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숫자로 하늘보기 Ch. 2 흑점을 이용한 태양의 자전주기 구하기|

  • 김영수
  • |조회수 : 3896
  • |추천수 : 0
  • |2016-05-09 오후 9:19:33

Ch. 2 흑점을 이용한 태양의 자전주기 구하기

 

2-1 흑점이란 무엇인가?

태양은 지구에서 에서 가장 가까운 항성이다. 이 태양은 내부에서 핵융합 반응을 통해 초당 약 W의 에너지를 매 초 우주공간으로 방출하고 있다.(이 에너지는 현재 고리원전의 1~4호기와 신 1,2호기의 설비용량의 1억 배 X 1억 배 한 수준의 막대한 에너지이다.)

태양에서 방출된 에너지는 우주공간을 지나며 점차 퍼져나가며 지구에 도달하면, 딱 생명체가 살고 날씨가 변화하기 적당한 정도로 줄어든다.

 

이러한 태양을 관측하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 우리가 필터를 대고 태양을 겨누었을 때 볼 수 있는 특이한 녀석이 하나 있다. 바로 흑점(Sunspots)”이다. 어떤 흑점은 맨눈으로 관측할 수 있을 정도로 큰 녀석도 있다.(물론 날씨가 흐리거나 안개가 낀 경우 한정이다.)

 

태양의 표면 온도는 약 6000K정도이다.(켈빈 온도는 우리가 자주 사용하는 섭씨 온도에서 약 273.15를 더한 값이다.) 헌데 이 흑점은 태양의 표면온도보다 약 1500K 정도 낮은 4500K 정도의 값을 갖는다.


그림 1 흑점의 모습이다. 왼쪽 끝의 작은 점이 하나 외롭게 떠있는 모습을 볼 수 있다.

2016-05-06, National Solar Observatory /AURA/NSF


아니 이렇게 온도가 높은데 왜 어둡게 보이지? 라고 물어본다면 좋은 지적이다. 사실 흑점은 밝게 빛나고 있다. (1000도가 넘는 쇳물은 붉게 빛나지 않는가?) 다만, 주변보다 온도가 낮아서 그 빛이 약하기 때문에 어두워 보일 뿐이다.


그림 2 NASA/Marshall Space Flight Center 흑점. 쌀알무니와 흑점을 한 번에 볼 수 있다. 흑점은 주변의 광구 영역보다 수천 배 더 강한 자기장을 가지고 있다. 주변의 작게 보이는 쌀알무늬 한 개가 무려 1000km에 달하니 흑점의 크기가 얼마나 큰지 짐작할 수 있다.


 

흑점은 태양의 활동과 매우 깊은 관련이 있다. 흑점의 양은 보통 11년 주기로 극대기 또는 극소기를 갖는다.(이러한 극대주기 측정에 관심이 있으신 분은 아래 Reference의 우주로의 여행 I을 참고하기 바란다.) 흑점이 많아지면 태양의 활동이 매우 활발해져서, 자기폭풍이나 플레어 등의 현상이 빈번해지게 되는데, 이것은 현대 지구인들에게는 매우 중요한 문제가 되었다. 태양의 자기폭풍으로 갑자기 통신이 두절되거나 하는 경우 요즘과 같은 정보사회에서는 막대한 양의 손실이 생기기 때문이다.(물론 드라마에서는 이런 자연현상을 소재로 시간여행을 하고, 막 과거 왕과 사랑에 빠지고.... 뭐 그런 일은 일어나지는 않는다.)

 

그럼 이제 흑점에 대한 소개는 간략하게 이쯤으로 정리하고, 흑점으로 태양 주기를 어떻게 측정할 것인지 본격적으로 알아보자.


2-2 흑점을 이용한 태양 자전주기 계산

우리의 태양은 유체(流體, Fluid)이다. 물처럼 유동성을 띄고 있다는 이야기이다. 따라서 적도에서부터 극 사이에서 자전하는 속도가 다 다르다. 즉 자전주기를 딱 하나로 특정할 수 없다는 말이다. 그럼 어떻게 자전구기를 구할 것인가... 그냥 위도별로 따로 다 구해주면 된다. (참 쉽죠?ㅠㅠ)


2-1-1 흑점의 파악

흑점을 이용해 주기를 측정하려고 한다면, 일단 흑점의 그룹을 나누고 그것을 기준에 따라 분류해야 한다.

흑점의 개수를 세는 표준적인 방법은 먼저 흑점 그룹()을 세고, 각 그룹 내에 있는 흑점의 수를 포함한 전체 흑점 수를 세는 것이다.(이때 혼자 떠있는 녀석은 한 개의 그룹으로 취급한다.)

흑점 그룹()의 수를 라 하고, 흑점의 전체 개수를 이라고 하면, 상대적인 흑점수 은 다음과 같이 주어진다.

      

    

  

그리고 각 그룹에 이름표 또는 번호를 붙여 보자.

 


그림 3  2011.10.25. AM 11:31 흑점에 번호를 붙여본 예시


이렇게 흑점에 이름을 붙여놓으면, 나중에 위치가 변화하여도 모양에 따라 구분하기가 쉽기 때문에 자신만의 네이밍 규칙을 정해놓는 것도 좋다.


2-2-2 태양과 지구의 기울어짐
  태양의 극축은 지구 공전 궤도면에 대해 약 기울어져 있다. 그리고 지구의 극축은 지구 공전궤도면에 기울어져 있다. 그러면 우리가 보는 날짜와 시간에 따라 자연스럽게 태양의 적도위치와 극의 위치가 달라질 것이다. 우리가 이걸 직접적으로 계산할 수는 없다. 물론 필요도 없다.


그림 4  Solar Parameter의 이해를 돕기 위한 이미지이다. 값은 자전축의 기울기를 나타내고, 값은 태양 적도의 위치를 나타낸다. 는 경도기준 위치를 나타낸다.


대강 내용을 파악했다면 아래 사이트에 들어가보자, 그리고 주욱 내리다 보면 Java Script Calculation of ~~~ 하는 파트에 연 월 일 시간을 입력하면, 위 값을 자동으로 계산할 수 있다.

 

http://www.nature1st.net/bogan/astro/sun/sunspots.html





그림 5  www.nature1st.net 시간여유가 있다면 사이트 전체를 쭉 읽어보는 것을 추천한다.


2-2-3 스토니허스트 원반(Stonyhurst Disks)

자 아직 갈 길이 멀다. 이제 반 정도 온 것 같다. 스토니허스트 원반은 흑점의 위도와 경도를 결정하기 위해 사용하는 격자이다. 다음의 사이트를 참조해보자.

 

http://solar-center.stanford.edu/solar-images/latlong.html

 

위의 사이트에 들어가면 거의 월별로 값에 따른 스토니허스트 원반을 구할 수 있다.

내가 글을 작성중인 2016-05-07 14시를 기준으로 스토니허스트 원반을 받아보자.



그림 6  Solar Parameter Calculation


값은 약 3.46도 정도이니, 사이트에서 그 값의 이미지를 받으면 된다. 여기서는 3도짜리를 받아보겠다.


그림 7 Stonyurst Disks를 받을 수 있다. 이래 월별로 B0값이 양인지 음인지에따라 나누어
져 있다.


그림 8  Stonyhurst Disk는 단순한 격자이다. 이것을 우리가 촬영한 이미지에 합성해주어야 한다.


 

받은 이미지를 포토샵이나 GIMP같은 툴을 이용해 적당한 적합한 값에 맞추어서 합성하면 이제 각 흑점의 위치를 알 수 있다.



그림 9  스토니허스트 원반과 합성한 태양의 모습(예시) 현재 필자가 태양필터가 없어서 작업을 직접적으로 진행하지 못한 점은 양해를 바란다. 몇 년 전 자료가 있긴 하나, 원본 이미지가 없어서 판독이 불가능하다. 나중에 기회가 된다면, 여러분들과 다 같이 이 작업을 진행해 보는 것도 의미가 있을 것 같다.


2-2-4 흑점의 이동을 통한 태양 자전주기 구하기

  이제 본격적으로 계산을 해볼 시간이다. 2-2-1 ~ 2-2-3의 모든 작업을 며칠 ~ 수십 일에 걸쳐서 반복적으로 진행하면, 태양의 자전 주기를 측정할 수 있다.

   


그림 10  계산을 위해 그림 8의 스토니허스트 원반의 크기를 줄여보았다.

  

예를 들어 그림 10의 격자 상에서 빨간 화살표가 나타내는 것처럼 2.5일 동안 를 이동했다면, 한 바퀴는 이므로, 아래와 같이 비례식을 이용해서 태양의 자전주기를 계산할 수 있다.

 

 

여기서 는 특정 위도에서의 자전 주기이다. 이제 식을 좀 더 일반화해서 쓰면, 임의의 날짜동안 임의의 각도를 이동한 경우 위의 식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

 

 

여기서 는 각도 를 이동하는데 걸린 시간이다.

어라..? 계산이 너무 싱겁다..? 생각하시는 분들이 있을지도 모른다. 본 연재의 목표이다. 관측이 좀 하드코어하게 어렵거나, 컴퓨터 처리가 복잡하더라도, 손으로 하는 계산은 최소화 시키고자 한다.

 

필자의 본업은 사실 대학교 학부생이며, 매일매일 학업에 치이고 정신없이 굴러다니고 있다.(물리도 오래하면 물립니다...) 그러다 보니 내가 할 수 있는 것을 살려서 관측을 해보면 어떨까 하던 차에 전공을 조금 살려서 아마추어 천문학에서의 과학적인 접근을 시도해 보았다.

여러분들이 이 내용에 흥미가 생겼을지는 모르겠다. 이 내용이 어렵다고 느끼신 분들에게 강조하고 싶다. 여러분의 생각보다 오늘의 내용은 매우 쉽다. 모르겠으면, 아래 연락처로 연락하시라! 최대한 상세히 설명해드리리라!(글을 잘 못써서 죄송합니다.)

 

**Appendix** 필름 사진 촬영에 관하여

많은 해외 커뮤니티에서는 태양의 필름 사진 관측시 ISO 100이나 그 이하의 것을 사진관측에 이용하길 권장하고 있다.

또한 50mm렌즈를 장착한 35mm 카메라 + 90mm F14 막스토프에 25mm아이피스의 조합의 경우 22mm 의 태양이미지를 얻을 수 있으며, 20mm 아이피스에 80mm F11의 굴절망원경 + 50mm렌즈 35mm 카메라에서는 20mm의 태양이미지를 얻을 수 있다고 하니, 한번 촬영할 때 참고해보시기 바란다.

 



 

Reference

3급 천문지도사, 한국아마추어천문학회(2011), p152, p165-157

NASA, Marshall Space Flight Center, http://solarscience.msfc.nasa.gov/

- 우주로의 여행 I, A. 프랭크노이, D.모리슨, S.울프, 청범출판사(1996) p294-296.

Solar Coordinates of Observed Sun Spots by L.Bogan (January 1999 - update: December 2011), Cambridge Station, NS, Canada http://www.nature1st.net

- Michael K. Gainer(2006), Real Astronomy with Small Telescope, Springer-Verlag London.

 

 

**알립니다**

강의교재를 작성하는 느낌으로 하다 보니 평어체로 작성한 점에 회원 여러분들에게 양해를 구합니다.

이 글은 매 월 둘째 주 월요일에 연재됩니다.

내용에 대한 Feedback과 기타 이런저런 문의사항, 또는 참고사항은 아래 연락처로 연락 바랍니다.

Larry.Kim0317@gmail.com

김 영 수 / Young Soo, Kim

Dept. of Physics, Chung-Ang Unviersity



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