『聖人.賢人.君子』의 글방

지구에서 가장 가까운 항성이며, 지구상의 생명의 원천으로서, 태양계의 모든 행성이나 위성, 혜성이나 행성 사이의 먼지에 빛 · 열 · 태양풍을 보내고 있으며, 태양계의 중심에 위치하면서 만유인력을 통해 이들 천체의 운동을 지배하고 있다.

우주에는 수천 억 개의 항성과 성간(星間) 가스나 성운진(星雲塵)으로 된 은하가 평균 200만 광년의 거리를 두고 존재하는데, 그 중의 하나가 우리의 은하계이다.

은하계는 지름 약 10만 광년, 두께는 중심부가 1만 5,000광년, 끝에서는 수천 광년이라는 원반 모양을 이루고 있다.

은하계의 바깥쪽은 나선(螺旋)팔로 되어 있다.

태양은 은하계 중심에서 2.8만 광년 떨어져 있고, 나선팔의 한 중심에 위치한다.

은하계는 전체로서 회전하며, 태양의 위치에서는 초속 220km의 속도로 회전하고 있다.

〔기본상수〕 태양의 크기는 지구의 109배이고, 태양의 반지름은 지구에서 달까지 거리의 1.8배이다.

지구는 태양을 초점으로 하는 타원궤도를 공전하며, 태양에 가장 접근하는 근일점(近日點)을 1월 상순, 가장 먼 원일점을 7월 상순에 통과한다.

이 두 거리의 평균값을 1AU(전문단위)라고 한다. 1AU의 거리에 있는 지구에서 태양을 볼 때의 각도〔시(視)반지름〕는 16’1”18이다.

이는 2m 떨어진 곳에서 2cm 크기의 물체를 보는 것에 상당한다.

빛이 태양에서 지구까지 도달하는 데는 8분 19초 걸린다.

태양의 질량은 지구의 33만 배이나 태양이 탄생한 후 약 100억 년이면 핵융합반응을 위한 연료가 없어질 것으로 추정된다.

태양은 기체로 구성되어 있기 때문에 고체로 이루어진 지구보다 밀도가 작다.

지구로부터의 탈출속도가 초속 112km인 데 대해, 태양에서는 초속 600km의 고속이 아니면 태양의 중력권 밖으로 탈출할 수 없으므로 고속으로 움직이고 있는 고온의 코로나 입자는 대부분 태양에서 벗어날 수 없다.

태양에서 우주 공간으로 방출되는 복사에너지의 총량은 태양의 중심핵에서 일어나고 있는 핵융합반응에 의해 발생되는 에너지로 충당되고 있다.

1AU의 거리에서 태양에 수직인 1cm의 면이 1분 동안에 받는 복사량이 태양상수이며, 지구의 대기에 약 반의 분량이 흡수되어 지상에 서는 1m당 약 700W가 도달한다.

흑체(黑體) 복사가 복사하는 총복사량은 온도의 4제곱에 비례한다.

태양의 총복사량에서 산출한 온도는 유효온도로 5,780K이다.

태양은 고온의 가스 덩어리인데, 이 가스가 우주 공간으로 흩어져 버리지 않는 것은 태양의 큰 질량에 의해 중심으로 향하 는 강한 인력이 작용하기 때문이며, 그 결과 구상(球狀)을 이루고 있다.

태양의 흡수선(프라운호퍼선) 중에서 주요한 것은 A, B, C, …로 명명하는데, 탄화수소(CH) 분자에 의한 흡수선(G)이 뚜렷한 항성의 스펙트럼형을 G형이라고 부르며, 태양은 이 G형에 속한다.

스펙트럼형은 표면온도의 차에 따라 온도가 높은 순서로 0~9까지 분류되며, 태양은 G2이다.

항성이 원래 지니고 있는 밝기(절대등급)의 순서에 따라 초거성(超巨星)은 로마 숫자의 I, 휘(輝)거성은 II, 거성은 III, 준(準)거성은 W, 주계열성(主系列星)은 V로 분류되는데, 태양은 V에 속한다.

따라서 스펙트럼형은 G2V라고 쓴다.

태양의 실시등급(겉보기밝기)은 -26.74등인데, 절대등급(항성을 10pc=3.26광년의 거리=30.8조km에서 보았을 때의 밝기)으로는 +4.83등이다.

태양은 지구의 공전과 동일한 방향으로 자전하는데, 지구와 같은 강체(剛體)회 전과는 달리 태양의 적도에 가까울수록 그 극역(極域)보다 빨리 회전하며, 이 회전현상을 미분(微分)회전 또는 적도가속이라고 한다.

지구와 마찬가지로 자전축과 태양표면의 교점(交點)을 북극 · 남극이라고 부르며 북위 90˚, 남위 90˚로 한다.

적도로부터의 위도는 일면(日面)위도라고 한다.

〔탄생 · 진화 · 종말〕 태양은 약 45억 년 전에 은하계의 한 구석에서 탄생했다.

초기 초신성(超新星) 등의 폭발에 의해 우주 공간으로 방출된 가스가 은하계를 도는 동안에 농담의 차가 생겨, 진한 가스는 인력의 작용에 의해 점점 더 큰 가스운으로 변했다.

큰 가스운은 회전하는 은하계의 영향을 받아 천천히 돌다가, 자신의 인력으로 수축하기 시작하면서 가스운의 회전속도가 빨라졌다.

가스운은 원심력이 작용해 얇은 원반 모양이 되고, 이것이 얼마 후 태양계를 형성하게 되었을 것이다.

회전 원반의 중심부에서는 밀도가 높은 가스가 수축해 가스의 중력에너지가 열에너지로 바뀌어 중심부에 열이 모이고, 이윽고 1,000만K를 넘는 고온이 되면 수소의 원자핵이 서로 충돌, 핵융합반응을 일으킨다.

핵융합반응이 시작되어 스스로 빛나게 되면 중심부의 압력은 상승하고, 가스운의 수축이 멈추어 항성이 된다.

갓 탄생한 태양은 현재 황소자리 T형별에서 볼 수 있듯이, 폭발현상이 수없이 일어나고, 강한 태양풍이 불고 있었다.

자전속도도 탄생한 지 약 5억년 후에는 현재(27일에 1회전)의 3배, 즉 9일에 1회전한 것으로 추정된다.

자전이 빠르기 때문에 다이너모 작용이 일어나 강한 자기장을 형성했고, 이 자기장의 에너지가 강한 활동현상을 빚게 했는지도 모른다.

초기의 태양풍은 대단히 강해 태양의 각(角)운동량을 빼앗아 갔기 때문에 자전속도가 차츰 느려져 현재와 같은 비교적 안정된 태양이 되었을 것이다.

태양이 은하계를 1회전하는 것을 태양의 1년(1은하년)이라고 부른다면, 1회전에 약 2억 년이 걸리므로 탄생 이후 45억년을 경과한 태양은 22회 남짓 은하계를 회전한 셈이 된다.

태양의 수명은 약 100억 년으로 추정되므로 50회 정도 은하계를 돌 수 있다.

태양의 중심핵에서는 연료인 수소가 차츰 감소되고 타다 남은 헬륨이 고이게 된다.

핵융합반응에서 수소 4개가 헬륨 1개가 되므로 입자의 개수가 줄어들어 압력이 감소되는 경향이지만, 중심핵은 주위로부터 압박을 받아 수축되지 않도록 온도가 상승하므로 압력의 감소를 방지한다.

중심핵이 고온이 되면 핵융합반응이 왕성해져 태양은 전체적으로 밝아진다.

앞으로 15억 년 후에, 밝아진 태양에 비치는 지구에서는 북극 · 남극의 얼음이 녹아 해면이 수십m 상승할 것이다.

이윽고 50억 년 후에는 중심핵이 거의 헬륨으로 바뀌어 헬륨심(芯)의 바깥쪽 수소가 타서 전체적으로 팽창한다.

밝기는 현재의 500배가 되고, 반지름은 100배나 커져 수성의 궤도를 삼켜 버릴 정도가 될 것이다.

표면 온도는 4000K 정도 내려가 적색거성이 되며, 지구는 거대한 태양의 열로 끓게 되어 인류는 해왕성 근처까지 피난하지 않으면 살지 못한다.

헬륨의 중심핵은 중력에 의해 수축되고 그 결과 1억K인 고온으로 변하면 헬륨에 불이 붙어 폭발적으로 타기 시작하며, 태양 가스의 몇십%를 우주 공간으로 날려 보낸다.

헬륨이 모두 타버리면 다음 연료에 불이 붙는 과정을 거치면서 다량의 가스를 방출, 행성 모양인 성운처럼 되고, 그 중심별인 태양은 백색 왜성(矮星)이 되며, 이것도 나중에는 빛을 잃고, 자그마한 천체가 되어 생애를 마치게 된다.

이것은 태양이 탄생한 지 100억년 후의 일이 될 것이다.

● 태양의 대기

〔광구(光球)〕태양은 가스 덩어리이므로 지구의 표면과 같이 뚜렷한 표면은 없으며, 투시할 수 있는 가스의 양은 표면에서 약 500km 깊이까지인데, 이 구각상(球殼狀)의 대기를 광구라고 한다.

표면의 온도는 4,200K이고, 깊은 곳에서는 6,400K이다.

압력은 0.001atm에서 0.1atm으로 내부쪽으로 갈수록 높아진다.

표면에 가까운 곳은 온도가 낮으므로 어둡게 보인다.

광구는 육안으로 보아 둥글게 빛나고 있으나, 태양 표면의 중앙부에 비하면 가장자리가 약간 어둡다.

태양면의 가장자리가 어둡게 보이는 것은 대기층을 비스듬히 보기 때문이다.

이 현상을 주변감광(周邊減光)이 라고 한다.

〔채층(彩層)〕 광구의 바깥쪽에는 채층이 있다.

채층은 개기일식 때 태양이 달에 가려지면 검은 달의 주변에 적색의 얇은 층으로 나타나 보인다.

두께는 약 2,000km이며, 채층으로부터는 스피큘(spicule)이라는 바늘 모양의 가스가 코로나를 향해 무리지어 돌출, 광구 표면에서 수천~1만km의 높이까지 도달한다.

채층은 상당히 희박한 가스이며 채층의 아랫부분의 압력은 0.001atm인데, 높이 2,000km에서는 이것의 1/1만 정도로 낮다.

채층에서의 가스 밀도는 높이와 더불어 감소하는데, 태양 대기에 존재하는 자기장의 감소보다 급격하므로, 높이가 높아질수록 가스보다 자기장의 세력이 강해져 채층의 모양은자기력선(磁氣力線)의 형상에 따라 정해진다.

〔코로나〕 태양 본체를 둘러싸면서 행성 사이의 공간에 퍼져 있는 플라즈마가 코로나이다.

개기일식 때 보랏빛을 띤 어두운 하늘을 배경으로 검은 달 주변에서 진주색으로 빛난다.

밝기는 광구의 1/100만이며 거의 보름달의 밝기이다.

코로나의 밝기는 주로 코로나 속의 자유전자에 의한 태양 빛의 산란(散亂)이므로, 색은 태양 빛과 같은 백색이고, 편광(偏光)이다.

자유전자는 초속 7,000km라는 열운동을 하고 있기 때문에 산란광이 도플러 효과의 영향을 강하게 받아 태양의 흡수선이 완전히 없어져 연속 스펙트럼처럼 보인다.

자유전자의 산란광으로 본 코로나를 K코로나라고 하며, 개기일식 때 보이는 코로나 빛의 99%가 이것이다.

나머지 1%는 코로나의 플라즈마 자체의 발광이며, 고계(高階) 이온화의 철이나 칼슘 · 니켈 등의 이온에 의한 휘선(輝線) 스펙트럼에 의해 복사되고 있다.

코로나의 형태는 태양 표면의 자기장의 영향을 받아 해마다 달라진다.

태양의 흑점수가 많고 태양 활동 극대기에는 원형을 이루며, 극소기에는 태양의 적도방향으로 뻗은 타원형이 된다.

태양의 북극 · 남극 근처에서는 극관(極冠)이라 불리는 가는 줄과 스트리머(streamer)라 불리는 굵은 줄도 나타난다.

코로나의 밀도는 입자수가 1cm당 약 1억 개이며, 이것은 지상의 공기 속에 있는 입자수의 1/1,000억인 고(高)진공 상태이다.

온도는 100만~200만K의 고온이고, 원자를 에워싼 전자는 대부분이 박리되어 이온화가 진행된 이온과 전자로 분리된다.

양전기를 띤 이온과 음전기를 가진 전자로 분리되더라도, 전체로는 중성인 이온화기체를 플라즈마라고 한다.

플라즈마는 전기를 전달하기 쉽고 자기장의 영향도 받기 쉬우므로, 코로나의 플라즈마는 태양 표면에서 코로나 속으로 뻗는 자기력선의 형상에 따른다.

채층에서 코로나를 향해 급격한 기울기로 온도가 상승하고 있는 얇은 층이 있는데, 이곳을 채층-코로나의 전이층(轉移層)이라고 한다.

코로나의 고온의 열이 채층으로 흐르는 것을 극(極)자외선의 강한 복사에 의해 막고 있다.

태양의 내부는 고온이고 표면을 향해 온도가 낮아지므로, 바깥쪽 코로나가 다시 고온이 되기 위해서는 복사에너지만으로는 불가능하다.

이것은 코로나 속을 꿰뚫는 자기력선에 따라 에너지가 전달되기 때문일 것으로 생각된다.

● 태양면 현상

〔쌀알무늬〕 광구의 표면은 밝기가 한결같지 않고 쌀알을 흩어놓은 것 같은 흰 반점(粒狀斑)들이 보인다.

이는 광구에서 상승해 오는 대류와(對流渦)이다.

이 무늬를 지상에서 볼 때, 시각으로 1초각(100m 앞에있는 0.5mm 크기의 모래알을 보는 각도) 이하의 작은 것이므로 태양상(像)의 동요가 적을 때만 보이는데, 태양 표면 위에서는 수백 km의 크기이다.

〔흑점〕 태양의 표면에 보이는 검은 반점을 가리킨다.

주변과의 대조 때문에 어둡게 보이지만 실제로는 약 4,000K로 빛나고 있다.

흑점은 태양 내부의 자기력 선속관이 부상한 곳이다.

태양 내부의 가스가 고온 때문에 이온화되어 전기의 양도체(良導體)가 되므로 자기장이 가스의 운동에 영향을 준다.

흑점의 자기력선속관에서는 가스가 상승운동은 할 수 있으나 자기력선을 가로질러 하강할 수는 없으며, 결국 대류가 저지당하고 만다.

그러므로 흑점에는 대류에 의한 에너지의 전달이 적어져 주위보다 어두워진다.

태양면에 나타나는 흑점의 수는 시간과 더불어 변한다.

흑점 의 수는 흑점 군(群)의 수를 10배 로 하고, 여기에 하나하나의 흑점수를 더한 것에 전 세계의 각 관측자에게 정해진 상수를 곱한 것을 사용한다.

이를 상대(相對) 흑점수라고 한다.

상대흑점수는 거의 11년마다 변동을 반복하고 있다.

흑점수가 극대화되는 해가 낀 수년 동안을 태양활동 극대기라고 하며, 극소인 때를 극소기라고 한다.

〔백반(白斑)〕 흑점을 둘러싼 영역에는 수백 G의 자기장이 흩어져 있으며 주변보다 밝다.

이 부분을 백반이라고 한다.

백반은 태양면의 중앙부에서는 보기 어려우나 가장자리 가까이에서는 흰 반점으로 보인다.

수명은 1시간~3개월 정도이다.

극역에서 보이는 백반을 극백반 이라고 한다.

적도영역의 백반은 태양활동 극대기에 많으나, 극백반은 극소기에 많이 나타난다.

〔양털무늬〕 채층의 모든 면이 같은 밝기가 아니고, 흑점 가까이에 특히 밝은 영역이 나타나는데, 이를 양털무늬 또는 플라주(plage)라고 하며, 수명은 1~6개월이다.

크기는 태양 반지름의 1/10~1/3 정도이다.

여기에는 수백 G의 자기장이 있고, 흑점이 나타나거나 플레어가 발생함으로써 활동적인 홍염(紅焰)이 관측된다.

〔플레어(f1are)〕 태양 대기 속에서 일어나는 폭발현상으로 10~10erg의 에너지를 방출한다.

이는 1억 이상의 인구가 1kW의 히터를 1,000~10만 년이나 사용할 수 있는 에너지이다.

플레어가 일어나면 채층이나 코로나의 일부가 빛나기 시작한다.

흑점 가까운 곳이 수분 동안 급격히 밝아지며, 그 후 천천히 밝기가 감소되어 수십분~1시간이면 원래의 밝기로 되돌아간다.

빛나는 영역은 지구의 표면적(表面積) 정도에서 그 10배에 이르기까지 한다.

발생빈도는 태양활동의 극대기에는 하루에 몇 개~십수개, 극소기에는 수일~수십 일 동안에 1개의 비율이다.

플레어가 발생하면 선 · X선 · 자외선이나 플라즈마 구름이 방출되며, 강렬한 X선이나 자외선이 지구의 전리층에 부딪혀 그곳의 전자밀도를 더욱 증가시켜 단파무선의 감도를 저하시키는 델린저 현상을 일으킨다.

행성 사이에 방출된 플라즈마 구름은 1~2일 후에 지구에 도달하고, 지구 자기장에 영향을 주어 자기폭풍을 일으킨다.

또한 극지역에 입자가 침입, 오로라를 발생시킨다.

〔홍염(紅焰)〕 태양 코로나 속에서 구름처럼 떠 보인다.

수소의 선(파장 6,563)의 빛을 강하게 복사하고 있어 개기일식 때 태양의 가장자리에 빨간 구름처럼 보인다.

단색상(單色像)으로 보면 채층을 배경으로 어둡고 긴 줄(暗條)이 보이는데, 태양의 가장자리에 나타난 홍염이 태양 표면 위로 이동한 것으로, 배경의 온도가 높아 어둡게 보이는 것이다.

홍염은 그 주위를 약 200만K의 코로나가 에워싸고 있는데도 따뜻해지지 않는 것은 홍염 속에 철사처럼 들어있는 자기장이 코로나로부터 고온입자가 침입하는 것을 막기 때문인 것 같다.

양털무늬 영역에서는 활동이 격심한 홍염이 관측되는데, 이를 활동형 홍염이라고 한다.

이에 대해 형태의 변화가 작고 수명이 수일~수개월인 것을 정온형(靜穩型) 홍염이라고 한다.

〔스피큘〕채층에서 코로나를 향해 바늘 모양으로 뻗은 것이다.

초입상반의 가장자리를 따라 발생하며, 태양의 전면(全面)에 보이는 스피큘의 수는 약 30만개다.

수명은 약 10분 동안이고, 수천~1만km의 높이까지 매초 20~30km 속도로 상승한다.

〔코로나 홀, 태양풍〕 코로나는 밝은 곳과 어두운 곳이 존재한다.

양털무늬의 상부는 밝지만, 단극성(單極性) 자기장이 넓은 영역의 상부는 특히 어둡다.

X선으로 촬영한 코로나상(像)에서는 구멍 속처럼 어둡게 보이므로 코로나 홀이라고 불리는데, 자기력선이 행성간 공간을 향해 뻗어 있고, 코로나의 플라즈마가 자기력선을 따라 유출되고 있으며, 여기가 태양풍의 근원이다.

태양풍은 지구 부근에서는 매초 300~800km인데, 입자의 밀도는 1cm당 0.1~100개 정도로 매우 낮다.

혜성의 꼬리나 지구 자기권은 태양풍에 의해 태양과 반대 방향으로 뻗어 있다.

● 태양과 지구

〔일주운동〕태양이 동쪽 지평선에서 떠올라 천공을 돌아 서쪽 하늘로 지는 것은 태양 자신의 운동이 아니라, 지구가 남북의 축 주위를 자전하고 있기 때문에 일어나는 외관상의 운동이다.

밤하늘에 보이는 항성이나 행성도 이 외관상의 운동을 하고 있으며, 이를 일주(日周)운동이라고 한다.

만일 태양과 동시에 밤하늘의 별들이 보인다면, 태양은 배경이 되는 성공(星空)에 대해 하루에 약 1˚의 비율로 동쪽으로 벗어나게 되고 약 365일이면 천구(天球) 위의 성공을 1회전한다.

천구 위에서 태양이 1년 동안 이동해가는 경로를 황도(黃道)라고 한다.

여기에는 점성술에서 알려져 있는 황도 12궁(宮)의 별자리가 있다.

태양이 정남쪽에 오는 시각을 12시로 정하고 있으나 실제로 태양의 천구상에서의 속도는 일정하지 않다.

이는 지구의 궤도가 타원이며 천구상의 적도와 황도가 23.5˚기울어 있어, 황도 위를 일정한 속도로 움직여도 적도상에서는 일정하게 되지 않기 때문이다.

그래서 하늘의 적도 위를 일정한 속도로 움직이는 천체를 가정하여 평균태양으로 생각하고, 이에 따라 시각을 정하고, 그 시각을 평균태양시라 하는데, 경도 0˚인 영국의 그리니치에서의 평균태양시를 세계시(世界時)라고 한다.

〔일조(日照)〕 태양은 계절에 따라 천구 위를 움직이는 경로가 달라진다.

하지에는 동에서 북으로 30˚벗어난 곳에서 일출이 있고, 오전 8시에는 정동쪽 방향에서 이미 고도 40˚정도로 솟아 있으며, 정남쪽으로 오면 고도는 77˚나 된다.

동지에는 정동쪽에서 남쪽으로 30˚ 벗어난 곳에서 일출이 있고, 정남쪽으로 오더라도 고도는 불과 20˚에 지나지 않는다.

정남쪽 태양의 고도는 눈에서 30cm 떨어져 자를 수직으로 놓고, 자의 0cm를 눈과 같은 높이로 하면 알 수 있다.

동지인 경우는 18cm 떨어진 곳, 1월 20일과 11월 20일경에는 20cm인 곳, 2월 20일과 10월 20일경에는 28cm인 곳에 태양이 있는 셈이다.

〔몬더(Maunder) 극소기〕 태양의 상대흑점수는 거의 11년의 주기로 증감을 반복하는데, 1650~1700년에 걸쳐 그 수가 대폭 감소한 시기가 있었다.

이를 몬더극소기라고 하며, 이 시기에는 런던이나 파리가 엄동이었다고 기록되어 있다.

고목의 나이테 속에 함유되어 있는 탄소 14는 보통 탄소 12의 방사성 동위원소로, 지구 대기 속의 질소에 우주선(宇宙線)이 부딪혀 탄소 14로 변하고, 이산화탄소가 되어 식물의 탄소동화 작용에 의해 들어오게 된 것이다.

태양이 활동적이면 태양 자기장이 태양풍에 실려 지구 주위를 에워싸기 때문에 우주에서 쏟아지는 우주선이 지구에 도달하기 어렵게 된다. 태양 활동이 약하면 지구 부근의 태양 자기장도 약해져 다량의 우주선이 쏟아져 탄소 14의 양이 증가한다.

나이테의 연대와 탄소 14의 존재량을 조사하면 상당히 오래 전까지 거슬러 올라가 태양활동의 변동을 추정할 수 있다.

몬더극소기에는 탄소 14의 존재량이 많으며, 소(小) 빙하기가 나타났다.

B.C. 5000년까지에 걸쳐 탄소 14의 존재량을 보면 그것이 많을 때는 빙하가 넓게 지표를 뒤덮고 있던 시기와 같다는 것을 알 수 있다.

● 태양에너지

태양은 커다란 수소 가스 덩어리이며, 그 에너지는 수소의 원자핵끼리 결합하여 헬륨 원자로 변하는 핵융합반응에 의해 만들어진다.

그 크기는 연간 약 1.0×10J(매분 5.6×10cal)이며, 현재의 세계 총에너지 수요의 약 60조 배에 상당한다.

그 약 1/22억이 복사의 형태로 지구에 보내지며, 이것만으로도 세계 총에너지 수요의 약 3만 배가 된다.

즉, 약 15~20분 동안의 태양에너지로 세계의 총에너지가 공급되는 셈이다.

〔태양에너지 이용의 발자취〕 인류는 태고 때부터 태양에너지를 이용, 진보 · 발달을 거듭해 왔다.

인류문명은 장작-수력-석탄-석유 등의 에너지에 의해 발달되어 왔는데, 이들 에너지 자원은 그 근원에서 보면, 모두 태양에너지가 변형된 것(장작 · 수력 · 풍력 등)이거나 오랜 세월을 거쳐 축적 변형된 것(석탄 · 석유 등)이다.

〔태양에너지의 직접적 이용〕 지금까지의 태양에너지의 대량 이용은 수력 · 석탄 · 석유와 같이 태양에너지를 일단 물의 위치에너지나 에너지 밀도가 높은 탄화수소로 바꾼 후, 이것을 이용하는 간접적 이용이었다.

이제 석탄 · 석유 · 천연가스 등 화석에너지자원의 고갈과 그 대량 이용에 따른 환경오염이 예상되고 있다.

따라서 지구상의 거의 어느 곳에서나 무상으로 입수할 수 있는 태양에너지를 직접적으로 포착해 효율적으로 이용하려는 기술개발이 1960년경부터 세계 각국에서 조직적으로 추진되어 왔다.

그러나 태양에너지는 지표면(地表面)당으로 생각하면 최대 1m당 1kW라는 적은 에너지이고, 또한 기상조건에 따라 크게 변동하는 불안정한 에너지라는 결점을 지니고 있다.

따라서 그 결점을 기술로 보충하는 것이 필요하다.

태양에너지의 이용은 열이용기술(태양에너지를 열로 바꾸어 이용하는 기술)과 광(光)이용 기술(광양자의 에너지를 이용하는 기술)과 이를 저장하는 기술로 대별된다.

〔열이용〕 ① 태양열 온수기 : 가장 초보적인 태양열의 이용은「햇볕으로 미적지근하게 한 물」을 사용하는 것이다.

이를 진일보시킨 것이 지붕 위에 설치한 태양열 온수기이다.

태양광선이 집열(集熱) 파이프에 닿으면 태양에너지가 열로 변해 파이프의 온도가 50~60℃ 로 상승한다.

이 파이프에 물을 통하게 해 더운 물을 만들고, 다시 이것을 큰 보온병에 저장한다.

② 태양열 난방 : 태양열 온수기의 집열 파이프 위에 선택 흡수면인 박막(薄膜)을 붙여 태양열의 흡수를 양호하게 하고, 열복사의 손실을 적게 한다.

동시에 이 집열 파이프를 진공통속에 넣어 대류나 전도의 열손실을 적게 함으로써 더욱 효율적으로 고온 (80~100℃)을 얻는다.

우리 나라에서도 근년에 태양열 주택이 지어지고 있다.

③ 태양열 담수화 : 예컨대 진공관형 집열기를 사용해 오염된 물이나 해수를 증발시키고, 이것을 냉각 · 응축하여 담수를 만든다.

중근동 각국에서 개발이 추진되고 있다.

④ 산업용 솔라 시스템 : 고온 · 고효율의 진공관형 집열기를 공장 등의 지봉에 설치, 태양열을 산업용 열원으로 이용한다.

외국에서는 클리닝이나 식품 · 통조림공장 등에서 실용화되고 있다.

⑤ 태양열 발전 : 태양 광선을 확대경을 이용하는 등의 방법으로 집광(集光) 농축, 300~500℃ 인 고온의 열로 바꾸고, 이 열로 고압의 수증기를 만들어 증기 터빈 · 발전기를 작동시켜 발전하는 시스템이다.

집광농축하는 방법에 따라 타워 집광형, 곡면(曲面) 집광형으로 나뀐다.

미국에서는 81년 캘리포니아주의 사막에 1만kW인 세계 최대의 태양열 발전소를 건설, 시험가동을 하고 있다.

⑥ 해수 온도차 발전 : 태양열로 따뜻해진 해면과 심층 해수와의 온도차를 이용, 그 사이의 열에너지를 전력(電力)으로 바꾸는 시스템이다.

나우루섬에서 100kW, 하와이에서 50kW의 발전실험이 실시되었다.

⑦ 솔라 폰드(solar pond ; 태양 연못) : 연못의 물에 무기염을 녹여 연못의 상부와 저부 사이에 농도차를 생기게 하면 열의 대류가 일어나기 어려워진다.

그러므로 연못에 투사되는 태양열을 저부에 효율적으로 축적할 수 있다.

이 열을 해수의 담수화나 공장의 온수세척 · 발전 등에 이용하는 기술로 이스라엘 등지에서 이용되고 있다.

이 밖에도 파력(波力)발전, 풍력발전 등을 들 수 있다.

〔광이용〕① 태양광발전 : 태양전지를 사용해 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 시스템인데, 태양전지는 pn접합인 반도체로 되어 있다.

현재 주로 개발되고 있는 태양전지는 실리콘(규소)을 원료로 하는 결정형(結晶型) 태양전지와 비결정질(非結晶質 ; amorphous)형 태양전지로 대별된다.

태양광발전은 반도체 소자에 의한 발전이기 때문에 가동(可動) 부분이 없고 보수도 쉬우며, 소규모 내지 대규모 발전도 가능하다.

단결정(單結晶) 실리콘 태양전지는 1954년 발명된 이래 인공위성이나 등대 등의 전원(電源)으로 사용되었고, 최근에는 가로등이나 무선중계소의 전원 및 낙도의 전력공급 등에 사용되고 있으나 비용이 많이 든다.

따라서 비용의 저하를 위해 광전변환효율을 높임과 동시에 태양전지에 적합한 순도를 가진 실리콘을 염가로 만드는 기술을 중심으로 대량생산 기술의 연구가 진행중이다.

미국에서는 6,500kW의 대형 태양광발전소가 캘리포니아주에서 가동되고 있다.

아모르포스 태양전지는 제조공정이나 재료 면에서 앞으로 대폭적인 비용절감의 가능성이 있다.

현재 아모르포스 태양전지는 소형 전자계산기나 시계 등 민수용(民需用) 기기의 전원으로 사용되고 있는데, 앞으로는 지붕에 설치하는 기와형 아모르포스 태양전지 등이 개발되어 주택용 전원으로 사용될 가능성이 많다.

② 인공(人工) 광합성 : 광합성(탄소동화 작용)의 메커니즘을 해명하고, 이를 인공적으로 구축, 상온(常溫)에서 물을 분해함으로써 수소를 만들어내(물의 광분해), 단기간에 탄수화물을 만드는 기초연구가 진행중이다.

〔태양에너지 이용의 전망〕 21세기는 본격적으로 태양에너지를 이용하는 시대가 될 것이다.

국민의 반 이상이 태양에너지를 이용한 집에 살며, 지붕이나 베란다에 설치한 집열기 · 태양전지 · 수소제조기에 의해 주택의 전기 · 가스 · 열에너지의 대부분이 공급될 것이고, 여름에는 각 가정의 잉여전기를 전력 회사에서 사들이는 것도 가능해질 것이다.

솔라 스쿨(태양 학교)에서 공부하고, 솔라 풀에서 수영하고, 솔라 차가 달리고, 솔라 플레인이 비행하게 될 것이다.

해상에는 대규모 태양 발전소와 해수온도차 발전소가 건설되어 해양 목장에 대한 전력의 공급이나 낙도에 대한 송전이 이루어지며, 인공 광합성 기술에 의해 에너지는 물론 식량도 싸고 고효율 적으로 안전하게 생산할 것이다.

우주에는 대규모 우주 태양 발전소가 건설되어, 그 전력이 마이크로파(波) 송전에 의해 지상에 보내지게 될 것이다.

우주기지나 우주도시가 건설되고, 그곳에서의 주거, 공장, 식량생산에는 전적으로 태양에너지가 이용될 것이다.

21세기에는 지상과 우주도시에서 태양에너지를 이용하는 새로운 문명의 발전이 이루어질 것이다.

태양은 은하계에 있는 약2000억 개의 항성의 하나. 크기·질량·밝기의 어느 것을 보아도 극히 흔한 별이나 태양은 밝고 따뜻해 우리 인류에게는 둘도 없는 것이다. 또 태양은 상세한 관측이 가능한 유일한 항성으로서 현대 천문학 속에서 특별한 위치를 차지하고 있다.   ● 태양의 위치와 운동   고대·중세의 사람들은 <대우주의 중심은 지구이며, 태양은 지구의 둘레를 돌고 있다>는 천동설을 믿고 있었다. 그러나 르네상스 시기인 16세기 중엽에 폴란드의 천문학자 코페르니쿠스가 <지구는 태양의 둘레를 돌고 있다>는 지동설을 비롯하여 많은 사람들이 차차 그것을 믿게 되었다. 그 뒤 이탈리아의 갈릴레이, 도이칠란트의 케플러, 영국의 뉴턴 등의 연구에 의하여 지동설이 옳다는 것이 증명되었다.   【태양계의 중심】 이와 같은 과학자들의 노력으로 지구·화성·수성·목성·금성·토성 등의 행성은 태양을 둘러싸고 일정한 궤도를 돌고 있다는 것을 알게 되었다. 또 그것들은 태양계를 이루고 있으며, 태양은 그 중심이 되는 항성이라는 것도 밝혀졌다. 우주에서 본 태양은 수백 억의 항성과 함께 은하계라는 소우주를 이루고 있는 은하계의 하나이다. 태양의 위치는 은하계의 중심에서 약 3만 광년 되는 곳에 있는 <오리온의 팔> 이라는 항성 무리에 딸려 있다.   【태양의 크기·밝기와 거리】 태양의 지름은 139만 1,400km이다. 그것은 지구 지름의 109배, 지구와 달과의 거리(38만 4,000km)의 3.6배에 달한다. 또 질량은 1.991 x 10 33g이며, 지구 질량의 약 33만 배나 된다. 그러나 평균 밀도는 지구보다 작은 1.41g/㎤이며, 지구밀도의 약 4분의 1이다. 태양은 겉보기에는 매우 밝아서 -26.7 등의 밝기를 지니자만, 항성을 일정한 거리에서 본 경우의 밝기인 절대 등급은 4.7등으로서 보통별의 밝기와 같다. 지구에서 태양까지의 거리는 평균1억 4,950만km이며, 지구와 달과의 거리의 390배가 된다. 가령 시속 200km의 기차로 달려간다고 하면, 태양까지는 약 85년이 걸린다. 태양은 1월에는 평균 거리보다 약 250만km 지구에 가까워지고, 7월에는 반대로 그만큼 멀어진다.   【태양의 자전】 태양면에서도 지구에서와 같이 적도·위도를 생각할 수 있는데, 이것을 <일면위도>라 한다. 지구 위에서의 동·서·남·북은 그대로 태양면의 동·서·남·북이 된다. 지구가 자전하는 것처럼 태양의 겉면에 나타나는 흑점과 백반이 동쪽에서 서쪽으로 옮아가는 것을 보아 알 수 있다. 태양의 자전은 적도 부근에서는 빠르고 극쪽으로 감에 따라 늦어져 비틀어지면서 돌고 있다. 지구는 태양이 자전하고 있는 쪽으로 공전하고 있기 때문에, 지구에서 본 태양의 자전주기는 27일이나 태양 자신의 자전 주기는 약 25일이다.   ● 태양의 구조   태양이 밝게 빛나고 있는 부분을 광구라 한다. 광구 속으로부터 대류에 의하여 많은 양의 에너지가 광구의 겉면에 운반되므로, 광구의 겉면은 6000℃라는 높은 온도에 이른다.   【태양은 어떻게 열을 내는가】 태양의 중심부의 압력은 수천억 기압, 밀도는 수백g/㎤으로 짐작된다. 또 온도는 1.500만 도라는 매우 높은 온도이다. 태양은 가스로 이루어졌으며 이 가스를 우주 공간으로 흩어져 버리지 않고 공 모양을 하고 있다. 이것은 태양의 질량이 매우 크므로 중심 쪽으로 센 인력이 작용하는 까닭이다. 태양의 에너지는 높은 온도 때문에, 중심부의 수소 에너지는 높은 온도 때문에, 중심부의 수소 원자핵이 서로 세게 부딪쳐서 일으키는 원자핵 융합(핵융합 반응, 핵반응)에 의한 것이다. 수소가 헬륨으로 바뀔 때에 많은 양의 에너지를 내서 태양 전체를 뜨겁게 함과 동시에 겉면에서 가시 광선(눈에 보이는 빛)이 되어 퍼져나간다.   【태양은 왜 다 타 버리지 않을까】 태양을 이루고 있는 원소의 대부분은 수소이며, 나머지는 거의가 핵융합 반응으로 생긴 헬륨이다. 그밖에 지구 위에 있는 것과 같은 여러 가지 원소가 조금씩 섞여 있다. 태양의 대부분을 차지하는 수소가 헬륨으로 바뀔 때에 필요한 분량은, 태양 전체의 크기와는 비교도 안 될 만큼 적은 양이므로 수십 억년 사이에는 타 버리지 않는다.   【채층·홍염·코로나】 광구의 바깥쪽 5,000∼1만km이다. 두께의 층을 채층이라 한다. 그 온도는 4,000∼수만 도에 이며, 수소·헬륨·칼슘 같은 가벼운 기체로 이루어지고 있다. 채층의 위쪽에 붉은 불꽃 모양을 한 가스를 볼 수 있다. 이것을 홍염(프로미년스)이라 한다. 홍염의 운동은 복잡하고 모양도 여러 가지이며, 그 중에는 높이가 수십만km에 이르는 것도 있다. 또 광구·채층·홍염을 둘러싸는 높은 온도의 가스 층이 있는데, 이것이 코로나이다. 이것은 광관이라고도 한다.   ● 태양 겉면의 여러 가지의 현상 태양의 겉면에는 흑점·백반·플레어·코로나·태양전파 등 여러 가지 현상이 일어나고 있다.   【흑점】 태양 겉면의 군데군데에 검게 보이는 부분이 주기적으로 나타난다. 이것은 태양의 겉면에 생긴 가스의 소용돌이인데, 이것을 <흑점>이라 한다. 검게 보이는 것은 언저리보다 온도가 낮기 때문이지만, 그래도 4,300℃의 높은 온도이다. 그 크기는 육안으로 볼 수 없는 것으로부터 태양의 10분의 1가량의 것까지 있다. 나타났다가 몇 시간 만에 사라지는 것도 있고, 1년 이상 볼 수 있는 것도 있다. 흑점은 끊임없이 많아지기도 하고 적어지기도 하는데, 평균 11.13년의 주기로 늘었다 줄었다 한다. 흑점이 많아지면 태양으로부터 전기를 띤 입자가 많이 나와서 지구쪽으로도 오기 때문에, 지자기에 변동이 생겨서 자기 폭풍이나 오로라 따위가 생긴다. 또 상공에 있는 전리층이 흐트러져서 무선 전신의 전파가 잘 발사되지 않는 일(델린저 현상) 따위가 생긴다.   【백반】 태양면의 가장자리 가까이에 하얗게 보이는 반점이 있다. 이것을 <백반>이라 한다. 백반은 특히 온도가 높은 부분이다. 또 백반은 흑점을 둘러싸고 있지만, 흑점이 사라진 뒤에도 보인다.   【플레어】 흑점 가까이의 채층이나 코로나의 아래쪽에서 갑자기 많은 양의 에너지가 발생하는 현상을 <플레어>라 한다. 플레어는 흑점 가까이에서 발생하는데, 번쩍이기 시작하면 수분 사이에 갑자기 밝아지고 섬광을 발한다. 이것은 수십 분에서 1시간 가량 계속된다. 플레어가 생기면, 그곳에서 강한 X선이 방사되어 지구의 전리층이 흐트러진다. 또 자기 폭풍이 일어나며 오로라 현상을 일으킨다.   【코로나】 개기일식 때, 검은 태양의 맨 바깥에 보이는 진주빛으로 빛나는 부분을 코로나 또는 광관이라고 한다. 매우 옅은 가스이며, 바깥쪽으로 갈수록 빛이 약하다. 개기일식 대 코로나가 태양 반지름의 2∼3배 가량까지 밖에 보이지 않지만, 실제에는 더 먼 곳의 행성 공간에까지 퍼져 있다. 코로나는 약 100만 도나 되는 높은 온도이며, 태양의 활동에 따라 여러 가지로 변한다. 코로나가 활발하면 지구위에는 역시 델린저 현상·자기폭풍·오로라 현상 따위가 일어난다.   【태양 전파】 태양에서 나오는 전파는 크게 나누어서 조용한 태양으로부터 나오는 전파와 활동적인 태양에서 나오는 전파로 나뉘어진다. 조용한 태양에서 나오는 전파는 조용한 상태에 있는 코로나·채층에서 방사되는 전파이다. 이 전파에 의해서 개기 일식 때가 아니라도 코로나·채층 따위를 관찰할 수 있기 때문에, 태양 언저리의 대기를 관찰할 수 있기 때문에, 태양 언저리의 대기를 연구하는 데 중요하다. 활동적인 태양에서는 수 시간∼수일 동안에 걸쳐서 조용한 태양의 전파보다 수백∼수천 배나 강한 전파가 나오고 있다.   ● 태양이 지구에 베푸는 혜택   지구 위의 모든 생물은 태양의 열과 빛으로 살아가고 있다. 엽록소를 지닌 식물은 공기 속의 이산화탄소와 뿌리로부터 빨아올린 물과 태양 빛의 작용에 의해서 탄소 동화 작용을 하여 영양분을 만들고 있다. 또 동물은 그 식물을 먹음으로써 영양분을 얻고 있다. 하루에 낮과 밤이 있고, 1년에 봄·여름·가을·겨울이란 4계절이 있는 것 등은 모두 태양과 지구의 거리 변화 및 자전에서 오는 현상이다. 또 태양 에너지는 지구의 겉면을 따뜻하게 하여 주며, 바람을 일으키고, 해류(海流)를 만든다. 또 물을 증발시켜 비를 내리게 하여 주고, 때로는 태풍을 일으키기도 한다. 인류는 오랜 옛날의 태양 에너지 저장고라 할 수 있는 석탄과 석유를 동력원으로 또는 공업 원료로 이용하여 근대산업을 일으키고 있다. 또, 태양 에너지의 변형인 수력을 이용하여 전기를 일으켜서, 산업의 에너지 원으로 삼고 있다. 또한 태양열을 이용한 발전소도 있다. 태양열은 조건이 가장 좋을 때는 I㎡당 50W의 전열기에 해당하는 에너지를 낸다. 그러나 태양은 때에 따라서 빛의 양이 일정하지 않으며 이를 저장하기가 곤란하다.   【참고】 태양년 : 넓은 뜻으로는 태양이 어떤 기준에 대하여 1주하는 기간을 말한다. 회귀년· 근점년 등을 포함한다. 좁은 뜻으로는 회귀년을 가리킨다. 회귀년이 태양년 중에서 가장 중요하며, 또 중심적인 것이기 때문이다. 천문학에서는 좁은 의미에서의 회귀년으로 쓰이나, 연대학에서는 대개 넓은 의미로 쓰이고 있다. < 태양_1 > < 태양_2 > < 태양_3 >