 변화가 생기게 되고, 태양의 자기장을 연장시키면서 집중시킬 수 있게 되는 것입니다. 따라서 태양의 자기장이 타코선에서 발생된다고 여겨집니다.

 

대류권(對流圈, convective zone)

복사권을 감싸고 있는 것이 대류권입니다. 핵에서 고온으로 데워진 가스들이 핵 바깥쪽으로 분출되어 나오는 과정 (복사권)에서 열을 빼앗기고 식어서 발생되는 것이 대류 현상인데, 대류현상이 일어나는 부분을 묶어서 대류권이라고 합니다.

대류권에서의 높은 온도가 유지되지 못하기 때문에, 태양에 포함되어 있던 탄소, 질소, 산소, 칼슘, 철과 같은 비교적 무거운 몇 몇 원소들이 전자들과 재결합하게 됩니다. 따라서 대류권에서는 가스가 완전히 이온화되어 있지 않으며, 에너지 전달 방식이, 복사와는 다른, 대류 현상이 일어나는 것입니다. 표면에서부터 약 183,000km까지의 깊이를 대류권으로 분류합니다.

 

 

광구(光, photosphere)

우리가 태양을 관찰할 때 보이는 것이 광구입니다. 태양의 제일 겉껍질에 해당이 되는 광구의 두께는 약 500km, 태양 전체 반지름의 약 0.1%에 해당됩니다. 빛이 발생되는 곳인 듯 보여서 광구라고 부르지만, 실제로는 핵에서 발생한 빛이 복사권과 대류권을 거친 후에 최종적으로 떠나는 곳이 광구입니다.

태양 핵의 온도(1천5백만K 정도)가 광구에서는 약 5,800K로 떨어지는데, 태양의 사진을 자세히 들여다 보면, 그냥 매끈하게 표면이 이루어진 것이 아니라 쌀알과 같은 작은 무늬가 광구를 뒤덮고 있는 것을 볼 수가 있습니다. 이것이 대류권의 대류현상 때문에 발생하는 쌀알무늬(granule)입니다.

 

물을 냄비에 끓이면 데워진 부분은 위로 솟구치고, 위에 있던 식은 물은 아래로 밀려 내려가듯이, 뜨겁게 달구어진 플라즈마 가스는 밀도가 낮아져서 위로 솟구치고, 외부에 열을 빼앗긴 플라즈마 가스 입자들은 더 이상 플라즈마 상태를 유지 못하고, 전자와 다시 결합해서 평범한 원자 상태로 식어서 밑으로 내려가게 됩니다. 식은 입자들이 모여 있는 곳은 상대적으로 어둡게 나타나기 때문에, 쌀알무늬의 테두리로 보이는 것입니다. 사실 말이 쌀알무늬지, 한 개의 너비가 보통, 서울에서 부산까지의 직선 거리인 300km 정도이며, 수명은 6분 정도라고 합니다.

 

쌀알무늬를 구성하는 원자들은 비록 최외각 전자들은 떨어져 나간 상태이지만, 들떠있던 전자들이 다시 원상태의 에너지 준위에 머물게 됨에 따라 빛을 방출하게 되고, 빛의 스펙트럼 조사를 해 보면, 가장 많은 원소는 역시 수소와 헬륨입니다.

 

 

태양 내부에서 발생하는 소리

대류권의 대류현상이 광구에서 만들어내는 신기한 현상은 쌀알무늬 외에도, 도플러 현상(Dopplers effect)으로 인한 태양 표면의 수축과 팽창의 진동이 있습니다. 도플러 현상에는 청색 편이 (blue shift)와 적색편이 (red shift)가 있는데, 청색편이는 광원이 관찰자와 가까워질 때 빛이 푸른색 쪽으로 약간 치우쳐서 관찰되는 현상이며, 적색편이는 멀어질 때 관찰되는 빛이 붉은색 쪽으로 약간 치우쳐서 관찰되는 현상입니다. 태양의 정면을 2차원의 평면으로 생각했을 때의 모습을 태양판(solar disk)이라고 한다면, 태양판에는 청색 무늬(팽창: 광원과 지구 사이의 거리는 줄어듬)와 적색 무늬(수축: 광원과 지구 사이의 거리는 늘어남)가 평균 5분 간격으로 교대로 나타나며, 또 태양판의 가장자리에서 보다는 중앙에서 더 뚜렷하게 나타납니다.

5분 진동이라고 불리는 이 현상은 태양의 전유물은 아니고, 가장 가까운 별들 중의 하나인, 알파 센터우리 (a Centauri) 별에서도 관측이 된, 주계열별에서 일어나는 현상입니다. 나중에 별들의 진화를 다루면서 자세히 언급하겠지만, 주계열별이라는 단어는 별들의 진화 과정에서 수소를 헬륨으로 바꿔주는 단계에 있는 별을 말합니다. 태양이 바로 그런 단계에 와 있죠.

 

하지만 핵융합을 통해 빛을 발생시키는 태양에서 어떻게 소리파가 발생하는가에 대한 의문이 생길 수 있는데, 소리파가 빛과는 달리 종파(압력파)임을 상기한다면, 대류권의 거대한 대류현상이 만들어내는 압력을 떠올릴 수 있고, 그 압력에 의해 소리가 발생한다는 것을 자연스럽게 납득할 수 있습니다. 폭포를 연상해도 됩니다. 거대한 물줄기가 떨어지면서, 그 압력으로 인해 굉음이 발생하는 것과 흡사한 현상입니다.

그렇게 발생한 소리파는 밀도가 현저히 낮은 광구에 맞부딪치면서, 각도에 따라서는 투과없이 내부로 모두 반사되고 맙니다. 이를 전반사라고 합니다. 일단 내부로 반사된 소리파가 급격한 온도의 증가를 겪으면서 속도가 증가하게 되고, 증가된 속도만큼 굴절이 된 소리파는 결국 광구로 되돌아 오게 되는데, 이렇게 태양의 내부에 사로잡힌 소리파들이 태양을 수십만 가지의 형태로 진동을 하게 합니다. 대략 진동의 높이가 50~100km 정도가 됩니다.

장파장의 소리는 깊숙이 반사가 이루어지기 쉽지만, 단파장의 소리는 광구 부근에서만 전반사가 이루어집니다. 물론 어떤 소리파들은 태양의 중심부를 관통하기도 하고, 어떤 소리파들은 곧 바로 광구로 되돌아오기도 합니다 이런 분야를 태양 지진학(Helioseismology)이라고 하는데, 태양에서 발생하는 소리파들을 연구해서 태양의 내부의 온도, 밀도, 구성 성분, 그리고 심지어는 비균일한 태양 자전에 대해서도 많은 정보를 얻고 있습니다