유성은 어떻게 빛나는가

세 개의 이름, 하나의 돌

우주를 떠돌 때는 유성체, 대기로 뛰어들어 하늘에 그리는 빛줄기가 유성, 여정을 견디고 지면에 떨어진 잔해가 운석입니다.

가운데 것은 오해하기 쉽습니다. 유성은 물건이 아니라 현상이고, 보이는 빛은 돌이 빛나는 것이 아닙니다. 그때 돌은 대개 모래알 크기라 100km 밖에서 맨눈에 보일 리가 없습니다. 그 빛은 돌보다 훨씬 큽니다.

"마찰"은 열의 근원을 잘못 짚었다

유성은 대개 고도 80~120km에서 빛납니다. 그곳의 공기 밀도는 해수면의 약 100만분의 1로, 실험실 기준으로 보면 진공입니다. 진공이나 다름없는 곳에서 모래알 하나가 거리 하나를 밝힙니다.

마찰설의 문제는 공기가 충분한지가 아닙니다. 열이 표면에서 비벼져 생긴다고 믿게 만든다는 점에 있습니다. 당신 방의 공기 분자도 평균 초속 500m로 움직이며 여객기보다 빠릅니다. 그런데도 아무 일이 없는 것은 하나하나가 너무 가볍고 상대속도가 0이기 때문입니다.

유성체에는 상대속도가 있고 그것도 아주 큽니다. 초속 수십 km로 지나간다는 것은 공기 분자 하나하나가 그 속도로 부딪혀 온다는 뜻입니다. 에너지는 속도의 제곱으로 커지므로 속도가 100배 다르면 분자 하나가 지닌 에너지는 1만 배 달라집니다. 그런 힘에 맞은 표면의 원자는 밀려나는 정도가 아니라 아예 떨어져 나갑니다.

열은 이렇게 생깁니다. 유성체가 운동에너지를 부딪히는 분자에게 넘겨주고, 그 분자가 열을 표면으로 되돌려 줍니다. 공기가 희박하면 그 일이 덜 자주 일어날 뿐, 한 발의 힘은 그대로입니다.

빛나는 것은 돌이 아니다

표면이 약 2000도를 넘으면 물질은 고체에서 곧바로 기체가 됩니다. 이것이 삭마이고 연소가 아닙니다. 그 고도에는 태울 산소가 거의 없고, 돌은 기화되고 있습니다.

떨어져 나오는 것은 속에 있던 금속 원자들, 나트륨·마그네슘·철·칼슘입니다. 이들이 빠른 속도로 주위 공기에 부딪히면 전자가 튀어 올라갔다 되돌아오며 특정 파장의 빛을 냅니다. 우리가 보는 것은 이 금속 증기와 들뜬 공기입니다.

유성에 색이 있고 그 색이 원소에 대응하는 것도 그 때문입니다. 나트륨은 노랑, 마그네슘은 청록, 철은 노랑, 칼슘은 보라, 대기의 산소는 초록. 빠른 유성은 흔히 유흔을 하늘에 남기는데, 플라스마가 재결합하며 내는 잔광입니다.

화구, 그리고 공중에서 터지는 이유

금성보다 밝은 유성을 화구라고 합니다. 큰 것은 대개 공중에서 분해됩니다. 떨어지는 동안 앞뒤 압력 차가 계속 커지는 한편, 소행성 파편 대부분은 균열을 품고 있어 통짜가 아닙니다. 균열이 벌어지면 모천체가 부서지고 총 표면적이 급증하며 남은 에너지가 아주 짧은 시간에 방출됩니다. 폭발처럼 보입니다.

2013년 첼랴빈스크의 천체는 지름 약 20m로 고도 30km 부근에서 분해되었습니다. 구덩이는 전혀 남기지 않았고, 부상은 충격파가 깨뜨린 유리창 때문이었습니다. 공중폭발과 충돌의 차이가 여기에 있고, 에너지는 공중에서 다 나가 버립니다.

화구를 보면 기록해 둘 가치가 있습니다. 시각, 나타나고 사라진 방위와 고도, 밝기를 무엇과 비교할지, 유흔이 남았는지, 소리가 들렸는지. 이것들이 모여야 궤도와 낙하 지점을 역산할 수 있습니다.

왜 새벽에 더 많은가

지구는 초속 약 30km로 공전하고 자전이 당신을 그 둘레로 실어 나릅니다. 새벽 쪽은 지구가 나아가는 방향을 마주 보는 앞유리이고, 저녁 쪽은 뒷유리입니다.

앞유리 쪽에서는 정면으로 달려드는 것이 보일 뿐 아니라, 느려서 따라잡을 수 없는 유성체까지 지구 쪽이 따라잡아 버립니다. 그래서 밤의 후반부에 유성이 눈에 띄게 많아지고 평균 속도도 빨라집니다.

유성우의 이름은 복사점이 있는 별자리에서 따오므로, 복사점이 페르세우스자리에 있으면 페르세우스자리 유성우입니다. 복사점 자체는 원근 효과여서, 궤적은 원래 평행하고 하늘에 투영해야 비로소 한 점에서 만납니다. 철길이 멀리서 합쳐져 보이는 것과 같습니다.