야광운
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1. 개요
야광운은 지구 대기권의 중간권에서 발생하는 구름으로, 주로 여름철 극지방에서 관측된다. 1885년 처음 관측된 이후, 얼음 결정으로 구성되어 있으며, 태양의 자외선, 기후 변화, 그리고 우주 발사체의 영향으로 발생 빈도와 관측 범위가 변화하는 것으로 알려져 있다. 야광운은 다양한 형태를 보이며, 지상, 우주, 로켓을 통해 관측된다. 최근에는 이산화탄소 및 메탄 증가로 인한 중간권 기온 저하, 그리고 로켓 배기가스가 야광운 발생에 영향을 미친다는 연구가 진행되고 있다.
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| 야광운 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 약칭 | NLC/PMC |
| 고도 | 76,000 ~ 85,000 m |
| 수준 | 기타 |
| 외형 | 해당 없음 |
| 강수 | 없음 |
| 두께 | 해당 없음 |
| 얼음 함량 | 해당 없음 |
| 특성 | |
| 고도 | 약 80,000 m |
| 특징 | 푸른 계통의 색, 일몰 전후의 상공 높이에서 보임 |
2. 역사
야광운은 1885년에 처음 관측된 이후, 19세기 말부터 현재까지 다양한 방법으로 연구되고 있다.
1995년 유타 주립 대학교에서는 라이더를 사용하여 육안으로 보이지 않을 때에도 야광운을 감지했다.[24]
2009년 6월 ''지구물리 연구 레터스'' 저널에 발표된 연구에 따르면, 퉁구스카 사건 (1908) 이후 관찰된 야광운은 이 충돌이 혜성에 의해 발생했다는 증거를 제공한다.[31][32]
미국 해군 연구소(NRL)와 미국 국방부 우주 시험 프로그램 (STP)은 2009년 9월 19일 NASA의 월롭스 비행 시설에서 발사된 블랙 브란트 XII 아(亞)궤도 사운딩 로켓의 배기 입자를 사용하여 인공 야광운을 생성하는 전하 에어로졸 방출 실험(CARE)을 수행했다. 이 구름은 지상 기기와 NRL/STP STPSat-1 우주선의 공간 헤테로다인 이미저 (SHIMMER) 기기를 통해 몇 주 또는 몇 달 동안 관찰될 예정이었다.[33] 로켓 배기 연기는 뉴저지에서 매사추세츠까지 미국의 뉴스 기관에 관찰되어 보고되었다.[34]
2018년에는 알래스카 상공에 잠시 야광운을 생성하여 현상에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 검증하기 위한 지상 기반 측정 및 실험이 수행되었다. 2018년 1월 26일, 알래스카 대학교 리처드 콜린스 교수가 NASA의 아(亞)궤도 로켓을 발사했다. 이 로켓은 지구 상공 약 약 85.30km에서 물을 방출하는 캐니스터를 탑재했다. 자연 발생 구름은 여름에만 나타나기 때문에, 이 실험은 자연 현상과 결과를 섞이지 않도록 하기 위해 한겨울에 수행되었다.[35]
화성 익스프레스 미션의 과학자들은 화성 표면 위 100km까지 확장되는 이산화 탄소 결정 구름을 발견했다고 발표했다. 이는 암석 행성 표면에서 발견된 가장 높은 구름이다. 지구의 야광운과 마찬가지로 태양이 지평선 아래에 있을 때만 관찰할 수 있다.[30]
2. 1. 초기 관측 (1885년 ~ 19세기 말)
야광운은 1883년 크라카토아 화산 폭발 2년 후인 1885년에 처음 관찰되었다.[8][21] 이 현상이 화산 폭발과 관련이 있는지, 아니면 대기 중 화산재로 인한 극적인 일몰을 더 많은 사람들이 관찰했기 때문인지는 불분명하다. 연구에 따르면 야광운은 화산 활동만으로 발생하는 것은 아니지만, 폭발로 인해 먼지와 수증기가 상층 대기로 유입되어 형성에 기여할 수 있다.[15] 당시 과학자들은 이 구름이 화산재의 또 다른 형태라고 추정했지만, 화산재가 대기에서 가라앉은 후에도 야광운은 지속되었다.[14] 1926년 Malzev는 이 구름이 화산재로 구성되었다는 이론을 반증했다.[21]
발견 이후 몇 년 동안, 이 구름은 독일의 오토 제시(Otto Jesse)에 의해 광범위하게 연구되었다. 그는 1887년에 처음으로 야광운을 사진으로 촬영했으며 "야광운"이라는 용어를 처음 사용한 것으로 보인다.[22][4] 그의 기록은 야광운이 1885년에 처음 나타났다는 증거를 제공한다. 그는 전년도 크라카토아 폭발로 인한 특이한 일몰을 자세히 관찰했으며, 만약 구름이 보였다면 틀림없이 알아차렸을 것이라고 굳게 믿었다. 1887년 제시, 푀르스터, 그리고 Stolze에 의해 구름에 대한 체계적인 사진 관찰이 조직되었고, 그 이후 베를린 천문대에서 지속적인 관찰이 이루어졌다. 이 연구 과정에서 삼각 측량을 통해 구름의 높이가 처음으로 측정되었으나, 1896년에 프로젝트는 중단되었다.
1885년 이전에는 야광운 관측 기록이 확인되지 않았지만, 토머스 로니 로빈슨에 의해 몇십 년 전에 아마에서 관측되었을 가능성이 있다.[3] 그러나 2013년 2월 첼랴빈스크 운석 초거대 유성 진입 이후, 고위도 북반구 여러 지점에서 관측된 야광운과 유사한 현상이 일몰 후 가시화된 성층권 먼지 반사였다는 관측 결과가 나오면서, 로빈슨의 기록에 대한 의문이 제기되고 있다.
일본에서는 2015년 6월 21일 이른 아침에 홋카이도 내의 복수 지점에서 고도 약 80~90km에 위치하는 야광운이 처음으로 관측되었다.[76]
2. 2. 연구의 침체와 재개 (20세기 초 ~ 20세기 중반)
1901년 오토 제시가 사망한 후 수십 년 동안 야광운 연구는 큰 진전이 없었다. 베게너는 야광운이 물 얼음으로 구성되었을 것이라고 추측했고, 이는 나중에 사실로 밝혀졌다.[23] 당시 연구는 지상 관측에만 국한되었고, 1960년대 관측 로켓을 이용한 직접 측정이 이루어지기 전까지 과학자들은 중간권에 대해 거의 알지 못했다. 로켓 관측을 통해 야광운 발생이 중간권의 매우 낮은 온도와 관련 있다는 사실이 처음으로 밝혀졌다.[69]1972년 OGO-6 위성은 처음으로 우주에서 야광운을 관측했다. OGO-6의 관측 결과는 극지방 상공의 밝은 산란층이 야광운의 극지방 확장임을 보여주었다.[70] 이후 SME 위성은 1981년부터 1986년까지 자외선 분광기를 사용하여 야광운의 분포를 매핑했다.[70] 2001년 UARS에 탑재된 HALOE 기기는 야광운의 주성분이 물 얼음이라는 것을 물리적으로 처음 확인했다.[71] 같은 해 스웨덴의 오딘 위성은 구름에 대한 분광 분석을 수행하여 야광운 분포의 큰 패턴을 보여주는 일일 지구 지도를 제작했다.[72]
2007년 4월 25일 야광운 관측을 주 목적으로 하는 최초의 위성 AIM이 발사되었다.[74][75] AIM이 촬영한 이미지는 야광운이 대류권 구름과 유사한 모양을 하고 있어, 역학적으로 유사한 점이 있음을 보여주었다.[4]
2. 3. 우주 시대의 야광운 연구 (20세기 후반 ~ 현재)
1960년대에 관측 로켓이 발사되면서, 중간권의 현저한 저온이 야광운 발생과 관계가 있다는 것을 처음으로 알게 되었다.[69]1972년에는 OGO-6이 처음으로 우주에서 야광운을 관측했다. OGO-6의 관측에 따르면, 극 상공에만 있는 강한 빛의 산란층이 낮은 위도까지 뻗어 있어 야광운으로 추정되었다.[70] 그 후, SME는 자외선분광계로 1981~1986년에 지구의 구름 분포를 관측하여 야광운을 확인했다. 2001년에는 UARS에 탑재된 HALOE가 물리적인 관측을 실시하여 야광운의 주성분이 얼음임을 확인했다.[71] 같은 해 스웨덴의 오딘 위성은 구름의 스펙트럼 분석을 통해 야광운의 매일의 세계적인 분포를 밝혔다.[72]
2002년 유타 주립 대학교의 빈센트 윅워(Vincent Wickwar) 박사 등은 중위도 지역에서 야광운이 발생했음을 처음으로 보고했다.[73]
2007년 4월 25일에는 야광운 관측을 주 목적으로 하는 최초의 위성인 AIM이 발사되었다.[74][75] AIM이 촬영한 이미지로부터, 야광운이 대류권의 구름 (일반 구름)과 같은 형상을 하고 있으며, 같은 역학적 메커니즘으로 발생하고 있을 가능성이 제시되었다.
2015년 6월 21일 이른 아침, 일본 국내에서 처음으로 홋카이도 내 복수 지점에서 고도 약 80~90km에 위치하는 야광운이 관측되었다.[76]
3. 형성 조건 및 메커니즘
야광운은 중간권에서 발생하며, 고도는 약 76km에서 85km로 지구 대기 중 다른 어떤 구름보다 높다.[6] 야광운이 형성되기 위해서는 수증기, 먼지, 그리고 매우 낮은 온도가 필요하다.[9]
중간권은 사하라 사막 공기의 약 1억 분의 1에 해당하는 매우 적은 수분만 포함하고 있으며,[14] 매우 희박하기 때문에 얼음 결정은 약 -120°C 이하의 온도에서만 형성될 수 있다.[10] 야광운은 주로 여름철에 극지방 근처에서 자주 발생하는데, 이는 중간권이 여름철에 가장 차가워지기 때문이다.[8] 이는 상층 중간권에서 발생하는 차가운 여름철 조건(상승 기류 및 단열 냉각)과 겨울철 가열(하강 기류 및 단열 가열) 현상 때문이다.[15]
지구의 지축이 기울어진 채로 공전하기 때문에 발생하는 기온 및 기압의 전 지구적인 편차를 해소하기 위해 성층권이나 중간권에서도 대규모의 대기 순환이 발생한다. 여름 반구에서는 그 극 상공의 중간권 계면 부근에서 여름 반구에서 겨울 반구를 향하는 중간권 자오면 순환이 발생한다. 여름 극 상공의 중간권 대기는 단열 팽창에 의해 냉각되며, 이 부근의 기온은 지구 대기 중에서 가장 낮다. 여름 극 상공을 덮는 저온의 공기에, 중간권 자오면 순환에 따라 겨울 반구로부터의 고온의 공기가 유입되어 충돌하면, 그 부근에서 구름이 생기기 쉽다.
태양의 자외선은 물 분자를 분해하여 야광운 형성에 필요한 물의 양을 감소시킨다. 자외선은 태양 주기에 따라 주기적으로 변화하며, 지난 두 번의 태양 주기 동안 자외선 증가에 따라 야광운의 밝기가 감소하는 것이 관측되었다. 이러한 변화는 약 1년 정도의 시간 차이를 두고 나타나는데, 그 이유는 아직 밝혀지지 않았다.[16]
우주왕복선의 배기가스에 포함된 수증기가 야광운 발생의 원인 중 하나로 여겨지기도 한다.[11]
3. 1. 주요 구성 물질
야광운은 최대 100 nm 크기의 작은 물 얼음 결정으로 구성되어 있다.[6] 얼음 중간권 대기권 위성 데이터에 따르면 야광운이 형성되기 위해서는 수증기, 먼지, 그리고 매우 낮은 온도가 필요하다.[9] 상층 대기에 있는 먼지는 미세 유성에서 오는 것으로 여겨지지만, 화산에서 나온 미립자와 대류권의 먼지도 가능성이 있다.[10] 습기는 대류권계면의 틈을 통해 올라올 수 있을 뿐만 아니라, 메탄이 수산기 라디칼과 성층권에서 반응하여 형성될 수도 있다.[10]중간권에는 사하라 공기의 약 1억 분의 1에 해당하는 매우 적은 수분만 포함되어 있으며,[14] 매우 얇기 때문에, 얼음 결정은 약 -120°C 이하의 온도에서만 형성될 수 있다.[10]
야광운은 50 MHz에서 1.3 GHz 범위에서 높은 레이더 반사율을 보이는 것으로 알려져 있다.[17] 이러한 현상은 잘 이해되지 않지만, 가능한 설명은 얼음 입자가 나트륨과 철로 구성된 얇은 금속 막으로 덮이게 되어 구름이 레이더에 훨씬 더 반사적으로 변한다는 것이지만,[17] 이 설명은 논란의 여지가 있다.[19]
최근의 연구에 따르면, 얼음 결정의 부피 중 약 3%를 나노 수준의 유성 연기 입자가 차지하고 있음이 밝혀졌다.[77] 주요 구성물은 얼음(얼어붙은 물)으로 추정된다. 구름 입자의 크기는 40~100nm이며, 푸른 빛을 산란(레일리 산란)하기 쉬운 크기에 해당한다.
3. 2. 형성 과정
야광운은 최대 100 nm 크기의 작은 물 얼음 결정으로 구성되어 있으며, 고도는 약 76km 에서 85km로 지구 대기 중 다른 어떤 구름보다 높다.[6] 지구 하층 대기의 구름은 물이 입자에 모여 형성되지만, 중간권 구름은 먼지 입자뿐만 아니라 수증기에서 직접 형성될 수 있다.[7]얼음 중간권 대기권 위성 데이터에 따르면 야광운이 형성되기 위해서는 수증기, 먼지, 그리고 매우 낮은 온도가 필요하다.[9] 상층 대기에 있는 먼지와 수증기의 공급원은 확실히 알려져 있지 않다. 먼지는 미세 유성에서 오는 것으로 여겨지지만, 화산에서 나온 미립자와 대류권의 먼지도 가능성이 있다. 습기는 대류권계면의 틈을 통해 올라올 수 있을 뿐만 아니라, 메탄이 수산기 라디칼과 성층권에서 반응하여 형성될 수도 있다.[10]
중간권에는 사하라 공기의 약 1억 분의 1에 해당하는 매우 적은 수분만 포함되어 있으며,[14] 매우 얇기 때문에, 얼음 결정은 약 -120°C 이하의 온도에서만 형성될 수 있다.[10] 즉, 야광운은 주로 여름에 형성되는데, 이는 직관에 반하게도 계절에 따라 변동하는 수직 바람의 결과로 중간권이 가장 차가워지기 때문이다. 이러한 현상은 상층 중간권에서 차가운 여름철 조건(상승 기류, 결과적으로 단열 냉각)과 겨울철 가열(하강 기류, 결과적으로 단열 가열)로 이어진다. 따라서 극권 내에서는 태양이 이 계절에 이 위도에서 지평선 아래로 충분히 낮아지지 않기 때문에 (존재하더라도) 관찰할 수 없다.[15] 야광운은 중간권이 가장 차가운 극지방 근처에서 주로 형성된다.[8] 남반구의 구름은 북반구의 구름보다 약 1km 더 높다.[8]
지구의 지축이 기울어진 채로 공전하기 때문에 북극을 중심으로 하는 북반구가 여름일 때, 남극을 중심으로 하는 남반구는 반대로 겨울이 된다. 이로 인해 발생하는 기온 및 기압의 전 지구적인 편차를 해소하기 위해 성층권이나 중간권에서도 대규모의 대기 순환이 발생한다. 여름이 되는 반구('''여름 반구''')에서는 그 극('''여름 극''') 상공의 중간권 계면 부근에서 여름 반구에서 겨울 반구(겨울이 되는 반구)를 향하는 중간권 자오면 순환이 발생한다.
여름 극 상공에 있는 중간권의 대기는 여름 동안 단열 팽창에 의해 냉각되며, 그 부근의 기온은 지구 대기 중에서 가장 낮아진다. 그리고 여름 극 상공을 덮는 저온의 공기에, 중간권 자오면 순환에 따라 겨울 반구로부터의 고온의 공기가 유입되어 충돌하면, 그 부근에서 구름이 생기기 쉬워진다. 따라서 야광운은 여름 반구의 위도 50°~70° 부근에서 중간권 계면 부근에, 하계에 발생한다. 다만, 더 저위도에서 관측된 사례도 몇몇 있으며, 최근 증가하고 있다.
주요 구성물은 얼음(얼어붙은 물)으로 추정된다. 구름 입자의 크기는 40~100nm(나노미터)이며, 푸른 빛을 산란(레일리 산란)하기 쉬운 크기에 해당한다. 최근의 연구에 따르면, 이 얼음 결정의 부피 중 약 3%를 나노 수준의 유성 연기 입자가 차지하고 있음이 밝혀졌다[77].
태양의 자외선은 물 분자를 분해하여 야광운을 형성하는 데 사용할 수 있는 물의 양을 감소시킨다. 방사선은 태양 주기에 따라 주기적으로 변하는 것으로 알려져 있으며, 위성은 지난 두 번의 태양 주기에 걸쳐 자외선 증가에 따른 구름의 밝기 감소를 추적해 왔다. 구름의 변화가 자외선 강도의 변화를 약 1년 정도 따라가는 것으로 밝혀졌지만, 이러한 긴 지연의 이유는 아직 알려지지 않았다.[16]
야광운은 50 MHz에서 1.3 GHz 범위에서 높은 레이더 반사율을 보이는 것으로 알려져 있다.[17] 이러한 현상은 잘 이해되지 않지만, 가능한 설명은 얼음 입자가 나트륨과 철로 구성된 얇은 금속 막으로 덮이게 되어 구름이 레이더에 훨씬 더 반사적으로 변한다는 것이지만,[17] 이 설명은 논란의 여지가 있다.[19] 나트륨과 철 원자는 유입되는 미세 유성에서 벗겨져 야광운의 고도 바로 위에 층을 이루며 정착하며, 측정 결과 이러한 원소가 구름이 존재할 때 심하게 고갈되는 것으로 나타났다. 다른 실험에서는 야광운의 극도로 낮은 온도에서 나트륨 증기가 얼음 표면에 빠르게 증착될 수 있음을 입증했다.[20]
1981년에서 2011년 사이에 사용된 우주왕복선의 배기가스는, 고체 로켓 부스터가 약 46km의 높이에서 분리된 후 거의 전적으로 수증기였으며, 미세한 개별 구름을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 증기의 약 절반은 보통 103km 에서 114km의 고도에서 열권으로 방출되었다.[11] 2014년 8월, SpaceX의 팰컨 9 역시 발사 후 플로리다주 올랜도 상공에 야광운을 발생시켰다.[12]
배기가스는 하루 만에 북극 지역으로 이동할 수 있지만, 이러한 매우 빠른 전송의 정확한 메커니즘은 알려져 있지 않다. 물이 북쪽으로 이동함에 따라, 바로 아래 대기 영역을 차지하는 더 차가운 중간권으로 열권에서 떨어진다.[13] 이 메커니즘이 개별 야광운의 원인이지만, 현상 전체에 주요 기여 요인은 아닌 것으로 생각된다.[10]
야광운은 예로부터 알려진 현상이지만, 최근 이산화 탄소 및 메탄의 증가로 인해 대류권의 기온이 상승하고, 이에 따라 중간권의 기온이 저하되면서 발생하기 쉬워졌다는 생각도 있다. 또한, 우주왕복선의 배기가스에 포함된 수증기가 일부 야광운의 발생과 관련 있다는 학설도 있다[78]. 2017년 1월 24일 오후 4시 44분에 가고시마현의 다네가시마 우주 센터에서 H2A 로켓이 발사되었을 때에는 간토 이서의 태평양 쪽을 중심으로 일본 각지에서 야광운이 목격되었다.[79].
4. 종류
야광운은 주로 무색이나 옅은 파란색을 띠지만, 빨간색이나 녹색 등 다른 색깔도 가끔 관찰된다.[46] 야광운의 파란색은 햇빛이 오존층을 통과할 때 오존에 흡수되어 나타나는 것이다.[47] 야광운은 뚜렷한 형태 없이 띠 모양으로 나타나기도 하지만, 줄무늬, 물결, 소용돌이 등 다양한 무늬를 보이기도 한다. 야광운은 권운과 비슷해 보이지만, 확대하면 더 선명하게 보인다.[46] 로켓 배기가스로 만들어진 야광운은 물방울 크기가 일정하여 무지개색을 띠기도 한다.[48]
야광운은 다양한 무늬와 형태를 나타낼 수 있다. 1970년 포글(Fogle)은 야광운을 다섯 가지 형태로 분류했고, 이후 수정 및 세분화되었다. 최근 세계 기상 기구는 네 가지 주요 형태를 인정하고 있으며, 각 형태는 더 세분화될 수 있다.
| 유형 | 설명 |
|---|---|
| 유형 I 베일 | 매우 얇고 구조가 뚜렷하지 않음. 권층운이나 희미한 권운과 유사함.[54] |
| 유형 II 띠 | 긴 줄무늬 형태. 평행하게 나타나는 경우가 많으며, 권적운의 띠보다 넓게 분포함.[55] |
| 유형 III 물결 | 좁은 간격으로 평행하게 배열된 짧은 줄무늬 형태. 권운과 매우 유사함.[56] |
| 유형 IV 소용돌이 | 어두운 중심을 가진 고리 모양 (부분적 또는 전체).[57] |
5. 관측
야광운은 1885년에 1883년 크라카토아 화산 폭발 이후 2년 뒤에 처음 관찰되었다.[8][21] 이 현상이 화산 폭발과 관련이 있는지, 아니면 대기 중 화산재로 인한 극적인 일몰을 더 많은 사람들이 관찰했기 때문인지는 불분명하다. 연구에 따르면 야광운은 화산 활동만으로 발생하는 것은 아니지만, 폭발로 인해 먼지와 수증기가 상층 대기로 유입되어 형성에 기여할 수 있다.[15] 1926년, Malzev에 의해 야광운이 화산재로 구성되었다는 이론은 반증되었다.[21]
독일의 오토 예세(Otto Jesse)는 1887년에 처음으로 야광운을 사진으로 촬영하고 "야광운"이라는 용어를 처음 사용했다.[22][4] 같은 해, 예세, 푀르스터, 그리고 Stolze는 구름에 대한 체계적인 사진 관찰을 시작했고, 베를린 천문대에서 지속적인 관찰이 이루어졌다. 이 연구로 삼각 측량을 통해 구름의 높이가 처음으로 측정되었으나,[67] 1896년에 프로젝트는 중단되었다.
1901년 오토 예세가 사망한 후 수십 년 동안 야광운 연구는 거의 진전이 없었다. 베게너가 야광운이 물 얼음으로 구성되었다고 추측했는데, 이는 나중에 사실로 밝혀졌다.[23] 1960년대 관측 로켓 측정 전까지 과학자들은 중간권에 대해 거의 알지 못했다. 로켓 측정은 구름 발생이 중간권의 매우 낮은 온도와 일치한다는 것을 보여주었다.
1972년 OGO-6 위성이 처음으로 우주에서 야광운을 감지했다. 이후 태양 중간권 익스플로러 위성은 1981년부터 1986년까지 자외선 분광기로 구름 분포를 매핑했다.[70] 1995년 유타 주립 대학교에서 라이더를 사용하여 육안으로 보이지 않는 야광운도 감지했다.[24] 2001년 상층 대기 연구 위성의 HALOE 기기는 야광운의 주성분이 물 얼음임을 확인했다.[25] 같은 해, 스웨덴의 오딘 위성은 구름의 분광 분석을 통해 일일 지구 지도를 제작했다.[26]
2009년 9월 19일, 미국 해군 연구소(NRL)와 미국 국방부 우주 시험 프로그램(STP)은 NASA 월롭스 비행 시설에서 발사된 블랙 브란트 XII 아(亞)궤도 사운딩 로켓의 배기 입자를 이용해 인공 야광운을 생성하는 전하 에어로졸 방출 실험(CARE)을 수행했다. 로켓 배기 연기는 뉴저지에서 매사추세츠까지 관찰되었다.[34] 2018년에는 알래스카 상공에 야광운을 잠시 생성하여 현상에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 검증했다.
5. 1. 관측 조건
야광운은 매우 희미하고 얇아서, 낮은 대기의 구름이 그림자에 가려지고 야광운이 태양에 의해 비춰지는 일출과 일몰 무렵의 황혼에만 관찰될 수 있다.[52] 태양이 지평선 아래 6°에서 16° 사이에 있을 때 가장 잘 보인다. 야광운은 위도 50°에서 65°에서 볼 수 있다. 파리, 유타, 이탈리아, 터키 및 스페인과 같이 남쪽으로 멀리 떨어진 곳에서도 관측된 적이 있지만, 낮은 위도에서는 거의 발생하지 않는다.[46][49][50][51] 극에 가까울수록 야광운이 보일 정도로 어두워지지 않는다.[52]
야광운은 북반구에서는 5월 중순부터 8월 중순까지, 남반구에서는 11월 중순부터 2월 중순까지 여름에 발생한다.[46] 양쪽 반구에서 모두 발생하지만, 북반구에서는 수천 번 관측되었지만 남반구에서는 100번 미만으로 관측되었다. 남반구의 야광운은 더 희미하고 덜 자주 발생하며, 또한 남반구는 관측을 할 수 있는 인구와 육지 면적이 적다.[15][53]
위성 관측을 통해 지리적 극까지 극 중간권의 가장 차가운 부분을 관측할 수 있다. 1970년대 초, 가시광선 대기광 광도계는 처음으로 여름 극 중간권계 지역 전체에서 대기 수평선을 스캔했다.[40]
극 중간권 구름은 일반적으로 위도가 증가함에 따라 약 60°에서 관측된 최고 위도(85°)까지 밝기와 발생 빈도가 증가한다. 지금까지 경도나 오로라 활동에 대한 의존성은 발견되지 않았으며,[42] 이는 극 중간권 구름의 제어가 지자기적 요인보다는 지리적 요인에 의해 결정됨을 나타낸다.
2018년 7월 8일, NASA는 스웨덴의 에스레인지에서 거대한 풍선을 발사하여 5일 만에 북극을 가로질러 서부 캐나다의 누나부트까지 성층권을 통과했다. 이 거대한 풍선에는 카메라가 장착되어 120테라바이트의 데이터 저장 공간을 채우는 6백만 개의 고해상도 이미지를 캡처하여 대기 중력파의 영향을 받는 극 중간권 구름(PMCs)을 연구하는 것을 목표로 했는데, 이는 산맥에 의해 위로 밀려 올라간 공기가 중간권까지 도달하여 발생한 것이다. 이 이미지는 대기의 난류를 연구하는 데 도움이 되며, 결과적으로 더 나은 일기 예보를 가능하게 할 것이다.[43][44]
NASA는 극지방에서 여름철에 항상 발생하는 이러한 야광운을 연구하기 위해 AIM 위성을 사용한다.
5. 2. 관측 방법
야광운은 매우 희미하고 얇아서, 낮은 대기의 구름이 그림자에 가려지고 야광운이 태양에 의해 비춰지는 일출과 일몰 무렵의 황혼에만 관찰될 수 있다.[52] 태양이 지평선 아래 6°에서 16° 사이에 있을 때 가장 잘 보인다.[11] 야광운은 양쪽 반구에서 모두 발생하지만, 북반구에서는 수천 번 관측되었지만 남반구에서는 100번 미만으로 관측되었다. 남반구의 야광운은 더 희미하고 덜 자주 발생하며, 또한 남반구는 관측을 할 수 있는 인구와 육지 면적이 적다.[15][53]이 구름은 지상, 우주, 그리고 사운딩 로켓을 통해 직접 연구할 수 있다. 또한 일부 야광운은 30nm 이하의 작은 결정으로 만들어져 지상의 관찰자에게는 충분한 빛을 산란시키지 않기 때문에 보이지 않는다.[4]
발생하는 시간대는 특히 정해져 있지 않지만, 해돋이 전이나 해질녘에 관측되기 쉬운 이유는 다음과 같다. 낮에는 대류권이나 성층권의 두꺼운 대기나, 그 안에 포함된 수증기·에어로졸 등이 태양광을 산란시켜 상공의 구름이 잘 보이지 않게 된다. 또한 야간에는 일반 구름과 마찬가지로 스스로 발광하지 않는 구름을 비추는 빛이 닿지 않고, 일반 구름을 밤에 비추는 시가지의 불빛이 상공까지 닿지 않는다. 지상의 구름이 방해하여 관측할 수 없는 경우도 많아, 관측 기회는 많지 않다.
6. 최근 연구 동향 및 영향
야광운은 최대 100 nm 크기의 작은 물 얼음 결정으로 구성되어 있으며, 높이는 약 76km에서 85km로, 지구 대기 중 다른 어떤 구름보다 높이 존재한다.[6] 지구 하층 대기의 구름은 물이 입자에 모여 형성되지만, 중간권 구름은 먼지 입자뿐만 아니라 수증기에서 직접 형성될 수 있다.[7]
얼음 중간권 대기권 위성 데이터에 따르면 야광운이 형성되기 위해서는 수증기, 먼지, 그리고 매우 낮은 온도가 필요하다.[9] 상층 대기에 있는 먼지와 수증기의 공급원은 확실히 알려져 있지 않다. 먼지는 미세 유성에서 오는 것으로 여겨지지만, 화산에서 나온 미립자와 대류권의 먼지도 가능성이 있다.
1970년대 초, 가시광선 대기광 광도계는 처음으로 여름 극 중간권계 지역 전체에서 대기 수평선을 스캔했다.[40] OGO-6 위성에서 비행한 이 실험은 야광운과 유사한 구름층을 극관 전체에 걸쳐 추적한 최초의 실험이었다. 1980년대 초, 태양 중간권 탐험가 위성에서 이 층이 다시 관측되었다. 이 위성에는 1981년부터 1986년까지 구름의 분포를 매핑한 자외선 분광계가 탑재되어 있었다. 이 실험은 주로 265 nm 및 296 nm의 두 개의 스펙트럼 채널에서 구름의 산란 고도 프로파일을 측정했다.[41]
극 중간권 구름의 일반적인 계절적 특성은 태양 중간권 탐험가의 5년간의 연속적인 데이터를 통해 잘 확립되었다. 양쪽 반구에서 계절은 하지 약 한 달 전에 시작하여 그 후 약 두 달 후에 끝난다. 이는 여름철 중간권계 지역이 이 기간 동안 가장 추워져 물 얼음이 형성되는 결과로 생각되는데, 이는 여름에 가장 따뜻한 대기의 다른 대부분의 지역과는 대조적이다.
극 중간권 구름은 일반적으로 위도가 증가함에 따라 약 60°에서 관측된 최고 위도(85°)까지 밝기와 발생 빈도가 증가한다. 지금까지 경도에 대한 명백한 의존성은 발견되지 않았으며, 오로라 활동에 대한 의존성에 대한 증거도 없다.[42] 이는 극 중간권 구름의 제어가 지자기적 요인보다는 지리적 요인에 의해 결정됨을 나타낸다.
태양의 자외선은 물 분자를 분해하여 야광운을 형성하는 데 사용할 수 있는 물의 양을 감소시킨다. 방사선은 태양 주기에 따라 주기적으로 변하는 것으로 알려져 있으며, 위성은 지난 두 번의 태양 주기에 걸쳐 자외선 증가에 따른 구름의 밝기 감소를 추적해 왔다. 구름의 변화가 자외선 강도의 변화를 약 1년 정도 따라가는 것으로 밝혀졌지만, 이러한 긴 지연의 이유는 아직 알려지지 않았다.[16]
야광운은 50 MHz에서 1.3 GHz 범위에서 높은 레이더 반사율을 보이는 것으로 알려져 있다.[17] 이러한 현상은 잘 이해되지 않지만, 가능한 설명은 얼음 입자가 나트륨과 철로 구성된 얇은 금속 막으로 덮이게 되어 구름이 레이더에 훨씬 더 반사적으로 변한다는 것이지만,[17] 이 설명은 논란의 여지가 있다.[19] 나트륨과 철 원자는 유입되는 미세 유성에서 벗겨져 야광운 고도 바로 위에 층을 이루며 정착하며, 측정 결과 이러한 원소가 구름이 존재할 때 심하게 고갈되는 것으로 나타났다. 다른 실험에서는 야광운의 극도로 낮은 온도에서 나트륨 증기가 얼음 표면에 빠르게 증착될 수 있음을 입증했다.[20]
6. 1. 기후 변화와의 관련성
지구의 지축이 기울어진 채로 공전하기 때문에 북극을 중심으로 하는 북반구가 여름일 때, 남극을 중심으로 하는 남반구는 반대로 겨울이 된다. 이로 인해 발생하는 기온 및 기압의 전 지구적인 편차를 해소하기 위해 성층권이나 중간권에서도 대규모의 대기 순환이 발생한다. 여름이 되는 반구('''여름 반구''')에서는 그 극('''여름 극''') 상공의 중간권 계면 부근에서 여름 반구에서 겨울 반구(겨울이 되는 반구)를 향하는 중간권 자오면 순환이 발생한다.여름 극 상공에 있는 중간권의 대기는 여름 동안 단열 팽창에 의해 냉각되며, 그 부근의 기온은 지구 대기 중에서 가장 낮아진다. 그리고 여름 극 상공을 덮는 저온의 공기에, 중간권 자오면 순환에 따라 겨울 반구로부터의 고온의 공기가 유입되어 충돌하면, 그 부근에서 구름이 생기기 쉬워진다. 따라서 야광운은 여름 반구의 위도 50°~70° 부근의 중간권 계면 부근에서 하계에 발생한다. 다만, 더 저위도에서 관측된 사례도 몇몇 있으며, 최근 증가하고 있다.
주요 구성물은 얼음(얼어붙은 물)으로 추정된다. 구름 입자의 크기는 40~100nm(나노미터)이며, 푸른 빛을 산란(레일리 산란)하기 쉬운 크기에 해당한다. 최근의 연구에 따르면, 이 얼음 결정의 부피 중 약 3%를 나노 수준의 유성 연기 입자가 차지하고 있음이 밝혀졌다.[77]
야광운은 예로부터 알려진 현상이지만, 최근 이산화 탄소 및 메탄의 증가로 인해 대류권의 기온이 상승하고, 이에 따라 중간권의 기온이 저하되면서 발생하기 쉬워졌다는 생각도 있다. 또한, 우주왕복선의 배기가스에 포함된 수증기가 일부 야광운의 발생과 관련 있다는 학설도 있다.[78] 2017년 1월 24일 오후 4시 44분에 가고시마현의 다네가시마 우주 센터에서 H2A 로켓이 발사되었을 때에는 간토 이서의 태평양 쪽을 중심으로 일본 각지에서 야광운이 목격되었다.[79]
6. 2. 인공 야광운 생성
야광운(Noctilucent cloud영어)은 인공적으로 생성될 수 있다. 1981년부터 2011년 사이에 사용된 우주왕복선의 배기가스는 미세한 개별 구름을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 이 배기가스는 고체 로켓 부스터가 약 46km 높이에서 분리된 후 거의 전적으로 수증기였으며, 증기의 약 절반은 보통 103km에서 114km 고도에서 열권으로 방출되었다.[11] 2014년 8월, SpaceX의 팰컨 9 역시 발사 후 플로리다주 올랜도 상공에 야광운을 발생시켰다.[12]우주왕복선의 배기가스에 포함된 수증기가 일부 야광운 발생과 관련 있다는 학설도 있다.[78] 2017년 1월 24일 오후 4시 44분에 가고시마현의 다네가시마 우주 센터에서 H2A 로켓이 발사되었을 때에는 간토 이서의 태평양 쪽을 중심으로 일본 각지에서 야광운이 목격되었다.[79]
6. 3. 중력파 연구
2018년 7월 8일, NASA는 스웨덴의 에스레인지에서 거대한 풍선을 발사하여 5일 만에 북극을 가로질러 서부 캐나다의 누나부트까지 성층권을 통과시켰다.[43][44] 이 풍선에는 카메라가 장착되어, 120테라바이트의 데이터 저장 공간을 채우는 6백만 개의 고해상도 이미지를 캡처하여 대기 중력파의 영향을 받는 야광운(PMCs)을 연구했다. 산맥에 의해 위로 밀려 올라간 공기가 중간권까지 도달하여 중력파가 발생한다. 이 이미지는 대기의 난류를 연구하는 데 도움이 되며, 결과적으로 더 나은 일기 예보를 가능하게 한다.[43][44]NASA는 극지방에서 여름철에 항상 발생하는 야광운을 연구하기 위해 AIM 위성을 사용한다. AIM 위성의 토모그래피 분석은 알베도와 파동 유도 고도 사이에 공간적 음의 상관관계가 있음을 나타낸다.[45]
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