1년에 단 하루 ‘야행성 태양’이 뜬다

1년에 단 하루 ‘야행성 태양’이 뜬다

어느 깜깜한 밤, 가로등도 없는 시골 길을 상상해 보자. 갑자기 동이 트는 것처럼 지평선에서 희끄무레한 빛이 솟더니, 곧 신문의 글자를 읽을 수 있을 정도로 주위가 밝아졌다면 믿을 수 있을까?

그런데 이런 신비한 현상이 실제로 존재한다. 하지만 이런 ‘밝은 밤’ 현상은 2000년 전부터 관찰됐지만, 지금까지 납득할만한 과학적인 설명은 없었다.

밝은 밤 현상은 밤 하늘이 갑자기 대낮처럼 환하게 밝아지는 현상이다. 이에 대한 기록은 고대 로마 시대까지 거슬러 올라간다. 박물학자이자 정치인이었던 대 플리니우스(Gaius Plinius Secundus, 영어식 표기로 Pliny the Elder, 23~79)는 이렇게 적었다.

“야간에 하늘에서 빛이 솟아 나오는 ‘야행성 태양’ 현상은 가이우스 카이킬리우스와 그나이우스 파피리우스(미상~기원전 113년)의 시대에 관찰됐다. 그리고 수많은 다른 시기에도, 낮처럼 환한 밤들이 있었다.”

대기의 파동들이 중첩되면서 대기광이 강해진다

고든 셰퍼드 교수는 고도 100km 이상의 중간권과 열권에서 바람, 온도, 대기광의 세기를 측정했다. 대기광은 위치, 장소, 일시에 따라 변동이 심했는데, 대기조석이나 대기중량파와 같은 파동에 의해 대기광이 이동한다는 것을 알아냈다. 그리고 특정 지역에서 파동이 중첩되면 진폭이 급증하며 빛이 증가해 대기광이 수 배로 강해지면서 눈에 보일 정도까지 된다는 것을 밝혀냈다.

필자(고든 셰퍼드 교수)는 캐나다 매니토바주 허드슨만 기슭의 처칠 지역에서 오로라 연구를 위해 로켓을 발사하면서 과학자의 길을 걷기 시작했다.

필자의 목표는 대기광을 위성으로 측정해 고고도의 풍속을 계산해 내는 것이었다. 이를 위해 30여 년 전 필자는 프랑스 연구팀과 공동으로 WINDII(Wind Imaging Interferometer)라는 장비를 개발했다.

빛의 간섭무늬를 확인하는 장치인 광각 마이컬슨 간섭계(빛살을 두 갈래로 갈라 검출기에 도달할 때 신호의 세기에 따라 상쇄·보강간섭 여부를 확인하는 장치)였다. WINDII는 낮과 밤 동안 중간권(고도 100km)과 열권(고도 250km)의 바람과 온도, 대기광의 세기를 잰다.

1991년 미국항공우주국(NASA)의 UARS(Upper Atmosphere Research Satellite) 위성에 실려 발사됐고, 이후 2003년까지 지구 대기권의 사진 2,000만 장을 수집했다.

WINDII를 비롯 원격탐사 장비를 장착하고 지구 대기권을 관측했던 UARS 위성.
<출처: NASA EOS>

임무가 종료된 당시에 WINDII의 대기광 수직분포 데이터를 분석한 결과, 대기광의 강도는 위치와 장소, 날짜에 따라 변동이 몹시 심했다. 예상치 못했던 흥미로운 현상이었지만, 왜 그런지 과학적으로 설명하기는 어려웠다.

그런데 몇 년 뒤, 우리와 공동 연구를 한 프랑스 연구팀의 미셸 헐스 연구원이 흥미로운 이야기를 전했다. 이처럼 변동이 심한 대기광이 2000년 이상 미스터리로 남아 있는 밝은 밤 현상의 원인일 수도 있다는 얘기였다. 이 대화는 필자의 뇌리에 강하게 남았다.

최근 필자의 연구팀은 WINDII가 수집한 다양한 파동 데이터를 분석했다. 그 결과 지구 대기에 존재하는 대기조석(지구 규모에서 일어나는 대기권의 주기적 진동)이나 대기중량파(고고도 대기에 잔물결을 일으키는 파동) 같은 다양한 파동이 종횡 방향으로 이동한다는 사실을 확인했다.

이들 파동은 대부분 낮은 고도의 대류권에서 생성돼 성층권과 중간권, 때론 열권까지 전파됐다. 고도가 높아질수록 공기가 희박해지면서 대기압이 낮아져, 에너지 보존 법칙에 따라 이들 파동의 진폭은 증가했다. 서로 다른 파동들은 동일한 위도를 따라 이동했고, 때로는 서로 통과하기도 했다.

그리고 결정적인 단서를 발견했다! 특정 지역에서 파동이 중첩됐던 것. 이때 파동의 진폭이 급증했다. 각 파동은 일정한 양의 빛을 갖고 있기 때문에, 이처럼 파동이 겹쳐지면 전체적으로 빛도 증가한다. 그 결과, 대기광의 강도가 수 배로 강해지면서 눈에 보일 정도가 됐던 것이다