푸른 오로라를 둘러싼 새로운 미스터리
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-11-10 10:47:44
3분 읽기
- 스웨덴 상공에서 측정된 푸른 오로라는 고도 200km에서 가장 높은 강도 보여
- 푸른 빛은 산소 원자와의 전하 교환과 햇빛의 공명산란을 통해 생성
- 첫 번째는 대기 중 이온화된 질소 분자의 용승일 수 있다.
- 고고도에 존재하는 산소 이온이 여기되어 전하를 질소 분자로 전달할 수 있다
오로라는 태양에서 온 고에너지 대전 입자가 지구 자기장과 상층 대기에 진입할 때 생성된다. 대기 중 가스 분자를 들뜨게 하고, 이 분자는 기저 상태로 돌아갈 때 이 에너지를 빛으로 방출한다. 오로라의 색깔은 들뜬 원소에 따라 달라진다. 일반적인 녹색과 붉은색 오로라는 들뜬 산소 원자에 의해 발생한다.
희귀하고 아직 거의 탐사되지 않은 푸른 오로라
푸른색 오로라는 훨씬 더 드물다. 이들의 기원은 이온화된 질소 분자에 있는데, 이 분자가 여기되려면 특히 많은 에너지가 필요하다. 이러한 푸른 오로라는 보통 지구가 이미 어두워졌지만 전리층은 여전히 태양의 빛을 받고 있을 때 나타난다. 푸른 빛은 산소 원자와의 전하 교환과 햇빛의 공명산란을 통해 생성된다.
하지만 지금까지 푸른 오로라가 정확히 어느 고도에서 발생하는지, 그리고 들뜬 질소 분자가 어떤 메커니즘으로 도달하는지 밝혀지지 않았다. 일본 국립 핵융합 연구소의 카츠미 이다와 그의 동료들은 "질소 이온 밀도의 고도 분포를 측정하는 것은 푸른 오로라의 메커니즘을 이해하는 데 필수적이다"고 설명했다. 오로라가 가장 강하게 방출되는 영역을 결정하려면 태양 복사에서 산란된 빛을 배제해야 한다. 이는 기존 오로라 카메라로는 불가능하다.
고도계로서의 초분광 카메라
이제 이다와 그의 팀은 초분광 카메라 덕분에 이 미해결 문제에 대한 해답을 찾는 데 성공했다. "이 카메라는 매우 높은 해상도로 다양한 파장의 빛을 기록하고 분리할 수 있다"고 연구팀은 설명했다. 높은 분광 해상도 덕분에 물리학자들은 들뜬 질소의 방출을 태양 산란으로부터 분리할 수 있었다. 이를 통해 최초로 청색 오로라가 가장 강렬한 고도를 더욱 정확하게 파악할 수 있었다.
연구진은 2023년 가을 스웨덴 키루나에서 이러한 기회를 얻었다. 그곳의 지역 천문대에 오로라 관측을 위해 특별히 설계된 초분광 카메라(HySCAI)를 설치했다. 10월 21일 이른 아침, 카메라는 희귀한 청색 오로라 중 하나를 실제로 감지했다. 연구팀은 "청색 오로라는 새벽 3시 5분부터 이미지의 동쪽 부분에서 선명하게 볼 수 있으며, 서쪽으로는 천문학적 박명(astronous twilight)이 끝날 때까지 확장된다"고 보고했다.
이 오로라가 이렇게 높은 곳에서 빛나는 이유는 무엇일까?
이미지는 놀라운 사실을 보여주었다. 청색 오로라는 약 200km 고도에서 가장 강렬해졌다. "이는 이론 모델에서 예측한 125km보다 훨씬 높다"고 이다와 그의 동료들은 기술했다. 이 결과는 또한 이 고도에 이전에 추정했던 것보다 훨씬 더 많은 이온화된 질소 분자가 존재해야 함을 의미한다. 그렇다면 왜 그럴까? 이다와 그의 팀은 추측만 할 수 있을 뿐이다.
물리학자들은 두 가지 가능한 메커니즘을 고려한다. 첫 번째는 대기 중 이온화된 질소 분자의 용승일 수 있다. 이 이론에 따르면, 이러한 이온들은 특정 조건에서 더 밀도가 높고 낮은 층에서 전리층으로 상승할 수 있다. 두 번째 가능성은 교환 반응일 수 있다. 물리학자들은 "이 과정에서 고고도에 존재하는 산소 이온이 여기되어 전하를 질소 분자로 전달할 수 있다"고 설명했다.
어떤 메커니즘이 실제로 청색 오로라의 원인인지는 현재로서는 불분명하다. 연구팀은 초분광 카메라를 포함한 추가 측정을 통해 더 명확한 결과를 얻을 수 있기를 기대한다.
참고: Geophysical Research Letters, 2025; doi: 10.1029/2025GL118375
출처: National Institutes of Natural Sciences Japan / 일본 국립자연과학원
- 스웨덴 상공에서 측정된 푸른 오로라는 고도 200km에서 가장 높은 강도 보여
- 푸른 빛은 산소 원자와의 전하 교환과 햇빛의 공명산란을 통해 생성
- 첫 번째는 대기 중 이온화된 질소 분자의 용승일 수 있다.
- 고고도에 존재하는 산소 이온이 여기되어 전하를 질소 분자로 전달할 수 있다
푸른 오로라를 둘러싼 새로운 미스터리
희귀한 푸른 오로라의 최초 정밀 고도 측정, 새로운 의문 제기
희귀한 푸른 오로라가 다시 한번 우리를 놀라게 하고 있다. 특수 초분광 카메라로 측정한 고도 측정 결과, 이 오로라의 최대 강도가 예상보다 강했다. 스웨덴 상공에서 측정된 푸른 오로라는 고도 200km에서 가장 높은 강도를 보였다. 그렇다면 이 고도에서 어떻게 이렇게 높은 밀도의 이온화된 질소 분자가 생성될 수 있을까? 연구팀은 현재까지 추측만 할 뿐이다.
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| ▲ 푸른 오로라는 극히 드물며 아직도 많은 신비를 품고 있다. pixabay |
오로라는 태양에서 온 고에너지 대전 입자가 지구 자기장과 상층 대기에 진입할 때 생성된다. 대기 중 가스 분자를 들뜨게 하고, 이 분자는 기저 상태로 돌아갈 때 이 에너지를 빛으로 방출한다. 오로라의 색깔은 들뜬 원소에 따라 달라진다. 일반적인 녹색과 붉은색 오로라는 들뜬 산소 원자에 의해 발생한다.
희귀하고 아직 거의 탐사되지 않은 푸른 오로라
푸른색 오로라는 훨씬 더 드물다. 이들의 기원은 이온화된 질소 분자에 있는데, 이 분자가 여기되려면 특히 많은 에너지가 필요하다. 이러한 푸른 오로라는 보통 지구가 이미 어두워졌지만 전리층은 여전히 태양의 빛을 받고 있을 때 나타난다. 푸른 빛은 산소 원자와의 전하 교환과 햇빛의 공명산란을 통해 생성된다.
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| ▲ 물리학자들은 초분광 카메라를 사용하여 햇빛이 오로라에 닿는 고도를 측정하고 산란광을 걸러낼 수 있다. © 일본 국립자연과학원 |
하지만 지금까지 푸른 오로라가 정확히 어느 고도에서 발생하는지, 그리고 들뜬 질소 분자가 어떤 메커니즘으로 도달하는지 밝혀지지 않았다. 일본 국립 핵융합 연구소의 카츠미 이다와 그의 동료들은 "질소 이온 밀도의 고도 분포를 측정하는 것은 푸른 오로라의 메커니즘을 이해하는 데 필수적이다"고 설명했다. 오로라가 가장 강하게 방출되는 영역을 결정하려면 태양 복사에서 산란된 빛을 배제해야 한다. 이는 기존 오로라 카메라로는 불가능하다.
고도계로서의 초분광 카메라
이제 이다와 그의 팀은 초분광 카메라 덕분에 이 미해결 문제에 대한 해답을 찾는 데 성공했다. "이 카메라는 매우 높은 해상도로 다양한 파장의 빛을 기록하고 분리할 수 있다"고 연구팀은 설명했다. 높은 분광 해상도 덕분에 물리학자들은 들뜬 질소의 방출을 태양 산란으로부터 분리할 수 있었다. 이를 통해 최초로 청색 오로라가 가장 강렬한 고도를 더욱 정확하게 파악할 수 있었다.
연구진은 2023년 가을 스웨덴 키루나에서 이러한 기회를 얻었다. 그곳의 지역 천문대에 오로라 관측을 위해 특별히 설계된 초분광 카메라(HySCAI)를 설치했다. 10월 21일 이른 아침, 카메라는 희귀한 청색 오로라 중 하나를 실제로 감지했다. 연구팀은 "청색 오로라는 새벽 3시 5분부터 이미지의 동쪽 부분에서 선명하게 볼 수 있으며, 서쪽으로는 천문학적 박명(astronous twilight)이 끝날 때까지 확장된다"고 보고했다.
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| ▲ 2023년 10월 21일 02:21:58부터 03:59:52(세계 표준시)까지 스웨덴 키루나에 위치한 SSC(스웨덴 우주 공사)의 키루나 에슬랑게 광학 플랫폼 부지에서 전천 카메라로 2분 간격으로 촬영한 컬러 오로라 순차 이미지다. 천문 박명 시 200km의 그림자 높이에 해당하는 위치는 노란색 점선으로 표시되어 있다. (출처:Estimate of Altitude Profile Using Blue Auroral Resonant-Scattering 427.8 nm Emission Observed With HySCAI During Astronomical Twilight / First published: 05 November 2025 / Geophysical Research Letters) |
이 오로라가 이렇게 높은 곳에서 빛나는 이유는 무엇일까?
이미지는 놀라운 사실을 보여주었다. 청색 오로라는 약 200km 고도에서 가장 강렬해졌다. "이는 이론 모델에서 예측한 125km보다 훨씬 높다"고 이다와 그의 동료들은 기술했다. 이 결과는 또한 이 고도에 이전에 추정했던 것보다 훨씬 더 많은 이온화된 질소 분자가 존재해야 함을 의미한다. 그렇다면 왜 그럴까? 이다와 그의 팀은 추측만 할 수 있을 뿐이다.
물리학자들은 두 가지 가능한 메커니즘을 고려한다. 첫 번째는 대기 중 이온화된 질소 분자의 용승일 수 있다. 이 이론에 따르면, 이러한 이온들은 특정 조건에서 더 밀도가 높고 낮은 층에서 전리층으로 상승할 수 있다. 두 번째 가능성은 교환 반응일 수 있다. 물리학자들은 "이 과정에서 고고도에 존재하는 산소 이온이 여기되어 전하를 질소 분자로 전달할 수 있다"고 설명했다.
어떤 메커니즘이 실제로 청색 오로라의 원인인지는 현재로서는 불분명하다. 연구팀은 초분광 카메라를 포함한 추가 측정을 통해 더 명확한 결과를 얻을 수 있기를 기대한다.
참고: Geophysical Research Letters, 2025; doi: 10.1029/2025GL118375
출처: National Institutes of Natural Sciences Japan / 일본 국립자연과학원
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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