북극 마을에서 보는 오로라

지금 서 있는 곳

북극광 사진에는 보통 어두운 땅 위로 밝은 초록 커튼이 걸려 있고, 호수나 피오르가 그 모습을 거꾸로 한 번 더 보여 줍니다. 이 전시는 그 사진 속으로 들어가게 합니다. 밤의 작은 북극 마을, 얼어붙은 호숫가에 서 있습니다. 뒤로는 통나무집들이, 서쪽에는 가문비나무 숲이, 동쪽에는 전망탑이 선 언덕이, 호수 건너에는 작은 관측소가 있습니다. 그 위의 하늘은 과학자들이 오로라를 설명할 때 쓰는 숫자로 오로라를 계산해 그립니다.

골짜기의 너비는 약 700 m입니다. 마을은 가운데 평평한 단 위에 있습니다. 창에 불이 켜진 통나무집 열두 채와 시계가 달린 나무 예배당, 사우나, 얼음 위로 뻗은 선착장이 있습니다. 북쪽 호수는 눈이 군데군데 쌓인 검은 얼음입니다. 다져진 썰매 길이 호수와 숲을 한 바퀴 돕니다. 언덕은 높이 34 m이고, 꼭대기의 9 m 탑에 오르면 하늘 전체가 한눈에 들어옵니다. 관측소에는 자력계 오두막과 유리 돔 아래의 전천 카메라, 그리고 두 장비가 잰 값을 보여 주는 화면 두 개짜리 게시판이 있습니다.

하늘이 하는 일은 직접 바꿀 수 있습니다. 폭풍 세기(Kp 지수), 전자 에너지, 시각, 날짜, 장소, 구름, 달, 카메라 셔터가 모두 조작에 있습니다. 하나를 바꿀 때마다 오로라가 실제와 같은 방식으로 달라지고, 무대 왼쪽의 판독창이 그 이유를 알려 줍니다. 지금 장소의 자기위도, 오로라 고리 가장자리의 위치, 초록빛과 빨간빛이 닿는 높이, 해의 위치입니다. 판독창 위의 작은 지도는 극 위에서 내려다본 오로라 고리와 지금 장소를 보여 줍니다.

처음 10초

전시는 노르웨이 북부 트롬쇠와 같은 위도에서, 2월의 늦은 저녁 Kp 3+, 자기 자정 직전에 시작합니다. 마침 서브스톰이 터지는 중입니다. 커튼이 밝아지고 주름지며 빛줄기를 하늘로 뻗고, 드러난 호수 얼음이 그 모습을 한 번 더 비춥니다. 끌어서 위를 올려다보세요. 초록빛은 약 100 km 위에서 시작하고, 이런 맑은 밤에는 눈 위에 옅은 초록빛이 돌 만큼 밝습니다.

빛은 어디에서 올까

오로라는 빠른 전자가 공기를 때릴 때 공기가 내는 빛입니다. 미국 해양대기청(NOAA) 우주기상예보센터의 설명은 이렇습니다. 전자는 지구 자기장의 밤쪽 꼬리와, 지구에 더 가까운 오로라 자기력선을 따라 가속됩니다. 그리고 자기장을 따라 극지방의 높은 대기로 내려와 산소와 질소에 부딪힙니다. 원자와 분자는 충돌로 에너지를 받았다가 그 에너지를 빛으로 내놓습니다. 네온사인 속 기체가 빛나는 것과 비슷합니다. 양성자도 오로라를 만들지만 희미하고 퍼져 있어서 눈으로 보기는 대개 어렵습니다.

이 일이 어디에서 일어날지는 자기력선이 정합니다. 적도 근처의 자기력선은 땅에서 높이 떨어져 우주 멀리에서 닫힙니다. 극 근처에서는 대기 속으로 가파르게 꽂힙니다. 오로라를 밝히는 전자는 밤쪽 꼬리까지 뻗은 자기력선을 따라 내려오고, 그런 자기력선은 각 자기극을 둘러싼 띠에서 땅과 만납니다. NOAA가 밝힌 범위는 이렇습니다. 오로라는 보통 지표에서 80~500 km 위에 생기고, 가장 보기 좋은 곳은 위도 약 60°에서 75° 사이의 띠 아래입니다. 그곳에서는 1년 중 절반이 넘는 밤에 오로라가 보입니다.

에너지는 태양에서 오지만 곧바로 오지는 않습니다. 태양에서 흘러나오는 하전 입자의 옅은 흐름인 태양풍이 자기장을 눌러 밤쪽으로 긴 꼬리를 만듭니다. 그 꼬리에 에너지가 쌓였다가 한꺼번에 풀려납니다. 태양이 내던진 거대한 플라스마 구름인 코로나 질량 방출이 지구에 닿으면 자기장이 훨씬 크게 흔들리고, 오로라는 더 밝아지면서 적도 쪽으로 내려옵니다.

왜 초록이고, 왜 빨강일까

색의 대부분은 산소 원자에서 나옵니다. NOAA의 Science On a Sphere 해설은 가장 흔한 색을 557.7 nm라는 정확한 파장의 옅은 노란빛 초록으로, 또 하나의 흔한 색을 역시 산소가 내는 630.0 nm의 빨간빛으로 설명합니다. 빛줄기 아래쪽 가장자리는 질소 이온이 내는 427.8 nm의 푸른 보랏빛을 띨 수 있습니다. 미국 항공우주국(NASA)의 오로라 안내는 높이를 이렇게 적습니다. 초록은 대략 100200 km, 빨강은 200 km 위, 질소의 파랑은 100200 km, 질소의 분홍이나 붉은 보랏빛은 약 100 km 아래입니다.

같은 원자가 왜 아래에서는 초록, 위에서는 빨강을 낼까요? 초록빛을 내는 상태로 들뜬 산소 원자는 대개 1초 안에 빛을 냅니다. 빨간빛을 내는 상태는 훨씬 오래, 평균 약 110초 동안 이어집니다. 200 km 위의 옅은 공기에서는 들뜬 원자가 그동안 아무것과도 부딪히지 않고 기다릴 수 있어서 빨간빛이 나옵니다. 더 낮은 곳에서는 충돌이 너무 잦아 원자가 먼저 이웃에게 에너지를 빼앗기고, 빨간빛은 끝내 나오지 않습니다. 630.0 nm 빛을 계산하는 연구자들은 이것을 소광(퀜칭)이라고 부릅니다. 그래서 높이가 색을 나눕니다. 맨 위에 빨강, 가운데에 초록, 아래 가장자리에는 더 빨리 빛을 내는 질소가 옵니다.

전시는 커튼마다 이 규칙을 따르는 네 겹의 빛을 쌓습니다. 셰이더는 시선 하나하나를 둥근 지구 위에서 85 km부터 빨간 층 꼭대기까지 따라 올라갑니다. 높이마다 시선이 커튼 무늬를 지나는지 보고, 그 높이에서 밝은 층의 빛을 더합니다. 그래서 커튼의 아래쪽은 또렷한 초록이고 위쪽은 빨강으로 흐려집니다.

높이마다 다른 색

높이 자를 켜면 오로라를 익숙한 것들과 나란히 세웁니다. 사람의 키는 1.7 m입니다. 여객기는 약 11 km 높이로 납니다. 에베레스트 꼭대기는 9 km가 조금 안 됩니다. 초록빛은 100 km 가까이에서 시작합니다. 여객기 높이의 아홉 배쯤이고, 호숫가 마네킹 키의 약 5만 9천 배입니다. 국제우주정거장은 약 410 km 높이를 도는데, 이 높이는 빨간 층의 높이 범위 안입니다. 그래서 우주비행사는 초록빛을 내려다보고 빨간빛은 옆으로 바라볼 때가 많습니다.

높이 자는 오로라 쪽으로 적어도 450 km 떨어진 곳에 세워서, 100 km와 400 km가 한 화면에 들어오게 했습니다. 지구가 둥글게 휘어 있어서 눈금은 고르게 쌓이지 않습니다. 멀리서 보면 400 km 높이는 100 km 높이보다 지평선 위로 몇 배밖에 높아 보이지 않습니다.

전자 에너지가 높이를 정합니다

전자가 얼마나 깊이 들어가는지는 에너지에 달려 있습니다. 빠른 전자일수록 짙어지는 공기 속을 더 멀리 지나간 뒤에야 에너지를 다 잃습니다. 전자가 쏟아져 들어오는 현상을 다룬 연구들은 이온화가 가장 많이 일어나는 높이를 10 keV 전자에서 약 110 km, 0.1 keV보다 약한 전자에서 약 250 km로 봅니다. 100 keV 안팎의 전자는 약 80 km까지 내려갑니다. 전시는 이런 값을 지나는 매끈한 곡선을 씁니다. 0.1 keV는 약 235 km, 1 keV는 약 145 km, 3 keV는 약 125 km, 10 keV는 약 110 km, 30 keV는 약 96 km, 100 keV는 약 80 km에서 멈춥니다.

전자 에너지 슬라이더는 그 결과를 보여 줍니다. 약 1 keV보다 약한 전자는 높은 곳에서 빛을 내고, 그 높이에서는 빨간빛이 살아남아 오로라가 빨개집니다. 20 keV가 넘는 센 전자는 커튼을 100 km 아래까지 끌어내리고, 아래 가장자리에 질소의 분홍빛을 만듭니다. 밝은 커튼은 대부분 몇 keV의 전자가 만들고, 슬라이더도 그 값에서 시작합니다.

뚜껑이 아니라 고리

오로라를 북극점 위의 빛으로 떠올리는 사람이 많습니다. 우주에서 보면 오로라는 고리입니다. NOAA는 각 자기극을 둘러싼 고리 두 개를 설명합니다. 조용할 때 고리의 폭은 수백 km이고 지리상 극에서 멀리 떨어져 있습니다. 북극점은 대개 고리 안쪽, 오로라가 적은 극관 아래에 있습니다. 그래서 오로라를 보기 가장 좋은 곳은 북극점이 아니라 트롬쇠, 키루나, 페어뱅크스, 옐로나이프 같은 도시입니다.

고리의 중심은 지리상 극이 아니라 지자기극입니다. 지구 자기장 표준 모형 IGRF는 2025년 지자기 북극을 캐나다 북극권에서 그린란드 쪽인 북위 약 80.8°, 서경 72.6°에 둡니다. 북극점에서 약 1,000 km 떨어진 곳입니다. 고리는 한쪽으로 치우쳐 있기도 합니다. 밤쪽에서는 낮쪽보다 적도 쪽으로 더 내려옵니다. 초기 위성은 고리를 극에서 비켜난 원에 가깝게 찍었고, 홀즈워스와 멍은 1975년에 비켜난 원에 작은 보정을 더하면 고리를 잘 나타낼 수 있다는 것을 보였습니다.

무대 위의 작은 지도는 전시가 지금 쓰는 고리를 극 위에서 내려다보고 그립니다. 아래쪽이 자기 자정입니다. 시각을 바꾸면 태양에 대해 제자리에 있는 고리 아래에서 지구가 돕니다. Kp를 바꾸면 고리가 커집니다.

폭풍이 고리를 적도 쪽으로 미는 까닭

고리는 밤쪽 꼬리에서 온 자기력선이 땅에 닿는 곳입니다. 태양풍이 더 세게 누르면, 특히 태양풍에 실린 자기장이 남쪽을 향하면, 지구 자기장이 더 많이 열려 꼬리로 끌려갑니다. 각 극 위의 열린 자기력선 영역인 극관이 커지고, 그 둘레의 고리도 함께 커집니다. 홀즈워스와 멍은 위성 사진에서 고리의 크기가 태양풍 자기장의 남쪽 성분을 따라간다는 것을 찾았습니다. 카버리는 NASA 폴라 위성의 자외선 영상으로, 고리에서 가장 밝은 부분이 Kp가 한 단계 오를 때마다 자기위도 약 1°씩 적도 쪽으로 내려온다는 어림 규칙을 얻었습니다.

그래서 강한 폭풍이 북극권 마을에 늘 반가운 소식은 아닙니다. Kp 7에서는 이 모형의 자정 쪽 고리 가장자리가 약 53°까지 내려옵니다. 자기위도 67.5°인 트롬쇠는 가장 밝은 오로라보다 극 쪽에 놓이고, 커튼은 남쪽 하늘에 뜹니다. 투어에서 이 모습을 볼 수 있습니다. 마을 너머 남쪽을 보세요.

폭풍의 숫자 Kp

Kp 지수는 지구 자기장이 얼마나 흔들리는지를 잽니다. 오로라대보다 조금 낮은 위도에 있는 관측소 13곳의 자력계 기록으로 3시간마다 정하고, 0부터 9까지 3분의 1 단위로 매깁니다. 0, 0+, 1-, 1, 1+처럼 9까지 모두 28단계입니다. NOAA는 이 값으로 지자기 폭풍 등급을 정합니다. Kp 5는 약한 폭풍(G1), Kp 6은 보통(G2), Kp 7은 강함(G3), Kp 8은 심함(G4), Kp 9는 극심함(G5)입니다. NOAA는 G5 폭풍이 11년 주기마다 약 네 번 온다고 봅니다.

같은 표에는 오로라가 어디까지 보이는지도 대략 나와 있습니다. Kp 5에서는 미국 미시간 북부와 메인 같은 고위도에서 흔히 보입니다. Kp 6에서는 뉴욕과 아이다호까지, 보통 자기위도 55°까지 보인 적이 있습니다. Kp 7에서는 일리노이와 오리건까지, 보통 50°입니다. Kp 8에서는 앨라배마와 캘리포니아 북부까지, 보통 45°입니다. Kp 9에서는 플로리다와 텍사스 남부까지, 보통 40°입니다.

전시의 Kp 슬라이더도 같은 3분의 1 단위로 움직입니다. 표시도 발표 형식을 따라서, 3+는 3과 3분의 1이라는 뜻입니다.

모형이 고리를 놓는 방법

이 전시의 고리 가장자리는 한 연구에서 왔습니다. 거센호븐, 하디, 하이네만은 하루에도 여러 번 오로라대를 가로지르는 기상위성 DMSP F2와 F4의 전자 검출기로, 흩어진 오로라가 적도 쪽에서 끝나는 곳을 찾았습니다. 그리고 자기 지방시 한 시간마다 직선 Λ = Λ0 + α·Kp를 맞췄습니다. 여기서 Λ는 가장자리의 보정 지자기위도입니다. 자기 자정 무렵(0001 MLT)의 직선은 66.1° − 1.99° × Kp이고, 정오 가까운 1112 MLT에서는 70.1° − 1.25° × Kp입니다. 밤에는 Kp가 한 단계 오를 때마다 가장자리가 적도 쪽으로 약 2°씩 내려오고, 낮쪽에서는 덜 움직입니다.

전시는 시간별 직선을 매끄럽게 이어 쓰고, 표의 빈칸 두 곳(0204 MLT, 1315 MLT)은 이웃한 시간 사이를 직선으로 채웁니다. 연구에 쓰인 자료는 약 Kp 6까지라서, Kp 7, 8, 9의 직선은 연장한 값입니다. 위의 표는 모형을 NOAA의 설명과 나란히 놓았습니다. NOAA가 말하는 보통 보이는 가장 낮은 위도는 가장자리가 머리 위에 오는 위도와, 빨간 윗부분이 지평선 위로 겨우 보일 수 있는 가장 먼 위도 사이에 있습니다.

밝은 띠의 폭은 맞춘 값이 아니라 우리가 정한 어림 규칙입니다. 조용할 때 자정 쪽에서 약 8°이고 Kp가 한 단계 오를 때마다 0.4°씩 넓어지며, 정오 무렵에는 약 7°입니다. 띠는 자정 전에 가장 밝고 정오 무렵에 가장 어둡습니다. NOAA의 30분 오로라 예보는 이와 다른 OVATION Prime 모형을 쓰는데, Kp 대신 태양풍 측정값으로 움직입니다.

내 자기위도

고리의 중심이 지자기극이라서 지리 위도만으로는 짐작이 잘 맞지 않습니다. 북위 69.7°인 트롬쇠는 자기위도 약 67.5°입니다. 북위 64.8°인 페어뱅크스는 약 65.6°입니다. 알래스카가 지자기극이 기울어진 쪽에 있기 때문입니다. 북위 37.6°인 서울은 약 28.9°에 그칩니다. 동아시아가 그 반대쪽에 있기 때문입니다. 서울과 같은 위도의 유럽이나 북아메리카 도시라면 기회가 더 많습니다.

나 버튼을 눌러 도시를 고르거나, 내 위치를 쓰거나, 위도와 경도를 적어 보세요. 전시는 IGRF 쌍극자로 자기위도를 계산하고 Kp 두 가지를 알려 줍니다. 자기 자정에 고리 가장자리가 머리 위로 오는 Kp, 그리고 오로라 꼭대기의 빨간빛이 지평선 위로 보일 수 있는 Kp입니다. 오로라 도감의 도시 목록은 트롬쇠와 롱위에아르뷔엔부터 싱가포르까지 40곳에 대해 같은 계산을 보여 줍니다. 입력한 내용은 이 기기 밖으로 나가지 않습니다.

멀리서 오로라 보기

고리 바로 아래에 있지 않아도 오로라를 볼 수 있습니다. 100 km 위의 커튼은 먼 산맥이 보이듯 멀리서도 지평선 가까이에 보입니다. 다만 지구가 둥글어서 한계가 있습니다. 높이 h의 빛이 지평선에 겨우 닿아 보이는 가장 먼 지점은 지표를 따라 각도 θ만큼 떨어진 곳이고, cos θ = R / (R + h)입니다. R은 지구 반지름 6,371 km입니다. 110 km라면 위도로 약 10.6°, 약 1,200 km입니다. 400 km라면 약 19.8°입니다.

그래서 고리에서 먼 곳의 사람들에게는 빨간 윗부분이 중요합니다. 큰 폭풍에는 고리가 적도 쪽으로 내려오고 빨간 층은 더 높이 올라가서, 이 모형에서는 Kp 9에 475 km까지 닿습니다. 20° 떨어진 도시에서는 초록 커튼이 지평선 아래에 있어도 빨간 윗부분은 지평선 바로 위에 있습니다.

실제로는 기하만으로 충분하지 않습니다. 언덕, 연무, 도시 불빛, 그리고 지평선 근처 빛의 희미함이 모두 가로막습니다. 그래서 위의 표에서 NOAA의 보통 위도는 기하 한계보다 한참 극 쪽에 있습니다.

2024년 5월의 폭풍과 한국

2024년 5월 10일, 연이은 코로나 질량 방출이 지구에 닿아 G5 폭풍이 일어났습니다. 2003년 이후 처음이었습니다. NASA는 이 폭풍을 20년 만에 지구에 닿은 가장 강한 태양 폭풍이라고 불렀고, 자기위도 26°까지 오로라를 보았다는 보고를 소개했습니다. 이 모형에서 Kp 9의 빨간 윗부분이 지평선 위로 겨우 보이는 한계는 27.2°로, 그 보고와 가깝습니다.

한국천문연구원은 한국에서 본 모습을 알렸습니다. 보현산천문대의 전리권·고층대기 관측 시스템(TIMOS)은 630.0 nm 빨간 필터를 단 전천 카메라로 하늘을 보는데, 폭풍 동안 북쪽에서 빨간빛을 기록했습니다. 몽골과 미국에 있는 천문연의 광시야 망원경도 빨간 오로라를 찍었습니다. 5월 12일 새벽에는 용인어린이천문대의 아마추어 천문가들이 강원 화천에서 빨간 오로라를 찍었습니다. 천문연은 핼러윈 폭풍이 온 2003년 10월 30일에도 보현산천문대 전천 카메라가 빨간 오로라를 찍었다고 밝혔습니다. 천문연 연구진은 같은 폭풍 동안 한반도 상공 전리권이 크게 바뀐 모습도 보고했습니다. 밤에는 총전자수가 늘고 강한 신틸레이션이 일어났으며, 다음 날 낮에는 평소보다 70% 넘게 줄었습니다.

전시의 투어는 Kp 9, 자기 자정 무렵의 서울로 데려갑니다. 북쪽 산등성이 위로 가는 빨간빛만 보이고, 호수가 그 빛을 비춥니다. 한국에서 기대할 수 있는 모습은 대략 이 정도이고, 그것도 태양 주기에서 손꼽히는 큰 폭풍이 있어야 합니다.

하룻밤: 띠, 폭발, 조각

NOAA는 흔한 하룻밤을 이렇게 설명합니다. 저녁에는 지평선에서 지평선까지 뻗은 띠가 생깁니다. 밤이 깊어 자정 가까이 되면 띠가 바람에 날리는 커튼처럼 꼬이고 흔들리기 시작합니다. 어느 순간 띠가 하늘 전체로 퍼지며 빠르게 움직이고 아주 밝아지는데, 이것이 오로라 서브스톰의 절정입니다. 새벽에는 구름 같은 모양으로 바뀌고, 이런 흩어진 조각은 몇 시간 동안 켜졌다 꺼지기를 되풀이합니다.

아카소후 슌이치는 1964년 전천 카메라 필름으로 이 순서를 정리하고 오로라 서브스톰이라고 불렀습니다. 자기 꼬리에 쌓인 에너지가 풀려나고, 폭발은 대개 자기 자정 무렵에 시작합니다. 새벽 쪽의 깜빡이는 조각은 코러스라는 파동이 자기권에서 흩뜨린 전자가 만듭니다. 니시무라와 동료들은 2010년에 그 조각과 파동이 함께 켜지고 꺼진다는 것을 보였습니다.

전시는 Kp 3 이상의 밤쪽에 있을 때 이런 주기를 돌립니다. 약 40초 동안 천천히 밝아지고, 약 20초 동안 폭발하면서 빛줄기가 빨라지고 띠가 극 쪽으로 퍼진 뒤, 다시 가라앉습니다. 자기 지방시 03시부터 09시 사이에는 커튼이 깜빡이는 조각으로 바뀝니다.

자력계와 전천 카메라

오로라가 터질 때 약 100 km 위에서 오로라를 따라 서쪽으로 센 전류가 흐릅니다. 서향 전기 제트라고 부릅니다. 땅 위의 자력계는 이 전류를 자기장 북쪽 성분이 떨어지는 것으로 느낍니다. 관측소 게시판은 최근 60초의 기록을 그립니다. Kp 4나 5의 폭발에서는 수백 나노테슬라가 떨어집니다. 지구 자기장 전체의 세기가 약 5만 nT이니 꽤 큰 변화입니다. Kp 지수도 극에서 더 먼 관측소들의 이런 기록으로 만듭니다.

그 옆에는 전천 카메라가 있습니다. 유리 돔 아래의 어안 렌즈가 지평선부터 지평선까지 하늘 전체를 한 장에 찍습니다. 올려다보며 찍으니 북쪽이 위, 동쪽이 왼쪽입니다. 화면에는 주변에 보이는 것과 같은 하늘 셰이더를 어안 영상으로 그립니다.

극야와 백야

북극권 북쪽에서는 겨울 한동안 해가 하루 종일 지평선 아래에 있습니다. 전시는 NOAA의 태양 위치 식으로 해의 위치를 계산하고, 정오에도 해의 중심이 지평선 아래 0.833°보다 낮게 있으면 그날을 극야로 셉니다. 이 각도에는 공기가 빛을 굽히는 효과와 해의 반지름이 들어 있습니다. 트롬쇠에서는 11월 29일부터 1월 15일까지 48일이 나옵니다. 스발바르의 롱위에아르뷔엔에서는 111일입니다.

북극권 경계선 바로 위에는 극야가 없습니다. 경계선 옆 로바니에미에서는 가장 짧은 날에도 해의 윗부분이 보입니다. 공기가 해의 모습을 약 0.5°만큼 들어 올리기 때문입니다. 극야가 생기려면 조금 더 북쪽이어야 합니다.

오로라를 보이게 하는 것은 어둠입니다. 여름의 오로라대에서는 백야 때문에 오로라를 볼 수 없습니다. 전시는 해가 지평선 쪽으로 올라올수록 오로라를 옅게 하고, 어스름에는 높은 빛줄기 꼭대기에 햇빛을 비춥니다. 햇빛을 받은 질소 이온은 보랏빛을 내고, 그래서 초록 커튼 위가 보라색으로 찍힌 사진이 있습니다.

눈과 카메라

오로라 사진은 실제 하늘보다 밝고 색이 진해 보일 때가 많습니다. NASA의 오로라 인포그래픽은 이렇게 적습니다. 오로라는 맨눈으로는 이렇게 밝게 보이지 않는 경우가 많지만, 카메라는 희미한 오로라도 자세히 담습니다. 카메라는 셔터가 열려 있는 2초, 10초, 30초 내내 빛을 모읍니다. 눈은 그러지 못합니다. 아주 어두우면 눈은 색을 구별하지 못하는 막대세포에 기대기 때문에, 희미한 오로라는 밝아지기 전까지 회색 구름처럼 보일 수 있습니다.

셔터 조작은 두 가지로 쓰입니다. 평소에는 카메라 화면처럼 장면이 얼마나 밝게 보일지를 정합니다. 사진 모드에서 찍기를 누르면, 전시는 노출 시간 안에 들어갈 장면들을 오로라가 움직이는 대로 그린 뒤 모두 더합니다. 1/30초 사진은 어둡습니다. 10초에서는 커튼이 밝고 매끈합니다. 30초에서는 빠른 부분이 번져 부드러운 빛이 되고 눈밭은 하얗게 날아갑니다. 셔터를 눈에 맞추면 눈에 보이는 모습에 가까워집니다. 희미한 부분이 색을 잃습니다.

남극광

남쪽 고리는 남쪽 지자기극을 둘러싸고 남극해와 남극 대륙 위에 놓입니다. 북쪽 고리에서 끝나는 자기력선 대부분은 남쪽 고리에서도 끝나기 때문에 폭풍 하나가 두 고리를 함께 밝힙니다. 그래도 똑같은 거울상은 아닙니다. 라운달과 외스트고르는 위성 두 대로 두 고리를 동시에 찍어, 계절과 태양풍 자기장의 방향에 따라 한쪽이 더 밝을 수 있다는 것을 찾았습니다.

우리나라는 남극에 연구 기지 두 곳을 운영합니다. 킹조지섬의 남위 62.2° 세종과학기지는 자기위도 약 53°에 있고 폭풍 때 남쪽 하늘에서 오로라를 봅니다. 로스해 쪽 남위 74.6°의 장보고과학기지는 자기위도 약 77°로, 고리의 극 쪽 가장자리에 가깝습니다. 전시의 장소에서 두 기지를 골라 남쪽을 보세요.

스티브, 모래 언덕, 새로 찾은 모양들

2016년 캐나다의 오로라 관찰자들은 보통 오로라보다 남쪽에 동서로 뻗은 좁은 연보라 띠를 찍고 스티브라고 불렀습니다. 그 위를 지난 위성은 아래에서 아주 빠르고 뜨거운 플라스마 흐름을 찾았고, 보통 오로라를 만드는 전자는 쏟아지지 않았습니다. 과학자들은 강한 열 방출 속도 증가(Strong Thermal Emission Velocity Enhancement)라는 말을 붙여 이름을 맞췄습니다. 갈라르도라쿠르와 동료들은 그 빛이 오로라가 아니라 가열된 고층 대기가 내는 빛이라고 보았습니다. NASA가 알려 주는 찾는 법은 이렇습니다. 스티브는 보통 오로라보다 적도 쪽으로 약 5~10도 떨어져 나타나고, 동서로 뻗은 아주 좁은 띠이며, 20분에서 1시간 동안 이어지고, 말뚝 울타리라고 부르는 짧은 초록 줄무늬를 함께 거느리기도 합니다.

2020년에는 핀란드의 시민 과학자와 연구자들이 또 하나의 새 모양을 보고했습니다. 모래 언덕입니다. 약 100 km 위에 모래의 물결무늬처럼 나란한 초록 줄무늬로, 그 높이 대기 속 파동이 만든 모양입니다.

전시는 Kp 5 이상인 밤쪽에서 서브스톰이 지나간 뒤 고리 가장자리보다 약 2.3° 적도 쪽에 스티브를 띄우고, 가장 큰 폭풍에서는 그 아래에 말뚝 울타리를 만듭니다.

오로라 소리가 들릴까

북쪽 사람들은 오래전부터 센 오로라 때 탁탁 튀는 소리, 쉬익 하는 소리, 손뼉 소리를 들었다고 말해 왔습니다. 실버먼과 투안은 1973년에 그런 보고를 모아 정리했습니다. 이 문제는 아직 학설이 갈립니다. 100 km 위에서 난 소리라면 너무 약하고 몇 분 늦게 도착하므로, 실제로 소리가 난다면 땅 가까이에서 만들어져야 합니다. 지자기 교란 때 낮은 대기의 전기 현상과 잇는 연구자도 있습니다. 숲속 숨은 볼거리는 보고된 소리와 비슷한 소리를 들려줍니다. 녹음이 아니라 흉내 낸 소리입니다.

11년 주기

태양 활동은 약 11년마다 오르내리고, 흑점 수로 그 흐름을 셉니다. 2024년 10월 15일 NASA와 NOAA, 국제 태양 주기 예측 패널은 태양이 25번째 태양 주기의 극대기에 들어섰고 이 시기가 약 1년 더 이어질 수 있다고 발표했습니다. 그때까지 이 주기에서 가장 큰 플레어는 2024년 10월 3일에 터진 X9.0이었습니다. 극대기 앞뒤 몇 년 동안 큰 폭풍이 올 가능성이 높지만, 다른 해에도 올 수 있습니다.

극한 사건을 잴 때 기준은 여전히 1859년 9월의 폭풍입니다. 플레어를 본 천문학자의 이름을 따 캐링턴 사건이라고 부릅니다. 세계 곳곳의 낮은 위도에서 오로라가 보고되었고, 클리버와 디트리히는 이 사건을 바탕으로 극한 우주 날씨의 한계를 논했습니다.

다른 행성의 오로라

대기와 자기장이 있는 행성이라면 오로라가 생길 수 있습니다. 허블은 목성의 오로라를 자외선으로 찍습니다. 유럽우주국(ESA)은 목성 오로라가 지구 전체보다 넓은 곳을 덮고, 지구 오로라보다 수백 배 많은 에너지를 내며, 꺼지지 않는다고 설명합니다. 목성에는 지구에 없는 원천이 있습니다. 화산 위성 이오가 하전 입자를 우주로 내뿜고, 이오에서 온 자기력선이 목성에 닿는 곳에는 큰 고리 가까이에 밝은 발자국이 남습니다. 탐사선 주노가 이 발자국을 가까이에서 찍었습니다.

토성의 오로라도 대부분 자외선입니다. 거대 행성의 대기가 대부분 수소이기 때문입니다. 허블은 2017년 일곱 달 동안 토성 북쪽 오로라를 지켜보며 밝기가 새벽과 자정 직전에 두 번 높아지는 것을 보았습니다. 화성에는 행성 전체를 감싸는 자기장이 없어서 고리가 없습니다. NASA의 메이븐 탐사선은 태양 폭풍 뒤 화성 넓은 곳에서 흩어진 오로라를 찾았습니다.

전시에서 우주로 나가 행성 슬라이더를 움직이면 목성과 토성, 화성의 오로라를 가짜 색으로 보여 주고, 옆에 같은 축척의 지구를 둡니다.

하늘을 그리는 방법

하늘은 셰이더 하나입니다. 화면 해상도의 절반으로 픽셀마다 계산한 뒤 화면 전체에 펼치고, 별과 달은 원래 해상도로 그 위에 더합니다. 셰이더는 픽셀마다 시선을 둥근 지구 위 대기 속으로 따라 올라갑니다. 82 km부터 빨간 층 꼭대기까지 높이를 최대 64개 고르는데, 커튼이 가장 또렷한 아래쪽일수록 촘촘하게 고릅니다. 높이마다 시선이 어디에 있는지를 띠를 따라 잰 거리와 자기극 쪽으로 잰 거리로 구하고, 그 자리의 커튼 무늬를 찾습니다.

커튼은 자기장을 따르고, 자기장은 수직이 아닙니다. 쌍극자에서 자기위도 λ의 복각 I는 tan I = 2 tan λ를 만족합니다. 트롬쇠의 67.5°에서는 복각이 약 78°이고, 100 km에서 300 km로 올라가는 자기력선은 적도 쪽으로 약 40 km 옮겨 갑니다. 셰이더는 높이마다 무늬를 그만큼 밀고, 그래서 빛줄기들이 서로 기울어 모입니다. 바로 아래에서 보면 나란한 빛줄기가 한 점, 자기 천정에서 만나는 것처럼 보입니다. 트롬쇠에서는 진짜 천정에서 적도 쪽으로 약 12° 떨어진 곳이고, 이것이 코로나입니다.

옆에서 본 얇은 커튼은 두 높이 사이의 간격보다 얇습니다. 그래서 커튼마다 간격만큼 넓히고 같은 비율로 어둡게 해서, 빛의 총량은 그대로 두고 반짝이는 잡음은 없앱니다. 호수 얼음은 반사할 방향이 화면 안에 있으면 같은 그림을 다시 읽어 쓰고, 화면 밖이면 더 적은 단계로 직접 계산합니다.

구름, 달, 마을 불빛

구름은 약 2.5 km 높이에 떠 있어 오로라보다 훨씬 낮습니다. 그래서 두꺼운 곳에서는 오로라를 완전히 가립니다. 아래에서 보면 위의 오로라에 비쳐 옅은 초록으로 물들 때가 많습니다. 구름 조작은 흘러가는 구름층을 더하고, 구름이 하늘의 절반 넘게 덮으면 가벼운 눈이 내립니다.

달의 위상은 조작으로 고르고, 달의 위치는 그 위상에 맞춰 해의 위치에서 정해집니다. 그래서 보름달은 겨울밤 하늘 높이 뜨고 초승달은 해 가까이에 머뭅니다. 밝은 달은 눈밭과 하늘을 밝히고 가장 희미한 오로라를 가립니다. 마을은 지평선 가까이에 따뜻한 불빛을 조금 더합니다.

모형과 실제의 차이

• 고리 가장자리는 DMSP 위성으로 맞춘 흩어진 오로라 가장자리를 따릅니다. 밝은 띠는 고리 안 어디에나 생길 수 있고, 전시는 고리 아래에 있을 때 하나를 바로 극 쪽에, 아닐 때는 보는 사람 쪽 가장자리 가까이에 둡니다.
• 띠의 폭은 어림 규칙이고, 약 Kp 6을 넘는 직선은 연장한 값입니다. 실제의 아주 큰 폭풍에서는 고리가 직선이 말하는 것보다 더 적도 쪽으로 내려올 수 있습니다.
• 여기서는 Kp가 모든 것을 정합니다. 실제 오로라는 태양풍의 속도와 밀도, 자기장에 분 단위로 직접 반응하고, Kp가 같은 두 폭풍도 모습이 다를 수 있습니다.
• 자기위도는 기울어진 쌍극자로 계산합니다. 실제 지자기 좌표(보정 지자기위도)는 곳에 따라 1° 넘게 다르고, 남대서양에서 가장 크게 다릅니다.
• 빛의 층은 발표된 높이에 맞춘 매끈한 곡선이고, 에너지가 쌓이는 과정과 화학을 끝까지 계산하지는 않습니다. 밝기도 상대값이어서 킬로레일리 단위를 맞추려 하지 않았습니다.
• 커튼은 접힌 판과 흘러가는 빛줄기의 무늬입니다. 모양은 사진처럼 보이도록 만든 것이고, 높이와 색, 자기력선을 따른 기울기와 위치는 모형을 따릅니다.
• 어느 장소로 가도 풍경은 그대로입니다. 장소에 따라 하늘과 해, 달, 별만 바뀝니다.
• 달은 고른 위상에 맞춰 황도를 따라 해를 쫓아갈 뿐, 정밀한 달 위치 계산이 아닙니다.

골짜기를 돌아다니는 법

WASD나 방향키로 걷거나 땅을 누르세요. 휴대폰에서는 왼쪽 아래 원을 쓰거나 땅을 누릅니다. 끌어서 둘러보고, 똑바로 위를 올려다볼 수도 있습니다. 오른쪽 아래 버튼으로 걷기, 뛰기, 썰매, 45 m 높이의 드론, 우주 시점을 바꿉니다. 숫자키 1부터 5도 같습니다. M은 골짜기 지도, T는 과제, B는 오로라 도감, F는 숨은 볼거리, P는 사진 모드를 엽니다.

언덕의 탑은 남쪽 계단으로 오릅니다. 썰매는 호수를 도는 점선 길에서 가장 빠릅니다. 우주에서는 끌어서 행성을 돌리고 휠로 확대합니다.

따라가는 투어

투어는 14단계입니다. 호수 위의 오로라 폭발로 시작해, 높이별 색을 보고, 빨간 오로라를 만들고, 고리를 트롬쇠 남쪽으로 밀어내고, 코로나 아래에 서고, 얼음에 비친 하늘을 보고, 관측소에 들르고, 눈과 카메라를 견주고, 극야를 찾고, Kp 9의 서울에서 하늘을 보고, 세종과학기지와 정오의 스발바르에 갔다가, 우주에서 지구와 목성을 보며 끝납니다.

과제와 숨은 볼거리

과제는 11개입니다. 서울에 필요한 Kp처럼 모형에서 답이 나오는 질문도 있고, 직접 일으켜야 풀리는 것도 있습니다. 빨간 오로라, 극야, 10초 사진, 코로나 아래에 서기, 자력계의 서브스톰, 한낮의 오로라입니다. 준비 버튼은 아무것도 대신 풀지 않고 시작하기 좋은 곳으로 데려갑니다.

오로라 도감에는 44가지가 있습니다. 색, 모양과 현상, 하늘과 카메라, 우주에서 본 모습, 오로라를 본 장소입니다. 골짜기 곳곳에 숨은 볼거리 18개가 있고, 그중 일곱 개는 「사실은」으로 시작하는 반전 카드입니다. 진행 상황은 이 기기에 남습니다.