나노플레어
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1. 개요
나노플레어는 태양 코로나를 가열하고 태양 자기 활동의 원인이 되는 현상으로, 작은 규모의 자기 재결합 사건이 코로나 전역에서 동시다발적으로 발생하는 현상을 가리킨다. 이러한 나노플레어 이론은 흑점, 플레어, 코로나 질량 방출과 같은 태양 활동을 설명하며, 멱법칙 분포를 따르는 플레어의 에너지 분포를 통해 뒷받침된다. 나노플레어는 자기 재결합과 줄 가열 등의 메커니즘을 통해 코로나 가열에 기여하며, 최근 연구를 통해 나노플레어의 전체 수명 주기가 관찰되기도 했다.
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| 나노플레어 | |
|---|---|
| 현상 개요 | |
| 유형 | 국소적인 가열 현상 |
| 관련 현상 | 태양 플레어 |
| 원인 | 자기 재연결 |
| 이론적 제안자 | 유진 파커 |
| 에너지 방출량 | 10^24 ~ 10^27 에르그 |
| 상세 내용 | |
| 설명 | 태양의 코로나 가열에 기여하는 것으로 여겨지는 작은 태양 플레어 |
| 특징 | 크기가 작음 지속 시간이 짧음 빈번하게 발생 |
| 관측 방법 | 극자외선 및 X선 망원경을 통해 관측 가능 |
| 이론적 배경 | |
| 자기 재연결 | 태양 코로나 내에서 자기장이 꼬이거나 얽히면서 불안정해지고, 갑작스럽게 재배열되면서 에너지를 방출하는 현상 |
| 가열 메커니즘 | 나노플레어는 자기 재연결 과정에서 방출되는 에너지를 통해 주변 플라스마를 가열시키는 것으로 추정됨 |
| 논쟁 및 과제 | |
| 직접 관측의 어려움 | 나노플레어의 크기가 작고 지속 시간이 짧아 직접 관측하기 어려움 |
| 코로나 가열 문제 | 나노플레어가 코로나 가열에 얼마나 기여하는지는 여전히 논쟁 중 |
2. 나노플레어와 코로나 활동
태양 자기장은 코로나에서 반원형 구조(코로나 루프)로 확장되며, 이 루프 안에는 매우 뜨거운 플라스마가 갇혀 있다. 이 플라스마는 수백만 도의 온도를 가지며, EUV 및 X선 이미지에서 관측된다.
2. 1. 태양 활동의 징후
망원경 관측에 따르면, 이론적으로 광구의 플라스마 가스에 "고정"된 태양 자기장은 코로나에서 대략 반원형 구조로 확장된다. EUV 및 X선 이미지에서 볼 수 있는 이러한 코로나 루프는 종종 매우 뜨거운 플라스마를 가두며, 100만에서 수백만 도의 온도 특성을 나타내는 방출을 보인다.활동 영역에서는 깜박임, 밝아짐, 작은 폭발, 밝은 점, 플레어 및 코로나 질량 방출과 같은 다양한 태양 활동이 매우 자주 관찰된다. 이러한 현상은 천체 물리학자들에 의해 응력이 가해진 자기장의 완화 사건과 관련된 것으로 간주되며, 저장된 에너지의 일부가 입자 운동 에너지(가열)로 방출된다. 이는 전류 소산, 줄 효과 또는 여러 비열 플라스마 효과를 통해 발생할 수 있다.[8][9][10][11]
2. 2. 나노플레어 이론
망원경 관측에 따르면, 이론적으로 광구의 플라스마 가스에 "고정"된 태양 자기장은 코로나에서 대략 반원형 구조로 확장된다. EUV 및 X선 이미지에서 볼 수 있는 이러한 코로나 루프는 종종 매우 뜨거운 플라스마를 가두며, 100만에서 수백만 도의 온도 특성을 나타내는 방출을 보인다.많은 플럭스 튜브는 연 X선 이미지에서 비교적 안정적으로 보이며 일정한 속도로 방출한다. 그러나 특히 활동 영역에서 깜박임, 밝아짐, 작은 폭발, 밝은 점, 플레어 및 질량 분출이 매우 자주 관찰된다. 이러한 거시적인 태양 활동 징후는 천체 물리학자들에 의해 응력이 가해진 자기장의 완화 사건과 관련된 현상으로 간주되며, 이 과정에서 저장된 에너지의 일부가 입자 운동 에너지(가열)로 방출된다. 이는 전류 소산, 줄 효과 또는 여러 비열 플라스마 효과를 통해 발생할 수 있다.
이러한 폭발을 설명하기 위해 이론적 연구에서는 종종 자기 재결합의 개념에 의존한다. 그러나 그러한 과정의 단일 대규모 에피소드보다는 현대적인 사고 방식은 여러 소규모 버전의 재결합이 함께 연쇄적으로 이루어지는 것이 더 나은 설명일 수 있음을 시사한다. 나노플레어 이론은 이러한 자기 재결합 사건이 코로나의 거의 모든 곳에서 작은 길이 척도로 거의 동시에 발생하며, 각각 거시적인 사건에 필요한 총 에너지의 감지할 수 없을 정도로 작은 부분을 제공한다는 것을 가정한다. 이러한 나노플레어 자체는 시간과 공간에서 서로 가까이 있는 매우 작은 플레어와 유사하여 코로나를 효과적으로 가열하고 태양 자기 활동의 많은 현상의 근본 원인이 될 수 있다.
활동 영역에서 종종 관찰되는 에피소드 가열, 플레어 및 코로나 질량 방출과 같은 주요 사건을 포함하여, 재해 이론의 수학적 이론에 의해 설명된 것과 유사한 연쇄 효과에 의해 유발될 수 있다. 태양 코로나가 자기 조직 임계성 상태에 있다는 가설에서 자기장의 응력은 작은 섭동이 많은 작은 불안정성을 동시에 유발할 때까지 강화되어야 한다. 이는 눈사태에서 발생하는 것과 같다.
나노플레어 이론을 뒷받침하는 데 자주 인용되는 실험 결과 중 하나는 경 X선에서 관찰되는 플레어 수의 분포가 에너지의 함수이며, 음의 스펙트럼 지수를 갖는 멱법칙을 따른다는 사실이다. 충분히 큰 멱법칙 지수는 가장 작은 사건이 총 에너지를 지배하도록 허용할 것이다. 일반적인 플레어의 에너지 범위에서 지수는 대략 -1.8[8][9][10][11]의 값을 갖는다. 이는 태양 코로나의 가열을 나노플레어 가설을 통해 유지하는 데 필요한 멱법칙 지수에 미치지 못한다[12]. 코로나에서 관찰되는 온도를 유지하려면 -2보다 큰 멱법칙 지수가 필요하다.
2. 3. 멱법칙 분포
관측 결과, 플레어 수의 분포는 에너지에 대한 멱법칙을 따르며, 멱법칙 지수는 -1.8 정도이다.[8][9][10][11] 이는 태양 코로나 가열을 유지하는 데 필요한 지수(-2)보다 작지만,[12] 나노플레어 가설을 완전히 배제할 수는 없다.3. 나노플레어와 코로나 가열
코로나 가열 문제는 아직 완전히 해결되지 않았지만, 태양 자기장에 저장된 에너지가 플라스마를 가열하고 코로나 복사 손실의 균형을 맞추는 데 중요한 역할을 할 수 있다는 증거가 발견되고 있다.[13]
망원경 관측에 따르면, 광구의 플라스마 가스에 "고정"된 태양 자기장은 코로나에서 대략 반원형 구조로 확장된다. 코로나 루프는 매우 뜨거운 플라스마를 가두며, 100만에서 수백만 도의 온도 특성을 나타내는 방출을 보인다. 특히 활동 영역에서는 깜박임, 밝아짐, 작은 폭발, 밝은 점, 플레어 및 코로나 질량 방출과 같은 현상이 자주 관찰되는데, 이는 자기장에 저장된 에너지가 입자 운동 에너지(가열)로 방출되는 과정으로 해석된다.
이러한 폭발을 설명하기 위해 자기 재결합 개념이 자주 사용되지만, 최근에는 여러 소규모 재결합이 연쇄적으로 발생하는 것이 더 적합한 설명으로 제시되고 있다. 나노플레어 이론은 이러한 자기 재결합 사건이 코로나의 거의 모든 곳에서 작은 규모로 거의 동시에 발생하며, 각각은 거시적인 사건에 필요한 총 에너지의 극히 일부분만을 제공한다고 가정한다.
경 X선에서 관찰되는 플레어 수의 분포는 에너지의 함수이며, 음의 스펙트럼 지수를 갖는 멱법칙을 따른다는 실험 결과는 나노플레어 이론을 뒷받침하는 데 자주 인용된다. 일반적인 플레어의 에너지 범위에서 지수는 대략 -1.8[8][9][10][11]의 값을 갖는다. 그러나 코로나 온도를 유지하려면 -2보다 큰 멱법칙 지수가 필요하다.[12]
태양 대류는 필요한 가열을 공급할 수 있지만, 자세한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 이 에너지가 채층에서 흡수되거나 반사되지 않고 코로나로 소산되는 방식과 정확한 발생 위치는 여전히 불분명하다.
3. 1. 코로나에서의 에너지 손실
코로나는 복사 외에 열 전도를 통해서도 에너지를 손실한다. 열 전도에 의한 에너지 손실은 코로나 복사 손실과 비슷한 수준이다. 외부로 복사되지 않은 에너지는 채층으로 다시 전달된다.[14] 전이 영역의 온도는 약 104 -105 K인데, 이 온도에서는 기계적 가열 형태로는 균형을 맞출 수 없을 정도로 복사 손실이 너무 크다.[14] 이 온도 범위에서 관찰된 매우 높은 온도 기울기는 복사된 전력을 공급하기 위해 전도 플럭스를 증가시킨다.3. 2. 전이 영역
온도가 약 10,000,000에서 100,000,000 사이인 전이 영역에서는 기계적 가열 형태로는 균형을 맞출 수 없을 정도로 복사 손실이 매우 크다.[14] 이 온도 범위에서 관찰된 매우 높은 온도 기울기는 복사된 전력을 공급하기 위해 전도 플럭스를 증가시킨다. 다시 말해, 전이 영역은 상부의 더 뜨거운 대기의 열 전도가 높은 복사 손실의 균형을 맞추어야 하기 때문에 매우 가파르다. (온도가 10kK에서 1MK로 100 km 정도의 거리에서 증가함) 이것은 이온화된 원자(산소, 탄소, 철 등)로 형성된 수많은 방출선에서 알 수 있다.3. 3. 자기장의 역할
태양 자기장은 코로나 가열에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 망원경 관측 결과에 따르면, 광구의 플라스마 가스에 "고정"된 태양 자기장은 코로나에서 대략 반원형 구조로 확장된다. 이러한 코로나 루프는 매우 뜨거운 플라스마를 가두며, 100만에서 수백만 도의 온도 특성을 나타내는 방출을 보인다.[13]활동 영역(특히 X선에서)과 강한 자기장 영역 사이에는 밀접한 상관관계가 확인된다.[15] 활동 영역에서는 깜박임, 밝아짐, 작은 폭발, 밝은 점, 플레어 및 코로나 질량 방출과 같은 현상이 자주 관찰되는데, 이는 자기장에 저장된 에너지가 입자 운동 에너지(가열)로 방출되는 과정으로 해석된다. 이러한 에너지 방출은 전류 소산, 줄 효과 또는 여러 비열 플라스마 효과를 통해 발생할 수 있다.
코로나 가열을 설명하기 위한 이론적 연구에서는 자기 재결합 개념이 자주 사용되지만, 최근에는 여러 소규모 재결합이 연쇄적으로 발생하는 것이 더 적합한 설명으로 제시되고 있다. 나노플레어 이론은 이러한 자기 재결합 사건이 코로나의 거의 모든 곳에서 작은 규모로 거의 동시에 발생하며, 각각은 거시적인 사건에 필요한 총 에너지의 극히 일부분만을 제공한다고 가정한다.
자기장에 저장된 에너지의 양은 플라스마를 높은 온도로 유지하고 코로나 복사 손실의 균형을 맞추는 데 필요한 코로나 가열을 설명할 수 있는 것으로 추정된다.[13]
3. 4. 파동에 의한 가열 (알벤파)
광구의 대류 운동으로 생성된 알벤파는 채층과 전이 영역을 거쳐 코로나를 유지하는 데 필요한 에너지를 전달할 수 있다. 그러나 알벤파의 주기는 코로나 루프 통과 시간보다 길어, 대부분의 에너지 소산은 코로나 바깥에서 발생할 것으로 예상된다. 코로나 구멍에서 태양풍 가속은 알벤파가 담당할 가능성이 있다.[16]3. 5. 전류에 의한 가열 (줄 가열)
마이크로-나노플레어 이론은 자기장의 자발적 완화로 생성된 전류의 소산을 통해 코로나가 가열된다고 설명한다. 코로나 자기 플럭스 튜브의 자기력선 꼬임은 자기 재결합 현상을 유발하여, 대규모 자기력선에 동시적인 변화 없이 작은 길이 스케일에서 자기장의 변화를 야기한다.[16] 이러한 방식으로 코로나 루프가 안정적이고 동시에 뜨거운 이유를 설명할 수 있다.전류에 의한 옴 손실은 코로나 활동을 설명하는 유효한 대안이 될 수 있다. 수년 동안 자기 재결합은 태양 플레어의 주요 동력원으로 간주되어 왔다. 그러나 이 가열 메커니즘은 큰 전류 시트에서 그다지 효율적이지 않은 반면, 나노플레어가 훨씬 더 작은 길이 스케일에서 발생하여 비선형 효과가 무시할 수 없을 때 난류 체제에서 더 많은 에너지가 방출된다.[16]
2020년에 네이처(Nature)에 게재된 연구[17]는 나노플레어의 완전한 생명 주기에 대한 최초의 관찰을 보고했다. 연구자들은 이전에는 해결되지 않은 낮은 태양 코로나 루프 내에서 자기 재결합을 통한 선택적 이온 가열 과정을 문서화했다. 이 루프는 수십 초 이내에 수천 도에서 수백만 도의 온도로 급격한 가열을 겪은 다음 점진적인 냉각을 겪는 것으로 관찰되었으며,[18] 코로나를 수백만 도까지 가열할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 전달했다.
3. 6. 최신 연구 동향
Nature|네이처영어 2020년 게재된 연구[17]에서는 나노플레어의 전체 수명 주기에 대한 최초의 관측 결과가 보고되었다. 연구자들은 이전에 관측되지 않았던 낮은 태양 코로나 루프 내에서 자기 재결합을 통한 이온 가열 과정을 상세히 기록했다. 이 루프는 수십 초 이내에 수천 도에서 수백만 도로 급격하게 가열된 후 점진적으로 냉각되는 것으로 관찰되었으며,[18] 이는 나노플레어가 코로나를 수백만 도까지 가열할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 전달할 수 있음을 시사한다.4. 한국의 나노플레어 연구 현황
요약이 주어졌으나, 참조할 원문 소스가 없으므로, 주어진 요약만으로는 내용을 작성할 수 없습니다.
참조
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http://www.nasa.gov/[...]
2014-09-23
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2015-05-28
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Topological Dissipation and the Small-scale Fields in Turbulent Gases
1972
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http://adsabs.harvar[...]
1988-07
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On Solving the Coronal Heating Problem
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2012
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https://www.nasa.gov[...]
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