북극과 남극 오로라는 왜 다를까

지구 극지방에서 관측되는 오로라는 녹색과 붉은 빛 띠가 하늘에 펼쳐지는 환상적인 천체쇼다. 예전부터 많은 이들을 매료시켜온 오로라지만 북극과 남극에서 발광 패턴은 비슷해도 관측되는 빛에는 차이가 있다고 한다. 왜 북극과 남극의 오로라는 모양이나 색상이 다를까.

지구에는 지자기라는 자기장이 존재한다. 북극은 S, 남극은 N극에 해당한다. 지자기에 발생하는 자력선은 남극 측에서 북극 측으로 지구 대기를 뚫고 호를 그리면서 존재한다. 지구 자기장이 작용하는 범위를 지구 자기권이라고 하며 지구 중심에서 지구 반지름의 10배 그러니까 고도 6만km 거리에 있다.

태양에서 뿜어내는 태양풍 플라즈마는 이런 자기권을 쉽게 통과할 수 없어 자력선을 따라 이동한다. 플라즈마는 자력선이 대기와 교차해 북극을 향해 가속하면서 진행해 자력선을 따라 가다 곧 지구 대기에 부딪친다. 이렇게 되면 플라즈마는 대기 원자와 분자와 충돌하면서 환상적인 빛의 띠를 생성한다. 이게 바로 오로라의 원리다.

지구 자기권과 태양풍 플라즈마의 관계를 보면 자력선을 따라 플라즈마가 하강하고 북극이나 남극 근처 대기와 충돌한다. 지구 자력선은 태양이 가진 강력한 자기장에 의해 자력선이 왜곡되기 때문에 태양 측이 분쇄된 타원 모양으로 태양과 반대쪽으로 지연된다.

오로라는 같은 자력선을 따라 하강한 플라즈마가 남북에서 동시에 대기에 충돌하기 때문에 북극과 남극 측에서 유사한 색상과 모양으로 발생한다고 알려져 있다. 이렇게 같은 자력선에 연결된 남북 지점을 결함점이라고 하지만 공역점에서도 어떤 이유로 똑같은 형태의 오로라를 관측할 수 있는 건 아니다.

과학자들은 남북 오로라가 일치하지 않는 이유로 지구 자기권의 자기 재결합이 원인일 것으로 생각해왔다. 지구 자기권의 자기 재결합은 태양풍이 자구 밤 측에 해당하는 자력선 꼬리를 흔들어 지연시켜 자력선을 원래 결합점보다 지구에 가까운 곳에서 다시 결합시키는 것이다. 자기 재결합에 의해 자기권 꼬리에 쌓인 플라즈마는 단번에 지구 측으로 방출되는 것으로 남북 비대칭 위치에서 색상이나 모양도 다른 오로라가 생긴다는 것이다.

이 같은 기존 생각과 달리 베르겐대학 연구팀은 자기 재결합에 의한 오로라 변동 모델이 실수였다는 걸 발견했다고 한다. 연구팀은 2001∼2005년까지 북반구와 남반구에서 동시 관측한 오로라에 대해 우주선에서 촬영한 사진을 분석했다. 이 관측 결과를 지구 자기권 꼬리에서 발생한 활동에 비춰 볼 때 자기 재결합에 의해 오로라 상태가 남북으로 변화하는 게 아니라 오히려 자기 재결합 발생과 함께 오로라의 대칭성이 증가한다는 걸 밝혔다.

연구팀은 지구 자기권의 자기 재결합은 사람들이 생각했던 것과 반대 효과를 제공한다고 말한다. 연구팀은 대신 태양 자기장이 지구 자기장을 남북으로 불균일하게 압박하고 남북에서 자력선 왜곡이 발생해 남북에서 오로라 색상이나 형태, 발생 위치가 변화하는 걸 발견했다. 자기 재결합이 왜곡을 감소시키는 효과를 갖고 있었던 것이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.