태양의 흑점에 대한 고찰

태양사진 흑점

흑점 이미지에 매료

돌이켜보면, "중학교 때부터 물리학을 좋아했고 공부도 잘했습니다."라고 Horita 씨는 도쿄대학 이학부 지구 및 행성 물리학과에 입학했습니다. “나는 지구와 바다의 대기를 시뮬레이션하고 싶다. 지구에서 일어나는 현상이라면 관측 데이터를 통해 계산 결과가 맞는지 아닌지 확인할 수 있기 때문”이라고 말했다.
학부 4학년에 들어간 연구실에서 미래 연구원의 삶을 결정짓는 이미지를 만났다. “자장이 있을 때 흥미로운 현상이 일어난다고 강사가 소개한 미국 대기 연구 센터의 M. Rempel 박사가 소개한 흑점 시뮬레이션 이미지입니다(그림 2). 관찰 이미지처럼 완전 반했어요”
태양 활동이 고원에 진입하고 지구가 냉각됩니다!?
흑점의 11년 주기는 최근에 특별한 관심을 받았습니다. 흑점이 적은 최소 기간에는 태양 활동이 비활성화되고 자기장이 약합니다. 1645년부터 1715년까지 70년 동안 마운더 극소기라고 불리는 흑점이 거의 관찰되지 않는 기간이 있었습니다. 당시 런던의 템즈강이 얼어붙는 것과 같이 기후가 냉각되었음을 시사하는 기록이 있습니다. 그러나 흑점이 많은 곳에서 최대와 최소 사이에서 방출되는 빛의 양은 불과 0.1% 차이가 나는 것으로 확인됐다. Maunder 최소값과 냉각 사이의 인과 관계는 잘 알려져 있지 않습니다.
"마운더 극소기에는 흑점이 거의 관찰되지 않았지만 흑점 주기에 해당하는 태양 자기장 주기는 약 14년으로 추정된다. 최근에는 흑점 주기도 약 13년으로 길어졌다. 그러나 11년 주기의 미스터리를 풀지 못한다면 더 긴 주기의 의미와 앞으로 정체기에 들어갈지 여부”라고 말했다.

신기술로 고해상도 태양을 재현

태양은 지름이 약 140만km로 지구 지름의 약 109배인 거대한 천체이다. 주성분은 수소이고 그 중심에서 수소의 핵융합이 일어나 헬륨이 된다. 핵융합으로 발생하는 에너지는 중심에서 반경 70%(방사층)까지 빛에너지로 전달된다. 반경의 나머지 30%를 덮는 표면층(대류층)에서 에너지는 수소와 헬륨 플라즈마의 대류 운동에 의해 전달됩니다(그림 1B). 플라즈마는 원자를 구성하는 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 양성자가 변동하는 상태입니다. 하전된 플라즈마가 이동하면 자기장이 생성되고 플라즈마와 자기장이 함께 이동합니다.

어두운 점 태양

“11년 주기의 흑점을 풀기 위해서는 대류층의 플라즈마 운동이나 자기장을 알아야 합니다. 내면의 태양을 재현하고 이해해야 합니다.”
태양을 설명하는 방정식이 이미 있습니다. 이것은 1970년 노벨 물리학상을 수상한 H. Alfvén 박사가 만든 자기유체역학 방정식입니다. 자기유체역학 방정식은 완전히 풀릴 수 있고, 태양의 모든 신비도 풀 수 있다고 생각합니다. 그러나 계산하기가 매우 어렵다”고 말했다.
유체의 부드러움을 나타내는 지표는 레이놀즈 수입니다. 숫자가 클수록 연산량이 많아집니다. "태양의 레이놀즈 수는 약 100억입니다. 한편, 현재 계산되고 있는 최대 레이놀즈 수는 수만 개입니다. 태양을 재현하기 위해서는 많은 계산이 필요합니다."

고해상도 태양을 재현하고 싶었습니다.

많은 양의 계산을 수행할 때 계산을 여러 부분으로 나누어 여러 CPU(중앙 처리 장치)에 분산합니다. 과거에는 태양을 재현하기 위한 계산에서의 계산을 단순화하기 위해 태양으로부터 음파가 무한한 속도로 전달되는 시간을 설정하고 음파가 전달된다는 표현은 생략하였다. 그러나 음파가 무한한 속도로 전파되면 매시간 한 CPU에서 다른 모든 CPU로 정보를 전달해야 합니다.
"음파를 무한대로 설정하는 방식은 CPU가 3,000개 이상이면 통신량이 너무 많아 계산이 느려집니다. 따라서 CPU가 많은 슈퍼컴퓨터에는 태양열 계산이 적합하지 않습니다.

흑점의 비밀

Horita는 Rempel 박사와 협력하여 나중에 음속 설정을 위한 다양한 방정식을 테스트하고 잘 작동하는 방법을 찾았습니다. "음속 억제 방식"을 사용하면 옆에 있는 CPU와만 정보를 주고 받는 것으로 통신량을 대폭 줄일 수 있습니다. 호리다 씨는 '교'에서 고해상도 태양을 재현하기 위해 그 방법을 사용했습니다.

구조와 사이클이 고해상도로 부활

그러나 "태양계 계산에서 분해능을 높이면 안 된다"는 것이 알려져 있다. 해상도를 높이면 난류와 같은 불규칙하고 섬세한 플라즈마 흐름이 증가하여 흑점이나 11년 주기와 같은 큰 자기장 구조를 재현할 수 없다고 생각했기 때문입니다. 많은, 큰 구조와 시대가 사라졌습니다. 그러나 분해능을 높이면 플라즈마의 작은 난류가 사라지고 큰 자기장 구조와 주기가 되살아난다. 처음에는 계산 결과가 굉장했습니다.
큰 자기장 구조와 주기가 되살아나는 이유는? “사실 기존의 저해상도에서 작은 레이놀즈 수를 계산하면 재생 자기장이 매우 약해집니다. 해상도를 높이고 레이놀즈 수를 높이면 자기장이 더 강해지고 현실의 강도에 가까워집니다. 자기장 구조나 주기가 되살아나는 것이 발견되었다.

태양 자기장의 주기

 

“그러나 50년 동안 태양 표면까지의 시간을 분 단위로 계산하여 흑점을 재현하는 것은 계산량이 많기 때문에 불가능합니다.Horita는 "Kyo" 포스트에서 태양 표면까지의 50년 계산을 수행하여 흑점의 11년 주기를 정확하게 재현하려고 합니다. “계산 결과, 11년 주기의 수수께끼에 대한 답이 있어야 합니다. 그러나 계산 결과는 엄청난 양의 데이터입니다.
태양 활동은 약 400년 전 마운더 최소값과 유사한 고원에 들어갈 것입니까? 또한 최근 태양과 유사한 별의 표면에서 '슈퍼 플레어'라는 거대한 폭발 현상이 일어나는 것을 알 수 있다. 우리 태양에서 슈퍼플레어는 수천 년에 한 번 같은 빈도로 발생하여 다량의 고에너지 입자를 지구에 충돌시킵니다. 공격 가능성이 논의되고 있습니다.