마운더 극소기

1. 개요

마운더 극소기는 1645년부터 1715년까지 약 70년 동안 태양 흑점 활동이 현저히 감소한 시기를 말한다. 이 기간 동안 흑점 관측 기록이 드물었고, 10년 주기의 흑점 수 변화가 관찰되었으며, 일식 때 태양 코로나가 약하고 구조가 없는 것으로 나타났다. 마운더 극소기는 소빙하기와 겹쳐 유럽과 북아메리카의 추운 기온과 관련이 있지만, 인과 관계는 논쟁의 대상이다. 이 시기에는 탄소-14와 베릴륨-10과 같은 대리 지표를 통해 태양 활동 감소가 확인되었으며, 오로라는 10년 주기로 관찰되었다.

2. 흑점 관측 기록

17세기 조반니 도메니코 카시니는 파리 천문대에서 장 피카르, 필리프 드 라 이르와 함께 체계적인 태양 관측을 수행했다. 요하네스 헤벨리우스도 독자적인 관측을 수행했다.

다음은 1610년대부터 1680년대까지 10년 단위 흑점 수 기록이다.

2.1. 마운더 극소기 동안의 흑점 주기

마운더 극소기 동안에도 흑점 수의 11년 주기 변화는 관측되었다. 극대기는 1676-1677년, 1684년, 1695년, 1705년, 1718년에 발생했다. 흑점 활동은 마지막 주기를 제외하고는 태양의 남반구에 집중되었는데, 이때 흑점은 북반구에서 나타났다.

슈푀러의 법칙에 따르면, 흑점은 주기의 시작 시점에 높은 위도에서 나타나, 이후 태양 극대기에서 약 15° 위도까지 이동한다. 그런 다음 평균은 약 7°까지 계속 낮아지고, 이전 주기의 흑점이 사라지는 동안 새로운 주기의 흑점이 다시 높은 위도에서 나타나기 시작한다. 이러한 흑점의 가시성은 다양한 위도에서의 태양 표면 회전 속도에도 영향을 받는다.

가시성은 황도에서 관측하는 것에 의해 다소 영향을 받는다. 황도는 태양 적도(위도 0°) 평면에서 7° 기울어져 있다.

마운더 극소기 중에도 태양 흑점 수의 11년 주기 변화는 태양 흑점의 개체 수 변화로부터 파악할 수 있다. 극대기는 1674년, 1684년, 1695년, 1705년, 1716년에 관측되었다. 이 기간 동안 태양 흑점 활동은 태양면의 남반구에 집중되었다. 마운더 극소기 말기의 11년 주기는 예외적으로 북반구에도 나타난 것으로 기록되어 있다. 또한, 일본의 나고야 대학교 연구 그룹은 방사성 동위 원소인 ¹⁴C 분석을 통해 주기가 14년으로 변동했다고 보고했다。

3. 마운더 극소기 동안의 일식

존 A. 에디는 마운더 극소기 동안의 일식에 대해 논의하면서, 1652년, 1706년, 1715년의 일식에 대한 목격자 보고서를 바탕으로 태양 코로나의 강도가 약하고 구조가 없었다고 결론내렸다. 그러나 당시에는 이를 뒷받침할 만한 그림 자료가 부족했다. 정치 풍자 만화, 동전, 메달 등에 묘사된 자료는 있었지만, 실제 관측자가 그린 것은 아니었다. 1706년 일식 당시 목격자가 제작한 판화 두 점이 있었으나, 상업적 목적으로 제작되었고 훈련된 천문학자가 제작한 것이 아니었다.

2012년, 베를린 국립 도서관의 마르쿠스 하인츠는 1706년 일식에 대한 두 점의 그림을 발견했다. 이 그림들은 훈련된 천문학자이자 관찰자인 마리아 클라라 아이마르트가 그린 것으로, 뉘른베르크 성벽 보루의 천문대 관장의 딸이었다. 이 그림들은 뉘른베르크 출신의 요한 필리프 부르젤바우, 프랑스 수학자이자 지도 제작자 장 드 클라피에, 몽펠리에의 바보테 타워에서 같은 사건을 관찰한 천문학자 프랑수아 드 플란타데의 상세한 묘사와 일치했다.

이는 마운더 극소기 동안 약하고 구조가 없는 코로나에 대한 에디의 결론을 확인시켜 주었으며, 낮은 코로나 자기 선속에 대해 모델링된 바와 같이 자기장에 의해 정렬되는 K-코로나가 감지되지 않고 구조가 없는 F-코로나의 시뮬레이션과 일치했다. 마운더 극소기 코로나에 대한 이러한 관찰과 1715년 사건 당시 K-코로나가 부분적으로 회복된 방식에 대한 자세한 논의는 하야카와 외(2020)에 의해 제공된다.

4. 소빙하기와의 관계

마운더 극소기는 소빙하기의 중간 부분과 겹치는데, 이 시기 동안 유럽과 북아메리카 등지에서는 평균보다 추운 기온을 보였다. 그러나 태양 활동 감소와 소빙하기 사이의 인과 관계는 아직 논쟁 중이다. 현재 소빙하기의 원인에 대한 가장 유력한 가설은 화산 활동이다. 소빙하기는 마운더 극소기보다 훨씬 앞서 시작되었고, 마운더 극소기 동안 북반구 기온은 이전 80년과 크게 다르지 않았다.

낮은 흑점 활동과 잉글랜드의 추운 겨울 사이의 상관관계는 중앙 잉글랜드 기온 기록을 통해 분석되었다. NASA의 태양 복사 및 기후 실험에 따르면, 태양 자외선 출력은 태양 주기에 걸쳐 이전에 생각했던 것보다 더 가변적이다. 2011년 연구에서는 낮은 태양 활동이 제트 기류 행동과 연관되어 일부 지역(남유럽, 캐나다/그린란드)에서는 온화한 겨울을, 다른 지역(북유럽, 미국)에서는 더 추운 겨울을 초래했다고 밝혔다. 유럽에서는 1683년-1684년, 1694년-1695년, 1708–09년 겨울이 매우 추웠다.

마운더 극소기는 중세 시대 소빙하기 중반의 한랭기 원인으로 여겨지며, 이 시기 유럽, 북아메리카 등 온대 지역의 겨울은 매우 추웠다. 북반구 평균 기온은 극소기 전후에 비해 0.1~0.2도 하락한 것으로 추정된다。

태양 흑점 활동 감소와 지구 기온 변화 사이에는 아직 밝혀지지 않은 부분이 남아 있다. 예를 들어 2010년경의 극소기에는 태양 복사가 감소하는 반면, 스펙트럼 변화로 인해 대기에 의한 흡수가 오히려 증가할 가능성도 제기되고 있다.

4.1. 한국에서의 기후 변화 연구

2010년 도쿄 대학, 나고야 대학, 나고야 공업 대학 연구팀은 나라현에 있는 삼나무 등 수령 390년 이상 노목의 나이테를 분석하여, 이 시기 일본(에도 시대 초기)이 주기적으로 비가 많이 오는 습윤한 기후였다고 결론을 내리고 논문으로 정리했다.

5. 기타 관측 기록

과거의 태양 활동은 탄소-14와 베릴륨-10과 같은 대리 지표를 통해 기록될 수 있다. 마운더 극소기 동안 태양 활동 감소는 탄소-14와 베릴륨-10 농도 변화를 통해 확인된다. 방사성 탄소 연대 측정 시 탄소-14 생산량 변화를 고려해야 한다. 빙상 및 나이테에 저장된 베릴륨-10 및 탄소-14 기록은 지자기 폭풍 활동에 대한 역사적 데이터를 기반으로 한 태양 및 태양권 자기장 재구성에 의해 지원된다.

다른 역사적 흑점 극소기는 직접적으로 또는 우주 기원 동위원소 분석을 통해 감지되었으며, 여기에는 슈푀러 극소기 (1450–1540)와 덜 두드러지지만 달튼 극소기 (1790–1820)가 포함된다. 2012년 연구에서, 호수 퇴적물에서 탄소-14 분석을 통해 흑점 극소기가 감지되었다. 총 8,000년 동안 18번의 흑점 극소기가 있었던 것으로 보이며, 연구에 따르면 태양은 현재 이러한 극소기 상태에서 시간의 4분의 1을 보낸다.

존 플램스티드의 그림 분석을 바탕으로 한 논문에 따르면 태양의 표면 자전은 마운더 극소기 (1684)에 둔화되었다고 한다.

마운더 극소기 동안 오로라는 규칙적인 10년 주기와 함께, 정상적으로 관찰된 것으로 보인다. 이는 다소 놀라운 일인데, 그 이유는 이후의, 덜 심각한 달튼 흑점 극소기는 적어도 낮은 지자기 위도에서 오로라 발생 빈도에서 명확하게 나타나기 때문이다. 지자기 위도는 오로라 발생에 중요한 요소이므로(낮은 위도의 오로라는 더 높은 수준의 태양-지구 활동이 필요함), 초기에 주어진 자기 위도에서 신뢰할 수 있는 오로라 관측자의 수에 영향을 미쳤을 수 있는 인구 이동 및 기타 요인을 고려하는 것이 중요하다. 마운더 극소기 동안의 10년 주기는 베릴륨-10 우주 기원 동위원소의 풍부도에서 관찰될 수 있는데(이는 탄소-14와 달리 연간 해상도로 연구할 수 있다), 이는 잔존하는 흑점 활동과 반대 위상으로 나타난다. 2012년에는 태양 자기 플럭스의 손실에서의 태양 주기로 설명하는 이론이 제안되었다.