태양계의 구성

1.1.1 태양

태양은 태양계의 중심에 자리 잡고 있으며 열과 에너지를 방출하는 복사체로 지구에서 1억 4960만 km(1AU) 떨어져 있다. 태양의 질량은 1.989 ×1030㎏으로 지구 질량의 332900배이고, 반경은 6.96x105km로 지구의 109배이다. 태양 표면 구성하고 있는 성분은 수소가 70%로 대부분이며, 헬륨이 28%이고 다른 기체가 2%를 차지하고 있다. 태양 표면의 빛이 지구까지 도달하는 시간은 약 8분 19초이고, 태양 내부의 핵융합에 의해 전자기 복사 형태로 우주에 방출되는 막대한 에너지 가운데 400~700 나노미터의 가시광선 영역만을 사람의 눈으로 볼 수 있다. 
태양의 대기(Atmosphere)는 광구 바깥에 존재하는 코로나(Corona)와 채층(Chromosphere)을 포함한다. 코로나는 태양의 가장 외곽에서 우주 공간으로 수백만 km까지 확장되며 고온의 빛나는 플라스마 대기로 알려진 층이다. 태양의 표면보다 200배 정도 더 뜨거워 100만℃ 이상이다. 상대적으로 얇은 채층에 의해 광구로부터 분리되는 코로나는 태양의 표면에 일정하게 분포되어 있지 않고 태양 플레어나 홍염에 의해 변란이 발생하기도 한다. 채층은 광구 위에서 2000~15000km까지의 두께를 갖고, 온도는 6000℃로부터 20000℃에 달한다. 채층은 광구보다 조금 더 투명한 대기로, 일식 때 엷은 장밋빛 색으로 보이는 층이다. 채층의 일반적인 현상은 빠른 속도로 솟아오르는 침상의 불꽃인 스피큘이다. 
광구(Photosphere)는 눈에 보이는 태양의 표면으로 약 100km의 두께를 갖는다. 광구의 상층부 온도는 하층보다 낮기 때문에 가장자리가 더 어두워 보이기도 하는데 이를 주연 감광이라 한다. 약 8000℃에서 4500℃까지 변화하며 5500℃를 태양 표면의 대표 온도로 본다. 광구의 대표적인 현상 가운데 하나가 태양흑점으로, 지름이 100000km에 이르는 것도 있다. 흑점의 온도는 주위보다 1000~1500℃ 정도 낮지만 매우 강한 자기장을 갖는다. 
태양의 내부는 대류층(Convective zone)과 복사층(Radiative zone) 및 핵(Core)으로 구분된다. 대류층은 태양 내부의 가장 바깥 영역으로 태양 표면으로부터 약 20만 km의 깊이를 갖는다. 복사층 상부에서 고열이 공급되기 때문에 대류층 하부의 뜨거운 물질은 상승류가 되어 태양의 표면으로 올라가고 식으면 하강류가 되어 대류층 바닥으로 가라앉는 열적 대류가 발생한다. 대류층 하부의 온도는 약 200만℃이나 태양 표면인 광구에 다다르면 태양 표면의 대표 온도까지 낮아진다. 이와 같은 대류층에서의 열적 대류 활동은 유동체의 운동에너지가 전자기 에너지로 변환되면서 자기장이 유도되는 다이나모(dynamo) 현상을 발생시키기 때문에, 태양의 표면에는 자기 북극과 남극이 형성된다. 복사층은 태양의 핵에서 생성된 고온의 열이 복사 현상에 의해 외부 쪽으로 이동되는 층이다. 복사층 하부의 온도는 약 700만℃이나 상부의 온도는 약 200만℃까지 낮아진다. 핵은 태양의 중심부로, 수소가 헬륨으로 변하는 열핵융합 반응을 통해 약 1500만 ℃의 에너지원이 생성된다. 태양의 복사층과 대류층을 통과하여 광구에 도달된 핵에너지는 빛과 열의 형태로 우주에 전파된다. 핵에서의 융합 속도가 빠르고 느림에 따라 온도가 상승 및 하강하며 부피가 팽창 또는 축소하기도 한다. 

1.1.2 지구형 행성

수성(Mercury)은 태양과의 거리가 0.39AU로 태양계의 가장 내부에 있는 행성이다. 규모는 우리의 달보다 약간 크고 질량은 지구의 약 6%로 태양계 행성 가운데 가장 작다. 대기는 무시해도 좋은 정도로 아주 얇아 기상현상이 없다. 지구의 일일을 기준으로 해서 수성의 자전주기는 59일, 공전 주기는 88일이다. 자전주기 대 공전 주기의 비는 2:3으로, 이는 수성이 한 바퀴 자전하는 동안 공전궤도의 23을 가게 되는 것이다. 여기서 하루의 의미는 수성의 동일한 지역이 태양을 향하게 되는 시간으로, 공전궤도를 두 바퀴도는 176일 동안 세 번의 자전을 해야만 하루가 된다. 따라서 수성의 밤과 낮은 각각 약 3개월씩 지속된다. 표면의 온도는 낮 동안 430℃까지 올라가지만 밤에는 ₋180℃까지 내려간다.

금성(Venus)은 밤하늘에서 달 다음으로 밝게 빛나는 행성으로 태양과의 거리가 0.72이고, 크기와 밀도 및 질량 등 외관상으로 지구와 매우 비슷하다. 화산 폭발에 의한 가스가 규칙적으로 공급되며 미풍이 있는 것으로 보이는 대기의 97%가 이산화탄소이다. 화산암이 80% 이상인 표면의 온도는 480℃ 정도로 행성 중 가장 높은데, 이는 이산화탄소의 온실효과 때문이다. 

화성(Mars)은 태양과의 거리가 1.52AU이고 질량이 지구의 11% 정도이다. 화성의 대기는 대부분이 이산화탄소이고 아주 적은 양의 질소와 아르곤 및 수증기가 포함되어 있으며, 아주 얇은 층에도 불구하고 강풍과 먼지를 동반한 모래 폭풍이 몇 주일씩 지속해서 부는 경우도 있다. 화성 표면의 평균온도가 영하 50℃ 이하로 매우 낮은 이유는 대기층이 얇아 열을 유지할 수 없기 때문이다. 화성의 표면에는 수없이 많은 화산이 있고 극지방에는 영구 얼음 지대가 있다. 화성은 두 개의 조그만 자연 위성인 데이모스와 포보스를 거느리고 있디. 


1.1.3. 목성형 행성

목성(Jupiter)은 태양에서의 거리가 5.2AU이고 8개 행성 중 가장 크다. 목성의 질량은 지구의 약 318배로 목성을 뺀 다른 행성들을 다 합한 것보다 2.5배 더 무겁지만 태양의 1800 정도에 불과하다. 약 10시간 정도의 빠른 자전주기로 인해 적도 반경이 극 반경에 비해 크다. 위도에 평행한 다양한 색의 구름 띠와 남반구에서 거대 구름의 소용돌이처럼 보이는 대적반(great red spot)이 특징적인 현상이다. 목성의 대기는 대부분이 수소와 헬륨이고 약간의 메탄과 암모니아 및 얼음 상태의 구름으로 이루어져 있다. 목성은 67개의 위성을 갖고 있어 하나의 작은 태양계라 불리기도 한다. 

토성(Saturn)은 태양에서의 거리가 9.54AU이고 목성보다 조금 작은 행성으로 가장 큰 특징은 거대한 고리를 가진 것이다. 지구 질량의 95배 정도인 토성은 많은 위성을 거느리고 있다. 토성의 대기는 시속 1500km의 바람과 폭풍이 일어날 정도로 움직임이 활발하다. 토성의 고리는 표면으로부터의 거리가 7만~14만 km에 이르는 범위에 분포되어 있지만, 두께는 100 m 정도에 불과하다. 토성을 공전하고 있는 여러 개의 고리 사이에는 간격이 있고 각 고리는 다양한 규모의 얼음 입자들로 구성되어 있다. 

천왕성(Uranus)은 태양에서의 거리가 19.19AU이고 지구 질량의 약 14.56배이다. 천왕성은 외행성 중 가장 가벼운 가스 행성으로 대기는 수소와 헬륨 및 소량의 메탄가스로 구성되어 있으며, 중심핵은 다른 가스 행성들에 비해 훨씬 차기 때문에 방출하는 열의 양도 매우 작다. 천왕성의 자전축은 90°이상 기울어져 공전궤도와 거의 평행하기 때문에 옆으로 누워 회전하고 있다.

해왕성(Neptune)은 태양에서의 거리가 30.07AU이고 지구 질량의 17.2배로 천왕성보다 약간 작으나 좀 더 무거운 가스 행성이다. 천왕성보다 많은 내부 열을 발산하나 그 양은 목성이나 토성에 비해 작다. 태양계에서 가장 동적인 해왕성의 대기는 시속 1000km 이상의 바람이 분다. 대 암반(great dark spot)으로 불리는 곳에서는 지구의 태풍과 같은 소용돌이가 있는 것으로 보고 있다. 13개의 위성 가운데 가장 큰 트리톤은 나머지 12개 위성의 공전 방향과 반대로 역행하는 유일한 위성이다.

1.1.4 왜행성

왜행성(dwarf planets)은 행성과 소행성(asteroid)의 중간 규모로 다른 행성의 위성이 아닌 천체이다. 왜행성은 안정한 궤도를 유지할 수 있는 질량을 갖고 있지만 자신만의 공전궤도를 보유하지 못한 천체를 말한다. 소행성대에서 가장 거대한 천체인 세레스(Ceres)는 태양으로부터의 거리가 2.72AU이고 직경이 약 1000km에 달한다. 세레스는 1850년대에 소행성으로 분류되었다가 2006년에 왜행성으로 재분류되었다. 

카이퍼 벨트의 왜행성에는 명왕성(Pluto), 하우 메아(Haumea), 마케마케(Makemake) 및 에리스(Eris)가 있다. 명왕성은 태양에서의 평균 거리가 39AU이고 카이퍼 벨트에서 가장 거대한 천체이다. 명왕성의 궤도는 황도면에 대해 17° 기울어져 있고 다른 행성들에 비해 이심률이 높다. 카론은 명왕성의 가장 큰 위성이다. 태양에서의 평균 거리가 43.34AU인 하우 메아 및 45.79AU인 마케마케는 카이퍼 벨트에서 큰 규모의 천체들이다. 하우 메아는 달걀 모양으로 생겼으며 두 개의 위성을 거느리고 있다. 마케마케는 카이퍼 벨트 천체 중 명왕성 다음으로 밝다. 두 천체는 2008년 왜행성으로 분류되었고 궤도 경사각은 각각 28°와 29°로 명왕성보다 더 크게 기울어져 있다. 태양에서의 평균 거리가 68AU인 에리스는 왜행성 가운데 가장 큰 천체이며 궤도 이심률이 높아서 태양에 가까워질 때는 38.2AU에 위치하고 멀어질 때는 97.6AU까지 물러난다.