By DENNIS MERSEREAU, WIRED US

5월 중순, 며칠 동안 상공 100km를 따라 지자기 폭풍(geomagnetic storm)이 형성되면서 오로라가 세계 여러 지역의 하늘을 뒤덮었다. 오로라가 열대 지역 깊은 곳에서도 관측되는 일은 일생에 한 번 발생할 법한 일이다. 하지만 2024년 하반기면 지자기 폭풍이 더 강력해질 것이 유력하여 세계 각지의 오로라 관측자가 조만간 더 화려한 빛을 관측할 것을 기대하고 있다.

11년 주기로 예측할 수 있는 태양 흑점의 수가 최대치에 이르는 흑점 극대기(solar maximum)에 가까워지기 때문이다. 태양 폭발과 코로나 질량 방출(CME)은 흑점 극대기 도중과 직후에 가장 보편적으로 발생하는 현상이자 선명한 오로라 발생 원인이 된다.

2024년 5월 10일, 미국에서 관측된 화려한 오로라는 태양 외기권에서 세 차례의 코로나 질량 방출 현상이 발생하고 지구로 향하면서 발생했다. 코로나 질량 방출은 온도가 극도로 높은 태양 외기권 층인 코로나에서 태양 자기장 방해 탓에 방출된 자화 상태의 플라즈마(magnetized plasma) 집단이다. 

2024년 5월 10일(현지 시각), 연속으로 관측된 코로나 질량 방출 현상은 앞서 발생한 방출 현상보다 더 빠른 속도로 진행되면서 세 차례 발생한 하전 입자의 폭발 모두 결합한 후 지구 대기에 영향을 미친다. 세 차례 발생한 코로나 질량 방출 에너지가 결합되어 한 번에 지구로 강타하면서 세기의 오로라 현상이 관측됐다.

최근 발생한 코로나 질량 방출 현상은 태양 표면에서 비교적 온도가 낮고 어두운 흑점의 집단인 ‘AR3664(Active Region 3664)’와 관련이 있다. 흑점은 지구보다 15배 이상 커질 수도 있다. 지구에서는 일식 안경을 착용한 상태에서 태양 일부분을 보기만 해도 자기장이 없는 AR3664를 볼 수 있다.
 
거대한 AR3664가 최근 세계 곳곳에서 관측된 세기의 오로라 현상의 주된 원인이다. 태양 표면의 흑점은 종종 흑점이 형성된 영역의 자기장을 방해한다. 또한, 코로나 질량 방출이나 전자기 방사선 방출로 라디오 장애를 유발하는 강력한 태양 폭풍 현상을 일으키는 불안정한 상태와 재배치 현상이 발생한다.

태양 표면은 3주 반 단위로 회전한다. 즉, 흑점을 지구에서 관측할 수 있는 시기는 흑점이 형성된 태양 표면 영역에 따라 태양 회전 주기 중 1~2주뿐이다.

지구에서 관측했을 때 AR3664는 5월 중순 오로라가 관측되고 얼마 지나지 않아 회전한 것처럼 보였다. 흑점이 상대적으로 빠른 속도로 진화하므로 기존의 흑점이 6월 초면, 5월 중순에 관측한 영역과 비슷한 영역으로 돌아올 수도 있다.

AR3664이 회전한 직후 또 다른 흑점 집단이 생성되었다. 새로이 형성된 흑점 집단은 지구보다 2~3배 정도 더 큰 수준으로, 5월 중순께 기록적인 오로라를 형성한 거대한 AR3664보다는 크기가 훨씬 더 작다. 하지만 태양 활동을 보았을 때 새로 형성된 흑점은 앞으로 18개월간 태양 활동이 증가할 것이라는 신호로 볼 수 있다. 흑점 극대기에 가까워질수록 흑점이 커지는 것이 흔한 일이기 때문이다. 태양 흑점 상당수가 흑점 극대기 도중 태양에 흠집을 낼 수 있다. 그와 동시에 지구에서는 며칠간 흑점 극소기(solar minimum)에 흑점이 하나도 발견되지 않을 수도 있다.

과학계는 흑점 극대기에 도달할 시점으로 2025년 7월을 지목했다. 흑점 극대기 도중과 그 후에 태양 활동이 증가하면서 1년 반 이상 평소보다 저고도에서 오로라를 관측할 확률도 상승할 것으로 보인다.

코로나 질량 방출이 추가로 발생하면서 지구 최고 고도에 가까워질수록 고고도에서 화려한 오로라가 발생할 확률이 높다. (알래스카, 캐나다, 북유럽 국가 거주자는 태양이 질 때까지 기다렸다가 오로라를 관측할 수 있다.) 하지만 오로라를 관측할 수 있는 날 정보를 미리 추가로 알아내는 일은 불가능하다.

미국 국립해양대기청(US National Oceanic and Atmospheric Administration)의 태양 활동 추적 전담 기관인 우주 기상 예측센터(Space Weather Prediction Center)가 있으나 우주 기상 예측 결과는 지구 기상 관측 결과보다 정확도가 낮다. 지구 날씨 예측은 현대 과학의 기적이라고 말할 수 있다. 기상학자는 거대한 토네이도 발생, 열대 요란(tropical disturbance)이 거대한 허리케인으로 발전할 가능성 등 종합적인 상황을 일주일 이전에 예측할 수 있다.

반면, 우주 기상은 관측하면서 실제로 발생할 때까지 기다려야 한다. 태양에서 코로나 질량 방출이나 태양 폭풍이 발생할 때만 궤도와 며칠 뒤 지구에 미칠 수도 있는 영향을 예측할 수 있다.

위성이 지구로 향하는 거대한 코로나 질량 방출 현상을 관측하면, 과학자는 코로나 질량 방출이 전력 그리드부터 GPS 신호까지 지구로 연결되는 모든 통신에 미칠 영향을 예측하기 시작한다. 천문학에 관심이 있는 비전문가에게 가장 유용한 예측 정보 중 하나는 Kp 지수(Kp Index)이다. KP 지수는 오로라와 관련이 있는 지자기 활동 측정값이다. Kp 지수는 Kp 0부터 Kp 9까지 측정하며, 수치가 높을수록 극지방에서 더 먼 곳까지 오로라 현상이 발생하는 원인이 되는 활동이 더 활발하다는 점을 암시한다.

보통 Kp 3을 기록해도 북극 지방에서는 선명한 오로라를 관측할 수 있다. Kp 5일떄는 노르웨이 오슬로, 아이슬란드 레이캬비크, 캐나다의 인구 밀도가 가장 높은 대도시에서도 오로라를 관측할 수 있다. 측정값이 Kp 5 이상일 때는 유럽, 아시아, 북미까지 오로라 관측 범위가 더 넓어진다.

독일 지구과학연구소(German Research Centre for Geosciences)는 1932년 1월 1일부터 3시간 단위로 Kp 지수를 추적하기 시작했다. 지난 92년간 누적 25만 회 이상 측정한 값 중 Kp 지수가 최고치를 기록한 횟수는 32회이다.

Kp 지수 측정 시작일 이래로 최고치를 기록한 32회 중 3회는 2024년 5월 10일과 11일, 지자기 폭풍이 발생하던 중 측정됐다. 2024년 5월 10일과 11일에는 전 세계 인구 수백만 명이 오로라를 관측할 정도로 오로라가 가장 오래 지속되었다.

2024년 이전 마지막으로 Kp 9를 기록한 시기는 2003년 할로윈 시기에 태양 폭풍이 발생하던 때였다. 당시 유럽과 미국 여러 지역에서 오로라를 관측할 수 있었다. 저고도 지역에서도 오로라를 관측하고자 한다면, 2025년 흑점 극대기가 가까워지면서 적정량의 흑점과 Kp 지수가 높은 값을 기록할 때 오로라 관측에 성공하는 행운이 따르기를 빈다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
The Auroras Should Be Spectacular This Summer, Thanks to Solar Maximum