천문학자들이 처음으로 지구의 초고층대기에서 폭이 1,000km에 달하는 강력한 플라즈마 허리케인을 감지했습니다. 이 현상은 ‘우주 허리케인’이라고 불리는 현상입니다. 지구의 낮은 대기층에서의 허리케인은 잘 알려져 있지만, 초고층 대기에서는 한번도 감지된 적이 없었습니다.
그동안 천문학자는 낮은 대기권의 지상에서 발생하는 허리케인과 비슷한 허리케인을 화성과 목성, 토성에서 발견한 바 있었는데요. 태양 대기 깊은 곳에서 엄청난 형태로 소용돌이 치고 있는 태양가스로 이뤄진 태양 토네이도(solar tornadoes)라 불리는 현상도 존재합니다. 하지만 우리 태양권 행성의 초고층 대기에서 허리케인이 보고된 것은 처음입니다.
허리케인은 강력한 에너지와 물질 이동과 관련돼 있기 때문에 만약 지구 초고층 대기에 허리케인이 존재한다면 그것은 격렬하고 효율적으로 태양풍과 자기권 에너지와 운동량을 지구의 이온층으로 전달해야 합니다. 중국 산둥대학교(Shandong University) 연구진이 이끄는 국제연구팀은 2014년 8월 20일 약 8시간 동안 북극에서 휘몰아치던 우주 허리케인을 관측한 인공위성의 데이터를 분석했는데요. 극도로 조용한 지자기 상태에도 불구하고 극전리층과 자기권에서는 놀라울 정도로 큰 에너지와 운동량 침착(momentum deposition)을 보였습니다. 이 분석을 통해 연구진은 북극의 수백 km상공에서 물 대신 전자를 쏟아내는 소용돌이 치는 플라즈마 덩어리의 3D 이미지를 만들 수 있었습니다. 참고로 플라즈마는 지구 대기를 포함한 모든 태양계에서 발견되는 이온화 가스를 말합니다.
자력선은 뒤엉켜 있었고 태양풍이 빠르게 부는 이 허리케인은 육안으로 볼 순 없었지만 북극을 지나는 기상 위성이 전형적인 육상의 허리케인과 다른 형태의 허리케인을 감지했습니다. 우주 허리케인은 반시계방향으로 도는 플라즈마의 나선팔로 둘러싸여 있고, 중앙에 조용한 ‘눈’을 가진 깔때기 모양의 형태라고 하는데요. 참고로 이렇게 육상의 허리케인과 유사한 특징 때문에 연구진은 이를 비유적으로 ‘우주 허리케인’이라고 명명했다고 합니다.
이번 연구의 주요 저자이자 산둥대학교의 Qing-He Zhang 교수는 “이러한 특징들은 우주 허리케인이 크고 빠른 에너지 축적과 끊임없는 변화가 극 전리층으로 이어짐을 나타낸다”며 “그렇지 않다면, 극도로 조용한 지자기 상태는 현재의 지자기 활동 지표가 지자기관측소보다 더 극쪽을 향하는 우주 허리케인 내의 극적인 활동을 제대로 나타내지 못한다는 걸 암시하는 것”이라고 설명합니다.
이번 연구의 공동 저자인 영국의 레딩대학교(University of Reading) 우주과학자인 Mike Lockwood는 “지금까지는 우주 플라즈마 허리케인이 존재한다는 것조차 불확실했기 때문에 이렇게 놀라운 관측으로 이를 증명하는 건 놀라운 일이다”라고 밝혔는데요. 이어 “열대폭풍은 엄청난 양의 에너지와 관련돼 있으며, 이러한 우주 허리케인은 태양풍 에너지와 하전된 입자들이 지구의 초고층대기로 비정상적으로 크고 빠르게 이동하며 생성되어야 한다”고 설명합니다.
허리케인의 3D 모델을 사용해 연구진들은 이러한 우주 허리케인 형성이 지구로 들어오는 태양풍(태양이 주기적으로 방출하는 고속의 플라즈마 강풍)과 북극 상공의 자기장 사이의 복잡한 상호작용에서 비롯됐다는 가설을 세웠습니다. 우주 허리케인이 관측된 것은 최초이지만, 연구진들은 이러한 ‘날씨’ 시스템이 대기 중에 자기장 차폐(magnetic shield) 와 플라즈마를 가진 모든 행성에서 흔한 사건일 수 있다고 가정한다. Mike Lockwood는 “행성의 대기 중 플라즈마와 자기장은 우주 곳곳에 존재하기 때문에 우주 허리케인은 광범위한 현상이어야 한다는 연구결과가 나왔다”고 설명합니다.
우주 허리케인, 지구에 위협 가하나?!
허리케인은 지구의 낮은 대기에서 따뜻한 해양 위에서 발생합니다. 따뜻하고 습한 공기가 상승하면서 주변 공기를 빨아들이며 지표면 부근에서 저기압 영역을 만들고 극도로 강한 바람을 일으키고 폭우를 동반하는 구름을 만들어 냅니다. 허리케인은 강풍과 집중호우를 몰고오며 홍수를 발생시키고 종종 인명과 재산의 손실을 초래하기도 하는데요. 저기압 중심부(허리케인의 눈), 강한 바람과 흐름전단(flow shear), 폭우와 함께 구름의 나선형 배열을 가지고 있는 것이 특징입니다.
그렇다면 우리는 우주 허리케인을 두려워해야 할까요?
다행히, 그럴 필욘 없을 것 같습니다. 연구진에 따르면 초고층 대기에서 발생하는 현상은 지구에 별로 위협이 되지 않는다고 하는데요. 하지만 위성의 항력을 증가시키거나 GPS나 무선 통신 시스템을 방해함으로써 중요한 우주 기상에 영향을 미칠 수 있다고 합니다.
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