2024년 5월 12일 세계 곳곳에서는 놀라운 우주쇼가 펼쳐졌습니다. 근 21년간 관측된 오로라 중 가장 강력한 오로라가 발생한 것이죠. 평소에는 거의 극지방에서만 관측할 수 있던 오로라가 많은 나라에서 관측됐습니다. 많은 나라에서는 대규모 정전이 발생하거나 전력망 통신 등에 심각한 우려가 생길 수 있다고 경고하기도 했는데요. 도대체 오로라가 정전 또는 통신장애와 무슨 관련이 있길래 이런 경고를 한 것일까요? 태양의 표면에는 주변보다 온도가 낮으면서 강한 자기 활동을 보이는 영역이 있습니다. 이를 흑점이라고 합니다. 태양은 대략 11년을 주기로 활발하게 활동하는데 흑점 역시 이때 활발하게 활동하죠. 흑점의 활동이 많이 일어나는 영역에서는 플레어 현상이라는 격렬한 폭발 현상이 발생합니다. 이 현상으로 인해 흑점에서는 안개 형태의 가스가 만들어집니다. 이 가스는 전기를 띠고 있는 양성자와 같은 대전 입자들이죠. 이 입자들은 태양풍을 타고 지구로 날아갑니다. 날아간 대전 입자들은 지구를 둘러싸고 있는 거대한 자기장에 붙잡혀 지구 주변을 돌게 됩니다. 이들 중 일부는 지구를 돌다가 극지방에서 대기 중의 산소 또는 질소와 충돌하게 되죠. 이 충돌의 결과로 형형색색의 빛이 방출되는데 이것이 바로 오로라입니다. 오로라의 색은 대전 입자가 충돌한 원소의 종류와 충돌했을 때 원자의 에너지 준위에 따라 달라지죠. 그런데 자기장에 붙잡힌 대전 입자들은 왜 지구 주변을 맴돌게 되는 것일까요? 이는 자기장 속에서 대전 입자가 받는 힘 때문입니다. 이 힘의 크기는 전하량의 크기, 자기장의 크기, 입자의 속력에 비례하죠. 이 힘의 이름은 로런츠 힘입니다. 네덜란드의 물리학자인 헨드릭 로런츠(Hendrik Antoon Lorentz 1853~1928)에 의해 공식화된 이 힘은 독특한 특성을 갖고 있습니다. 바로 힘의 방향이 자기장의 방향과 전하의 속도에 모두 수직 방향이라는 것인데요. 이 때문에 일정한 자기장과 운동 방향이 수직인 전하가 받는 로런츠 힘은 구심력으로 작용합니다. 즉 전하가 원운동을 하게 된다는 말이죠. 지구 자기장 속에 들어온 대전 입자들은 어떻게 운동할까요? 지구 자기장과 운동 방향이 수직이라면 원운동을 하게 되죠. 그렇다면 지구 자기장과 운동 방향이 수직이지 않은 대전 입자들은 어떨까요? 이 입자들은 원운동이 아닌 나선 운동을 하게 됩니다. 나선 운동의 방향은 지구 자기장의 방향을 따라가죠. 자기장은 N극에서 나와 S극으로 향합니다. 지구 자기장 역시 N극에서 S극으로 향하죠. 지구 역시 하나의 커다란 자석이기 때문입니다. 지구를 자석이라고 생각할 때, N극은 어디일까요? 바로 남쪽입니다. 나침반의 S극이 남쪽으로 향한다는 것을 생각하면 쉽게 알 수 있죠. 즉 지구 자기장은 남극에서 나와 북극으로 향합니다. 로런츠 힘을 받아 극지방으로 향한 대전 입자들은 지구 자기장을 따라 계속 왕복 운동을 합니다. 지구 자기장의 극 쪽이 오므라들어 있는 모양이기 때문이죠. 이들은 지구 주위에 밴앨런대(Van Allen belt)라는 방사선대를 구성합니다. 이 중 일부가 앞에서 언급한 과정을 거쳐 오로라를 만드는 것이죠. 만약 지구 자기장이 없다면 대전 입자들은 지구의 대기와 직접적인 충돌을 하게 될 것입니다. 그렇게 되면 우리는 매일 밤하늘에서 오로라를 관측할 수 있겠죠. 물론 오로라를 볼 수 있다고 좋은 것만은 아닙니다. 플레어 현상에 의해 발생한 대전 입자가 태양풍을 타고 지구로 날아왔기 때문에 오로라가 발생한다고 했었죠? 플레어 현상은 대전 입자 외에도 강력한 전자기파를 발생시킵니다. 이 전자기파로 인해 위성통신이나 항공 통신 장애, GPS 신호 수신 장애 등이 일어날 수 있죠. 또한 태양풍이 강해지면 해저 케이블에 영향을 줘서 인터넷이 끊길 수도 있습니다. 대표적인 사례로는 1859년 캐링턴 사건, 1989년 퀘벡 정전, 2022년 스타링크 위성 추락 등이 있습니다. 오로라는 천상의 커튼이라 불리기도 합니다. 그 정도로 아름답다는 것이죠. 캐나다나 아이슬란드 같은 나라는 오로라를 이용한 관광 상품을 만들 정도입니다. 하지만 오로라는 단순히 아름답기만 한 것이 아닙니다. 위험한 태양풍으로부터 지구를 지켜주는 든든한 방호막의 증거죠. 자연의 여러 현상을 과학의 눈으로 보았을 때 우리는 새로운 시각을 얻을 수 있습니다.