태양의 활동 — 흑점은 왜 검고 왜 11년마다 늘까

태양을 특수 필터로 찍은 사진에는 검은 점이 몇 개씩 박혀 있습니다. 어떤 해에는 수십 개가 떼를 지어 나오고 어떤 해에는 몇 달째 하나도 없습니다. 이 점이 흑점이고, 흑점이 많아지는 해에는 뉴스에 "태양 폭풍" 이야기가 늘어납니다. 흑점은 왜 검을까요, 정말 차가운 구멍일까요, 그리고 왜 하필 11년마다 늘어날까요. 태양의 활동이 어떻게 돌아가는지를 흑점 하나에서 시작해 봅니다.

흑점은 검은 것이 아니라 덜 밝은 것입니다

우리가 보는 태양의 표면, 곧 광구의 온도는 6000 K 안팎입니다. 흑점의 온도는 4000 K 쯤으로 광구보다 2000 K 가까이 낮습니다. 4000 K 짜리 물체도 혼자 두면 눈부시게 빛납니다. 흑점이 검어 보이는 것은 훨씬 밝은 광구 옆에 있어서입니다. 흑점만 오려 내어 밤하늘에 걸면 보름달보다 훨씬 밝습니다.

그러면 왜 그 자리만 식었을까요. 광구 바로 아래에서는 뜨거운 가스가 올라오고 식은 가스가 가라앉는 대류가 쉬지 않고 돌며 안쪽의 열을 표면까지 나릅니다. 그런데 태양 안에서 꼬인 자기력선 다발이 표면을 뚫고 나오는 자리에서는 강한 자기장이 가스의 움직임을 묶어 대류가 막힙니다. 열이 덜 올라오니 그 자리는 식고, 식은 만큼 어둡습니다. 흑점의 한가운데 가장 어두운 암부는 자기력선이 곧게 서는 곳이고, 그 둘레의 조금 덜 어두운 반암부는 자기력선이 비스듬히 눕는 곳입니다. 흑점은 대개 둘씩 짝지어 나오는데, 한쪽에서 나온 자기력선이 고리를 그리며 다른 쪽으로 들어가기 때문입니다.

흑점은 11년마다 늘었다 줄어듭니다

흑점의 수를 해마다 세어 보면 한 번 많아졌다 적어지는 데 11년이 걸립니다. 흑점이 가장 많은 때가 극대기, 거의 없는 때가 극소기입니다. 흑점은 새 주기가 시작될 때 위도 30° 부근의 높은 곳에 먼저 나타나고, 주기가 지나갈수록 점점 적도 쪽으로 내려와서 나타납니다. 이것을 시간에 따라 그리면 날개를 편 나비 모양이 됩니다.

이 주기를 만드는 것은 태양의 자전입니다. 태양은 기체 덩어리라 한 덩어리로 돌지 않고 적도 부근은 25일, 극 부근은 35일에 한 바퀴를 돕니다. 적도가 더 빨리 도니, 처음에 남북으로 뻗어 있던 자기력선이 해를 거듭할수록 적도 쪽에서 앞서 가며 동서로 감기고, 감긴 자기력선은 고무줄처럼 꼬여 다발이 됩니다. 이 다발이 떠올라 표면을 뚫는 자리가 흑점입니다. 꼬임이 극에 이르면 자기장이 흐트러지며 극성이 뒤바뀌고, 다시 처음부터 감기기 시작합니다. 그래서 흑점 수는 11년마다 되풀이되고, 태양 자기장의 남북이 제자리로 돌아오는 데는 두 주기 22년이 걸립니다.

흑점이 많을 때 지구에서는

흑점이 많은 극대기에는 흑점 둘레에서 꼬인 자기력선이 끊어지며 에너지를 한꺼번에 내놓는 플레어가 잦고, 코로나의 가스가 덩어리째 튀어나가는 코로나 질량 방출도 늘어납니다. 태양에서 늘 불어 나오는 전하를 띤 입자의 흐름인 태양풍도 이때 세집니다. 플레어의 X선과 자외선은 8분 만에 지구에 닿아 전리층을 흔들어 단파 통신을 끊습니다. 이것이 델린저 현상입니다. 하루 이틀 뒤에 닿는 입자의 덩어리는 지구 자기장을 흔드는 자기 폭풍을 일으켜 오로라가 평소보다 낮은 위도에서도 보이고, 인공위성의 전자 장비와 송전망이 고장 나기도 합니다. 흑점은 태양이 식은 자리이지만, 흑점이 많은 태양은 더 활발하고 조금 더 밝습니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 흑점이 어두운 까닭. 강한 자기장이 대류를 막아 주위 광구보다 온도가 낮기 때문. 온도는 광구 6000 K, 흑점 4000 K 안팎.
• 흑점 수의 주기는 11년. 극대기에 흑점 수·플레어·코로나 질량 방출·태양풍·오로라가 모두 늘어납니다.
• 흑점이 나타나는 위도. 주기 초에는 고위도(30° 부근), 주기 말에는 저위도(적도 부근). 나비 그림의 뜻.
• 흑점의 이동으로 알 수 있는 것. 며칠 동안 같은 흑점을 찍으면 동에서 서로 옮겨 가므로 태양이 자전한다는 것, 저위도의 흑점이 더 빨리 가므로 적도가 빨리 돈다는 것.
• 지구에 미치는 영향 짝짓기. 플레어 → 델린저 현상(단파 통신 장애). 태양풍·코로나 질량 방출 → 자기 폭풍, 오로라, 인공위성 고장.

자주 헷갈리는 것

• "흑점은 태양의 구멍이다" — 구멍이 아니라 주위보다 식은 표면입니다. 4000 K 로 혼자 두면 밝게 빛납니다.
• "흑점이 많으면 태양이 식어 지구가 추워진다" — 반대입니다. 흑점이 많은 극대기의 태양이 활동이 활발하고 조금 더 밝습니다.
• "흑점은 늘 같은 자리에 있다" — 태양의 자전을 따라 동에서 서로 옮겨 가고, 며칠에서 몇 주 안에 사라집니다. 같은 흑점이 자전하여 뒷면에 갔다 돌아오기도 합니다.
• "플레어와 태양풍은 같은 것이다" — 플레어는 흑점 둘레에서 순간 터지는 폭발이고, 태양풍은 태양에서 늘 불어 나오는 입자의 흐름입니다. 플레어의 빛은 8분, 입자는 하루 이틀 뒤에 지구에 닿습니다.

정리합니다. 흑점은 강한 자기장이 대류를 막아 주위 광구보다 2000 K 가까이 식은 자리이고, 그래서 검게 보입니다. 태양의 적도가 극보다 빨리 돌아 자기력선이 감기고 꼬이는 동안 흑점이 늘다가, 자기장이 뒤집히며 다시 줄어들기를 11년마다 되풀이합니다. 흑점이 많은 해에는 플레어와 태양풍이 세져 통신 장애·자기 폭풍·오로라로 지구에 닿습니다.

그림 참고: [NOAA SWPC, Solar Cycle Progression](https://www.swpc.noaa.gov/products/solar-cycle-progression), [NASA MSFC, The Sunspot Cycle](https://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.