기광(에어글로우)와 상층 대기 화학발광 (Airglow)

밤하늘의 옅은 빛, 기광이라는 현상

도시에 사는 대부분의 사람에게 밤하늘은 검은 캔버스와 같습니다. 별과 은하, 유성이 지나가도 배경은 어둡다는 인상이 강합니다. 그런데 산간이나 사막처럼 인공불빛이 거의 없는 곳에서 충분히 눈이 적응된 상태로 하늘을 바라보면, 배경 하늘 자체가 옅게 빛나고 있다는 사실을 깨닫게 됩니다. 바로 기광, 영어로 에어글로우라 부르는 현상입니다. 기광은 대기 자체에서 나오는 미세한 빛으로, 오로라처럼 화려하게 춤추지는 않지만 지구를 둘러싼 얇은 발광 껍질처럼 늘 존재하고 있습니다. 인류가 이를 과학적으로 기록한 것은 20세기 중반이지만, 사실 이 빛은 태고적부터 밤마다 지구를 감싸고 있었습니다.

 

 

기광은 육안으로도 볼 수 있는 자연 현상이지만, 조건이 까다롭습니다. 공기가 맑고 습기가 적으며, 달빛이나 도심 불빛이 거의 없는 완전히 어두운 밤하늘이 필요합니다. 특히 은은한 녹색띠처럼 보이는 기광은 천체사진가들이 가장 많이 기록하는 장면으로, 사진으로는 선명하게 드러나지만 사람 눈에는 겨우 구분될 정도로 약합니다. 이러한 특성 때문에 한동안은 카메라 노이즈로 오해받기도 했습니다. 그러나 분광관측과 위성 관측이 발전하면서, 기광이 상층 대기에서 일어나는 특정 화학반응의 결과라는 사실이 분명해졌습니다. 오늘날에는 대형 망원경뿐 아니라 소형 광학장비와 고감도 카메라를 이용해 기광을 장기적으로 모니터링하는 연구팀도 늘어나고 있습니다. 천문대에서 관측자가 육안으로 하늘의 밝기를 평가할 때도, 배경 기광의 성격과 세기를 함께 고려하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다.

 

상층 대기에서 일어나는 화학발광의 원리

기광의 핵심은 상층 대기의 화학발광입니다. 태양에서 날아온 고에너지 자외선과 입자들이 지구 대기 상부를 때리면, 산소와 질소, 수소, 나트륨과 같은 원자와 분자들이 들뜬 상태가 됩니다. 이들이 다시 안정된 상태로 돌아가면서 에너지를 빛으로 방출하는데, 이 빛이 바로 에어글로우입니다. 높이로 따지면 대략 80킬로미터에서 300킬로미터 사이의 대기층에서 가장 활발하게 일어나며, 각 고도별로 지배적인 빛의 색과 원인이 조금씩 다릅니다. 마치 대기층마다 서로 다른 성격의 얇은 형광막이 겹겹이 둘러져 있는 셈입니다.

 

가장 대표적인 것이 약 90킬로미터 부근의 OH 라디칼에서 나오는 발광과, 90~100킬로미터 부근의 산소 원자 발광입니다. OH 분자는 수증기와 오존이 반응하는 과정에서 만들어지는데, 이때 생성된 들뜬 상태의 OH가 여러 파장의 빛을 내며 서서히 에너지를 잃어갑니다. 이 발광은 적색에서 근적외선 영역에 넓게 분포해 있어, 적외선 관측장비나 장노출 관측에서 특히 잘 포착됩니다. 한편, 산소 원자는 녹색과 붉은색 영역에서 강한 스펙트럼 선을 내며, 우리 눈에 익숙한 녹색 기광의 주된 원인이 됩니다.

 

추가로 나트륨과 철과 같은 금속 원자들도 기광에 기여합니다. 이들은 미세 운석이 대기권에 진입하면서 흩뿌려진 물질들이 상층 대기에 얇은 금속층을 형성한 결과입니다. 이런 금속층에서 나오는 노르스름한 빛은 고감도 분광기로만 겨우 구분할 수 있을 만큼 약하지만, 상층 대기의 조성과 운석 유입량을 추정하는 귀중한 단서가 됩니다. 이렇게 보면 기광은 태양과 대기, 우주먼지가 함께 만들어낸 복합적인 발광 무대라고 할 수 있습니다. 이 무대를 정밀하게 해석하기 위해, 연구자들은 각각의 스펙트럼 선을 분리해 측정하고, 발광 고도와 온도를 역산하는 다양한 모델을 개발해 왔습니다.

 

오로라와 기광, 닮은 듯 다른 두 빛

기광은 종종 오로라와 혼동됩니다. 둘 다 상층 대기에서 나타나는 발광 현상이고, 녹색이나 붉은색 띠를 만들기도 하기 때문입니다. 하지만 두 현상은 에너지의 공급 방식과 공간적 분포에서 뚜렷한 차이를 보입니다. 오로라는 주로 고위도 지역에서만 나타나며, 태양풍 입자가 지구 자기장에 이끌려 극지방 상공으로 집중될 때 발생합니다. 강한 태양 폭풍이 있을 때에는 오로라 타원이 중위도까지 내려오기도 하지만, 여전히 특정 시기, 특정 지역에 집중된 드문 사건에 가깝습니다. 짧은 시간 동안 급격히 밝아졌다 희미해지는 역동적인 변화도 특징입니다.

 

반면 기광은 지구 전역의 밤하늘에서 거의 매일 나타납니다. 태양풍보다 더 지속적인 에너지원인 태양 자외선과 상층 대기의 화학반응이 에너지를 공급하기 때문에, 계절과 위도에 따라 강도와 패턴이 변하긴 해도 항상 존재하는 배경빛에 가깝습니다. 또 오로라는 커튼처럼 일렁이는 형태나 아치 모양, 동심원 구조 등 눈에 띄는 기하학적 패턴을 만들지만, 기광은 대개 수평으로 길게 뻗은 띠나 잔물결처럼 펼쳐진 얇은 구름무늬에 가깝습니다. 하늘 전체가 아주 옅게 물든 듯한 느낌을 줄 때도 많습니다.

 

그래서 사진 한 장 안에서 밝고 화려한 오로라와, 그 뒤편을 채우는 은은한 기광이 동시에 기록되는 경우도 있습니다. 일반 관측자 입장에서는 오로라가 주연 배우라면, 기광은 무대를 조용히 채우는 배경 조명에 가깝다고 볼 수 있습니다. 오로라가 사라진 뒤에도 하늘이 완전히 검지 않고 어딘가 엷은 빛을 유지하고 있다면, 그 배후에는 대기 자체가 내는 기광이 자리하고 있을 가능성이 큽니다. 이 차이를 알고 나면, 밤하늘 사진에서 어떤 빛이 오로라고 어떤 빛이 기광인지 구분하는 눈도 조금씩 길러집니다.

 

기광이 들려주는 상층 대기의 기상과 파동

기광은 그 자체로 아름다운 현상이지만, 대기 과학자들에게는 상층 대기의 상태를 읽을 수 있는 소중한 도구이기도 합니다. 상층 대기는 우리가 숨 쉬는 대류권에 비해 직접 관측하기가 어렵습니다. 기상관측용 라디오존데도 주로 30킬로미터 안쪽까지만 올라가고, 인공위성은 훨씬 높은 궤도를 돌기 때문에, 중간 영역의 세밀한 변화를 파악하기가 쉽지 않습니다. 이때 기광이 자연스럽게 생겨나는 발광층은 일종의 스크린 역할을 합니다. 대기 중에서 아래에서 위로 전파되는 중력파나 대기파가 지나가면, 기광 층의 밀도와 온도가 미세하게 흔들리고, 그 변화가 줄무늬나 물결 모양으로 패턴에 기록됩니다.

 

천체사진가들이 밤하늘에서 가늘게 층층이 겹친 기광의 물결을 찍어낼 때, 대기과학자는 그 이미지를 통해 파동의 파장과 속도, 에너지 전달 규모를 역산합니다. 이를 통해 열권과 중간권의 온도 구조, 대기의 혼합 정도, 계절 변화 등을 연구할 수 있습니다. 최근에는 위성과 지상 관측을 결합해, 특정 지역의 기광 변동과 하층 대기에서 발생한 기압파, 폭풍, 열대저기압 같은 기상현상 사이의 연결고리를 추적하는 연구도 이루어지고 있습니다.

 

기광의 미세한 깜빡임이 결국은 우리가 사는 지표면의 날씨와도 이어져 있다는 가설을 검증해 나가는 과정입니다. 이러한 시도는 지구 대기를 하나의 거대한 연속체로 보고, 위아래 층의 상호작용을 통합적으로 이해하려는 최신 흐름과도 맞닿아 있습니다. 장기적으로는 항공, 위성통신, GPS와 같은 인프라가 상층 대기 변화에 얼마나 민감한지도 더 정밀하게 파악할 수 있을 것입니다. 보이지 않는 상층 대기의 파동과 흐름을, 기광이라는 얇은 발광 막을 통해 간접적으로 읽어내는 셈입니다.

 

인공조명 시대, 어두운 하늘과 기광 연구의 미래

현대 사회에서 기광 관측이 점점 어려워지는 이유 중 하나는 빛공해입니다. 대도시뿐 아니라 중소도시, 해안 휴양지까지 인공조명이 확산되면서, 밤하늘의 자연 발광은 인공불빛의 배경에 묻혀버리기 쉽습니다. 기광은 매우 약한 빛이기 때문에 조금만 하늘이 밝아져도 눈에 띄지 않습니다. 천문학자와 대기과학자들이 굳이 외딴 산악지대나 사막, 외딴 섬을 찾아 관측기지를 세우는 것도 이 때문입니다. 어두운 하늘은 더 이상 낭만적인 추억의 배경이 아니라, 지구 대기를 연구하기 위한 실험실이기도 합니다.

 

빛공해가 늘어날수록 기광을 포함한 상층 대기 발광 연구는 위성과 고감도 광학장비에 더욱 의존하게 됩니다. 대기 상층의 발광층을 촬영하는 전용 위성 카메라는 지구 전체를 한 번에 조망하며, 기광의 일주 변화와 계절 변동을 수년 단위로 축적합니다. 이 데이터는 기후 모델이 상층 대기를 얼마나 잘 묘사하고 있는지 검증하는 데 활용됩니다. 동시에, 일부 국가는 국가 차원에서 어두운 하늘을 보존하는 정책을 도입하고, 국제공인 다크스카이 공원과 같은 보호구역을 지정하고 있습니다. 이는 천체관측과 관광 산업 차원을 넘어, 지구 대기와 기후 시스템을 장기적으로 이해하기 위한 과학 인프라를 지키는 일이기도 합니다.

 

나아가 어두운 하늘을 지키는 일은 생태계와 인간의 수면 리듬을 보호하는 데도 도움을 줍니다. 많은 생물은 밤낮의 밝기 차이에 민감하게 반응하고, 인공조명은 그 리듬을 어지럽히기 쉽습니다. 기광은 그러한 인공조명과는 다른, 지구가 원래 가지고 있던 밤의 밝기 기준을 보여주는 자연 척도이기도 합니다. 우리가 언젠가 도심에서 한 걸음 물러나 완전히 어두운 밤하늘을 올려다볼 기회를 가진다면, 별과 은하 사이에 아주 옅게 번지는 녹색 띠와 물결무늬를 떠올려 볼 만합니다. 그 조용한 빛은 지구 대기가 스스로 내는 숨결이자, 우리가 사는 행성이 태양과 에너지를 주고받으며 살아 움직이고 있다는 신호입니다.