지구 자기장 조사

생명보호막인 지구 자기장(magnetic field of the Earth)은 그 중요성에 비해 많이 알고 있지는 않다. 그리고 과학적으로 풀어야 할 많은 숙제가 남아있는 분야이기도 하다.

 

지구 자기장의 급변과 진화와 멸종이라는 생명체의 급변 그리고 빙하기와 대륙이동과 같은 지구 환경의 급변과의 상관관계에 대해 여러 전문가들의 가설의 발표가 증가하는 추세에 있고, 개인적으로도 궁금한 부분이 많다. 우선 지구자기장의 일반적인 정보에 대해 한 번 정리해 보고 상관관계에 대해서는 따로 정리해 보겠다.

 

– 태양풍을 막아주는 지구자기장. 지구자기장이 사라진다면 지구는 태양에서 불어대는 높은 에너지의 우주방사선 입자에 피폭되어 끔찍한 대재앙을 맞이하게 될 것이다.

 

지구 자기장 또는 지자기의 사전적인 의미는 “지구가 가진 자기적 성질로 인해 영향을 미치는 영역을 지구 자기장 또는 지자기장이라고 한다. 대개 쌍극(N극과 S극) 자기 마당이며, 그 성질은 편각, 복각, 수평 분력의 세 요소로 나타낸다.”인데 인간의 활동과 자연세계에 수많은 영향을 미친다. 예를 들어 나침반으로 동서남북을 찾을 수 있는 것이 바로 지구자기장 덕분이다.

 

지구 자기장은 지구의 내부에서 발생하며 마치 지구 중심에 막대자석이 있는 것처럼 보인다. 지구 표면에서의 자기장 규모 범위는 25 에서 65μT (0.25-0.65 가우스) 까지이며 우리나라에서는 대개 40μT (0.4 가우스) 정도의 지자기가 측정된다.

 

지구 자기장의 축은 자전축과 대략 11도 정도 경사지고 지구의 중심과 약 500 km 엇갈려있게 주 막대자석을 놓음으로써 관측된 자기장의 90%를 설명할 수 있고 작은 막대자석을 주 막대자석 주위의 적당한 위치에 놓음으로써 나머지 10%의 자기장을 설명할 수 있다.

 

현재까지 지구 자기장의 생성 원인을 설명하는 이론 중에서 가장 유력한 것으로 여겨지고 있는 가설은 다이나모(dynamo, 발전기) 이론이다. 지구의 외핵은 액체상태로서 운동이 쉽고 또 양도체로 구성되어 있기 때문에 이와 같은 액체의 운동에 의하여 전류가 발생되고 이 전류에 의해 자기장이 발생할 수 있다는 이론이다. 모델에 따라 다양한 종류의 다이나모 이론이 있다.

 

현재 다이너모 이론은 다른 행성의 자기장 뿐만이 아니라 지구 자기장의 원인을 가장 잘 설명해주는 이론으로 여겨지고 있다.

 

지구의 자전축이 23.5도로 기울어져 있지만 21.5 – 24.5도 사이에서 변하고 있는 것으로 알고 있다. 지구 자기장 자극의 위치도 변하고 있다. 심지어 N극과 S극이 바뀌는 역전현상도 있다.

 

지구자기장이 표면적으로 보면 아주 약하다. 지구자기장은 장난감 말굽 자석의 두 극 사이에서 생기는 자기장보다 100배 이상 약하다. 그러나 자기장도 역제곱법칙을 따르므로, 당신의 위치에 관계없이 어디서나 수십 마이크로테슬라의 자기장이 검출된다는 것은 지구가 얼마나 강력한 자석인지를 보여주는 것이다.

 

자기권(magnetosphere)은 대기의 최상부로서 플라스마나 고에너지 입자의 운동이 지구 자기장에 지배되어 태양풍이 직접적으로 접근할 수 없는, 마치 혜성처럼 생긴 거대한 공동을 말한다. 자기권은 500km 상공에 형성되며, 태양 쪽으로는 지구 반지름의 10배 정도, 그 반대쪽으로는 약 60배까지 뻗쳐 있다. 자기권은 태양풍과 다른 별이나 은하로부터 방충되는 우주선이라 불리는 고에너지 하전입자를 차단시켜 지상의 생명체에 대한 보호막 구실을 한다.

 

지구 자기장은 아직 밝혀지지 않은 부분이 많다. 지구 자기장의 나이가 35억 년 이상이라는 것은 분명하다. 그 정도로 오래된 암석들에서 고대 지자기의 흔적이 발견되었기 때문이다. 뿐만 아니라 지구 자기장은 그 기나긴 세월 동안 힘의 세기가 변하지 않은 듯하다.

 


◎ 지구자기장의 중요성

 

자기권(magnetosphere)은 대기의 최상부로서 플라스마나 고에너지 입자의 운동이 지구 자기장에 지배되어 태양풍이 직접적으로 접근할 수 없는, 마치 혜성처럼 생긴 거대한 공동을 말한다. 자기권은 500km 상공에 형성되며, 태양 쪽으로는 지구 반지름의 10배 정도, 그 반대쪽으로는 약 60배까지 뻗쳐 있다. 자기권은 태양풍과 다른 별이나 은하로부터 방충되는 우주선이라 불리는 고에너지 하전입자를 차단시켜 지상의 생명체에 대한 보호막 구실을 한다. 이것을 확인할 수 있는 현상이 극지방 근처에 생겨 아름다운 장관을 선사하는 오로라다. 오로라는 지구 표면으로 들어오지 못한 고에너지 입자들이 지구의 자기력선을 따라 극지방으로 이동하면서 상층 대기와 충돌할 때 발생하는 빛이기 때문이다.

사람들이 먼 옛날부터 오로라를 두려워한 것은 놀랄 만한 일이 아니다. 실제로 오로라는 우주에서 날아온 무시무시한 공격을 보여주는 징후이다. 그렇지만 오로라를 숭배한 사람들 역시 틀린 것은 아니다. 오로라는 우리를 보호해주는 지구 자기장과 공기가 그 역활을 제대로 하고 있다는 것을 보여주는 것이기도 하기 때문이다.

 

만약 지구 자기장이 없어진다면 어떤 일들이 발생할까? 한번 정리해 보자.

1) 지구의 생명체나 건물 등은 태양풍에서 방출되는 고에너지 입자에 그대로 노출될 것이다. 이런 고에너지 입자가 인체에 닿아 체세포에 들어가면 염색체 이상이나 나아가 암을 일으킬 가능성도 있다. 이뿐만 아니라 지상에 존재하는 모든 전자 기기는 고에너지 입자 때문에 작동을 멈출 것이다.

 

2) 태양풍에 의해서 공기가 사라질 것이다.

태양풍은 강력해서 공기가 전혀 남아있지 않을 때까지 지구의 대기에서 공기를 뺄 수 있다. 실제로 화성에서 그런 일이 일어났다고 한다. 대기압이 충분히 낮아지면 물도 증발될 것이며 결국 태양풍에 흡수될 것이다. 또한 태양풍은 유해한 자외선으로부터 지구를 보호하는 오존층도 날려버릴 것이다.

 

3) 나침반이 쓸모가 없어진다.

인류는 11세기 이후 나침반을 사용했다. 나침반도 하나의 자석이고 지구도 하나의 자석으로 볼 수 있으니 나침반이 가르키는 북쪽은 자북에 해당한다. 그런데 지구 자기장이 사라지면 의미가 없다.

 

4) 지구 자기장을 이용하는 동물들에게 타격을 입힌다.

지구의 자기장이 사라지면 나침반 탐색에 의존하는 많은 동물들이 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 많은 새, 바다거북, 바닷가재, 꿀벌, 연어, 초파리 등 많은 동물들이 몸에 내장된 “자기 수용체 (magnetoreceptors)”라고 불리는 생물학적 나침반을 가지고 있다.

 

 

지구의 자기장은 자기북극과 자기남극을 가지고 있다. 나침반 바늘이 지구의 자기력선에 나란히 놓여 자극을 가리키는데, 이와 유사하게 어떤 암석에는 나침반 바늘과 같은 광물을 포함하게 된다. 자성광물, 즉 예를 들어 자철광과 같이 철을 많이 포함한 광물들은 퀴리온도 이상으로 가열되면 자성을 잃어버리게 된다. 그런 뒤, 퀴리온도 아래로 냉각되면 그 당시의 지구 자기력선 방향으로 자화되는데, 한 번 굳어진 광물은 자화된 자기력선 방향은 변하지 않는다. 따라서 암석이 움직이더라도 원래 자화된 방향을 유지하기 때문에 광물은 광물이 형성될 당시의 자극의 위치를 기억하고 있다고 볼 수 있다. 이런 경우 고지자기(paleomagnetism) 또는 화석지자기를 가지고 있다고 말한다. 따라서 고지자기 연구는 대륙이동설과 해저확장설의 근거가 되는 하나의 증거가 된다.

 

– 새로운 해양 지각이 형성되면 자화되고 그 다음에 융기부분에서 멀어진다. a:500만년 전 b:약 2~300만년 전 c:현재의 융기

 


◎ 지구자기장의 주요 특징

 

1) 지구자기의 3요소

 

 

– 편각 : 수평면에 대해 자침의 N극이 가리키는 방향이 지리상의 북쪽과 이루는 각을 편각이라고 한다. 서울 지방의 편각은 약 5°W다.

– 복각 : 자침은 연직면에서 자유롭게 회전하게 하면 수평면에 대해 기울어진 방향을 가리킨다. 이 기울어진 각을 복각이라고 하며 복각 방위계로 측정할 수 있다.

– 수평자기력 : 지표상 어느 지점에서의 전자기력은 자석의 N극에 작용하는 힘을 말한다. 이 힘을 연직 성분과 수평 성분으로 구분해 각각 연직자기력ㆍ수평자기력이라고 한다.

 

지구 자기장은 각 지점에서 수평자기력ㆍ복각ㆍ편각으로 나타낼 수 있으므로 이를 지구 자기의 3요소라고 한다.

 

 

2) 지구자기장의 쌍극자 모델

 

– Ng : 북극, Nm : 북자극

 

지구 자기장은 지구의 자전축에 약 11도 경사지고 지구의 중심과 약 400 ~ 500 km 엇갈려있게 강력한 막대자석을 놓음으로써 지표면에서 관측되는 자기장의 약 90%를 설명할 수 있고 작은 막대자석을 주 막대자석 주위의 적당한 위치에 놓음으로써 나머지 10%의 자기장을 설명할 수 있다.

 

북자극과 남자극을 연결하는 축은 지구의 중심 근처를 지나지 않는다. 즉 지구자기장은 지구와 대칭적이지 않은 것이다. 더 이해가 되지 않는 것은 두 자극 위치의 다양한 이동은 종종 서로 아무 관계가 없는 것처럼 보일 때도 있다는 것이다.

 

 

하나의 북자극과 남자극이 있는 것이 아니라 측정결과 여러 개의 약한(10%의 자기장 세기를 가진) 자극이 존재한다는 것이 알려졌다.

 

 

3) 지구 자기장은 변한다

 

지구 자기장의 세기와 방향은 일정 불변한 것이 아니다. 지구 자기장은 지구 내부의 원인과 외부의 원인에 의해 수시로 변한다. 영국 런던과 프랑스 파리에서는 과거 4백여 년 간 편각과 복각을 측정하였는데, 이에 의하면 과거 4백여 년 간 편각이 30°, 복각이 20° 정도 변했다는 것을 알 수 있다. 이것은 지구 자기장이 수십 년 단위로 서서히 변화하고 있음을 말해주는데, 이를 영년 변화라 한다.

 

– 윗 그림은 장기간의 북자극의 이동을 보여준다. 빨간색 원은 직접 관측에 의한 북자극의 위치를 표시하고 파란색은 GUFM 모델(1590-1890) 및 IGRF-12 모델(1900-2020)을 사용하여 1년 단위로 모델링 한 것이다.

 

 

– 미래의 북자극 이동의 예측 : 평균 40 km/year 의 속도로 이동 중

 

 

– 위의 그림은 런던에서의 편각(偏角)의 변화를 보여준다.

 

 

– 토론토(Toronto)에서의 자기장 세기의 변화 – 160년 동안 14% 감소

 

 

영년변화에 있어 시간범위의 끝부분에 영년변화에서 가장 흥미있는 현상중의 하나가 있다. 바로 지구자기장의 경련이다. 프랑스 연구자(꾸르띠요, 1978)들 그룹이 처음 발견했는데 그들은 많은 자기장 관측소에 1969년 이후와 이전의 영년변화의 경향이 현저히 다르다는 것을 알아냈다. 유럽에 있는 관측소에서는 주로 자기장의 동쪽 요소의 힘이 두드러지게 변했는데, 세계의 거의 모든 관측소에서도 같은 현상이 나타났다. 대략적으로 같은 시간대에 모든 곳에서 나타난 것이다.

– 1969년의 경련의 발견 이후, 과학자들은 20세기 동안 1901,1913,1925,1978,1992년에 5번의 경련이 더 있었다는 것을 알아냈다. 위의 그림은 에드먼턴(캐나다)의 북쪽에 있는 Meanook 자기장 관측소의 편각의 연(年)변화를 보여준다.

 


◎ 지구자기장 생성 주요 이론

 

지구가 어떻게 자기장을 가지게 되었는지, 그리고 그것이 어떻게 유지되어 왔는지  아직도 모두가 궁금해하는 사실이며, 오늘날도 완전히 규명되지는 않았다. 현재도 지구 자기장의 특성을 정확하게 모델화하기 위해 많은 논문이 쓰여지고 있다.

 

1) 영구자석설

영구자석설은 지구 자기장의 중심에 위치한 강력한 막대자석 때문이거나 맨틀 또는 지각의 자성 물질 때문에 지구가 자기장을 형성한다는 이론이다. 그러나 맨틀과 핵의 온도는 섭씨 수천 도에 달하는 반면 자성물질의 퀴리온도는 섭씨 수백 도에 불과해 이 이론은 부정되었다. 퀴리온도는 자성물질이 자성을 가지게 되는 온도로서 보다 높은 고온에서는 자성을 잃어버리는 임계온도이다. 지구에서 가장 흔한 자성광물은 자철석과 적철석, 그리고 철 등인데 이들의 퀴리온도는 각각 580℃, 680℃, 780℃에 불과하다.

영구자석설은 고체의 자성물질에서는 발생할 수 없는 비교적 짧은 시간 동안에 일어나는 영년변화를 설명할 수 없다. 또한 지구의 자기장이 주기적으로 역전 현상이 일어난 것은 고체 지구로는 설명이 불가함으로 영구자석설은 현재 부정되는 이론이다.

 

 

2) 다이나모(dynamo) 이론

지구의 외핵은 액체상태로서 운동이 쉽고 또 양도체로 구성되어 있기 때문에 이와 같은 액체의 운동에 의하여 전류가 발생되고 이 전류에 의해 자기장이 발생할 수 있다는 다이나모 이론에 의하여 지자기장의 생성과 유지 및 역전현상을 설명할 수 있게 되었지만, 상세한 기구에 대하여는 아직 완전히 해명되지 않고 있다. 여기서 다이나모란 역학적인 에너지를 전기적인 에너지로 바꾸어 주는 메카니즘을 말하며, 자기여기다이나모 또는 패러데이 원판 다이나모라고 부른다.

 

– 다이나모 이론. 지구 외핵 내부에서 대류 흐름은, 내핵에서 발생하는 열로 인하여 일어나며, 코리올리 힘에 의해 여러 구역에 걸쳐 회전하는 형태로 일어나며, 순환 전류를 만들어 자기장을 형성한다.

 

 

오늘날 다이나모 이론은 유력한 이론이지만  여러가지 이유로 인해 완전히 받아들여지지는 않고 있다. 이 이유에 대해 좀 자세히 살펴보면:

– Internal Frictional Drag

지구가 생성된지 46억5천만년이 지났다. 그러면 물리학적으로 외부면과 내부의 매체가 분리되어 회전하면서(회전축도 다르고) 발생하는 마찰에 의해 이미 오래전에 지축과 자기장축이 일치되었어야 한다. 게다가 지속적으로 서로 다른 속도의 차이가 경계면에서 부터 줄어들어 지금은 거의 차이가 없어야 한다. 그러므로 이것은 오늘날 자기장을 유도할 수 있는 유일한 회전은 자전 밖에 없다는 것을 의미하는데, 이런 경우 자극과 지리상의 극의 위치가 사실상 같아야 하지만 수많은 증거들은 이렇지 않다는 것을 보여주고 있다.

 

– Asymmetric Location of the Iron Core

기본 다이나모 이론에서 또다른 복잡한 문제는 두개의 자극을 연결되는 선과 지축과의 차이 때문에 전체로 회전하는 core는 지구 내부에서 상당히 불안정해질 수밖에 없다. 회전하는 철 core의 회전축은 북자극과 남자극을 연결하는 선 상에 있을 것이다. 이것은 거대한 철 core가 지구의 중심으로 부터 수백 km 떨어진 곳에 중심이 있다는 의미이다. 이것은 거대한 철 core가 계속해서 지구의 격렬한 진동을 초래할 것이기 때문에 역학적으로 불가능하다. 또한 이러한 불안정한 상황은 역학적으로 수십억년 전에 이미 스스로 중심으로 복귀했어야 한다.

 

– 운동량의 보존

다이나모 이론은 필수적으로 거대한 회전 core 때문에 아주 큰 회전 관성을 요구한다. 그럼에도 지구자기장 역전을 설명할때 core의 회전 방향이 바뀌었기 때문이라고 주장하는 우스운 몇몇 과학자들이 있다. 알려진 메커니즘 중에 어떠한 것도 그런 거대하고 난폭한 각운동량의 변화를 초래하는지 설명할 수 있는 것이 없다. 또한 그런 기계적인 변화의 2차적인 결과도 반드시 나타나야 함에도 어떠한 증거도 발견되지 않았다.

 

– Short-Term Anomalies

짧은 기간 내에 자기장 세기와 방향의 변화, 그리고 자극의 변덕스러운 이동도 설명되어져야 한다. 회전하는 거대한 core는 축의 방향이나 방위, 회전 속도를 앞의 의문점이 설명될 수 있을 정도로 빨리 변할 수가 없고 그러한 변화에 필요한 힘은 상상의 범위를 넘어선다. 그리고 우선 그러한 힘의 원천이 될만한 것이 없다.

기본 물리학에 각운동량 보존의 법칙이 있다. 만약 어떤 짧은 순간에 거대한 토크가 있었다면 core 전체의 회전에 점차적으로 변화를 줄 것이며 아울러 반작용으로 같은 토크가 지구의 나머지 부분에도 영향을 미칠 것이다. 우리가 살고 있는 지각을 포함해서 말이다. 그러한 꽤 격렬한 운동은 쉽게 관측이 될 것이다.

변덕스러운 자극의 이동은 축을 기울게 하기 위해 다른 종류의 내부에서 발생하는 토크가 필요하다. 간단한 수학적 계산으로도 매일 조금씩 발생하는 자극의 이동에는 전체 core가 기울어지게 하기 위해 수많은 토크들이 필요하고 반작용이 지구의 바깥 부분으로 영향을 미칠 것이다. 회전하는 철 core는 본질적으로 하나의 거대한 자이로스코프이다. 만약 어떤 자이로스코프의 축을 변경시키는 토크를 빠르게 적용시키면 삼차원 상에서 가속도가 발생할 것이지만 이와 관련된 어떤 증거도 존재하지 않는다.

 


지구자기장 역전

 

지질학적인 증거가 지난 400만년 안에도 꽤 많은 지구자기장 역전이 있었음을 보여준다. 지난 1억년 동안 약 170번의 역전이 있었다는 주장도 있다.

25만년 주기, 10만년 주기 등이 있고 현재는 78만년 째 역전이 발생하지 않고 있다.

 

지구자기장 역전과 관련있는 현상인 지자기 편위(geomagnetic excursion)가 마지막 빙하기였던 41,000년 전에 일어났다.

 

지자기 역전과 빙하기, 대량 멸종과의 관련성을 주장하는 학자들이 있다.

 

※ 지구자기장 역전(지자기 역전)과 지자기 편위 : http://yellow.kr/blog/?p=3333

 

아래는 지난 4백만년 동안의 지구자기장 역전을 보여주는 그림이다.

 


◎ 태양과 태양계 행성의 자기장

 

– 지구형 태양계 행성의 내부 구조 및 자기장의 그림. 각 행성과 위성은 크기에 맞게 그려졌다. 내부 구조는 일반적으로 알려진 정보를 기반으로 한다. 자기장은 개략적이지만 상대적인 크기와 방향을 반영하고 있다.

 

 

– 목성형 행성들의 자기장

 

표면에서 자기장의 세기는 목성을 제외하면 지구가 가장 세다.

 

자세한 것은 따로 정리 예정이다.

 


지구자기장의 관련 그림

 

– 현재 북자극과 남자극의 축은 지구 자전축과 약 11도 정도 경사져 있으며 지구 중심을 통과하지 않는다.

 


– 1590년에서 1990년까지 추정되는 편각의 변화

 

 

 


< 참고자료 및 관련자료 >

 

위키백과 : 지자기

위키백과 : 다이너모 이론

네이버 지식백과(지구과학산책) : 지구자기장

네이버 지식백과(광물자원용어사전) : 다이나모 이론

네이버 지식백과(두산백과) : 영구자석설

네이버 지식백과(지구과학사전) : 자기권

네이버 지식백과(학생백과) : 지구 자기의 3요소

http://geomag.org/

https://www.ngdc.noaa.gov/geomag

살아있는 지구의 역사 (리처드 포티 / 이한음 역 / 까치글방 / 2005.01.20)

https://web.ua.es/docivis/magnet/earths_magnetic_field2.html

http://www2.ess.ucla.edu/~nimmo/website/ptrsl.pdf

http://mb-soft.com/public/tecto2.html

http://nuclearplanet.com/

http://quantavolution.net/vol_03/chaos_creation_07.htm

지구자기장에 영향을 미치는 해양의 흐름

2018-09-06  목성 자기장 S극은 2개…지구와는 사뭇 달라

2018-08-24  지구 자기장 N·S극 수시로 변했다…대혼란 올 수도

2018-02-06  지구 자기장 200년 간 15% 약화…N·S극 반전 임박?

2014-11-28  지구가 ‘인간을 위한 행성’인 또 하나의 새로운 이유

2010-03-06  <과학> 지구 자기장, 생각보다 일찍 형성

2008-06-25  고려때도 ‘오로라’ 있었다

 

지구 자기장 조사

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