지자기 폭풍

3. 발생 원인 및 메커니즘

1930년, 시드니 채프먼(Sydney Chapman)과 빈첸초 C. A. 페라로/Vincenzo C. A. Ferraro^영어는 지자기 폭풍 현상을 설명하고자 하는 논문 "자기 폭풍의 새로운 이론(A New Theory of Magnetic Storms)"을 발표했다.^[10] 그들은 태양이 태양 플레어를 방출할 때마다 현재 코로나 질량 방출로 알려진 플라스마 구름도 방출한다고 주장했다. 그들은 이 플라스마(Plasma)가 지구에 도달하는 데 113일이 걸린다고 가정했지만, 현재는 1일에서 5일 정도 걸린다는 것을 알고 있다. 그들은 이 구름이 지구 자기장을 압축하여 지표면의 자기장을 증가시킨다고 기술했다.^[11] 채프먼과 페라로의 연구는 크리스티안 비르켈란드(Kristian Birkeland)를 비롯한 다른 연구자들의 연구를 기반으로 했다. 비르켈란드는 최근에 발견된 음극선관(cathode-ray tube)을 사용하여 광선이 자기 구체의 극(Magnetic polarity) 쪽으로 휘어진다는 것을 보였다. 그는 이와 유사한 현상이 오로라(aurora)의 원인이며, 오로라가 극지방에서 더 자주 발생하는 이유를 설명하는 이론을 제시했다.

태양풍은 태양의 자기장을 함께 운반한다. 이 자기장은 북쪽 또는 남쪽 방향을 갖는다. 태양풍에 에너지 폭발이 있거나, 자기권이 수축 및 팽창하거나, 태양풍이 남쪽 편극을 갖는 경우 지자기 폭풍이 예상된다. 남쪽 방향의 자기장은 주간측 자기권계면에서 자기 재결합을 일으켜 자기 및 입자 에너지를 지구 자기권으로 빠르게 주입한다.

지자기 폭풍 동안 이온층의 F₂층은 불안정해지고, 파편화되며, 심지어 사라질 수도 있다. 지구의 북극과 남극 지역에서는 오로라가 관측된다.

일반적으로 중위도·저위도에서 전 세계적으로 지자기가 감소하는 현상을 가리킨다.

전형적인 자기폭풍에서는 지자기가 수 시간에서 하루 정도에 걸쳐 감소한 후, 수일 동안 서서히 원래 세기로 회복되는 과정을 거친다. 이 중 지자기가 감소하고 자기폭풍이 발달하는 과정을 주상, 회복하는 과정을 회복상이라고 한다. 자기폭풍과 함께 변하는 지상의 자기장은 평상시의 1000분의 1 정도이지만, 대규모 자기폭풍의 경우에는 평상시의 100분의 1 정도의 변화가 관측되는 경우도 있다.

이러한 지상 자기장의 변화는 주로 링 전류의 발달에 의한 효과라고 생각된다. 자기폭풍이 발달하는 것은 남향의 자기장을 가진 태양풍이 지구 자기권에 불어 넣을 때이며, 링 전류의 발달에 태양풍 중의 자기장이 중요한 역할을 하고 있다고 생각된다.

대규모 자기폭풍의 대부분은 태양 플레어를 수반하여 코로나 질량 방출(CME)이라고 불리는 플라스마 덩어리가 태양에서 방출되어, 그것이 강한 남향 자기장을 동반하여 지구 자기권에 불어 넣을 경우에 발생한다. 이러한 자기폭풍은 플레어 발생 후 1~수일 후에 관측되며, 태양 플레어가 태양 흑점의 활동과 관계가 있기 때문에 태양 흑점수가 많은 태양 활동이 활발할 때 발생하기 쉽다.

또한, 태양의 코로나가 희박한 영역에서 불어 나오는 고속의 태양풍에 의해 약한 자기폭풍이 일어나는 경우도 있다. 이러한 자기폭풍은 태양 활동이 가장 활발한 시기로부터 수년이 경과한 무렵에 자주 관측된다.

3. 1. 태양풍과 지구 자기권

3. 2. 자기 재결합 (Magnetic Reconnection)

3. 3. 링 전류 (Ring Current)

3. 4. 코로나 질량 방출 (Coronal Mass Ejection, CME)

3. 5. 코로나 구멍 (Coronal Hole)

4. 영향

지자기 폭풍의 주상시에는 강력한 오로라 폭풍이 함께 발생하는 경우가 많으며, 특히 고위도 지역에서는 그 영향으로 강한 자기장 변화가 관측된다. 이러한 자기장 변화는 지상의 송전선 등에 유도전류를 발생시켜, 드물게 고위도 지역 주민의 생활에도 영향을 미치는 경우가 있다.^[59] 예를 들어 1989년 3월 13일 태양 플레어에 의한 강력한 지자기 폭풍이 발생했을 때, 강력한 오로라 폭풍에 의한 자기장 변동으로 인해 캐나다 퀘벡주의 발전소 송전 시스템에 장애가 발생하여 장시간 정전이 발생했다.

그 외에도 지자기 폭풍이 발생하면 인공위성의 전자 정밀 기기 고장, 무선 통신 장애 등의 악영향이 나타날 수 있다. 이러한 것을 미연에 방지하기 위해 최근 지자기 폭풍을 예측하는 우주 기상 예보 연구가 진행되고 있다.

1988년 6월, 프랑스에서 영국으로 향한 국제 편지 맺는 비둘기 경주는, 마침 강력한 지자기 폭풍이 발생한 날에 진행되었기 때문에, 방출된 5000마리의 비둘기 중 2일 후 경주 종료 시까지 결승점에 도착한 것은 불과 5% 정도에 불과한, 매우 드문 비참한 결과가 되었다.^[60]

4. 1. 오로라 (Aurora)

4. 2. 전력 시스템

4. 3. 통신 시스템

4. 4. 항법 시스템

4. 5. 인공위성

4. 6. 방사능 노출

4. 7. 생태계

4. 8. 기타 영향

5. 과거 주요 지자기 폭풍 사례

19세기 초, 알렉산더 폰 훔볼트(Alexander von Humboldt)는 1806년 12월 21일 베를린에서 밝은 오로라(오로라) 현상이 발생하는 동안 나침반이 불규칙하게 작동하는 것을 발견했다.^[12]

1859년 9월 1일부터 2일까지 역사상 가장 강력한 지자기 폭풍이 발생했다. 8월 28일부터 9월 2일까지 태양에서 수많은 태양흑점(sunspot)과 태양 플레어(solar flare)가 관측되었으며, 가장 큰 플레어는 9월 1일에 발생했다. 이는 1859년 태양 폭풍(solar storm of 1859) 또는 캐링턴 사건(Carrington Event)으로 불린다. 거대한 코로나 질량 방출(coronal mass ejection)이 태양에서 방출되어 18시간 만에 지구에 도달했다. 콜라바 천문대(Colaba Observatory)의 기록에 따르면 수평 자기장은 1600 nT 감소했고, Dst 지수는 약 -1760 nT였을 것으로 추정된다.^[13] 미국과 유럽의 전신선(Telegraph wires)은 유도 전압 증가(Electromotive force(emf))를 경험했고, 경우에 따라 전신 운영자에게 충격을 주거나 화재를 일으키기도 했다. 하와이, 멕시코, 쿠바, 이탈리아 등 저위도 지역에서 오로라가 관측되었다.^[13] 빙하 코어(Ice cores)는 이와 유사한 강도의 사건이 평균 500년에 한 번씩 발생한다는 증거를 보여준다.

1859년 이후, 1882년 11월 17일 오로라 현상(aurora of November 17, 1882)과 1921년 5월 지자기 폭풍(May 1921 geomagnetic storm)을 비롯하여 덜 심각한 폭풍이 발생했으며, 1960년에는 광범위한 무선 통신 장애가 보고되었다.^[14]

6. 한국의 관점 및 대응

7. 예측 및 예방

일본 (NICT)의 우주기상정보센터(SWC)는 우주기상 예보를 제공하는데, 여기에는 플레어 예보, 지자기 예보, 고에너지 입자(프로톤 현상) 예보가 포함된다. 각각 15시(JST, UTC+9)부터 24시간 후까지의 예보를 제공한다.^[67] 지자기 예보는 K지수를 기준으로 활동 수준을 예측한다.^[67]

참조

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