오로라

네온사인에 전기가 흐르면 관 속의 기체가 전기를 받아 순식간에 환한 빛을 뿜어내요. 오로라 역시 밤하늘 전체가 하나의 거대한 자연 네온사인처럼 빛을 내는 현상이에요.

태양은 단순히 빛과 열만 내뿜는 것이 아니라, 전기를 띤 수많은 미세 입자들을 사방으로 뿜어내고 있어요. 강풍처럼 쏟아지는 이 입자의 흐름을 과학에서는 태양풍이라고 불러요. 만약 이 거센 입자들이 지구 표면으로 그대로 쏟아진다면 지구의 생명체들은 안전하기 어려웠을 거예요.

하지만 지구에는 보이지 않는 거대한 보호막이 있어요. 지구가 하나의 커다란 자석이기 때문에 지구 주위에는 자기장이 둥글게 펼쳐져 있죠. 이 자기장 방패가 우주에서 날아온 위험한 입자들을 대부분 튕겨내요. 그래도 태양풍의 에너지 일부는 자기장 안으로 스며들어 그 안의 전기 입자들을 가속하고, 이 입자들이 자기력선을 따라 자기극을 둥글게 둘러싼 고위도 상공으로 내려와요.

지구 자기장을 타고 극지방 높은 하늘로 쏟아진 전기 입자들은 엄청난 속도로 대기권에 진입해요. 그리고 그곳에 머물던 산소와 질소 같은 공기 알갱이들과 거세게 부딪히게 돼요.

충돌하는 순간, 공기 알갱이들은 날아든 입자로부터 강력한 에너지를 전달받아 순간적으로 들뜬 상태가 돼요. 에너지가 넘쳐서 잔뜩 흥분한 상태가 되는 것이죠. 하지만 입자들은 곧 안정을 찾기 위해 원래 상태로 돌아가려 하고, 이때 머금고 있던 여분의 에너지를 영롱한 빛의 형태로 허공에 뿜어내요.

이때 어떤 기체와 부딪히느냐, 그리고 어느 높이에서 충돌하느냐에 따라 색이 달라져요. 같은 산소라도 100~200킬로미터 상공에서 만나면 가장 흔히 볼 수 있는 은은한 연두색 빛이 나고, 그보다 높은 200킬로미터 이상에서 만나면 선명한 붉은색 빛이 나요. 질소는 주로 푸른빛과 보랏빛을 맡아, 커튼 아래 가장자리를 분홍빛으로 물들이며 신비로운 장막을 완성해요.

오로라는 북극의 전유물이 아니에요. 남극 하늘에서도 똑같이 아름다운 오로라가 발생하며 이를 남극광이라고 불러요. 지구 자기장의 양쪽 통로로 입자들이 함께 쏟아지기 때문이에요.

물리학에서는 이 빛의 과정을 원자의 에너지 준위 전이라는 현상으로 설명해요. 원자 속 전자가 충돌로 에너지를 얻어 더 높은 에너지 계단으로 올라갔다가, 더 낮은 계단으로 내려오며 그 차이만큼의 빛 알갱이(광자)를 방출하는 양자역학적 과정이에요.

또 한 가지 중요한 점은 오로라가 추운 겨울 날씨 때문에 생기는 게 아니라는 사실이에요. 기온이 영하로 떨어져서 생기는 얼음 결정의 반사가 아니라, 지상 100킬로미터 이상의 우주 경계선에서 일어나는 일이에요. 결국 오로라가 얼마나 크고 밝게 펼쳐지는지는 날씨가 아니라 태양풍의 세기와 속도, 그리고 코로나 질량 방출 같은 태양 활동에 달려 있어요.