태양 근표면 전단층의 남·북 비대칭과 적도 횡류 순환 셀

초록

시간-거리 헬리오시즘을 이용해 2010년 5월부터 2024년 4월까지 14년간 측정한 근표면 전단층(NSSL) 내 적도 횡류 흐름을 분석하였다. 남·북 반구의 자기장 비대칭이 흐름의 크기와 방향을 결정한다는 것을 확인하고, 0.97 R⊙ 이하에서 흐름이 전환되어 순환 셀을 형성함을 발견하였다. 큰 태양반점 발생 시기에 비대칭이 강화되며, 흐름과 자기 플룸 사이의 연관성을 통해 적도에서의 자기 플럭스 소멸·잠수와 극지로의 운반 메커니즘을 논의한다.

상세 분석

본 연구는 HMI와 GONG 두 독립적인 관측 자료를 동일한 시간-거리 헬리오시즘 파이프라인으로 처리하여, 근표면 전단층(Near‑Surface Shear Layer, NSSL) 내 적도 횡류(meridional) 흐름을 0.995 R⊙에서 0.94 R⊙까지 깊이별로 12개월 이동 평균을 적용해 추출하였다. 흐름의 부호는 북반구로 향하면 양, 남반구로 향하면 음으로 정의했으며, ±5° 구역을 평균함으로써 적도 근처의 미세 흐름까지 포착했다. 흐름 강도는 최대 약 8 m s⁻¹이며, 약 2년 주기의 지속성을 보였다. 가장 중요한 발견은 흐름이 0.97 R⊙(≈20 Mm) 이하에서 급격히 방향을 바꾸어 하부에서 상승 흐름이 하부에서 하강 흐름으로 전환되는 순환 셀을 형성한다는 점이다. 이러한 셀은 남·북 반구의 자기장 절대값 차이(B_asym)와 강하게 상관관계를 보이며, B_asym>0(북반구가 더 활발)일 때는 상부에서 북쪽으로 흐르고, 하부에서는 반대로 남쪽으로 흐른다. 반대로 B_asym<0(남반구가 더 활발)일 때는 흐름 방향이 반전된다.

자기 플럭스 플룸(B_eq)은 적도 ±5° 구역에서의 부호 평균값으로 정의했으며, 플룸의 발생 시기와 흐름 전환 시점이 일치한다는 점을 통해 플룸이 순환 셀의 하부 흐름에 의해 끌려 이동한다는 물리적 메커니즘을 제시한다. 특히, 사이클 24의 최대기(2013–2015) 동안 남반구가 더 활발했음에도 불구하고 플룸은 남반구의 선행 극성(양극) 플럭스를 북쪽으로 운반했으며, 이는 표면 흐름과 반대 방향이지만 하부 순환 셀에 의해 설명된다.

태양반점 데이터와의 비교에서는 대형 반점(면적 >1000 µHS)이 적도 횡류 흐름이 시작된 후 8~12개월 뒤에 주로 적도에서 멀리 떨어진 반구에 출현한다는 사실을 발견했다. 이는 흐름이 반점 그룹을 물리적으로 이동시키는 역할을 함을 시사한다. 또한, 반점 군집도가 흐름 방향에 따라 북·남 반구에 비대칭적으로 분포함을 확인했으며, 이는 기존 연구(Komm 2022)의 결과와 일치한다.

결론적으로, 남·북 자기 비대칭은 근표면 전단층 내 적도 횡류 흐름을 유도하고, 이 흐름은 0.97 R⊙ 이하에서 순환 셀을 형성한다. 순환 셀은 표면 흐름과 반대 방향으로 하부 플룸을 운반함으로써 적도에서의 자기 플럭스 소멸·잠수와 극지로의 플럭스 운반에 핵심적인 역할을 한다. 이러한 메커니즘은 태양 자기 활동 주기와 연계된 플럭스 재분배 모델에 새로운 제약을 제공한다.