오로라가 생기는 원리

아이들의 성장 발달 과정 중 “왜” 공격이 시작될 때가 있다. “하늘은 왜 파래?”, “철은 왜 자석에 붙어?”, “전구에서는 왜 빛이 나?” 이 시기는 아이가 생활 속 과학에 호기심을 보이기 시작했다는 증거다. 아이들의 반짝이는 눈망울을 보고도 “하늘이 원래 파란 거지 왜가 어딨니?”라고 말할 것인가. 사소한 질문에도 과학의 원리를 척척 설명할 수 있는 똑똑한 부모가 되자.

아빠는 꿈이 뭐야?”
자신은 경찰관이 되고 싶다는 아들의 갑작스러운 질문. 굳이 꿈을 직업으로만 연결해 사고의 폭을 좁히고 싶지 않아서 ‘꿈’에 대해서 진지하게 생각해봤다. 그래, 맞아! 언젠가 꼭 해보고 싶었던 꿈이 떠올라 아들에게 말해줬다.

“언젠가 두 눈으로 오로라를 직접 보고 싶어. 그게 아빠의 꿈이야.”
“오로라 공주?”
“그래. 오로라 공주처럼 아름다운 오로라. 아빠가 말하는 건 북극이나 남극 밤하늘에 빛의 커튼이 하늘하늘 날리는 자연현상을 말하는 거야.”
“나도 책에서 본 적 있어. 근데 오로라는 왜 생기는 거야?”
오로라는 누구나 한 번쯤 실제로 보고 싶은 자연현상일 거야. 어떻게 해서 이런 아름다운 현상이 생기는 걸까? 원인은 태양 때문이란다.

“아들아, 오로라 말고 하늘에 생기는 아름다운 현상이 하나 더 있는데 뭔 줄 알아?”
“무지개야!”

그래. 무지개는 태양의 빛으로 생기는 거란다. 오로라는 태양의 폭발 덕분에 볼 수 있는 거야. 태양은 가스들이 모여 이뤄진 둥근 공 모양으로 생겼어. 그 가스는 엄청 뜨겁고 크고 작은 폭발을 계속해서 열과 빛의 에너지를 방출하지. 그것들은 지구나 다른 별에 영향을 주기도 해. 사실은 열과 빛 이외에도 눈으로는 보이지 않는 아주 작은 입자가 수없이 많이 나온단다. 그 입자들이 태양에서 부는 바람(태양풍)에 실려 지구로 오기도 해. 태양과 지구의 거리는 엄청 멀다는 건 알고 있지? 시속 150km의 기차로 약 1백14년 3개월이 걸리고, 사람이 걸어서 가면 약 4만2천70년이 걸려. 그런데 태양에서 나오는 입자들은 정말 빠른 속도로 지구로 온단다. 단지 4일밖에 걸리지 않아. 이 작은 입자의 정체는 자석의 힘을 가진 전자 혹은 전자와 비슷한 물질들이란다. 지구가 실제로 엄청 큰 자석이라는 건 지난번에 알려줬지? 남극은 N극, 북극은 S극에 해당된단다. 그래서 전자 입자들은 남극과 북극으로 대부분 모이지. 그 입자가 엄청난 속도로 지구의 대기권으로 들어가 공기와 딱! 부딪히면서 빛이 나게 되고 그것이 바로 오로라가 되는 거야. 오로라는 우리나라에선 볼 수 없고 남극이나 북극으로 가야 하는 이유지.

오로라는 브라운관 텔레비전의 원리와 비슷하기도 해. 브라운관에서 전기장과 자기장이 만나 여러 가지 색으로 변하게 만들고 우리는 그걸 영상으로 볼 수 있거든. 오로라의 색도 다양해. 빨간색도 있고 녹색도 있지. 오로라를 만드는 전자들이 대기 안에서 만나는 가스의 종류에 따라 결합돼 특별한 색을 내는 거란다.

오로라는 지구뿐 아니라 가스를 갖고 있는 목성과 토성에서도 볼 수 있어. 목성과 토성도 큰 자석으로 돼 있거든. 지구의 공기와는 다르지만 가스가 꽉 차 있으니까 작은 입자들이 가스와 만나서 빛이 나는 거지. 태양의 폭발로 날아오는 작은 입자는 아주 긴 여행을 하고 있는 셈이야.

우리가 가장 흔히 볼 수 있는 오로라의 색은 고도 60마일쯤에 있는 산소 원자에 의해 생성된 빛나는 황록색이라고 해. 높은 고도(약 200마일)에서 산소 원자는 드물게 모두 빨간색을 가진 오로라를 만들어내기도 한단다. 오로라의 밝기는 밤과 밤사이에 바뀌고 특히 새벽이 되기 직전에 가장 아름다운 오로라를 볼 수 있어. 태양에 흑점이 많을수록 폭발이 많다고 볼 수 있는데, 이 흑점의 수는 11년을 주기로 변하고 흑점 수가 최대였던 해가 1991년이었다고 하니 22년 후인 2013년 올해는 오로라를 쉽게, 또 많이 볼 수 있는 해란다. 계절로 보면 봄이나 가을에 많이 볼 수 있다고 해. 지금 당장 떠나면 오로라를 볼 수 있겠네!

참고로 무지개의 원리도 설명해줄게
태양으로부터 나오는 빛은 사실은 여러 가지 색이 혼합돼 있단다. 그 빛은 공기 중으로 반사되면서 색이 보이는 거야. 하늘이 파란 이유는 파란색의 빛이 많이 반사되고 있다는 뜻이야. 예를 들어 땅에 공을 떨어뜨리면 튕겨나가지? 그러나 그 공의 종류, 즉 럭비공인지 축구공인지 야구공인지에 따라 튕겨지는 방향이나 높이가 다 달라. 태양의 빛은 작은 물방울에 닿아도 방향에 따라 빨강은 빨강, 파랑은 파랑, 녹색은 녹색 등 이런 식으로 다르게 반사된단다. 빛이 빗물에 닿으면 반사되는 방향은 색에 따라 다르니까 무지개 색으로 아름답게 나눠진단다. 선생님이 가끔 학생들에게 “각 그룹별로 모여라”라고 하면 같은 그룹 멤버들끼리 나눠서 정렬하지? 무지개도 물방울을 통해 여기저기 흩어져 있던 빛 속의 색을 그룹으로 정렬한 거라고 생각하면 돼.

아빠에게 한마디
지구의 자력선도 구부리는 강력한 태양풍 오로라 이름의 유래는 로마 신화에 나오는 잠의 여신인 아우로라(Aurora)입니다. 전자나 양자 등으로 인해 부는 태양풍은 초속 500km라고 합니다. 위의 설명에서는 북극과 남극이라고 표현했지만 실제는 이 강한 태양풍이 지구의 자력선을 구부리기 때문에 태양풍의 강도에 따라 조금 빗겨나간 지점에서 발생합니다. 그래서 캐나다나 미국 북부 지역에서 오로라를 볼 수 있는 거죠. 태양풍은 엄청 많은 에너지 입자에서 생기기 때문에 지구의 자장에 부딪혀 구부러져 자기태풍이 발생할 때도 있습니다. 인공위성에 맞으면 내부 기기들이 고장이 나거나 해서 인공위성에는 최대의 천적입니다.

빛의 파장 고등학교 과학 시간에 빛의 파장 순서에 대해 들어보셨을 거예요. 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남, 보라. 빨강 쪽으로 갈수록 빛의 파장이 길어요. 보라색 쪽으로 갈수록 파장이 짧고요. 이것은 빛의 굴절 때문입니다. 실험실에서 사용하는 프리즘을 사용해 무지개를 설명하면 아이들이 잘 알아들을 수 있을 겁니다.

■기획 / 이유진 기자 ■글 / 서상수(한국전기연구원 선임연구원) ■일러스트 / 박채빈