태양활동 최고조의 해…지구 전력·통신망 교란 ‘태양폭풍 주의보’[Science]

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■ 11년 만에 ‘태양 극대기’… 흑점 많아지고 폭발도 증가

태양풍 커져 지구 자기장 타격
전자기기 먹통되거나 정전 발생
2022년 2월 스페이스X 위성
지자기 폭풍에 80% 추락 피해

나사 - 천문연 개발 ‘CODEX’
태양 가장자리 ‘코로나’ 관측
더 정확한 우주 날씨예보 가능

지난 2022년 2월, 일론 머스크의 스페이스X는 로켓으로 실어나른 스타링크 위성 40개를 갑자기 못 쓰게 된 일을 겪었다. 팰컨9 로켓으로 운반한 뒤 살포한 49개 스타링크 위성 중 40개가 갑자기 추락한 것이다. 스페이스X는 발사 다음 날 발생한 지자기 폭풍으로 인해 위성이 정해진 궤도에 도달하지 못했다고 설명했다. 당초 예정대로라면 스타링크 위성들은 고도 340㎞까지 상승해 궤도에 진입해야 했으나, 예기치 못한 지자기 폭풍이 발생해 대기의 저항이 평상시보다 50% 이상 늘어났고 고도 상승을 방해했다는 것이다. 이렇듯 우주에도 날씨가 존재한다. 세계 우주개발 시장을 선도하는 우주기업마저도 폭풍을 예상치 못하고 위성을 수십 개씩 잃어버릴 정도다. 스페이스X는 2022년 일어난 한 번의 사고로 인해 5000만 달러 이상의 손실을 본 것으로 알려졌다. 특히 올해는 지구 주위의 우주 날씨가 아주 궂을 예정이라고 알려졌다.

◇‘흑점’ 많아지는 태양 극대기란=지난해 10월 나사(미 항공우주국)는 “태양 활동이 극대기에 들어섰으며 내년까지 지속될 것”이라고 밝힌 바 있다. 태양 극대기란 태양 활동이 가장 왕성해지는 기간으로, 흑점 수가 많아지고 태양 플레어 등 폭발 현상도 늘어나는 시기를 뜻한다. 태양 극대기는 11년의 소주기와 80년의 대주기로 변화한다. 극소기와 극대기가 5~6년 차이를 두고 번갈아가며 발생하는데, 지난 극대기는 2013~2014년이었다. 이어 2019~2020년 극소기를 맞은 뒤 2024~2025년 극대기가 다시 돌아온 것이다. 흑점은 태양 표면, ‘광구’에서 관측되는 검은 점이다. 태양 표면 어느 한 부분에 자기장이 집중돼 강력해지면 그 영향으로 플라스마 입자 흐름이 방해를 받는다. 그 결과 자기장이 모인 부분의 온도가 다른 부분의 평균 온도보다 낮아져 검게 보인다. 태양 표면의 평균 온도는 약 5800K(켈빈)이지만 흑점의 온도는 4000~5000K 사이다. 흑점이 늘어날수록 플레어도 더 많이 관측된다. 플레어란 태양 등 항성의 표면에서 다량의 빛과 에너지가 일시적으로 방출되는 폭발 현상으로, 방출된 X선의 정도에 따라 가장 약한 A부터 B, C, M, 가장 강한 X까지 등급이 나뉜다.

◇더 큰 오로라와 지자기 폭풍=태양은 평소에도 태양풍을 방출하고 있다. 태양풍은 양성자·전자와 같은 하전 입자 등이 플라스마의 형태로 방출돼 태양으로부터 말 그대로 바람처럼 불어오는 현상이다. 이 물질들은 통신이나 전자기기에 영향을 미칠 수 있으나, 일반적인 경우 지구로 날아온 태양풍은 대체로 지구 자체 자기장에 의해 방어된다.

그러나 태양에서 강력한 폭발이 일어나면 얘기는 달라진다. 플레어 방출 등 폭발 현상은 엄청난 양의 플라스마와 자기장이 평소보다 빠르게 우주 공간으로 방출되는 ‘코로나 질량 방출(CME)’ 현상으로 이어진다. 다량의 플라스마는 태양과 지구 사이 1억5000만㎞에 달하는 거리를 하루가 채 안 되는 시간에 주파하고 지구 자기장을 강하게 압박한다. 지구를 통과하는 과정에서 지구 자기장은 긴 꼬리 모양으로 늘어지는데, 이때 자기장의 꼬리 부분엔 미처 통과하지 못하고 지구 자기장에 뒤섞인 에너지가 저장된다. 태양풍이 완전히 지나가고 꼬리가 끊어지면 저장돼 있던 에너지가 다시 지구 방향으로 튕겨 나오며 지구 자기장이 강하게 교란된다. 이를 지자기 폭풍이라 하고, 일론 머스크가 위성 40개를 동시에 잃은 이유다.

지난해 지구 각지에서 여러 오로라가 관측된 이유도 이와 엮여 있다. 태양 극대기가 가까워지며 흑점 활동이 활발해졌는데, 특히 5월 9~10일 사이 X등급의 플레어가 여러 차례 발생했다. 이어 지구를 향한 CME가 발생했고, 5월 11일 지구에 CME가 도달하며 강력한 지자기 폭풍이 일어났다.

이때 평소라면 오로라를 관측할 수 없는 중위도 지역에서도 동시다발적으로 오로라가 관측됐고, 심지어 경북 영천시에 있는 한국천문연구원 보현산 천문대에서도 21년 만에 적색 오로라가 관측됐다. 오로라는 태양에서 날아온 하전입자들이 지구 자기장에 붙잡혀 극지방으로 모인 뒤 지구 대기입자와 부딪히면서 발생하는데, CME 현상으로 태양풍이 더 크게 일어나면서 오로라 역시 더 크고 화려해지는 것이다.

한편 지자기 폭풍이 발생하면 지구 자기장을 교란하면서 전자기 펄스(EMP) 효과가 발생해 전자기기가 먹통이 되거나 심각할 경우 국지적인 정전이 발생하기도 한다. 무선 통신이 교란될 수도 있다. 지구 대기권에 있는 전리층은 전파 신호를 반사해 무선 통신을 가능케 하는데, 전리층이 영향을 받으면 신호가 제대로 반사되지 않는 것이다. 그 결과 위성항법시스템(GPS)이 제대로 작동하지 않아 선박 혹은 항공기의 운항이 영향을 받을 수 있다. 아울러 고고도·우주 공간에서 활동하는 항공 조종사나 우주인이 방사능에 피폭될 우려도 있다.

◇가까이서 또 멀리서 태양풍 연구=이렇듯 태양풍이 지구와 우주활동에 각종 영향을 주는 만큼 태양풍의 발생 원인 등을 규명하기 위한 여러 연구가 진행 중이다. 지난 2018년 8월 12일 발사돼 태양 가장 가까이 다가간 우주선의 기록을 세운 파커 태양 탐사선(PSP)이 대표적이다. PSP는 지난해 12월 24일 태양으로부터 약 610만㎞ 떨어진 거리까지 접근하면서 역대 최근접 비행에 성공했다. PSP는 태양풍이 가속되는 에너지는 무엇이며 태양풍이 발생하는 구역의 자기장은 어떤 구조인지 등을 알아내기 위해 자기장·전파·플라스마·하전입자 등의 에너지와 밀도, 온도 등을 측정하는 장비를 탑재하고 있다. 태양을 중심에 둔 타원형 궤도로 계속 태양에 가까워지는 중이며, 계획대로라면 오는 3월과 6월 다시 한 번 610만㎞ 수준으로 가까워질 예정이다.

나사와 천문연이 공동개발해 지난해 11월 발사, 국제우주정거장(ISS)에 설치한 태양코로나그래프(CODEX) 역시 태양 연구를 수행하기 위한 장비다. 태양 표면에 직접 가까이 다가가는 PSP와 달리 CODEX는 멀리서 태양의 가장자리 ‘코로나’를 보다 정밀히 관측해 태양풍이 가속되는 원리를 알아내는 것이 목표다. 이를 통해 태양풍의 속도와 지구에 미치는 영향을 더 확실히 파악하고 더 정확한 우주 날씨 예보가 가능할 것으로 기대된다.

구혁 기자 gugija@munhwa.com