태양의 코로나는 왜 표면보다 훨씬 뜨거울까?

태양의 코로나가 표면보다 뜨거운 까닭은 태양 내부의 열이 단순히 바깥으로 전도되기 때문이 아니라, 표면의 움직임이 자기장에 실어 보낸 에너지가 희박한 대기에서 다시 열로 바뀌기 때문이다. 유력한 경로는 자기장을 따라 올라가는 파동이 난류와 감쇠로 소산되는 과정, 그리고 뒤엉킨 자기장이 작은 재결합을 거듭하며 에너지를 푸는 과정이다. 두 과정이 함께 작동할 가능성이 크지만 어느 구조에서 어느 쪽이 얼마나 기여하는지는 아직 풀리지 않았다.

우리가 노란 원반으로 보는 광구의 유효온도는 약 5,800켈빈이다. 그 위의 채층을 지나 매우 얇은 전이영역에 이르면 온도는 오히려 급격히 올라가고, 바깥 대기인 코로나는 보통 100만 켈빈을 넘는다. 열원에서 멀어질수록 식는 일상적인 불꽃이나 난로와 반대처럼 보인다. 이 온도 역전 때문에 에너지가 어디서 와서 어떤 미시적 과정으로 입자의 무작위 운동이 되는지가 ‘코로나 가열 문제’가 됐다.

최종 에너지의 뿌리는 광구 아래의 대류다. 뜨거운 플라스마가 솟고 차가운 플라스마가 내려가며 표면의 작은 자기장 발점을 계속 밀고 비틀고 섞는다. 자기장은 코로나까지 뻗은 고리나 열린 다발을 이루므로, 이 느린 발점 운동은 위쪽에 에너지를 전달할 수 있다. 문제는 ‘자기장이 중요하다’에서 끝나지 않는다. 저장되거나 운반된 자기 에너지가 충돌이 드문 코로나 입자에 실제 열로 분배되는 마지막 경로를 찾아야 한다.

첫 번째 계열은 알벤파를 포함한 자기유체 파동이다. 대류가 자기력선을 흔들면 플라스마와 자기장의 교란이 줄을 타는 물결처럼 위로 진행하며 에너지를 운반한다. 코로나에 도달한 파동은 밀도와 자기장 변화 때문에 반사되고 서로 부딪혀 작은 규모의 난류로 쪼개질 수 있다. 충분히 짧은 공간과 시간 규모로 내려가면 위상 혼합, 공명, 입자와의 상호작용 같은 과정이 질서 있는 진동 에너지를 열과 비열적 입자 운동으로 바꾼다.

두 번째 계열은 자기 재결합과 나노플레어다. 광구 발점이 계속 움직이면 코로나 자기장 고리는 꼬이고 서로 마주 눌리며 전류가 집중된 얇은 층을 만든다. 자기력선의 연결 방식이 갑자기 바뀌는 재결합이 일어나면 저장된 에너지가 국소 가열, 빠른 입자, 흐름과 파동으로 풀린다. 개별 사건은 큰 태양 플레어보다 훨씬 작아도 매우 자주 일어난다면 평균적으로 뜨거운 코로나를 유지할 수 있다. ‘나노’라는 이름은 작다는 뜻이지 직접 보기 쉬운 단일 불꽃이라는 뜻은 아니다.

파동 가열과 재결합 가열을 완전히 경쟁하는 두 상자로 나누는 것도 지나치게 단순하다. 재결합은 파동을 만들 수 있고, 난류는 얇은 전류층을 만들어 재결합을 촉진할 수 있다. 닫힌 자기 고리, 열린 코로나 구멍, 활동영역의 조밀한 고리는 밀도와 자기장 모양이 달라 같은 비율로 가열될 이유가 없다. 관측된 파동 에너지와 미세한 밝아짐, 여러 온도의 플라스마, 원소별 속도는 단서를 주지만 에너지 전달의 전 단계를 한 번에 측정하기 어렵다.

‘100만 켈빈’은 코로나가 광구보다 더 많은 총열을 담고 있다는 뜻도 아니다. 온도는 입자 하나당 평균 운동에너지와 연결되지만, 전달되는 열의 양은 입자 수와 충돌 빈도에도 달려 있다. 코로나는 지구 해수면 공기보다 극단적으로 희박해, 매우 빠른 입자들이 있어도 단위 부피가 운반하는 에너지는 조밀한 광구와 비교해 작을 수 있다. 그래서 탐사선이 높은 온도 숫자만으로 즉시 녹는 것은 아니며, 실제 열유속과 복사, 차폐 설계를 함께 따져야 한다.

NASA의 파커 태양 탐사선은 이 문제를 멀리서만 보지 않고 코로나와 태양풍이 시작되는 영역을 통과하며 자기장, 전기장, 입자와 파동을 측정한다. 지구 궤도 부근에 도달한 태양풍은 이동 과정에서 이미 많은 정보가 섞이고 변한다. 태양 가까이에서 얻은 자료는 어떤 파동이 살아 남는지, 간헐적 자기 구조가 어떻게 입자를 데우고 가속하는지 비교하게 한다. 그러나 가까이 갔다는 사실만으로 닫힌 코로나 고리 전체의 가열 문제가 한 번에 해결되는 것은 아니다.

현재의 가장 정직한 답은 ‘자기 에너지가 가열한다’까지는 강하게 지지되지만 그 배분표는 아직 작성 중이라는 것이다. 광구 대류가 자기장 발점을 움직이고, 그 에너지는 파동으로 운반되거나 꼬인 장에 저장되며, 난류·감쇠·재결합을 거쳐 입자의 운동으로 바뀐다. 코로나는 이 입력과 전도·복사·태양풍으로 나가는 손실이 균형을 이룰 때 뜨겁게 유지된다. 표면보다 높은 온도는 열이 거꾸로 흐른 기적이 아니라, 바깥 대기 자체에 에너지를 전달하고 소산하는 자기적 기계가 있다는 증거다.