태양 흑점과 자기장

태양의 특징 가운데 가장 두드러지는 것은 흑점이다. 큰 흑점들은 안개가 적당히 낄 때 맨눈으로도 관측할 수 있기 때문에 그 존재는 꽤 오래전부터 알려져 왔다. 실제로 중국과 우리나라에 오랜 기간에 걸친 흑점 관측 자료가 남아 있다. 가장 오래된 기록은 기원전 28년인 중국 한나라 때의 기록이다. 우리나라는 640년 고구려에 흑점을 의미하는 기록이 남아 있고, 1151년 고려에도 구체적인 흑점 기록이 남아 있다. 

하지만 정밀한 흑점 관측을 시작한 것은 17세기에 갈릴레오가 처음이었다. 그는 스스로 개발한 망원경으로 흑점을 관측하여 흑점이 태양 표면에서 이동하는 것을 관찰하였다. 갈릴레오는 흑점이 태양 표면 현상이며 적도 지방이 고위도 지방보다 빨리 돌고 있다는 결론에 도달했다. 1908년 미국의 천문학자 헤일은 흑점 내에 매우 강력한 자기장이 집중되어 있다는 것을 알아냈다.

흑점이 어둡게 보이는 이유는 주변 광구보다 온도가 낮기 때문이다. 흑점에 집중되어 있는 강한 자기장은 대류를 방해하여 흑점 지역으로 에너지를 충분히 전달하지 않는다. 정상적인 광구에서는 표면으로 더 뜨거운 하충부의 에너지가 대류를 동해 효과적으로 전달된다. 흑점은 중앙 임부와 주변의 덜 어두운 반 임부로 되어 있다. 중앙 암부는 온도 약 4,100 정도이며 자기장의 세기는 약 1.0000이다. 자기장은 중앙 암부에서 거의 수직 방향이고 반암부에서는 거의 수평이다. 반암부에서 방사상 모양의 필라멘트가 관측되는데, 이 에버셰드 흐름은 약 6107/5의 속도로 흐르고 있다.

어떤 흑점은 단일 극자 모양이고 어떤 것은 쌍극자 모양이다. 밀도가 주변에 비해 상대적으로 낮기 때문에 표면 아래에 있는 자기 다밭은 자기장의 부력을 받아 떠오르려 한다. 자기 다발이 떠올라 표면을 뜰고 올라오면 비로소 우리는 반대 극성을 갖는 흑점 쌍을 관측하게 되는 것이다. 흑점은 며칠에서 몇 주에 걸쳐 존재한다. 흑점의 수는 11년을 주기로 많아지기도 하고 적어지기도 한다. 흑점의 극대 기와 극소기를 거치는 주기성을 태양의 흑점 주기 혹은 태양 주기라고 한다.

흑점 주기, 즉 태양 활동 주기성은 지구의 오로라 발생 빈도를 포함하여 나중에 다룰 지자기 현상 발생과 상관관계가 매우 높다. 그뿐 아니라 지구의 기후가 보통 때보다 상당히 추웠던 몬더 극소기(1645~1715년)에는 흑점이 거의 없었는데, 이러한 사실은 흑점의 분포와 지구 기후에 관한 연구의 중요한 관측적 근거이기도 하다.

흑점은 100일 이상 살기도 하는데, 적도를 기준으로 남반구와 북반구 두 지역에 걸쳐 거의 대칭적으로 분포한다. 태양 주기가 시작할 때 흑점은 상대적으로 높은 위도에서 발생한다. 태양 주기가 진행되는 동안 발생하는 위치는 점점 적도 쪽으로 내려오게 된다. 이런 모양을 잘 나타내는 것이 나비도이다. 흑점은 극성 규칙을 보이는데, 흑점이 쌍인 경우 앞선 흑점의 극성이 태양 주기 동안에는 일정하게 유지된다. 반면 다른 반구에서는 앞선 흑점의 극성이 반대이다.