태양 폭풍인데 입자 85%는 지구 대기에서…어쩌다 이런 일이

나고야대 연구진, 아라세 위성으로 2024년 5월 '개논 폭풍' 직접 측정…링 전류 입자 기원 첫 확인

기타무라 나리토시 조교수가 이끄는 나고야대 우주지구환경연구소 연구진은 2024년 5월 발생한 초강력 태양 폭풍 에너지의 85%가 지구 대기에서 비롯됐다는 연구 결과를 발표했다. (AI 생성 이미지)

2024년 5월 전 세계 하늘을 오로라로 물들인 초강력 태양 폭풍의 에너지원 가운데 85%가 태양이 아닌 지구 대기에서 비롯됐다는 연구 결과가 나왔다.

이 연구는 국제학술지 Science Advances에 실렸다. 나고야대 우주지구환경연구소(ISEE)의 기타무라 나리토시 조교수가 이끄는 연구진이 분석을 맡았다.

이 폭풍은 '개논 폭풍' 또는 '어머니의 날 폭풍'으로 불리며, 지자기 교란 지수인 SYM-H 지수가 최저 -518나노테슬라까지 떨어졌다. 이 수준의 폭풍은 2004년 11월 이후 약 20년 만에 처음이었다.

이 폭풍은 지구를 둘러싼 하전 입자 띠인 '링 전류' 영역에서 역대 가장 강한 자기 교란을 기록했다. 수십 년간 과학자들은 링 전류를 구성하는 입자가 어디서 오는지 논쟁을 벌여 왔다. 알려진 공급원은 태양풍과 지구 전리권(이온층) 두 가지다.

아라세 위성의 현장 측정 결과, 2024년 5월 초강력 지자기 폭풍 당시 링 전류 이온은 지구 기원의 무거운 이온이 전례 없이 압도적으로 지배하고 있었다. 폭풍 최고조 무렵, 링 전류 이온의 에너지 밀도 기준으로 85% 이상이 지구 기원의 무거운 이온(산소 이온 O⁺, O⁺⁺ 및 분자 이온)으로 채워져 있었다.

태양풍이 매우 밀도 높게 쏟아졌음에도 태양풍 이온이 링 전류에 기여한 몫은 미미했다. 기타무라 조교수는 "이 규모의 폭풍에서 링 전류 이온과 태양풍을 동시에 관측한 것은 처음"이라며 "데이터는 명확했다. 이온의 약 85%는 지구 전리권에서 온 산소였다"고 밝혔다.

지구에서 공급된 이온들은 태양풍 입자보다 훨씬 무겁기 때문에, 자기 교란을 강화하고 링 전류가 지구에 비정상적으로 가까운 위치에서 최대 강도에 도달하게 만들었을 가능성이 있다.

아라세 위성은 또 다른 이상 현상도 포착했다. 폭풍이 절정에 달했을 때 지구 상공 약 1만6000㎞ 고도에서 자기장 강도가 40%나 급감한 것이다. 이는 기존에 같은 수준의 감소가 기록됐던 지점보다 훨씬 지구에 가까운 위치였다. 연구진은 이 자기장 변형이 해당 영역을 순환하는 고에너지 전자의 궤도를 바꿔 전자가 유실됐을 가능성을 제시했지만, 직접적 인과관계는 아직 확인되지 않았다고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 초강력 지자기 폭풍의 강도를 정확히 예측하는 데 지구 전리권의 기여도를 파악하는 것이 필수적일 수 있음을 시사한다고 연구진은 밝혔다. 현재 우주 기상 예측 모델은 태양풍 상태에 크게 의존하고 있어, 지구 대기 내부 조건을 반영한 모델 보완이 필요하다는 것이다.

아라세 위성은 폭풍 발생 직후와 최고조 직후 두 차례 링 전류 영역을 통과하며 전자기장과 플라스마 데이터를 확보했다. 7년 이상 지속된 관측이 이 희귀한 초강력 폭풍과 맞닥뜨리는 결과로 이어졌다.

연구진은 이번 발견이 지구 대기 이온이 자기권으로 유입되는 과정을 규명하기 위해 JAXA가 제안 중인 2기 위성 임무 'FACTORS'를 뒷받침한다고 밝혔다. 기타무라 조교수는 "초강력·극단적 지자기 폭풍 가운데 일부는 단순한 화려한 빛의 쇼가 아니다"라며 "우주선에 방사선 위험을 주고, GPS 신호와 통신을 교란하며, 정전을 일으킨다"고 말했다.