오로라 보이는 이유

극지방의 상층 대기에서는 태양 표면에서 날아온 전기를 띤 입자와 지구자기장의 상호작용에 의해 대규모 방전현상이 나타나는데 이를 오로라(극광)라고 한다.  지구는 거대한 자석과 같아서 남북으로 길게 이어진 자기장을 형성한다.  태양은 항상 양성자와 전자로 이루어진 대전 입자 (이온화가스, 플라즈마)를 방출하는데, 바로 태양으로부터 공급되는 이러한 대전입자가 오로라를 일으키는 재료라고 할 수 있다.  태양에서는 빛 외에도 전기를 띤 많은 입자를 쏟아내는데, 이 입자들의 흐름을 바람에 비유하여 "태양풍"이라고 한다.  태양풍은 1cm ³ 당 1~10개의 입자를 가지고 있으며, 평균 속도는 500km/s에 달한다.  그러나 지구는 지구주위의 혜성과 같은 모습의 형태를 띤 지자기권의 보호를 받아 태양풍의 직접적인 영향을 피할 수 있다.  지구의 자기장이 혜성의 모습처럼 생긴 것은 지구의 자기장이 태양풍에 의해 뒤틀렸기 때문이다.  지구에 도달하는 대부분의 태양풍은 지구의 자기장 밖으로 흩어지고, 일부는 지구의 자기권에 끌려 붙잡히기도 하는데, 이렇게 붙잡힌 대전 입자들은 자기장을 따라 자기의 북극과 남극으로 이동하여 지구 대기로 하강한다.  하강한 대전입자는 고도 100~500km 상공에서 대기와 충돌하여 이온화하는 과정에서 다양한 파장 영역에서 빛을 내게 되는데, 이 중 우리는 가시광선 영역의 오로라를 보는 것이다.  오로라의 색깔은 대전입자와 충돌하는 원자의 성질에 달려 있다.  즉, 원자나 분자에 따라서 자신에 맞는 에너지를 내는 각각 다른 파장의 전자파를 방출하는데, 오로라를 스펙트럼으로 분석해 보면 대기 중의 질소분자 N₂, 질소분자이온 N₂, 그리고 산소원자 O의 방출에 기인함을 알 수 있으며, 이온화된 기체는 각기 다른 파장의 빛으로 빛나게 된다.  빛깔은 산소원자가 방출하는 녹색이 가장 흔하고, 역시 산소원자가 방출하는 적색 및 이온화된 질소분자가 내는 보라색 등이 있다.  태양 흑점 극대기에 오로라에서 수소 원자 스펙트럼이 검출되는 경우가 있는데, 이것은 태양에서 날아오는 수소 원자 때문이다.  밤하늘의 수채화처럼 빛나는 오로라는 바로 태양이 보낸 그림엽서인 셈이다.  오로라는 TV 화면을 생각하면 이해하기 쉽다.  TV 브라운관에서 전기와 자기장에 의해 제어된 전자의 흐름이 스크린에 닿으면, 스크린에 코팅된 화학물질에 따라서 각각 다른 색깔로 빛나게 된다.  오로라의 발광도 대전입자, 특히 전자가 자기권계면을 따라 내려오며 발생한다.  공기층은 지구의 가장 바깥 부분을 이루고 있으며, 이를 대기권(공기권)이라고 한다.  우리는 이 공기층의 기온의 차이로, 층을 구성하는 가스에 따라, 또는 전기의 특성에 따라 나눌 수 있다.  대기권은 높이에 따른 기온의 변화에 따라 나누면 네 개의 층으로 구분된다.  지표면에서 높이 올라가면 태양에 가까워지므로 기온이 점점 상승할 것 같지만, 실제로 측정해 보면 그렇지 않다는 것을 알 수 있다.  지표면에서 고도가 높아짐에 따라 대기에서 흡수되지 않는 태양복사에너지 중 가시광선에 의한 지표면의 가열과 적지만 지구 내부에서 방사선 동위원소의 붕괴 등으로 생성된 지구복사에너지는 지표면에서 멀어질수록 그 양이 감소하여 기온이 점점 낮아지게 된다.  이렇게 고도가 높아질수록 기온이 계속 날아지는 약 10km 상공까지를 대류권이라고 한다.  대류권에는 다른 공기분자에 비해 무거운 수증기가 포함되어 있으므로 구름이 생기거나 비나 눈이 내리는 등의 날씨 변화가 나타나고 있다.  우리들은 주로 대류권에서 생활하고 있다.  대류권 위로 약 50km 높이까지를 성층권이라고 한다.  성층권 하부는 기온이 일정하고 날씨 변화가 없으므로 비행기의 항로로 매우 좋다.  또한, 상층권은 오존층을 포함하고 있다.  이 오존층은 대류권의 산소분자와 그 이상의 고도에 많은 산소 원자가 결합하여 만들어진 오존으로 이루어져 있으며, 태양으로부터 오는 위험한 자외선으로부터 지구상의 생물을 보호해 주는 역할을 하고 있다.  성층권 위 높이 약 80km 까지를 중간권이라고 한다.  중간권 상부는 약 -90도로 대기권에서 가장 기온이 낮다.  중간권이라는 용어는 지구복사에너지와 태양복사에너지의 영향이 가장 적은 중간지역이라는 뜻이 포함된다.  영향이 적다는 의미는 중간권에 포함된 공기분자는 태양복사에너지와 지구복사에너지를 흡수할 공기분자가 적다는 것을 의미한다.  중간권 위의 층을 열 권이라고 한다.  열권에서는 높이 올라갈수록 공기가 매우 희박해진다.  열권에서는 태양복사에너지의 매우 짧은 파를 열권의 공기분자가 흡수하기 때문에 고도에 따라 기온이 상승하게 된다.  각 층의 주요 에너지원을 정리해 보면, 대류권은 지구복사에너지, 성층권과 열권은 태양복사에너지이며, 중간권은 지구복사에너지와 태양복사에너지의 영향이 가장 적은 구역이다. 하늘 높이 올라갈수록 공기의 양은 어떻게 변할까?  약간의 지식이 있는 사람이라면 이 질문은 쉽게 "적어진다"라고 대답할 수 있을 것이다.  고도가 높아질수록 중력이 작아지기 때문에 공기 분자를 붙들고 있을 힘이 줄어들어 공기의 양은 줄어들게 된다.  지표면으로부터 약 5.6km 까지는 전체 대기권이 가지고 있는 공기의 절반에 가까운 양이 존재하고 있다.  전체 대기권이 가지고 있는 공기량의 약 90%가 지표면으로부터 약 16km까지 분포하고 있으며, 지표면으로부터 약 100km까지는 전체 대기권이 가지고 있는 공기량의 약 100%가 속해 있다.  고도 100km 이상에는 전체 공기의 0.000003% 공기량만 존재하게 되어 거의 비어 있는 공간이 된다.  그럼 공기의 압력은 어떻게 되는가?  이것은 방금 언급한 부분을 살펴보면 답이 쉽게 나온다.  압력이 일정한 체적 안에 들어 있는 분자들이 밀어내려고 하는 성질이라고 보면, 공기 분자가 많을수록 압력이 증가하게 된다는 것을 알 수 있다.  따라서 지표면에서는 공기량이 많기 때문에 공기의 압력이 크고, 고도가 높아질수록 공기량이 줄어들어 압력은 낮아지게 된다.자료출처:쉽게 배우는 기상학[교육과학사]