일반지구과학 및 실습

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일반지구과학 및 실습 II

3 주 차 : 하 나 의 별 , 태 양 - 태 양 내 부 -

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1. 태양 내부

태양 내부의 정보는

어떻게 얻어지는가?

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1 . 1 태 양 의 기 본 정 보

• G2V형 주계열별

• 태양계 전체 질량의 99.86%를 차지

• 질량: 지구질량의 33만배

• 직경: 지구 직경의 109배

• 적도에서 매 25.4일만에 한번 자전, 자전주기는 극에서 36일까지 커진다

• 자전 측은 황도에 8˚ 기울어져 있음

July 24 - August 1, 201

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태 양 내 부 와 대 기

• 핵

• 복사 층

• 대류 층

• 광구 (맨눈으로 보이는 표면)

• 채층 (가장 낮은 대기 층)

• 코로나 (더 높은 대기 층)

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태 양 내 부

• 중심에서 표면까지 온도와 밀도가 변한다

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• 에너지가 생성되는 곳

• 태양중심에서의 온도는 1500만도정도

• 수소 핵융합이 일어나기에 충분한 온도

• 핵은 완전히 이온화

• 밀도는 160 g cm^-3

• 납의 밀도보다 14배크다

• 플라즈마 상태

• 핵과 전자가 가스안에서 자유운동을 하고 있다

• 매초 6000조 kg의 수소를 핵연수하고 있다

• 4조 kg의 질량손실을 경험하고 있다

핵

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• 태양중심에서 반경의 ¼정도 까지 펼쳐짐 (17500만 km)

• 태양체적의 1.6%정도

이지만 태양질량의 절반이 핵에 집중

핵

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• 수소가 헬륨으로 끊임없는 핵융합이 일어나고 있다

• 핵에서의 원소함량비가 서서히 변하고 있다

• 초기에는 71% 수소, 27%의 헬륨으로 균일한 함량비로 시작 함

핵 융 합

• 50억년 후에 핵에서는 수수의 상당량이 헬륨으로 융합되어 소비되었다

• 100억년 후에 핵에는 완전히 헬륨이 존재할 것

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• 태양 핵에서 생성된 에너지는 바깥쪽으로 전달 된다

• 바깥층으로 에너지 전달에는 2가지 메커니즘이 작용

• 태양의 내부구조의 서로 다른 층을 만들어준다

• 복사층

• 핵위의 2가지 층 중 가장 안쪽 층

• 물질의 운동이 아니라 복사에 의해 에너지 전달

• 핵 경계에서 태양 반경의 71%까지 이어짐

핵 에 서 에 너 지 전 달

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• 핵에서 생성된 에너지는 표면에 직접 전달 되지 않는다

• 광자는 복사층에서 물질에 의해 흡수되고 재복사를 거친다

• 광자가 다음 충돌까지 0.09c m 이동

• 표면에 도달할 때까지 17만년 걸림

• 평균속력: 0.01 cm s ^-1

• 태양내부 온도는 핵에서 표면으로 가면서 감소

• 광자가 입자들에 흡수와 재복사를 거치면서 에너지가 낮아짐

• 파장이 더 길어짐

태 양 내 부 의 특 징

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• 표면쪽으로 나가는 70%경로까지 온도는 200만K 까지 하강

• 더 무거운 핵들 몇몇이 전자와 재결합

• 불투명도가 갑자기 커진다

• 원자들은 복사를 더 효과적으로 차단

• 에너지는 다른 방법으로 전달되어야 한다

• 대류가 시작

• 에너지 전달은 가스의 덩어리 운동에 의해 이루어진다

태 양 내 부 의 특 징

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• 중성 가스는 흡수를 통해 열의

바깥쪽으로의 흐름을 막으면서 아주 뜨거워진다

• 가스는 팽창하면서 주변보다 밀도가 낮아진다

• 트꺼운 가스덩어리는 대류층의 표면에 떠오른다

• 초과에너지는 바깥쪽으로 복사

• 가스덩어리는 냉각되고 밀도가 커지면서 다시 아래로 하강

• 물질전달은 이루어지지 않았지만 에너지 전달이 이루어졌다

대 류 층

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• 대류층 흐름이 태양반경의 나머지 1/3에 에너지를

전달하는데 10일정도 소요

• 표면에 쌀알무늬로 관측됨

• 중심에서 뜨거운 가스가 상승

• 열을 복사하면서 어두운 가장자리를 따라 하강

• 쌀알무늬는 5-10분정도 지속

• 크기는 1300 km

쌀 알 무 늬

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• 이론 모델은 태양에서 일어나는 일을 잘 설명

• 태양의 내부를 실제 관측할 수 있을까?

• 태양지진학이 태양을 관측하는 실제적인 도구

• 지진학자들이 지구 내부를 연구하기 위해 지진파를

이용하듯이 천문학자들은 태양의 내부를 관측하기 위해 태양의

진동을 이용

1 . 2 태 양 내 부 연 구

태 양 지 진 학

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• 태양은 내부에서의 소리파가 광구를 위아래로 움직이게 하는 것처럼 진동한다

• 대류는 끓고 있는 주전자처럼 시끌벅적하다

• 대류층은 다양한 주파수를 지닌 스펙트럼을 만들어낸다

• 이런 진동들은 표면에서 반사되고 또 내부의 온도차이에의해 굴절되어진다

• 음파의 속력은 온도에 따라 증가

• 파동이 내부로 운동하면서 파동의 안쪽 가장자리는 앞으로 진행

• 파동은 표면쪽으로 다시 돌아온다

태 양 진 동

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파 동 의 운 동

• 각 파동은 활모양을 하며 태양주위를 움직인다

• 파동이 표면으로 되돌아오는 깊이와 표면사이의 구형껍질에 가두어진다

• 태양을 원운동하는데 약 5일 정도 걸린다

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파 동 의 운 동

• 주파수가 다른 파동이 침투하는 깊이는 주파수에 따라 다르다

• 어떤 파동은 대류층근처에 머문다

• 어떤 파동은 아주 깊은 중심까지 운동한다

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• 태양은 3차원에서 진동하고

있기때문에 진동패턴은 아주 다양

• 1차원 진동의 예: 바이올린 현

• 현에서 파장의 ½의 정수배 되는 진동은 안정

• 교점: 현이 움직이지 않는다

• 교점이 몇 개이냐에 따라 진동을 구분할 수 있다

• 왼쪽 그림에서 교점 n=0,2,4

태 양 진 동

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• 2차원 진동은 더 복잡해진다

• 예: 드럼표면의 진동

• 움직임이 없는 곳은 점이아니라 선이다

• 진동의 형태를 말하려면 2가지 조건이 필요

2 차 원 진 동

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• 3차원 진동은 더 복잡해진다

• 움직임이 없는 곳은 점, 선이 아니라 표면이다

• 진동의 형태를 말하려면 3가지 조건이 필요

• ㅣ: 수직 평면의 수

• m: 수평 평면의 수

3 차 원 진 동

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• 3번째 조건 n은

방사방향에서 몇 개의

교점이 있는지 말해준다

• 교점평면은 그물쳐진 구이다

• 옆 파동의 교점

• n =14

• ㅣ =20

• m= 16

3 차 원 진 동

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• 태양은 어떤 한가지 모드로 진동하지는 않는다

• 동시에 3가지 모드가 복합적으로 진동하고 있다

태 양 진 동

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23

• 교점들을 측정해서 태양에 대한 정보를 얻는데 활용한다

• 모드 수 (교점의 수)를 결정

• 밝기 또는 태양면에서 일어나는 속도 변화를 측정해야

• 진동의 주파수 결정

• 모드 수를 시간의 함수로 측정

태 양 진 동 의 측 정

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• 속도변화는 도플러 편이로 측정

• 태양 빛은 흡수선의 양쪽면을

관측하는 2개의 아주 좁은 협대역 필터로 교대로 관측한다

• 2개의 사진을 차감시켜주면 태양면을 지나가는 각 점들의 속도결과를

얻어낸다

진 동 속 도 변 화 측 정

• 흡수하는 물질이 안정상태라면 2개 필터에서 관측된 강도는 같다

• 흡수하는 물질이 멀어지고 있으면 (점선) 빨강색

필터의 흡수선이 파랑색필터의 흡수선보다 강하다

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25

• 이 사진은 태양자전효과가 우세함을 보여준다

• 왼쪽 가장자리는 우리쪽으로 2km/s 로 접근하고 있고 오른쪽 가장자리는 멀어지고 있다

• 자전효과를 차감하면 진동하는 모습이 보인다

태 양 표 면 의 속 도 장 을 보 여 주 는 도 플 러 사 진

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• 진동주기는 약 5분 정도

• 오래 관측할 수록 주파수는 더 정확해진다

• 10,000싸이클정도는 관측해야하는데 이렇게 하려면 수개월 소요

• 불행하게도 태양을 수개월동안 연속적으로 관측하기는 어렵다

• 3가지 대안

• 남극 또는 북극에서 관측한다

• 지구위 다양한 경도에서 천문대 네트워크를 구축한다

• 우주에서 관측한다

진 동 주 기

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• 3가지 대안이 모두 사용되고 있다

• GONG (Global Oscillation Network Group)

• 전세계에 퍼져있는 6개 천문대에서 태양을 끊임없이 관측하고 있다

진 동 주 기 측 정

https://gong.nso.edu/

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S O H O 위 성

• 지구-태양의 L1점근처의 궤도에서 태양을 방해받지 않고 관측하고 있다

1 . 3 위 성 관 측

https://sohowww.nascom.nasa.gov/

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• 2006년에 발사

• 지구 앞에서 가는 위성과 뒤에서 가는 위성 2개가 궤도에서 관측

• 달을 이용해 약간 다른 궤도로

흔들거리게해서 이 위성들 사이의 각이 매년 22˚증가한다

• 태양 뒤를 지난 후에 다시 지구로 접근하기 시작한다

S T E R E O 위 성

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• 2개의 위성이 서로 다른 각도에서 태양을 관측해서 3D 사진을 합성

• 우주기상을 아주 정확하게

모니터링하고 예보할 수 있다

태 양 의 3 차 원 사 진

https://www.nasa.gov/mission_pages/stereo/multimedi a/LeftRightImages.html

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• 코로나질량방출 (CME)로 야기

• 태양 표면에서 시속 수백만 킬로로 방출되고 있다

태 양 쓰 나 미

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2009년 9월 26일 -27일 STEREO위성이 지구 앞에 있을 때 (왼쪽)와 뒤에 있을 때 (오른쪽)의 태양모습

S T E R E O 관 측 결 과

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33

• 2010년 발사 후 태양사진을 보내주고 있다

S o l a r D y n a m i c s O b s e r v a t o r y

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• MDI/SOHO가 관측한

파워스펙트럼은 수백만개의 모드들 중 하나가 얼마나 큰 음향에너지를 지니고 있는지 보여주고 있다

• 대부분의 모드는 3mHz 의 주파수를 지닌 모드이다 (노랑색, 약 5분의

주기)

• 각 모드에서 진동세기를 알고, 서로 다른 모드의 진동은 태양에서

움직이는 깊이가 다르기 때문에

태양내부의 물리조건을 알아내기 위해 진동이 사용될 수 있다 !

S O H O 관 측 사 진

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• 태양은 차등자전을 한다: 적도가 극보다 더 빠르게 자전한다

• 새로운 발견

• 목성의 띠처럼 주변보다 훨씬 빠르게 자전하는 띠가 존재

• 표면아래 극쪽으로 제트 흐름(jet stream)이 존재 (적도에서 극쪽으로)

S O H O 관 측 결 과

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• 음속과 온도는 이론모델의 예측과 잘 일치하지만 약간의 차이도 존재

S O H O 관 측 결 과

• 붉은 색은 예측된 온도보다 더 높은 영역을 보여준다

• 대류층 바로 밑에서는 온도가 예측된 온도보다 더 높다

• 핵의 가장자리에서는 예측된 온도보다 낮다

• 태양의 평균 핵융합율이 예측한 값보다 더 낮다

• 평균 핵융합율은 긴 시간주기로 변화한다

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I n s i d e t h e S U N

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https://www.youtube.com/watch?v=TvYLBlt0i84