태양 다이너모
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1. 개요
태양 다이너모는 태양 내부의 대류 운동과 차등 회전을 통해 자기 에너지를 생성하는 자기 유지 다이너모이다. 이 과정은 렌츠의 법칙에 따라 전기 전도성 유체가 자기장을 증폭시키는 원리로, 11년 주기의 흑점 수 변화와 극성 반전을 일으킨다. 타코클라인은 초기 모델에서 중요한 역할을 하는 것으로 여겨졌으나, 최근 연구를 통해 대류층만으로도 다이너모 현상이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 태양 다이너모의 상세한 작동 원리는 현재도 연구가 진행 중이다.
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| 태양 다이너모 | |
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| 개요 | |
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| 관련 주제 | 자기장 천체물리학 플라스마 태양 |
| 설명 | |
| 태양 다이너모 | 태양의 자기장을 생성하는 물리적 과정 |
2. 메커니즘
다이너모는 운동 에너지를 전자기 에너지로 변환한다. 전단력이나 난류와 같이 더 복잡한 운동을 하는 전기 전도성 유체는 렌츠의 법칙을 통해 일시적으로 자기장을 증폭시킬 수 있다. 자기장에 대한 유체의 움직임은 초기 자기장을 왜곡하는 유체에 전류를 유도한다. 유체 운동이 충분히 복잡하면 이류 유체 증폭을 통해 본질적으로 확산성 또는 저항성 붕괴의 균형을 유지하면서 자체 자기장을 유지할 수 있다. 이러한 시스템을 자립형 다이너모라고 한다. 태양은 태양 내부의 대류 운동과 차등회전을 전기 자기 에너지로 변환하는 자립형 다이너모이다.
어떤 전기 전도 유체든, 렌츠의 법칙에 따라 유체 내부를 전단함으로써 다이너모를 형성할 수 있다. 이 전자기 유도의 법칙은 자기장 내에서 유체를 움직이면 기존 자기장을 왜곡시키는 전류가 유체 내부에 유도된다는 법칙이다. 이 자기장의 왜곡은 커피에 크림을 넣고 저을 때 생기는 소용돌이처럼 유체를 움직인 방향을 따라 자기장이 늘어지는 형태로 형성된다. 만약 유체의 운동이 강한 전단 성분을 갖는다면, 개별적인 자기력선은 흐름에 의해 늘어나 자기장을 증폭하게 된다. 이러한 기구를 자기 유체 다이너모라고 부른다.
유체의 구조에 따라 다이너모는 여러 상태로 분류된다. 예를 들어, 자기 여기 및 안정적인 계, 자기 여기 및 비선형 계, 감쇠하는 계 등이 있다. 태양 다이너모는 자기 여기계이다. 자기장의 방향은 11년마다 반전되어 태양의 흑점 주기를 일으킨다. 태양 내부에서 생성된 자기장의 일부는 자기선 다발로서 태양 표면에 부상하며, 흑점은 이 자기선 다발의 단면으로 여겨진다.
2. 1. 타코클라인의 역할
현재 타코클라인의 기하학적 구조와 폭은 약한 폴로이드 자기장을 감아 훨씬 더 강한 토로이드 자기장을 생성함으로써 태양 다이너모 모델에서 중요한 역할을 하는 것으로 가정된다.[2] 그러나 냉각된 별과 갈색 왜성에 대한 최근의 전파 관측에서는 복사 핵이 없고 대류층만 존재하며, 타코클라인이 없음에도 불구하고 대규모의 태양 강도 자기장을 유지하고 태양과 유사한 활동을 보이는 것으로 나타났다.[2] 이는 대류층 단독으로 태양 다이너모의 기능을 담당할 수 있음을 시사한다.[2]2. 2. 대류층의 중요성
현재 타코클라인의 기하학적 구조와 폭은 약한 폴로이드 자기장을 감아 훨씬 더 강한 토로이드 자기장을 생성함으로써 태양 다이너모 모델에서 중요한 역할을 하는 것으로 가정된다. 그러나 냉각된 별과 갈색 왜성에 대한 최근의 전파 관측에서는 복사 핵이 없고 대류층만 존재하며, 타코클라인이 없음에도 불구하고 대규모의 태양 강도 자기장을 유지하고 태양과 유사한 활동을 보인다는 것을 확인했다. 이는 대류층 단독으로 태양 다이너모의 기능을 담당할 수 있음을 시사한다.[2]3. 태양 활동 주기
태양 자기장의 가장 두드러진 시간적 변화는 약 11년 주기의 태양 주기와 관련이 있으며, 이는 흑점 수와 크기의 증가 및 감소로 특징지어진다.[3][4] 11년 흑점 주기는 Babcock-Leighton 태양 다이너모 주기의 절반이며, 이는 토로이드 및 폴로이드 태양 자기장 사이의 에너지 진동 교환에 해당한다.
태양 다이너모는 자기 여기계로 분류된다. 자기장의 방향은 11년마다 반전되어 태양의 흑점 주기를 일으킨다. 태양 다이너모는 타코클라인이라고 불리는 영역에서 발생한다고 생각된다. 타코클라인은 태양 내부의 자전 속도 변화 (전단)가 큰 영역이다. 태양 활동의 긴 극소기는 파동 간섭의 비트 효과에 의해 발생되는 태양 자기장의 이중 다이너모파 사이의 상호 작용과 관련될 수 있다.[9]
3. 1. 흑점 생성과 슈푀러의 법칙
태양 자기장의 가장 두드러진 변화는 약 11년 주기의 태양 주기와 관련이 있으며, 이는 흑점 수와 크기의 증가 및 감소로 나타난다.[3][4] 흑점은 태양 광구에서 어둡게 보이는 부분으로, 자기장이 집중된 곳이다. 태양 극소기에는 흑점이 거의 없거나 아예 보이지 않으며, 나타나는 흑점은 높은 위도에 위치한다. 태양 주기가 극대기로 진행되면서 흑점은 슈푀러의 법칙에 따라 태양 적도 부근에서 더 많이 나타난다.11년 흑점 주기는 Babcock-Leighton 태양 다이너모 주기의 절반에 해당하며, 이는 토로이드 및 폴로이드 태양 자기장 사이의 에너지 교환과 관련이 있다. 태양 극대기에 외부 폴로이드 쌍극 자기장은 약해지지만, 타코클라인 내의 차등 회전으로 생성된 내부 토로이드 사중극 자기장은 강해진다. 이때 대류층에서 부력이 발생하여 토로이드 자기장이 광구를 통해 나타나게 되고, 이는 동서 방향으로 정렬되고 반대 자기 극성을 갖는 흑점 쌍을 만든다. 흑점 쌍의 자기 극성은 매 태양 주기마다 바뀌는데, 이를 Hale 주기라고 한다.[5][6]
태양 주기의 감소기에는 에너지가 내부 토로이드 자기장에서 외부 폴로이드 자기장으로 이동하며 흑점 수가 줄어든다. 태양 극소기에는 토로이드 자기장이 약해지고 흑점이 드물며, 폴로이드 자기장은 강해진다. 다음 주기 동안 차등 회전은 자기 에너지를 폴로이드에서 토로이드장으로 다시 변환시키는데, 이때 극성은 이전 주기와 반대가 된다. 이 과정은 계속 반복되며, 이상적인 경우 각 11년 흑점 주기는 태양의 대규모 자기장 극성이 바뀌는 것에 해당한다.[6][7][8]
3. 2. 밥콕-레이턴 모델
11년의 흑점 주기는 밥콕-레이턴 태양 다이너모 주기의 절반이며, 이는 토로이드 및 폴로이드 태양 자기장 사이의 에너지 진동 교환에 해당한다.[6] 태양 극대기에서 외부 폴로이드 쌍극 자기장은 다이너모 주기 최소 강도에 가깝지만, 타코클라인 내의 차등 회전을 통해 생성된 내부 토로이드 사중극 자기장은 최대 강도에 가깝다. 다이너모 주기의 이 시점에서 대류층 내의 부력 상승은 광구를 통해 토로이드 자기장의 출현을 유발하여 동서 방향으로 대략 정렬되고 반대 자기 극성을 갖는 흑점 쌍을 생성한다. 흑점 쌍의 자기 극성은 매 태양 주기마다 교대로 나타나는데, 이를 Hale 주기라고 한다.[5]태양 주기의 감소기 동안에는 에너지가 내부 토로이드 자기장에서 외부 폴로이드 자기장으로 이동하고 흑점의 수가 감소한다. 태양 극소기에는 토로이드 자기장이 최소 강도에 있고 흑점이 상대적으로 드물며, 폴로이드 자기장이 최대 강도에 있다. 다음 주기 동안 차등 회전은 자기 에너지를 폴로이드에서 토로이드장으로 다시 변환하며, 이전 주기와 반대되는 극성을 갖는다. 이 과정은 지속적으로 진행되며, 이상화되고 단순화된 시나리오에서 각 11년 흑점 주기는 태양의 대규모 자기장의 극성 변화에 해당한다.[6][7][8]
3. 3. 자기 극성 반전
태양 자기장의 가장 두드러진 주기적인 변화는 11년 태양 주기와 관련이 있으며, 이는 흑점 수와 크기의 증가 및 감소로 나타난다.[3][4] 흑점은 태양 광구에서 어두운 점으로 보이며, 강한 자기장과 관련이 있다. 태양 극소기에는 흑점이 거의 보이지 않거나 아예 없으며, 나타나는 흑점은 높은 위도에 위치한다. 태양 주기가 극대기로 진행됨에 따라 흑점은 슈포러의 법칙에 따라 태양 적도 부근에서 더 많이 나타난다.11년 흑점 주기는 Babcock-Leighton 태양 다이너모 주기의 절반이며, 이는 토로이드 및 폴로이드 태양 자기장 사이의 에너지 교환과 관련이 있다. 태양 극대기에서 외부 폴로이드 쌍극자 자기장은 다이너모 주기의 최소 강도에 가깝지만, 타코클라인 내의 차등 회전을 통해 생성된 내부 토로이드 사중극자 자기장은 최대 강도에 가깝다. 이 시점에서 대류층 내의 부력은 광구를 통해 토로이드 자기장이 나타나게 하며, 이는 동서 방향으로 정렬되고 반대 극성을 갖는 흑점 쌍을 만든다. 흑점 쌍의 극성은 매 태양 주기마다 바뀌는데, 이를 Hale 주기라고 한다.[5][6]
태양 주기의 감소기 동안에는 에너지가 내부 토로이드 자기장에서 외부 폴로이드 자기장으로 이동하고 흑점 수는 줄어든다. 태양 극소기에는 토로이드 자기장이 최소 강도, 흑점이 거의 없고, 폴로이드 자기장은 최대 강도에 이른다. 다음 주기 동안 차등 회전은 자기 에너지를 폴로이드에서 토로이드장으로 다시 변환시키지만, 이전 주기와 반대 극성을 갖는다. 이 과정은 계속되며, 이상적으로 단순화하면 각 11년 흑점 주기는 태양의 대규모 자기장 극성이 바뀌는 것에 해당한다.[6][7][8]
태양 다이너모는 자기 여기계로, 자기장 방향이 11년마다 반전되어 흑점 주기를 일으킨다. 흑점은 태양 표면에 나타난 자기선 다발의 단면으로 생각된다. 태양 다이너모는 타코클라인이라는, 태양 내부 자전 속도 변화(전단)가 큰 영역에서 발생한다고 여겨진다.
4. 연구 현황
참조
[1]
논문
The Solar Dynamo
https://dx.doi.org/1[...]
2002
[2]
논문
The Discovery of Solar-like Activity Cycles Beyond the End of the Main Sequence?
2016-10-20
[3]
논문
Solar Dynamo Theory
[4]
서적
Journey from the Center of the Sun
https://archive.org/[...]
Princeton University Press
2002
[5]
논문
The Magnetic Polarity of Sun-Spots
[6]
웹사이트
NASA Satellites Capture Start of New Solar Cycle
http://www.physorg.c[...]
PhysOrg
2009-07-10
[7]
뉴스
Sun flips magnetic field
http://archives.cnn.[...]
2009-07-11
[8]
웹사이트
The Sun Does a Flip
https://science.nasa[...]
NASA
2009-07-11
[9]
논문
Heartbeat of the Sun from Principal Component Analysis and prediction of solar activity on a millenium timescale
2015-10-29
[10]
논문
The Solar Dynamo
http://journals.roya[...]
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