지구 자기장을 따라 들어온 고에너지 입자가 대기 중의 무기 기체와 충돌하여 빛을 내는 원리가 무엇인가요?

Question

지구 자기장을 따라 들어온 고에너지 입자가 대기 중의 무기 기체와 충돌하여 빛을 내는 원리를, 들뜬 상태가 된 산소 원자나 질소 분자가 기저 상태로 돌아오며 방출하는 고유한 스펙트럼 색상(녹색, 붉은색 등) 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

태양에서 날아온 전하를 띤 고에너지 입자들이 지구 자기장에 이끌려 양극 지역의 상층 대기로 진입하면 대기 구성 성분인 질소와 산소 입자들에 강하게 충돌합니다. 이때 충돌한 기체 입자들은 외부 에너지를 흡수하여 전자가 원래보다 높은 에너지 준위로 올라가는 들뜬 상태가 됩니다. 들뜬 상태는 구조적으로 매우 불안정하기 때문에 입자들은 곧바로 에너지를 방출하며 가장 안정적인 낮은 에너지 단계인 기저 상태로 되돌아오려 합니다. 이 과정에서 각 원자와 분자가 가진 고유한 에너지 차이만큼의 빛이 방출되는데, 이것이 우리가 보는 오로라의 정체입니다.

​가장 흔히 관찰되는 녹색 오로라는 지상 약 100km에서 250km 사이의 고도에서 산소 원자가 기저 상태로 떨어질 때 방출하는 약 557.7nm 파장의 빛입니다. 반면 더 높은 고도인 250km 이상에서 산소 원자가 상호작용할 때는 이보다 낮은 에너지의 붉은색 빛을 내뿜게 됩니다. 질소 분자의 경우 충돌 후 기저 상태로 돌아오며 주로 푸른색이나 보라색의 스펙트럼을 형성하는데, 이 빛들이 대기 중에서 서로 섞이면서 신비롭고 다채로운 색상의 향연을 만들어냅니다. 결국 오로라는 우주 입자와 지구 대기 입자가 만나 고유의 에너지를 빛으로 환원하며 소통하는 과정이라고 이해할 수 있습니다.