코로나 (Corona)
코로나(라틴어: Corona)란 태양과 다른 천체의 빛나는 대기로 생각할 수 있습니다. 이것은 우주 공간에 퍼져 있는 플라즈마 대기로, 수백만 킬로미터에 달하며, 개기일식 시에 관측할 수 있을 뿐 아니라 코로나그래프로도 확인할 수 있습니다. 코로나는 또한 태양의 흑점과 연결되어 있습니다.
코로나에 관한 흥미로운 사실 중 하나는 태양 표면보다 약 200배나 더 높은 온도를 가지고 있다는 것입니다. 태양의 표면 온도는 약 5,800 K인 반면, 코로나의 평균 온도는 100만 K에서 300만 K까지 올라갑니다. 그러나 코로나는 상대적으로 매우 희밀한 대기를 가지고 있어 광구에 비해 아주 적은 양의 빛을 방출합니다. 코로나는 광구와는 다른 채층에서 형성되며, 이 현상의 정확한 원인은 아직 논란 중이지만, 태양의 자기장과 아래쪽에서의 음압에 영향을 받는 것으로 여겨집니다. 다만, 초기 항성에서도 코로나가 존재한다는 사실로 인해 약간 의문이 남아있습니다. 또한, 태양 코로나의 바깥 부분은 태양풍에 의해 지속적으로 손실되고 있습니다.
코로나는 태양 표면 전체에 고르게 분포되어 있지 않습니다. 태양이 침묵하는 동안 코로나는 주로 적도 지역에 존재하며, 극 지역에서는 “코로나 홀”이라고 불리는 현상이 나타납니다. 그러나 태양 활동이 증가할 때, 코로나는 적도와 극 지역 모두에 균일하게 분포하며, 흑점이 생기는 지역에서 더욱 두드러집니다.
가끔 “코로나변란”이라고 불리는 현상이 썬플레어나 거대한 태양홍염으로 인해 발생하기도 합니다. 이것은 태양 바깥으로 수백만 킬로미터 이상 뻗어나가는 거대한 코로나 매질 루프로 형성되며, 썬플레어나 홍염과 같은 현상에 비해 약 10배 정도의 에너지를 갖고 있습니다.
태양 이외의 별들도 코로나를 가지고 있으며, 이를 X선 인공위성을 통해 관측할 수 있습니다. 일부 항성의 코로나, 특히 젊은 별의 코로나는 태양의 코로나에 비해 더 밝게 빛납니다.
코로나의 높은 온도는 비정상적인 분광학적 특성을 나타냅니다. 이것은 과거에는 “코로늄”이라는 미지의 원소가 존재할 것이라는 추측을 불러일으켰지만, 나중에 이러한 분광 특성이 이미 알려진 원소가 매우 높은 이온화 상태에서 나타나는 것임이 밝혀졌습니다.
역사적으로, 코로나 용어는 1809년 스페인 천문학자 José Joaquín de Ferrer에 의해 처음 만들어졌으며, 1724년 Giacomo F. Maraldi가 태양의 아우라가 태양에 속하는 것임을 발견했습니다.
태양의 코로나는 희박한 전리 가스로 이루어져 있으며, 약 100만 도의 높은 온도를 가집니다. 이 대기의 주성분인 수소는 전리되어 전자와 양자로 구성되어 있어 수소 스펙트럼 선으로는 관측되지 않습니다. 그러나 플라즈마에서의 상호작용으로 백색광이 생성되어 흰빛으로 빛나고 있으나, 밝기는 광구에 비해 아주 낮아서 개기일식 때에만 볼 수 있습니다. 그러나 일반적인 조건에서는 대기 중의 먼지나 지구 대기에 의한 태양 광을 산란시켜 코로나를 관측하기 어렵습니다.
최근에는 코로나 그래프를 기구에 싣고, 대기 중의 산란이 거의 없는 상공에서 관측하는 방법으로 코로나를 연구하는 연구가 진행되고 있습니다. 또한, 인공위성을 통해 코로나를 지속적으로 관측하고 있으며, 이를 통해 코로나의 상태가 태양의 활동 주기에 따라 변동하는 것을 확인할 수 있습니다. 또한, 코로나의 가열 메커니즘에 대한 연구도 진행 중입니다. 태양 코로나의 온도가 태양 표면 온도에 비해 수백만 K 더 높은 이유에 대한 의문이 있습니다. 태양 표면의 온도는 약 5,800 K인 반면, 코로나의 평균 온도는 100만 K에서 300만 K까지 올라갑니다. 이런 온도 차이는 열역학 제2법칙에 위배되는 것처럼 보입니다. 즉, 태양 내부에서 코로나로 열이 전달되려면 비열적인 과정이 필요합니다. 태양 코로나를 가열시키기 위해 필요한 에너지량을 계산하면, 태양 표면의 1 제곱미터당 1 kW 정도인데, 이는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지의 40,000분의 1 정도입니다.
이 현상은 “파동 가열”로 설명되며, 이론적으로 파가 태양 내부에서 코로나로 에너지를 전달한다고 합니다. 태양은 플라즈마로 이루어져 있으며, 이 플라즈마 내에서 여러 종류의 파가 전달됩니다. 주요한 파는 자기음향파와 알페인파입니다. 이러한 파는 태양 광구의 세포 구조나 초대형 세포 구조에서 난류에 의해 발생할 수 있으며, 일정한 거리를 이동한 후 에너지를 열로 바꾸기 전에 태양 대기를 통과할 수 있습니다.
파동 가열에서의 문제 중 하나는 열을 올바른 위치로 전달하는 것입니다. 자기 음향파는 채층을 통과하고 코로나로 에너지를 충분히 전달하지 못하는데, 이는 채층 내에서의 낮은 압력과 광구로 반사되는 성질 때문입니다. 알페인파는 충분한 에너지를 전달할 수 있지만, 코로나에 들어가자마자 급격히 에너지를 소모합니다. 플라즈마 내부에서 파의 행동을 이해하고 분석하는 것은 어려운 과제입니다.
또한, 코로나를 통해 파가 어떻게 전달되는지에 대한 직접적인 증거가 1990년대 후반까지 없었습니다. 최초로 파가 코로나를 통해 전달된 것으로 관측된 것은 1997년 소호 태양 관측 위성을 통해 이루어졌습니다. 이 위성은 태양을 극자외선 영역에서 안정된 측광으로 오랜 시간 관측할 수 있는 첫 번째 시스템이었습니다. 그 결과, 코로나를 가열하기에 충분한 에너지의 10% 정도를 전달할 수 있는 자기 음향파가 관측되었습니다. 또한, 알페인파와 같은 파가 썬플레어에 의해 지역적으로 생성되는 것도 많이 관측되었습니다.
파가 얼마나 많은 에너지를 가지고 있는지에 대한 정확한 정보는 아직 알려져 있지 않습니다. 다양한 주파수의 파가 존재한다고 알려져 있으며, 소호 태양 관측 위성의 결과에 따르면 태양 대기에는 100 mHz 주파수의 파가 존재합니다. 또한, 태양풍 속의 이온 온도 측정을 통해 고주파 파의 존재를 간접적으로 확인할 수 있습니다. 이러한 연구를 통해 파가 코로나를 가열하고 열로 변환할 수 있는 것으로 추정됩니다.
미국 컬럼비아대와 마이클 한, 울프 사빈 연구팀은 태양 극지역 코로나에서 발생하는 자기장 파동이 코로나 온도를 상승시키고 코로나층으로 확산시킬 수 있는 에너지를 가지고 있다는 관측 결과를 발표했습니다. 이러한 연구를 통해 코로나 가열의 메커니즘을 더 잘 이해하고 있는 중입니다.