오로라
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1. 개요
오로라는 로마 신화의 여명 여신 아우로라에서 유래된 이름으로, 지구 대기 상층에서 나타나는 자연 현상이다. 태양풍 입자가 지구 자기장과 상호 작용하여 대기 중의 산소와 질소 분자를 자극, 다양한 색깔의 빛을 낸다. 오로라는 극지방에서 주로 관측되며, 북극광(오로라 보레알리스)과 남극광(오로라 아우스트랄리스)으로 나뉜다. 오로라는 빛의 형태, 고도, 색깔, 활동 등 다양한 특징을 가지며, 태양 활동과 지구 자기장의 변화에 따라 발생 빈도와 강도가 달라진다. 오로라와 관련된 현상으로는 극자기폭풍, 전파 장애 등이 있으며, 다른 행성에서도 오로라가 관측되기도 한다.
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| 오로라 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
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| 다른 이름 | 극광, 북극광, 남극광 |
| 유형 | 대기 현상 |
| 원인 | 태양풍 |
| 관측 위치 | 극지방 |
| 관련 행성 | 지구 목성 토성 천왕성 해왕성 금성 화성 |
| 발생 높이 | 80 km - 1000 km |
| 오로라 | |
| 어원 | 로마 신화의 새벽의 여신 아우로라 |
| 북극광 | 북극 지방에서 나타나는 오로라 |
| 남극광 | 남극 지방에서 나타나는 오로라 |
| 오로라 생성 원리 | 태양에서 방출된 하전 입자가 지구 자기장과 상호 작용하여 생성 |
| 추가 정보 | |
| 주요 색상 | 녹색, 붉은색, 푸른색, 보라색 |
| 녹색 오로라 발생 원인 | 산소 원자의 충돌에 의해 발생 |
| 붉은색 오로라 발생 원인 | 산소 원자의 높은 고도에서의 충돌에 의해 발생 |
| 푸른색 오로라 발생 원인 | 질소 분자의 충돌에 의해 발생 |
| 오로라 관측 시기 | 겨울철, 밤에 주로 관측 |
| 오로라 관측 지역 | 알래스카 캐나다 아이슬란드 그린란드 노르웨이 스웨덴 핀란드 남극 |
| 외부 링크 | |
2. 어원
오로라(Aurora)라는 이름은 황금빛을 의미하는 '오르(Aur- / 프랑스어 or-)'에서 유래했는데, 이는 동틀녘 하늘에 태양에서 황금빛이 발할 때를 의미하는 '새벽' 또는 '신명'이라는 뜻의 라틴어이며 로마 신화의 여명의 여신(그리스 신화의 에오스)이기도 하다. 중위도에서 볼 수 있는 극광이 새벽빛과 비슷하기 때문에 17세기경부터 극광을 오로라라고 부르게 되었다.[4][5]
오로라는 크게 극관, 글로오로라, 오로라대형(帶型), 중위도 오로라 등으로 나뉜다.[18] 이 중 가장 눈에 띄는 것은 오로라대형 오로라이다. 보통 오로라라고 하면 커튼형, 패치상(狀) 맥동성, 희미한 부정형(不定形) 오로라(diffuse auora)로 다시 나뉜다.
1619년 갈릴레오는 로마 신화의 여명의 신 아우로라(Aurora)와 그리스 신화의 북풍의 신 보레아스에서 따와 '오로라 보레알리스(aurora borealis)'라는 용어를 만들었다.[6][7] "보레알리스(borealis)"와 "아우스트랄리스(australis)"라는 단어는 그리스-로마 신화에서 북풍의 신 보레아스와 남풍의 신 아우스터의 이름에서 유래되었다.
오로라라는 명칭은 로마 신화의 새벽의 여신 아우로라에서 유래하며,[110][111][112] 17세기경부터 사용되기 시작했다. 프랑스의 피에르 가상디가 명명했다는 설과,[110][114] 이탈리아의 갈릴레오 갈릴레이가 명명했다는 설이 있다.[110][111][116]
오로라라는 명칭이 널리 퍼지기 이전부터, 현상 자체는 기원전부터 여러 지역에서 확인 및 기록되어 왔다. 아리스토텔레스와 세네카는 오로라를 하늘이 갈라진 곳이라고 생각했다. 특히 아리스토텔레스는 『기상학』에서 "하늘의 갈라진 틈(CHASMATIS)"이라고 표현했다.[117][118] 대한민국에서는 옛날부터 "적기(赤氣)", "홍기(紅氣)" 등으로 표현되었다.[119] 현대 한국어에서는 북극 근처의 오로라를 '''북극광''', 남극 근처의 오로라를 '''남극광'''이라고 부르기도 한다.[109][120]
북아메리카와 스칸디나비아 반도에서는 오로라를 northern lights영어(북쪽의 빛), norðurljósis(아이슬란드어), nordlysda(덴마크어), norrskensv(스웨덴어)라고 부르지만, 점차 aurora영어도 사용하게 되었다.[112][121][122] 또한 북극광을 northern lights영어 또는 Aurora Borealis영어(북쪽의 오로라), 남극광을 southern lights영어(남쪽의 빛) 또는 Aurora Australis영어(남쪽의 오로라)라고 부른다.[112][109] 오스트레일리아에서는 오로라를 northern lights영어라고 부른다.[112] 때로는 Aurora polaris영어(극광), polarlysda(덴마크어), polarskensv(스웨덴어)라고 부르기도 한다.[112]
핀란드어에서는 revontuletfi(여우의 불, 여우불)이라고 불린다. 사미족의 전설에서는 여우가 북극권의 언덕을 달릴 때, 꼬리가 설원에 뿌린 불꽃이 소용돌이치며 밤하늘의 빛이 된다는 데서 유래한다.[123]
북유럽 신화에서 오로라는 밤하늘을 질주하는 발퀴레들의 갑옷의 빛이라고 한다.[124][125][313] 북유럽에서는 오로라에 의해 죽은 자의 세계와 산 자의 세계가 연결되어 있다고 믿는 사람이 아직도 있다.[129] 또한 에스키모의 전설에서는 생전의 행실이 좋았던 사람은 사후에 오로라의 나라(사실상 천국)로 간다고 한다.[130]
3. 종류
1949년 사스캐처원 대학교는 SCR-270 레이더를 사용하여 오로라 영상 촬영에 대한 초기 연구를 수행했다.[18] 카를 스퇴르머와 그의 동료들은 카메라를 사용하여 12,000개가 넘는 오로라를 삼각 측량하여 오로라 방출 고도를 밝혀냈다.[19] 그들은 대부분의 빛이 지상으로부터 약 90~150km 상공에서 생성되지만, 때로는 1,000km 이상까지 확장되는 것을 발견했다.
지상에서 볼 수 있는 오로라의 주요 형태는 다음과 같다.[20]
Brekke(1994)는 일부 오로라를 "커튼"으로 묘사했다.[22] 커튼과의 유사성은 아크 내의 주름에 의해 종종 강조된다. 아크는 조각나거나 분리되어 때로는 빠르게 변하는, 종종 레이가 있는 특징으로 나뉠 수 있으며, 전체 하늘을 채울 수도 있다. 이것들은 ''불연속 오로라''로도 알려져 있으며, 때로는 밤에 신문을 읽을 수 있을 만큼 밝다.[23]
이러한 형태는 지구의 자기장에 의해 오로라의 형태가 결정된다는 것과 일치한다. 아크, 레이, 커튼, 코로나의 모양은 대기의 발광 부분의 모양과 관찰자의 위치에 의해 결정된다.[24]
오로라 입자를 대기로 가속시키는 메커니즘도 다양하다. 지구의 오로라 지역에서 발생하는 전자 오로라는 직접적인 원인에 따라 확산 오로라와 이산 오로라라는 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있다. 확산 오로라는 구조가 상대적으로 없는, 가장자리가 불분명하고 형태가 비정형적인 것으로 나타난다. 이산 오로라는 아크, 광선, 코로나와 같이 가장자리가 잘 정의된 뚜렷한 특징으로 구조화되어 있으며, 확산 오로라보다 훨씬 더 밝은 경향이 있다.
두 경우 모두, 오로라를 생성하는 전자는 지구 자기권의 자기장에 갇힌 전자로 시작된다. 갇힌 입자는 자기력선을 따라 이동하며, 지구에 가까워짐에 따라 자기장 세기가 증가함으로써 형성되는 자기 거울에 의해 대기와 충돌하는 것을 막는다. 자기 거울이 입자를 가두는 능력은 입자의 피치각(운동 방향과 국부 자기장 사이의 각도)에 따라 달라진다. 오로라는 많은 개별 전자의 피치각을 감소시켜 자기장의 포획에서 벗어나 대기와 충돌하게 하는 과정에 의해 생성된다.
확산 오로라의 경우, 전자의 피치각은 다양한 플라스마 파동과의 상호 작용에 의해 변화된다. 각 상호 작용은 파동-입자 산란이며, 파동과 상호 작용한 후 전자의 에너지는 상호 작용 전의 에너지와 유사하지만 운동 방향은 변경된다. 산란 후 최종 운동 방향이 자기력선에 가까운 경우 전자는 대기와 충돌한다. 확산 오로라는 이렇게 산란된 많은 전자가 대기와 충돌하는 집단적인 효과에 의해 발생한다. 이 과정은 플라스마 파동에 의해 매개되는데, 플라스마 파동은 지자기 활동이 높은 기간 동안 강해져 그러한 시기에 확산 오로라가 증가한다.
이산 오로라의 경우, 갇힌 전자는 "오로라 가속 영역"에서 약 4000~12000km 고도에 형성되는 전기장에 의해 지구 쪽으로 가속된다.[66] 전기장은 자기력선을 따라 지구에서 멀어지는 방향(위쪽)을 가리킨다. 이러한 전기장을 통해 아래로 이동하는 전자는 자기력선을 따라 지구 쪽으로 상당한 양의 에너지를 얻는다. 이러한 장렬 가속은 영역을 통과하는 모든 전자의 피치각을 감소시켜 많은 전자가 상층 대기와 충돌하게 한다. 확산 오로라를 초래하는 산란 과정과 달리, 전기장은 가속 영역을 아래로 통과하는 모든 전자의 운동 에너지를 같은 양만큼 증가시킨다.
가속된 전자는 자기력선을 따라 전류(비르켈란드 전류)를 운반한다. 전기장이 전류와 같은 방향을 가리키기 때문에, 오로라 가속 영역(전기 부하)에서 전자기 에너지가 입자 에너지로 순 변환된다. 이 부하에 전력을 공급하는 에너지는 결국 지구 자기장의 장애물 주위를 흐르는 자화된 태양풍에 의해 공급되지만, 그 에너지가 자기권을 통해 어떻게 흐르는지는 여전히 활발한 연구 분야이다.[67] 오로라에 전력을 공급하는 에너지는 궁극적으로 태양풍에서 유래하지만, 전자 자체는 태양풍에서 지구의 오로라 지역으로 직접 이동하지 않는다.
일부 오로라 특징은 또한 분산적인 알펜 파에 의해 가속된 전자에 의해 생성된다. 배경 자기장에 수직인 작은 파장에서 알펜 파는 배경 자기장과 평행한 유의미한 전기장을 생성한다. 이 전기장은 전자를 keV 에너지로 가속시켜 오로라 아크를 생성할 수 있다.[68] 전자의 속도가 파의 위상 속도에 가까우면, 마치 서퍼가 파도를 타는 것과 유사하게 가속된다.[69][70]
이산 및 확산 전자 오로라 외에도, 양성자 오로라는 자기권 양성자가 상층 대기와 충돌할 때 발생한다. 양성자는 상호 작용에서 전자를 얻고, 생성된 중성 수소 원자는 광자를 방출한다. 그 결과 생성되는 빛은 육안으로 보기에는 너무 어둡다.
오로라의 형태는 지구의 자기장에 의해 형성되며, 종종 커튼에 비유된다. 이는 아랫부분이 명확하고 주름이 있는 데서 유래한다.[205] 커튼의 동서 길이는 수천 km, 두께는 약 500m, 아랫부분은 지상 약 100km, 윗부분은 약 300~500km이다.[207] 오로라 활동이 활발할 때는 윗부분이 1000km 이상의 높이에 이른다.[201]
시간이 지남에 따라 오로라의 형태도 변화한다. 오로라의 형태에는 밴드(띠), 코로나(관, 방사상), 아크(호)[208], 토치(횃불), 벌지(부풀음)[209] 등 다양한 형태가 있다. 그러나 이들은 단순히 커튼의 주름 크기와 수[208], 커튼의 왜곡이나 비틀림, 굽은 정도[209]만으로 구분될 뿐, 오로라 자체의 종류가 여러 가지 있는 것은 아니다.[208][209] 가늘게 빛나는 부분을 레이라고 하며, 대개 수평 방향으로 이동한다.[211]
이와는 별도로 깜빡이는 오로라도 있으며, 이는 맥동 오로라라고 불린다.[212]
4. 분포
오로라는 남극과 북극 양극 지방의 지구 자기 위도 65~70도 범위인 "오로라대"에서 가장 자주 관측된다.[8] 오로라대보다 고위도(극관 지역)나 저위도에서의 출현 빈도는 감소한다. 오로라 출현대는 지방시(地方時)에 따라 변화하며, 야간에는 65~70도에 많고, 주간에는 75~80도로 위도가 높아진다. 이처럼 오로라가 출현하는 위도가 지방시에 따라 변화하는 영역을 "오로라 오벌(aurora oval)"이라고 한다.[9] 큰 지자기 폭풍 때는 오로라 오벌이 확장되어 중위도 지역에서도 오로라가 관측될 수 있다.
북쪽 위도에서는 오로라 보레알리스 또는 북극광으로 알려져 있다. 남쪽의 대응 현상인 오로라 아우스트랄리스 또는 남극광은 오로라 보레알리스와 거의 동일한 특징을 가지며, 북쪽 오로라대의 변화와 동시에 변한다.[12] 오로라 아우스트랄리스는 남극 대륙, 남아메리카 남부 원뿔 지역, 남아프리카 공화국, 오스트랄라시아의 고위도 지역에서 볼 수 있다.[13] 오로라 보레알리스는 알래스카, 캐나다, 아이슬란드, 그린란드, 페로 제도, 스칸디나비아, 핀란드, 스코틀랜드, 러시아와 같이 북극 주변 지역에서 볼 수 있다.
지자기 폭풍은 오로라 오벌(북쪽과 남쪽)을 확장시켜 오로라를 더 낮은 위도까지 가져온다. 드물게 오로라 보레알리스는 지중해와 미국의 남부 주까지 남쪽으로, 오로라 아우스트랄리스는 뉴칼레도니아와 서호주의 필바라 지역까지 북쪽으로 관측될 수 있다. 관측된 가장 큰 지자기 폭풍인 캐링턴 사건 동안에는 열대 지방에서도 오로라가 관측되었다.
오로라는 완벽한 양극점 근처에서는 거의 관측되지 않는다. 지자기 위도로 보면, 낮에는 약 75도를 중심으로 극쪽으로 77도에서 78도 정도까지, 밤에는 약 65도를 중심으로 68도에서 70도 정도까지, 지구의 자극을 둘러싼 도넛 모양의 영역에서 발생한다. 오로라가 발생하는 영역을 "오로라 오벌"이라고 부른다.[244][255] 낮과 밤을 평균하면 지자기 위도 약 60도에서 70도 정도에 오로라가 자주 발생하므로, 이 영역을 "오로라대"(오로라 벨트)라고 한다.[246][247]
오로라가 자주 관측되는 곳으로 유명한 곳으로는 알래스카의 페어뱅크스[250], 캐나다의 유콘 준주의 도슨시티[251]와 노스웨스트 준주의 옐로나이프[252], 스웨덴의 키루나[253] 등이 있으며, 많은 관광객과 사진작가들이 방문한다.
역사적으로 자극의 이동에 따라 오로라대의 위치도 변화하고 있다. 과거로 거슬러 올라간 지자기 모델의 복원에 의해 추정이 이루어지고 있으며, 예를 들어 현재 그린란드 쪽에 위치하고 있는 북자극은 1200년경에는 북극점에서 보아 일본 열도 쪽에 있었고, 850년경이나 일본에서 가장 오래된 오로라로 추정되는 기록이 있는 620년경에는 유라시아 대륙 쪽에 있었다.[255][256]
오로라는 북극과 남극에서 동시에 비슷한 형태(색깔과 모양)로 발생하는 것으로 알려져 있다. 이는 동일한 자력선을 따라 오로라를 발생시키는 입자가 동시에 하강하기 때문이다.[261] 이처럼 같은 자력선으로 연결되어 있는 지점을 공역점이라고 한다.[257]
1970년대 경, 남극에 있는 일본의 세종기지(昭和基地)의 공역점은 아이슬란드의 레이캬비크 부근에 있었다.[259][258][260] 1980년대에 아이슬란드대학교와 협력하여 세종기지와 아이슬란드에서의 동시 관측을 시작했다.[261]
오로라는 지구의 고위도 지역에서만 관측되며, 주로 겨울에, 특히 추운 날에 자주 관측된다. 하지만 오로라는 대기권 상층에서 발생하는 현상이며, 지상의 기온과는 관계가 없다.[263][264] 고위도 지역에서 자주 나타나는 이유는 지구의 오로라대가 우연히 고위도 지역에 위치하기 때문이다.[263] 여름에 잘 보이지 않고 겨울에 잘 보이는 이유는 고위도 지역의 여름밤은 백야로 밝고, 겨울에는 극야로 매일 긴 시간 동안 하늘이 어두워지기 때문이다.[264][265]
5. 높이
오로라는 지상 약 80km에서 수백 km의 초고층 대기층에서 나타난다. 커튼형 오로라 하단의 높이는 전리층 E층 (100-110km)이고, 상단은 400km까지 펼쳐진다.[18][19] 극관 글로오로라는 지상 80∼100km, 중위도 오로라는 평균적으로 더 높은 지상 300∼600km에서 나타난다. 오로라의 높이는 출현 시간, 위도 및 종류에 따라 달라진다. 일반적으로 주간에 고위도에서 출현하는 커튼형 오로라는 백수십∼수백km로 높지만, 저녁부터 심야까지는 점차 하강해서 100∼수십백km가 된다. 심야에서 아침까지의 오로라는 주로 맥동성 오로라로서 높이가 커튼형보다 낮아서 90∼100km 정도가 많다.
오로라 방출이 발생하는 고도는 카를 스퇴르머와 그의 동료들이 12,000개가 넘는 오로라를 삼각 측량하여 밝혀냈다. 그들은 대부분의 빛이 지상으로부터 약 90km~150km 상공에서 생성되지만, 때로는 1000km 이상까지 확장되는 것을 발견했다.
6. 발광
오로라는 초고층 대기에서 발생하며, 공기의 주성분인 질소와 산소의 분자, 원자 및 이온이 태양풍 입자(전자·양성자)와 충돌하여 들뜬 상태가 된다. 이후 낮은 에너지 준위로 떨어질 때 빛을 방출한다. 대표적인 빛은 산소 원자의 녹색광(파장 557.7nm) 및 적색광(파장 630nm, 636.4nm), 질소 분자 이온의 청색 스펙트럼(파장 427.8nm 등), 질소 분자의 적색 또는 핑크색 스펙트럼 등이다.[193]
오로라의 색은 고도에 따라 달라지는데, 이는 산소와 질소의 밀도 및 충돌 빈도 차이 때문이다.[196][197][198]
| 고도 | 주요 발광 원소 및 색 | 설명 |
|---|---|---|
| 150~200km 이상 | 산소 원자 (적색) | 대기 밀도가 낮아 낮은 에너지 전자로도 산소 원자 여기 가능 |
| 100~150km | 산소 원자 (녹색) | 대기 밀도가 높아 높은 에너지 전자가 필요, 고위도 지역에서 주로 관측 |
| 90~100km | 질소 원자 (적색, 파란색) | 매우 강한 오로라 활동 필요, 녹색 커튼 가장자리에 분홍색/적자색 프릴 형성 |
| 수백 km | 질소 분자 (녹색, 보라색) | 이온화된 질소 분자의 발광, 청보라색은 매우 드물게 관측 |
저위도 지역에서 붉은색 오로라가 관측되는 경우는 자력선이 저위도 쪽으로 흔들리거나, 지구 곡률 때문에 상부의 붉은색 오로라만 보이거나, 오로라 발광 부분 상단이 1,000km 이상 뻗는 경우 등과 관련이 있다.[200][201]
오로라의 밝기는 레이리로 표시되며, 육안 관측 가능 여부는 약 1,700 레이리가 기준이다.[202] 조도로 나타내면, 보통 오로라는 0.1~0.01 룩스 정도이며, 가장 밝은 오로라는 수 룩스 정도로 보름달 밝기와 비슷하다.[203]
7. 활동과 원인
극관 글로 오로라는 태양의 플레어 현상 때 태양에서 직접 날아오는 100만 eV 이상의 고에너지 양성자가 직접 극관 지방에 입사하면서 발생한다. 이때 입사하는 입자는 높은 운동 에너지를 가진 양성자이기 때문에 대기권으로 깊이 침투하여 오로라 고도가 낮다. 대기권에서 양성자가 전자를 포착하여 중성 수소로 변하기 때문에 수소의 휘선(Hα, Hβ 등)이 강하게 나타난다.[31]
대형 오로라는 항상 변동하며, 가장 활발한 활동은 오벌의 한밤중 부분에서 밝기가 증가하고 격렬해지기 시작하여 몇 분 사이에 오벌의 폭이 수백 km로 확대되면서 폭발적으로 발달하는 것이다. 이를 오로라 폭풍이라고 한다.
태양풍 중의 자기장에서 남향(지구의 북극에서 남극으로 향하는) 성분이 증가하면 태양풍에서 지구 자기권으로 유입되는 에너지가 증가하고, 그 결과 지구 자기권 내에 큰 에너지가 축적된다. 이 에너지에 의해 자기권 꼬리의 자기 중성면 부근에서 입자가 급속하게 가속되고, 다시 지상 수천 km 높이 부근의 자기력선에 인접한 전기장에서 속도가 더욱 가속되며 자기력선에 유도되어 초고층 대기에 입사된다. 이러한 메커니즘을 통해 입사되는 전자에 의해 발광하는 오로라가 커튼형 오로라이다. 커튼형 오로라의 높이가 주간에서 저녁때를 거쳐 밤중에 이르는 사이에 점차 낮아지는 것은 이러한 가속이 주간보다 야간에 더 활발하다는 것을 보여준다. 인공위성과 로켓에 의한 관측에서도 가속 전압이 낮에서 밤으로 갈수록 점차 증가한다는 사실이 밝혀졌다.
이와는 달리 자기권 꼬리의 가속 과정에서 직접 대기 중에 입사되지 않고, 일단 자기권 내에 머물다가 다시 안쪽으로 진입하여 비교적 안정된 자기권 내에 갇혔던 고에너지 입자가 자기 적도면 부근에서 플라스마 파동과 상호작용을 일으켜 산란됨으로써 대기에 입사되는 과정을 거치는 경우도 있다. 이러한 과정을 통해 입사된 전자에 의해 발광하는 오로라가 맥동성 오로라이다.
큰 자기폭풍 때에는 자기권 내에 갇혀 있던 고에너지 입자군에서 수일에 걸쳐 조금씩 높거나 낮게 누출되는 에너지에 의해 중위도 오로라가 발광한다. 또한 오로라와 관련된 전류는 1972년에 발견된 오로라 킬로미터파 방사(AKR)(auroral kilometric radiation)로 알려진 약 150kHz의 강한 전파 방출을 생성한다.[31] 이오노스피어 흡수 때문에 AKR은 우주에서만 관측 가능하다. 오로라와 관련된 입자에서 발생하는 X선 방출도 감지되었다.[32]
8. 관련 현상
오로라가 폭발적으로 활동할 때는 오로라와 그 부근 전리층 내에 강한 서향 전류가 흐르는데, 이는 극자기폭풍의 원인이 된다.[31] 이 전류는 아침까지는 자기권에서 전리층으로 유입되어 오로라 속을 서쪽으로 흐르고, 저녁때에는 전리층에서 자기권으로 유출된다. 전류 유입 영역은 강한 수소 휘선이 보이는 영역에 대응되고, 전류 유출 영역은 커튼형 오로라의 가장 활발한 부분에 대응된다. 커튼형 오로라 활동에는 '오로라 히스-오로라 킬로미터파'라는 전파가 동반되며, 맥동성 오로라 활동에는 '코러스 전파'와 지구 자기 맥동 등이 수반된다.
밝은 오로라는 버클랜드 전류와 관련이 있는데,[54][55] 이 전류는 극의 한쪽에서 이온층으로 흘러 들어가 다른 쪽으로 흘러나온다. 이온층은 옴성 도체이므로, 일부 과학자들은 이러한 전류가 구동 전압을 필요로 한다고 생각한다. 극지방 상공 궤도의 전기장 탐침은 강력한 자기 폭풍 동안 200,000볼트 이상으로 상승하는 전압을 나타낸다.
이온층 저항은 복잡한 특성을 가지며, 2차 홀 전류 흐름을 발생시킨다. 관측된 오로라 효과의 대부분은 2차 전류인 오로라 전자 제트에 기인한다. 크리스티안 비르켈란드[56]는 전류가 오로라 아크를 따라 동서 방향으로 흘렀다는 것을 추론했고, 이러한 전류는 나중에 "오로라 전자 제트"로 명명되었다(버클랜드 전류 참조).
9. 역사적 관측 기록
기원전 4세기 그리스 탐험가 피테아스가 오로라를 기술했다.[82] 세네카는 그의 저서 《자연의 문제들(Naturales Quaestiones)》 제1권에서 오로라에 대해 기술하며, ('통 모양'), ('구멍'), ('수염'), ('사이프러스 나무와 같은') 등으로 분류하고 다양한 색깔을 묘사했다. 그는 오로라가 구름 위에 있는지 아래에 있는지에 대해 기술하고, 티베리우스 시대에 오스티아 항구 도시 위에 형성된 오로라가 매우 강렬하고 붉어서 근처에 주둔하고 있던 군단이 화재 진압 임무를 위해 달려왔다고 적었다.[83] 플리니우스가 그의 저서 《자연사》에서 , , "떨어지는 붉은 불꽃", "밤의 낮"을 언급하며 오로라 보레알리스를 묘사했을 것이라는 주장도 있다.[84]
오로라를 가장 먼저 묘사한 것은 기원전 3만 년 경의 북부 스페인의 크로마뇽인 동굴 벽화일 가능성이 있다.[85]
오로라에 대한 가장 오래된 기록은 기원전 2600년경에 쓰여진 중국 전설이다. 기원전 2000년경 가을 어느 날,[86] 전설에 따르면, 푸바오(Fubao)라는 젊은 여성이 만에서 멀리 떨어진 황야에서 혼자 앉아 있을 때 갑자기 "마법의 빛띠"가 "움직이는 구름과 흐르는 물"처럼 나타나, 밝은 후광으로 변하여 북두칠성을 둘러쌌고, 희미한 은빛 광채가 땅을 비추어 모양과 그림자가 살아있는 것처럼 보였다. 이 광경에 감동한 푸바오는 임신하여 아들을 낳았는데, 그는 황제헌원으로 알려져 있으며, 전설에 따르면 중국 문화의 창시자이자 모든 중국인의 조상이다. 에는 이라는 생물이 밤하늘에서 빛나는 붉은 용으로 묘사되어 있으며, 몸길이는 천 리에 달한다. 고대 중국에는 오로라를 위한 고정된 단어가 없었기 때문에 "하늘 개"(天狗중국어), "칼/칼 별"(刀星중국어), "치우 깃발"(蚩尤旗중국어), "하늘의 열린 눈"(天开眼중국어), "비처럼 내리는 별"(星陨如雨중국어) 등 오로라의 모양에 따라 이름이 붙여졌다.
일본 민속에서 꿩은 하늘의 사자로 여겨졌다. 그러나 일본의 첨단과학대학원대학과 국립극지연구소 연구진은 2020년 3월 일본 상공에서 620년에 목격된 붉은 꿩 꼬리는 자기 폭풍 중에 발생한 붉은 오로라일 가능성이 있다고 주장했다.[87]
오스트레일리아 원주민의 전통에서 오로라 아우스트랄리스는 일반적으로 불과 관련이 있다. 예를 들어, 서부 빅토리아주의 군디짐마라 족은 오로라를 puae buaela('재')라고 불렀고, 동부 빅토리아주의 구나이 족은 오로라를 정신 세계의 부시파이어로 간주했다. 디에리 족은 남호주의 오로라를 kootcheedif라고 부르며, 악령이 큰 불을 만드는 것이라고 말한다. 마찬가지로, 남호주의 응가린저리 족은 캥거루 섬에서 보이는 오로라를 '죽음의 땅'에 있는 영혼들의 모닥불이라고 부른다. 남서부 퀸즐랜드의 원주민들은 오로라가 사람들에게 오로라를 통해 말하는 유령 영혼인 ''Oola Pikka''의 불이라고 믿었다. 신성한 법은 남성 원로를 제외한 모든 사람이 오로라를 통해 전달되는 조상들의 메시지를 보고 해석하는 것을 금지했다.[88]
마오리족의 뉴질랜드에서는 오로라 아우스트랄리스 또는 Tahunui-a-rangimi("하늘의 큰 횃불")은 남쪽의 "얼음의 땅"으로 항해한 조상들이 밝혔다고 한다.[89][90] 이 사람들은 7세기경 남극해에 도달한 우이테랑기오라의 탐험대라고 한다.[89][91]
스칸디나비아에서는 norðrljósnon(오로라)에 대한 최초 언급은 서기 1230년 노르웨이 연대기 코눙스 스쿠그샤(Konungs Skuggsjá)non에서 찾을 수 있다. 편년사는 그린란드에서 돌아온 동포들로부터 이 현상에 대해 들었으며, 바다가 거대한 불로 둘러싸여 있다는 것, 태양의 불꽃이 전 세계의 밤 쪽으로 도달할 수 있다는 것, 빙하가 에너지를 저장하여 결국 형광이 될 수 있다는 세 가지 가능한 설명을 제시했다.[92]
월터 윌리엄 브라이언트는 그의 저서 ''케플러''(1920)에서 티코 브라헤가 "오로라 보레알리스의 유황 증기로 인해 발생하는 전염병을 치료하기 위해 황을 권장하는 등 동종 요법의 일종을 시행한 것 같다"고 썼다.[93]
1778년 벤자민 프랭클린은 그의 논문 ''오로라 보레알리스, 설명을 위한 가설을 형성하기 위한 추측과 추측''에서 오로라가 극지방의 전하 농도에 의해 발생하며, 공기 중의 눈과 수분에 의해 강화된다는 이론을 제시했다.[94][95][96]
오로라의 영향으로 나침반 바늘의 주기적인 움직임에 대한 관찰은 안데르스 셀시우스와 올로프 히오르테르에 의해 스웨덴 도시 웁살라에서 확인되었다. 1741년 히오르테르는 큰 자기 변동을 머리 위에서 관찰된 오로라와 연결할 수 있었다. 이 증거는 '자기 폭풍'이 그러한 나침반 변동의 원인이라는 그들의 이론을 뒷받침하는 데 도움이 되었다.[97]
다양한 아메리카 원주민 신화가 그 장관을 둘러싸고 있다. 유럽 탐험가 새뮤얼 헌은 1771년 치피위안 데네와 함께 여행하며 ed-thinchp('순록')에 대한 그들의 견해를 기록했다. 헌의 말에 따르면, 데네족은 오로라와 순록 모피를 문지를 때 발생하는 불꽃 사이의 유사성을 보았다. 그들은 그 빛이 하늘에서 춤추는 돌아가신 친구들의 영혼이라고 믿었고, 밝게 빛날 때는 돌아가신 친구들이 매우 행복하다는 것을 의미했다고 믿었다.[98]
프레데릭스버그 전투 후 밤에 전장에서 오로라가 관측되었다. 남부 동맹군은 이 빛이 그렇게 남쪽에서는 거의 볼 수 없었기 때문에 신이 그들 편에 있다는 표시로 받아들였다. 프레더릭 에드윈 처치의 그림 ''오로라 보레알리스''는 미국 남북 전쟁의 갈등을 나타내는 것으로 널리 해석된다.[99]
19세기 중반 영국 자료에 따르면 오로라는 18세기 이전에는 드문 현상이었다.[100] 이 자료는 에드먼드 핼리의 말을 인용하며, 1716년 오로라 이전에는 80년 이상 그러한 현상이 기록된 적이 없었고, 1574년 이후로는 중요한 현상이 없었다고 한다. 1666년부터 1716년까지 ''프랑스 과학 아카데미''의 기록에 어떠한 출현도 기록되어 있지 않으며, 1797년 ''베를린 잡지''에 기록된 한 오로라는 매우 드문 사건으로 불렸다. 1723년 볼로냐에서 관측된 것은 그곳에서 처음으로 관측된 것이라고 한다. 안데르스 셀시우스(1733)는 웁살라의 가장 오래된 주민들은 1716년 이전에는 이 현상을 매우 드문 것으로 생각했다고 말한다. 약 1645년부터 1715년까지의 기간은 태양 흑점 활동의 몬더 최소기에 해당한다.
로버트 W. 서비스의 풍자시 "북극광의 발라드"(1908)에서 유콘 광부는 오로라가 라듐 광산의 빛이라는 것을 발견한다. 그는 자신의 광구를 획득한 후 투자자를 찾아 마을로 간다.
1900년대 초 노르웨이 과학자 크리스티안 비르켈란은 지구 자기와 극지방 오로라에 대한 현재 이해의 기반을 마련했다.
사미족 신화에서 오로라는 스스로 베어 죽은 사람들의 피가 하늘에 뿌려진 것으로 여겨진다. 북부 유라시아와 북아메리카의 많은 원주민들은 오로라가 죽은 사람들의 피라고 하는 유사한 믿음을 공유하며, 일부는 죽은 전사들의 피가 하늘에 뿌려진 것이라고 믿는다. 그들은 게임을 하거나, 말을 타거나, 다른 방식으로 즐거운 시간을 보내고 있다고 믿는다.
일본의 관측 역사에 대해서는 아래에서 설명한다.
분광학과 자기폭풍 연구가 심화되고 전문화됨에 따라[176], 20세기 중반에는 오로라의 분포와 움직임에 대한 연구가 거의 진행되지 않았다.[175]
수소 원자의 빛을 확인한 가르트라인이 1947년에 전천 카메라를 고안했고, 국제 지구 관측년 위원장 시드니 채프먼은 극지 전역에서 전천 카메라 촬영을 계획했다.[177] 채프먼은 1965년경 전천 카메라 연구가 마무리되자 인공위성에서 사진을 찍는 것을 제안했고, 이는 후술하는 바와 같이 실현되었다.[178] 국제 지구 관측년에는 오로라가 빛나는 영공으로 로켓 2기를 발사하여 강력한 전자빔이 존재한다는 사실도 알게 되었다.[178]
이 무렵 인공적으로 오로라를 발생시키는 실험도 실시되었다. 최초의 실험은 미국항공우주국(NASA)에 의해 1969년에 이루어졌다.[179] 그러나 이 실험 이전에도 대기 중 핵실험으로 의도치 않게 인공 오로라가 발생한 적이 있다.[179]
펠드슈타인은 1963년에 처음으로 오로라가 발생하는 지역을 확인하고 고리 모양임을 밝혀냈다. 또한 태양에서 볼 때 오로라의 고리가 고정되어 있다는 사실도 발견했다.[180] 아카마고 슌이치(赤祖父俊一)도 전천 카메라와 제트기 촬영을 통해 오로라 고리의 존재를 보였으나, 펠드슈타인과 함께 1971년에 발표했음에도 불구하고 받아들여지지 않았다.[181] 그러나 캐나다의 앵거가 인공위성 ISIS II를 통해 실제로 고리를 촬영하면서 이 주장은 받아들여졌다.[182]
일본의 전기통신대학과 나고야 대학은 2011년 9월 노르웨이 북부 트롬쇠(Tromsø)에 30초마다 전천을 촬영하는 디지털카메라를 설치하여 촬영한 553장의 이미지를 인공지능(AI)에 기계학습시켜 오로라 발생을 실시간으로 감지하고 알려주는 "Tromsø AI(트롬쇠 AI)"의 운영을 시작했다.[183]
극히 보기 드문 현상이지만, 일본에서는 예로부터 "적기(赤気, sekki)"라는 이름이 붙어 있었다.[297][140] "홍기(紅気, sekke)"라는 기록도 있다.[289][290] 가장 오래된 기록은 『일본서기(日本書紀)』까지 거슬러 올라가며, 推古天皇(수이코 덴노) 통치 시대인 620년 12월 30일에는[119] "하늘에 적기가 있었는데, 그 형태는 꿩(雉, きじ)의 꼬리와 닮았다. 길이는 1장(약 3.8미터) 남짓이었다."라는 기록이 남아 있다.[292] 일본과 같이 중위도에서 볼 수 있는 오로라는 붉은 부채꼴 구조를 보이는 것으로, 꿩이 꼬리를 펼친 모양에 비유한 것으로 추측된다.[293] 당시 일본의 자기 위도는 현재보다 10도 정도 높았기 때문에, 대규모 자기 폭풍이 발생하면 일본에서 오로라가 보여도 이상하지 않고, 삭망기에 달빛이 없는 칠흑 같은 밤하늘은 오로라 관측에 좋은 조건이었다. 특히 부채꼴 오로라는 자정 전에 나타나고 매우 밝기 때문에, 하늘에 나타난 거대한 부채는 사람들의 인상에 남는 것이었을 것이다.[293]
가장 관측하기 쉬웠던 시기는 1200년경으로 여겨지며,[294] 藤原定家(후지와라노 테이카)의 『명월기(明月記)』에는 1204년 2월 21일에 "북쪽 하늘에서 적기가 다가왔다. 그 안에 흰색 부분이 5개 정도 있었고, 줄무늬도 보였다. 무서운 일이다."라고 오로라로 추정되는 기록이 남아 있다.[295][292] 本能寺の変(혼노지의 변)에서 織田信長(오다 노부나가)가 쓰러진 1582년(天正 10년)에는 일식과 큰 혜성과 함께 교토(京都) 부근에서 역시 "하늘이 붉어지는" 현상이 발생하여, 『立入左京亮入道隆佐記(타치이리 사쿄료뉴도 타카사키)』와 루이스 프로이스(Luis Frois)의 『일본사(日本史)』에 기록·보고되어 있다.
에도 시대에 들어와 1730년(享保 15년) 2월 18일부터 19일까지의 오로라는 중국과 유럽에서도 기록되어 있지만, 일본에서는 가가번(加賀藩)의 기록과 사도섬(佐渡島)의 『사도명승지(佐渡名勝志)』에 기록이 남아 있다.[296]
또한 에도 시대 중기인 1770년 9월 17일에 나타난 오로라는 약 40종의 문헌에 등장하며, 홋카이도 외에도 사도국(佐渡国)(『사도연대기(佐渡年代記)』), 신슈(信濃国)(나가노현(長野県)), 히젠(肥前国)(나가사키현(長崎県)·사가현(佐賀県))에서도 관측되었다는 기록이 남아 있다.[295][296][297]
일본에서는 메이지(明治) 시대부터 "적기"라는 말 대신 "극광(極光)"이나 "오로라"가 사용되기 시작했다.[279] 白瀬矗(시라세 노부)는 1912년 3월 남극에서 돌아오는 길에 나타난 오로라를 스케치하여 보고서 『남극(南極)』에 남겼다.[298] 일본 사회에는 1934년에 시작된 남극해(南極海)에서의 포경(捕鯨)에 의해 오로라가 조금씩 소개되기 시작했다.[109] 1958년 2월 11일에는 날씨가 좋았던 덕분에 호쿠리쿠(北陸) 지방에서 간토(関東) 지방에 걸쳐 붉은색, 일부에서는 맥동이나 노란색도 볼 수 있는 오로라가 나타났다.[270][299][297][295] 마침 국제 지구 관측년에 해당하는 1957년부터 기상청은 각지의 기상대에 오로라 관측을 명령했기 때문에, 이 날은 나가노현(長野県), 도호쿠(東北) 지방, 홋카이도 등에서도 관측되었다.[270][279] 오로라가 나타난 날에는 전 세계적으로 전파 장애가 발생했고, 유럽에서도 오로라가 보였다.[279] 1989년에도 홋카이도와 도호쿠 지방 등에서 육안으로 볼 수 있는 오로라가 나타났다.[280] 2000년 4월 7일에는 홋카이도 류히베쓰정(陸別町)에서 4.2kR(레이리(レイリー))의 오로라가 관측되었다.[202]
1859년 8월 28일과 9월 2일에 발생한 캐링턴 사건으로 인한 오로라는 최근 역사상 가장 장관이었던 것으로 여겨진다. 발푸어 스튜어트(Balfour Stewart)는 1861년 11월 21일 왕립학회(Royal Society)에 제출한 논문에서 큐 관측소(Kew Observatory)의 자기 기록계(self-recording magnetograph)에 기록된 두 오로라 현상을 설명하고, 1859년 9월 2일 오로라 폭풍과 리처드 크리스토퍼 캐링턴(Richard Christopher Carrington)–호지슨 플레어 현상 사이의 연관성을 확립하며 "이 경우 우리의 광원이 현행범으로 체포된 것과 같다고 추측하는 것이 불가능하지 않다"고 언급했다.[73] 1859년 9월 2일에 발생한 두 번째 오로라 현상은 1859년 9월 1일 발생한 매우 강력한 캐링턴–호지슨 백색광 태양 플레어(solar flare)와 관련된 (보이지 않는) 코로나 질량 방출(coronal mass ejection)의 결과였다. 이 사건은 매우 광범위하고 극도로 밝은 오로라를 생성하여 미국, 유럽, 일본, 호주 전역의 과학적 측정, 선박 기록, 신문에 보도되었다. 뉴욕 타임스(The New York Times)는 1859년 9월 2일 금요일 보스턴(Boston)에서 오로라가 "너무 밝아서 오후 1시경에는 일반적인 인쇄물을 그 불빛으로 읽을 수 있었다"고 보도했다.[74] 금요일 9월 2일 오후 1시 EST는 6시 GMT였으며, 큐 관측소(Kew Observatory)의 자기 기록계는 그 당시 1시간 된 지자기 폭풍(geomagnetic storm)을 최고 강도로 기록하고 있었다. 엘리아스 루미스(Elias Loomis)는 1859년부터 1862년 사이에 미국 과학 저널(American Journal of Science)에 1859년 대 오로라 전시회(Great Auroral Exhibition of 1859)에 관한 9편의 논문을 발표하여 전 세계의 오로라 현상 보고서를 수집했다.[75]
그 오로라는 역사상 가장 강력한 코로나 질량 방출(coronal mass ejection) 중 하나에 의해 발생한 것으로 여겨진다. 또한 오로라 활동과 전기 현상이 명확하게 연결된 최초의 사례라는 점에서도 주목할 만하다. 이러한 통찰은 당시의 과학적 자력계(magnetometer) 측정뿐만 아니라 당시 운영 중이던 약 125,000약 201167.50km의 전신선(telegraph)의 상당 부분이 폭풍 동안 수 시간 동안 심각하게 방해받았기 때문에 가능했다. 그러나 일부 전신선은 전자기장(electromagnetic field)으로부터 충분한 지자기 유도 전류(geomagnetically induced current)를 생성하여 전신 운영자의 전원 공급 장치가 꺼진 상태에서도 통신을 계속할 수 있을 만큼 적절한 길이와 방향을 가진 것으로 보인다.[76] 다음 대화는 1859년 9월 2일 밤 보스턴(Boston)과 메인 주 포틀랜드(Portland, Maine) 사이의 미국 전신 회선(American Telegraph Line)의 두 운영자 간에 이루어졌으며, 보스턴 트래블러(Boston Traveller)에 보도되었다.
2017년에 발견된 1770년 일본의 일기는 고대 일본 수도인 교토(Kyoto) 상공의 오로라를 묘사하고 있으며, 이 폭풍이 전신 네트워크에 영향을 미친 캐링턴 사건(Carrington event)보다 7% 더 컸을 가능성을 시사한다.[71][72]
2024년 5월, 일련의 태양 폭풍(May 2024 solar storms)으로 인해 이란(Iran)의 페르도스(Ferdows)만큼 남쪽에서도 오로라 보레알리스(aurora borealis)가 관측되었다.[78][79][80]
10. 한국과 오로라
한국에서는 예로부터 오로라를 "적기(赤氣)" 또는 "홍기(紅氣)"라고 불렀다.[297][140][289][290] 가장 오래된 기록은 『일본서기』에 나오는 620년 12월 30일의 기록으로, "하늘에 적기가 있었는데, 그 형태는 꿩의 꼬리와 닮았다. 길이는 1장(약 3.8미터) 남짓이었다."라고 묘사되어 있다.[119][292] 당시 한국의 자기 위도는 현재보다 10도 정도 높았기 때문에, 큰 자기 폭풍이 발생하면 한국에서도 오로라가 보이는 것은 이상한 일이 아니었다. 특히, 삭망기에 달빛이 없는 캄캄한 밤하늘은 오로라를 관측하기에 좋은 조건이었다.[293]
조선 시대에는 오로라를 국가적 변고나 불길한 징조로 해석하기도 했다. 1582년 혼노지의 변으로 오다 노부나가가 사망했을 때, 교토 부근에서 "하늘이 붉어지는" 현상이 발생하여, 『타치이리 사쿄료뉴도 타카사키』와 루이스 프로이스의 『일본사』에 기록되었다. 1770년 9월 17일에 나타난 오로라는 약 40종의 문헌에 등장하며, 홋카이도 외에도 사도국(『사도연대기』), 신슈(나가노현), 히젠(나가사키현·사가현)에서도 관측되었다는 기록이 남아 있다.[295][296][297]
메이지 시대부터는 "적기" 대신 "극광(極光)"이나 "오로라"라는 용어가 사용되기 시작했다.[279] 1958년 2월 11일에는 호쿠리쿠 지방에서 간토 지방에 걸쳐 붉은색 오로라가 관측되었으며, 일부 지역에서는 맥동이나 노란색도 관측되었다.[270][299][297][295] 이 날은 전 세계적으로 전파 장애가 발생했고, 유럽에서도 오로라가 관측되었다.[279]
현대에는 주로 북한 지역에서 오로라 관측이 가능하지만, 강력한 태양 활동 시기에는 남한 지역에서도 관측될 수 있다. 예를 들어 1989년에는 홋카이도와 도호쿠 지방 등에서 육안으로 볼 수 있는 오로라가 나타났다.[280] 2000년 4월 7일에는 홋카이도 류히베쓰정에서 4.2kR(레이리)의 오로라가 관측되었다.[202]
일본에서도 태양 활동이 활발한 시기에는 홋카이도나 니가타현에서 붉은 오로라가 빈번하게 출현한다.[276][202] 홋카이도에서 북쪽 하늘을 붉게 물들이는 오로라를 산불로 오인하여 소방차가 출동한 기록도 있으며,[277][278] 니가타현에서는 일본해 상공이 붉게 빛나는 모습을 보고 제9관구 해상보안본부가 화재로 오인하여 순시선을 출동시킨 사건도 있었다.[279]
2024년 5월, 일련의 태양 폭풍으로 인해 대한민국 각지에서 저위도 오로라가 관측되었다.[78][79][80]
11. 지구 외 행성의 오로라
오로라는 지구에 국한되지 않고, 지금까지 화성[330], 금성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성에서도 관측되었으며[331][332], 대기와 고유의 자기장을 가진 행성이라면 오로라가 나타날 가능성이 있다고 여겨진다[332]. 반대로 달과 수성에 오로라가 거의 나타나지 않는 것은 달의 대기와 수성의 대기가 거의 없기 때문이다.[332].
목성과 토성은 모두 지구보다 강한 자기장을 가지고 있으며(목성의 적도 자기장 세기는 4.3 가우스로 지구의 0.3가우스와 비교됨), 광범위한 방사선대를 가지고 있다. 두 가스 행성에서 모두 오로라가 관측되었으며, 허블 우주 망원경과 '''카시니''' 및 '''갈릴레오''' 우주선을 통해 가장 명확하게 관측되었고, 천왕성과 해왕성에서도 관측되었다.[101]
토성의 오로라는 지구의 오로라와 마찬가지로 태양풍에 의해 발생하는 것으로 보이나, 목성의 오로라는 더 복잡하다. 목성의 주요 오로라 고리는 화산 위성인 이오가 생성하는 플라스마와 행성의 자기권 내에서의 이 플라스마의 이동과 관련이 있다. 목성 오로라의 불확실한 부분은 태양풍에 의해 발생한다. 또한, 특히 이오와 같은 위성들은 강력한 오로라의 원천이기도 하다. 이것은 회전하는 행성과 이동하는 위성 사이의 상대 운동으로 인한 다이나모 메커니즘에 의해 생성되는 자기력선을 따라 흐르는 전류("자기장 정렬 전류")에서 발생한다. 활화산과 이온층을 가진 이오는 특히 강력한 원천이며, 이 전류는 1955년부터 연구되어 온 전파 방출을 생성한다. 허블 우주 망원경을 사용하여 이오, 유로파, 가니메데 위의 오로라가 모두 관측되었다.
금성과 화성에서도 오로라가 관측되었다. 금성은 자기장이 없으므로 금성의 오로라는 모양과 강도가 다양한 밝고 확산된 패치로 나타나며 때로는 행성 전체에 분포하기도 한다.[102] 금성의 오로라는 태양풍의 전자가 밤쪽 대기와 충돌할 때 발생한다.
화성의 오로라는 2004년 8월 14일 '''마스 익스프레스'''호에 탑재된 SPICAM 장비에 의해 감지되었다. 오로라는 테라 시메리아의 동경 177°, 남위 52° 지역에 위치했다. 방출 영역의 총 크기는 약 30km이고 높이는 약 8km였다. 화성 정찰 위성의 데이터로 편집된 지각 자기 이상 지도를 분석하여 과학자들은 방출 영역이 가장 강한 자기장이 국지화된 영역과 일치한다는 것을 관찰했다. 이 상관관계는 광 방출의 기원이 지각 자기력선을 따라 이동하는 전자의 플럭스이고 화성의 상층 대기를 여기시킨다는 것을 나타낸다.[101][103]
목성의 오로라 오벌은 지구 3개 크기이며,[336] 에너지는 지구 오로라의 약 1000배이다.[337] 이처럼 강력한 오로라가 발생하는 이유는 목성의 자기장이 강하기 때문이기도 하지만, 그 외에도 목성의 위성, 특히 활발한 화산 활동을 가진 이오도 강력한 발생원 중 하나로 꼽힌다. 이오의 화산 활동으로 분출된 황과 산소의 이온이 목성의 자기권을 채우고 있는 것이다.[338][337] 오로라의 색은 목성의 대기의 수소를 반영한 분홍색이다.[336]
천왕성의 오로라는 적도 부근에서 나타난다. 이는 궤도면에서 98도 기울어져 있는 자전축 주변에 천왕성의 지자기축이 없고, 자전축에서 더 60도 기울어진 곳에 위치하기 때문이다.[339][336]
12. 오로라의 소리
지자기 폭풍 때 나타나는 것과 같은 강한 오로라가 드물게 소리를 낸다는 이야기가 예로부터 많이 전해져 오고 있으며[340][341], 그 실재를 둘러싸고 논의가 이루어지고 있다. 이 '''오로라의 소리''' (auroral sound영어)는 들린다고 해도 매우 드물며, 강한 오로라가 나타나도 아무 소리도 들리지 않는 경우가 많다. 동시에 많은 사람들이 들은 예도 있고, 나란히 서 있는데 한쪽에게만 들린 예도 있다. 많은 경험자들은 이 소리가 눈에 보이는 오로라의 움직임과 동조하여 변화한다고 주장하며, 음파의 전파에 의한 시간적 지연은 거의 보이지 않는다. 소리는 「파치파치」[342] 또는 잎이 스치는 소리, 옷이 스치는 소리에 자주 비유되는[343] 「슈우」, 「휴우」[343][342]와 같은 노이즈음이 대표적이다.
노르웨이의 천문학자 한스 옐스트룹(Hans S. Jelstrup)은 1926년에 경험한 오로라의 소리를 『네이처』지에 표현하기도 하였다.[344] 일본 남극관측대 제1차 월동대 대장인 니시보리 에이사부로(西堀栄三郎)는 자신의 사기(私記)에서 오로라를 묘사하기도 하였다.[345]
오로라의 소리에 관해서 이미 고대 로마 시대의 타키투스가 저술한 『게르마니아』에도 기록이 있지만,[346][347] 과학적인 논의는 19세기 말부터 활발해졌다.[348] 이 소리의 원인에 관해서는 주관적 현상, 외계의 물리적 실재, 오로라와 어떤 관계 유무등 다양한 설이 제기되어 왔다. 그러나 현재도 원인은 명확하지 않고, 장치로 기록된 명확한 증거도 얻지 못했다.[349]
사람의 귀에는 언제나 작은 이명이 있지만, 정적 속에서 이러한 소리에 깨닫는 것뿐이라는 설이 예로부터 있다.[350][351] 또, 외계의 물리적인 소리이지만 오로라와는 관계없이, -40℃와 같은 저온에서 호흡 중의 수분이 얼어, 얼음 입자가 충돌하는 것에 의한 소리라는 주장도 있다.[352] 소리는 오로라와 관련이 있지만 주관적인 것이며, 오로라가 망막의 넓은 범위를 동기적으로 자극함으로써 시각 정보가 청각으로 새어나오는 일종의 공감각적 현상이 아닌가 하는 말도 있다.[353] 그러나 19세기의 탐험가는 오로라 소리가 들렸던 탐험대 대원의 눈을 가려도, 오로라가 활발해진 거의 모든 순간에 대응하여 반응했다고 하며,[354] 이러한 설은 반드시 증언을 잘 설명하는 것은 아니다.
오로라가 사람의 귀에는 들리지 않는 20 Hz 이하의 가청하음을 전달하고 있다는 것은 1960년대부터 알려져 있으며, 이것은 오로라로부터 직접 전달되는 음파이다.[215] 귀에 들리는 소리도 이러한 오로라로부터의 직접적인 음파가 아닌가 하는 말도 있다. 그러나 이러한 소리는 오로라로부터 도달하는 데 수분의 시간이 걸리며 동조하여 변화한다는 증언과 맞지 않고, 1 Hz 또는 그 이하에서 현저한 것이며, 약간 높은 주파수(40 Hz)에서는 지상에 도달할 때까지 에너지가 1/1000까지 감쇠해 버린다.[350]
캐나다의 천문학자 클라렌스 채넌트(Clarence Chant)는 20세기 초부터 학술지에서 오로라의 소리에 관한 많은 정보를 수집하여 1923년에는 소리가 '''브러시 방전'''에 의한 코로나 음일 가능성이 가장 높다고 결론지었다.[348][355] 이 생각은 1970년대에 이 오로라의 소리를 가장 활발하게 조사한 실버맨(S. M. Silverman) 등에 의해서도 지지되고 있다.[340] 맑은 날의 트인 지면에는 1 m당 100 V의 정전장이 있지만, 오로라가 있으면 이것은 때때로 10 000 V/m까지 상승한다.[356] 이 설에서는 이때 관찰자 옆의 나무 꼭대기 등, 뾰족하여 전장이 강해지는 곳으로부터의 방전이 소리를 발생시키고 있다고 한다. 이러한 브러시 방전의 소리는 뇌운이 접근한 산중이나, 습기가 많은 날의 고압 송전선에서도 들리는 경우가 있다. 그러나 오로라의 소리에서는 세인트 엘모의 불과 같은 방전을 수반하는 빛은 관찰되지 않고, 또 이 설은 같은 장소에 있던 일부 사람에게만 들렸다는 사례를 설명할 수 없다는 문제점이 지적되고 있다.[356]
오스트레일리아의 천문학자 콜린 키(Colin Keay)는 오로라의 소리는 '''전자파음'''이 아닌가 하고 있다.[357] 키는 거대한 유성이 흐르는 것과 동시에 드물게 소리를 낸다고 하는 현상에 대해, 1980년에 가청역 주파수(20 Hz – 20 kHz)의 전파가 어떤 트랜스듀서가 되는 것을 매개로 음파가 되는 것이 아닌가 하는 설을 주장했다.[358] 이러한 전자파로부터 음파로의 변환에 의한 소리가 전자파음이라고 불린다. 키의 실험에서는 피크 간 160 V/m의 4 kHz의 전장의 진동이 있으면, 머리카락이나 안경 등을 매개로 일부 사람은 이러한 소리를 들을 수 있다고 한다. 이러한 극초장파·초장파의 전파는 실제로 인공위성이나 지상의 측정에서 확인되어 기록되고 있다.[350][359] 한편 실버맨 등은 키의 논의에서 필요로 하는 전파는 너무 크고 불합리하다고 하고 있다.[360]
오로라의 음파를 직접 녹음하려고 한 시도는 명확한 성과를 거두지 못했다. 알래스카에서는 1960년대에 녹음이 시도되었지만, 태양의 활동이 부진한 시기에 해당되었던 것도 있어 성공하지 못했다.[340] 2000년부터는 핀란드의 라인네(Unto K. Laine) 등이 음성 기록과 저주파의 전파의 측정 실험을 했다.[361] 최초의 녹음은 2000년에 이루어졌지만,[362][363] 불완전한 것이었다. 2001년 1박의 데이터만으로의 분석에서는 오로라의 활동이 활발할 때 음파의 변동이 커지는 것이 나타나고, 또 음향 기록과 지자기의 변동 사이에서 시간 지연이 없는 상관관계가 발견되었다고 한다. 그러나 전장과의 상관관계는 없고, 기록된 소리가 오로라의 소리와 같다면, 국소적인 전장 또는 그 변동이 오로라의 소리의 원인이라고 생각하기 어렵고,[364][365] 이것은 브러시 방전이나 전자파음이라는 설명이 성립하지 않는 것을 시사하고 있다.
2011년, 라인네 등은 오로라를 수반하는 여러 소리를 3개의 마이크로 동시에 관측하고, 2012년, 음원은 약 70미터 상공이라고 하는 분석을 발표했다.[366] 그에 따르면, 이러한 미소한 가청음은 오로라와 연동하고 있으며, 아마 오로라를 발생시키고 있는 것과 같은 입자의 흐름(소위 눈에 보이지 않는 오로라의 「밑단」)에 의한 것이라고 한다. 소리가 나는 메커니즘은 여전히 해명되지 않고 있다. 「오로라의 소리」라고 하는 것에는, 실제로는 여러 종류의 다른 현상이 포함되어 있다고 예상된다. 라인네는 녹음 예에 대해 「환청·착각·노이즈 등이 아니다」라고 강조하고 있다.[367]
13. 인공 오로라
오로라 발생 원리를 바탕으로 상황을 인공적으로 재현하여 인공 오로라를 발생시키는 실험이 이루어졌다. 실험실에서도 오로라를 발생시킬 수 있다.[368]
1969년부터 1970년대에 걸쳐, 로켓에 전자총을 탑재하여 오로라가 발생하는 고도에서 발사하는 실험이 이루어졌다.[368] 이 실험을 통해 전자빔은 남북반구를 자력선을 따라 왕복해도 에너지를 거의 잃지 않는다는 것과, 자력선의 길이와 모양은 산출·예상대로였다는 것을 알게 되었다.[369]
이온화하기 쉽고 색이 어느 정도 선명하게 나타나는 물질을 로켓에 탑재하여 상공 약 100km 이상의 공역에서 추적자로 살포하면 인공 오로라가 발생한다.[370][371] 초기 실험에서는 나트륨[369], 그 후에는 더욱 잔류하는 밝은 물질로 세슘, 리튬, 스트론튬, 바륨 등이 사용되었으며, 형광 물질도 사용되는 경우가 있다.[372] 가장 좋은 추적자는 바륨 증기가 태양광에 의해 공명 산란하여 생성되는 구름이다.[373] 이 바륨 구름은 적색과 황색의 두 가지 색으로 빛난 후 녹색으로 변하는 것과, 자색에서 청색으로 변하는 두 종류가 생성된다.[373] 일반적으로 이 실험은 오로라의 메커니즘을 조사하는 것보다 상공의 바람이나 전자기장을 조사하기 위해 수행된다.[374][373] 이온화되려면 태양광이 필요하고, 또 인공 오로라의 빛은 태양광에 묻힐 정도로 약하기 때문에, 실험은 대개 저녁이나 새벽에 실시된다.[374][375] 적도 부근에서 인공 오로라를 발생시키면, 적도 부근은 자력선이 지면과 거의 평행하기 때문에, 가로로 긴 오로라가 나타난다.[376][377]
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生徒体験型オーロラ実験に関する教材開発
http://www.ee.saga-u[...]
사가대학
2012-05-14
[381]
뉴스
江の島にオーロラ出現，飯田産業が人工オーロラ発生装置を開発
https://xtech.nikkei[...]
日経BP
2012-05-14
[382]
웹사이트
工学研究科・南教授が上海万博大阪館に「人工オーロラ発生装置」を出展中
http://www.osaka-cu.[...]
오사카 시립대학
2012-05-14
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