◎ 미리생각해보기

태양에도 수명이 있다고 합니다. 태양의 수명은 얼마나 될까요? 또한 태양이 없다면 어떠한 현상이 일어날지 상상해봅시다.

태양에도 수명이 있다고 합니다. 태양은 현재 중심부의 초고온 초고압 기체로 이루어져있기 때문에 양성자 열핵융합반응으로 스스로 열을 내고 있는 것이며, 태양의 에너지인 수소와 다른 기체들이 헬륨과 만나면서 일어나는 핵융합이 일어나지 않는다면 태양은 점점 식으면서 수명이 끝나게 된다고 합니다. 하지만 아직까지 50억년은 남았다고 하는 사람도 있고 100억년 이상이 남았다고 하는 사람도 있다고 합니다.

만약 태양이 없다면 점점 산소가 부족해 질 것이고 추운 날씨 속에 모든 동물과 식물들이 사라지게 될 것입니다.

◎ 실험 전 주의사항!

1. 실험에 포함된 작은 부품이나 시약 등은 삼키지 않도록 주의합니다.

2. 실험에 포함된 준비물은 실험 외 다른 용도로 절대 사용하지 않도록 합니다.

3. 실험용 도구와 시약으로 절대 장난치지 않도록 합니다.

4. 날카로운 도구를 사용할 때는 다치지 않도록 주의합니다.

5. 실험 후에는 주변 지역을 정리하고 손을 깨끗이 씻습니다.

◎ 실험 전 반드시 확인하기!

도안을 이용하여 태양의 구조를 학습 한 후 LED볼을 넣어 완성하세요.

1. 도안을 떼어내 태양의 구조에 대해 학습합니다.	2. 투명반구에 양면테이프를 붙여줍니다.

◎ 실험방법

3. 떼어낸 도안 위에 LED볼을 놓고 2번에서 준비한 투명반구를 붙여줍니다.	4. 군번줄을 연결하여 태양의 구조를 완성합니다.

SZ-F-R-005(Rev.3)                                                                                                      호기심의 시작 사이언스존                                                                                                     A4(210mm ×297mm)

◎ 실험결과 및 생각해보기

1.  태양의 구성요소와 각각의 특징은 무엇일까요?

⇒ [원리 이해 2. 태양의 구조]를 참고하세요.

2. 태양의 역할에 대해 자유롭게 이야기해보세요.

⇒ 첫번째, 태양은 태양계의 어머니입니다. 태양계는 태양이 태어남으로써 태어난 것이기 때문입니다. 태초의 태양계는 광활한 우주에 그나마 먼지들이 좀 있던 약간 활발한 공간이었습니다. 그 먼지들은 서로의 중력에 의해 군데군데 모이게 되었고, 가운데 가장 큰 집합체가 형성되어 그 집합체가 다른 소 집합체들을 잡아 놓았습니다. 이것이 원시 태양계입니다. 그 역할은 지금까지 행성(수,금,지,화,목,토,천,해)들을 중력으로 잡아줍니다. 만약 태양의 중력이 없다면 모든 행성들은 우주를 방황하는 검은 별들에 지나지 않을 것입니다.

두번째, 태양은 생명의 원천입니다. 태양 속에서는 핵융합 반응이 끝없이 일어나고 있습니다. 핵융합반응은 태양의 거대한 자기 중력에 무너지지 않게 밖으로 밀어주는 역할도 합니다.

이 활동으로 인해 태양은 밝게 빛나는 것이고, 이 빛에너지는 광활한 우주를 지나 지구까지 오게 됩니다. 지구의 모든 에너지의 근원은 태양이라고 할 수 있습니다. 가장 중요한 예로 엽록소가 있는 생물(식물)을 광합성을 일으킵니다.

세번째, 지구의 모든 자연현상을 관장합니다. 태양의 흑점의 수는 지구 내부 활동, 즉 화산활동에 심대한 영향을 끼칩니다. 이 뿐 만 아니라, 지구에 바람을 일으키게 하여 물의 순환을 하게하고, 이것은 또 풍화작용의 원인이 됩니다.

◎ 원리이해

1. 태양

태양계의 중심에 자리하여 지구를 비롯한 8개 행성, 위성, 혜성, 유성물질 등의 운동을 직접 또는 간접으로 지배하고 있는 항성입니다.

지구에서 가장 가까운 항성으로, 표면의 모양을 관측할 수 있는 유일한 것입니다. 또한, 태양은 주요 에너지공급원으로, 인류가 이용하는 에너지의 대부분은 태양에 의존합니다. 수력·풍력도 모두 태양에 유래하고, 나무·석유·석탄도 태양열을 저장한 것이며, 오직 조석력·화산·온천·원자력 등이 직접 태양열에 의존하지 않는 에너지 자원일 뿐입니다.

태양의 지름은 약 139만km로 지구의 지름의 109배, 따라서 부피는 지구의 130만 배, 질량은 약 2×1033g로 지구의 33만 배, 평균 밀도는 지구의 1cm3당 5.52g에 대해서 약 1/4인 1.41g/cm3입니다. 이처럼 태양의 밀도가 지구보다 작은 까닭은, 태양이 지구처럼 고체의 껍질을 가진 것이 아니라, 전체가 거대한 고온의 기체의 공이기 때문입니다. 태양의 기체를 이루는 원소는 그 스펙트럼(태양스펙트럼)으로부터, 대부분이 수소 H, 다음이 헬륨 He이고,

이 밖에 극히 적은 양의 나트륨 Na, 마그네슘 Mg, 철 Fe 등 지구상에서 알려진 원소 약 70종이 기체상태로 존재하는 것이 확인되었습니다.

2. 태양의 구조

2-1. 태양의 외부구조

명칭	특징
핵	핵은 수소 핵융합반응이 일어나는 태양의 중심부이다. 수소가 헬륨으로 바뀌는 이 반응에서 많은 에너지가 방출된다. 반응은 높은 온도와 밀도를 필요로 하는데, 태양 중심부의 온도는 약 15,000,000K이고 밀도는 약 150g/cm³(금이나 납의 밀도의 약 10배)나 된다. 온도와 밀도 모두 태양의 중심으로부터 멀어지면서 줄어들며, 핵반응은 핵의 중심으로부터 표면까지 거리의 약 25%를 지나면 거의 일어나지 않는다. 바로 그 지점에서 온도는 중심부의 반값이 되며, 밀도는 약 20g/cm³로 줄어든다.
복사층	태양의 복사층은 핵에서 나온 에너지를 복사의 형태로 대류층까지 전달하는 구간이다. 복사층은 핵 외부의 가장자리에서부터 대류층 바닥의 접합층까지 뻗어있다. 핵에서 발생된 에너지는 복사층을 통해 입자에서 입자로 튀어 오르는 빛에 의해서 옮겨진다. 광자들은 빛의 속도로 이동하지만, 각각의 광자가 접합층에 도달하기까지 불투명한 물질을 통과하며 수없이 많은 입자와 충돌하기 때문에 약 17만 년의 시간이 필요하게 된다. 태양의 중심 방향에서 외곽의 대류층 방향으로 이동하면서 복사층의 밀도는 20g/cm³에서 0.2g/cm³까지 떨어진다. 그리고 온도는 약 7,000,000K에서 약 2,000,000K로 떨어진다.
접합층	태양의 접합층은 복사층과 대류층 사이에 놓인 부분이다. 접합층의 자기운동에 의해 태양 자기장이 발생한다고 여겨지고 있다.
대류층	대류층대류층은 태양 내부에서 가장 외부에 있는 층이다. 대류층은 태양 표면에서 밑쪽으로 약 200,000km 깊이에서부터 시작되고, 온도는 약 2,000,000K이다. 이 층에서는 복사를 통해 에너지를 전파할 수 있을 만큼 밀도나 온도가 높지 않기 때문에, 복사가 아닌 열대류가 일어난다. 태양 표면에서, 온도는 6000K까지 떨어지며 밀도는 단지 0.0000002g/cm³ 밖에 되지 않는다. 대류층의 대류운동은 쌀알 무늬가 생기는 원인이 된다.

태양의 표층은 표면과 대기로 구성돼 있는데 우리가 매일 볼 수 있는 태양의 표면이 '광구'이고 이 구를 둘러싸고 있는 대기 중 하층대기를 '채층', 상층대기를 '코로나', 채층과 코로나를 분리하는 영역을 ‘전이영역’이라 합니다.

명칭	특징
광구	광구는 태양의 표면으로, 약 100km 두께의 가스로 이루어진다. 중앙부가 가장 밝고, 가장자리로 갈수록 복사방향에 대한 시선방향의 각이 커지므로 어두워지는데, 이런 현상을 '주연감광(limb darkening)'이라고 한다. 흑점, 백반, 쌀알무늬 등을 관측할 수 있다. 태양은 약 27일을 주기로 자전하는데, 태양은 가스로 된 공과 같기 때문에 고체의 행성과 같이 회전하지는 않는다. 태양의 적도지역은 극지방보다 더 빠르게 회전하는데, 이러한 차등회전의 근원은 현재 태양천문학의 주요 연구분야이다.
채층	태양의 채층은 광구 위에 약 2000km까지 뻗어있다. 온도가 약 6000K에서 약 10,000K로 불규칙한 층이다. 이 정도의 높은 온도에서 수소는 불그스레한 색의 빛을 방출하는데, 이것은 개기일식 동안에 태양의 가장자리 위로 올라오는 홍염을 통해 확인할 수 있다. 또한, 특정 필터를 통해 관측하면, 채층의 자기장 요소들과 흑점 주위의 밝은 플라주(Plages), 태양 외부를 가로지르는 어두운 필라멘트, 그리고 가장자리 위로 나오는 홍염과 같은 태양의 특징들을 관측할 수 있다.
전이영역	전이영역은 얇고 매우 불규칙한 태양의 대기층으로 뜨거운 코로나와 상대적으로 온도가 낮은 채층을 분리한다. 열은 코로나에서 채층으로 흐르며 이 과정에서 온도는 1,000,000K에서 약 20,000K까지 빠르게 변한다.
코로나	코로나는 이온화된 기체가 높이, 넓게 퍼져있는 상층 대기권이다. 코로나의 형태와 크기는 일정하지 않지만 일반적으로 흑점과 관계가 깊다. 흑점이 최소일 때 코로나의 크기는 작고 최대일 때는 크고 밝으며 매우 복잡한 구조를 갖는다. 코로나는 광구의 빛이 달에 의해 완전히 차단되는 개기일식 때에만 볼 수 있는데 태양의 가장자리로부터 멀리까지 뻗어있는 밝은 빛이 바로 코로나이다. 코로나의 온도는 약 1,000,000K나 되는데, 이런 높은 온도에서 수소와 헬륨은 모두 전자를 완전히 잃어버리게 되고, 철, 칼슘과 같이 상대적으로 무거운 원소들 만이 전자를 남길 수 있다. 코로나의 스펙트럼에서는 이렇게 고도로 이온화된 무거운 원소들에 의한 방출선을 확인할 수 있다.

2-2. 태양의 내부구조

태양의 내부는 핵, 복사층, 접합층, 대류층의 네 개의 부분으로 나누어집니다. 에너지는 핵에서 발생되는데, 핵에서 나와 복사층을 통하여 대부분 감마선과 엑스선의 형태로 확산됩니다. 그리고 바깥 대류층의 유동적인 흐름에 의해 이동합니다. 복사층과 대류층 사이의 얇은 경계면은 태양의 자기장이 생산된다고 여겨지는 곳입니다.

학습목표

태양의 구조를 알아보고,

LED볼을 이용하여 태양을 만들어봅니다.

실험날짜          년      월      일

학년   반    이름 :

만약 우주에 태양이 존재하지 않는다면 어떻게 될지 상상해보세요.

◎ 미리생각해보기

도안, LED볼, 투명반구, 양면테이프, 군번줄

(직접준비하세요! 가위)

◎ 실험준비물

1.  태양의 구성요소와 각각의 특징을 이야기 해봅니다.

2. 태양의 역할에 대해 자유롭게 이야기해보세요.

◎ 실험결과 및 생각해보기

◎ 새롭게 알게 된 사실

◎ 느낀점