지구자기장 역전(지자기 역전)과 지자기 회유

지구자기장 역전(Geomagnetic reversal) 혹은 지자기 역전은 지구의 자북과 자남의 위치가 서로 바뀌는 지구 자기장의 변화이다(지리적인 북극, 남극과 혼동하지 않도록). 만일 현재 기준으로 지구자기장 역전이 발생하면 나침반의 N극이 남쪽을 가리키고 S극이 북쪽을 가리키게 된다.

지구자기장 역전이 왜 일어나는지 아직 정확한 원인은 모른다. 그러나 고지구자기 연구를 통하여 알아낸 바에 의하면 지구 자기장이 생긴 이래로 적어도 수백 차례 이상 지자기 역전이 일어난 것으로 알려져 있다.

가장 최근의 지구자기장 역전인 ‘마츠야마-브루느’(Matuyama-Brunhes) 역전은 약 78만년 전에 발생했으며, 역전이 매우 빠르게 일어났을 수도 있다는 주장이 나오고 있다.

이탈리아 국립지구물리·화산학연구소(INGV) 레오나르도 사그노티 박사가 이끌고 미국, 프랑스, 브라질 학자들이 참여한 국제 연구팀이 가장 최근에 발생했던 ‘마츠야마-브루느’(Matuyama-Brunhes) 자기 역전기가 인간의 수명과 거의 동일한 100년 미만이었음을 해명했다.

– http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20141017601011

최근 에 게재된 연구에 따르면 지구의 자극이 부분적으로 바뀌거나 혹은 일시적으로 바뀌는 현상이 예상보다 훨씬 빠르게 발생할 수도 있다고 합니다. 심지어 인류의 한 세대가 끝나기 전에 이런 현상이 나타날 거라는 분석도 나옵니다.

……

연구에 참여했던 호주 국립대학 지구과학과 Andrew Roberts 교수는 “이 기록은 우리가 예상했던 것보다 더 빠르게 자기역전 현상이 일어날 수 있음을 보여줬다”고 전했습니다.

– http://earthsky.org/earth/study-magnetic-field-reversals-happen-faster-than-thought

– 스틴슨 산의 지자기역전

일시적이거나 불완전한 역전 현상도 있다. 예를 들어 평소의 북자극으로부터 멀어져 적도 근처까지 갔다가 다시 원래의 위치로 되돌아오기도 한다. 이러한 현상을 지자기 회유(Geomagnetic excursion)라고 한다.

[지질학백과]를 보면 지자기 회유(Geomagnetic excursion)를 다음과 같이 설명하고 있다.

지구자기장이 정상적인 상태로부터 멀리 벗어나는 것이 관측되어 왔다. 지구자기장의 방향이 완전히 역전되지 못하고 짧은 기간 동안 정상적인 상태로부터 멀리 벗어났다가 원래의 정상적인 상태로 되돌아오는 것을 지자기 회유(geomagnetic excursion)라 한다. 일반적으로 지자기 방향으로부터 계산한 가상 지자기극은 극성 천이(polarity transition, 역전 현상)와 무관하면서, 그 시대의 시간적 평균 위치로부터 40° 이상 벗어날 때 지자기 회유가 일어난 것으로 간주한다.

지자기 회유(Geomagnetic excursion)는 일반적으로 가상 지자기 극(virtual geomagnetic pole)이 지리적인 극에서 40-45도 이상 기울어졌을 때나, 가상 지자기 극이 지구자기장의 일반적인 영년변화의 범위를 벗어났을 때로 정의한다. 지자기 역전처럼 지자기 회유는 지구자기장의 중요한 변동이다. 지자기 역전과는 달리 지자기 회유는 지속적이지 않고 짧은 기간 동안의 변동이며 다시 현재의 자북, 자남 비슷한 위치로 돌아간다는 것이다. 이 기간 동안 지구 자기장의 세기는 정상 강도의 0 ~ 20%로 감소한다.

지질학적 시간으로 최근을 제외하고는, 지자기 회유가 얼마나 자주 발생하는지 잘 밝혀지지 않았다. 자기장 방향의 변화에 의해 쉽게 감지되는 지자기 역전과는 달리, 상대적으로 시간이 짧은 지자기 회유는 과거의 지구 자기장 세기에 대한 장기간의 기록에서 쉽게 간과될 수 있다. 현재 학계에서는 지자기 회유가 지자기 역전 보다 약 10배 더 많으며, 현재의 지자기 역전 구간인 Brunhes-Matuyama 역전 기간 내에 최대 12번의 지자기 회유가 있었음을 제안하고 있다.

라샹 이벤트(Laschamp event)로 알려진 일시적인 지자기 역전(?)이 마지막 빙하기 기간이었던 약 42,000~41,000년 전에 발생했다. Laschamps event는 최초로 알려진 지자기 회유였고, 이후 알려진 지자기 회유 중에서 가장 많이 연구된 상태이다. 라샹 이벤트(Laschamp event) 동안 자기장의 세기는 현재 세기의 4~5%로 약화되었다.

※ 라샹 이벤트(Laschamps event) – 42,000년 전 : http://yellow.kr/blog/?p=4836

지자기 회유의 원인에 대해서는 과학적 의견이 분분하다. 주된 가설은 자기장을 생성하는 다이너모 프로세스의 내재적 불안정성이라는 것이다. 어떤 이들은 자기장이 액체 외핵 내에서만 역전될 때 지자기 회유가 발생하고, 외핵과 내핵이 모두 영향을 받을 때 완전한 지자기 역전이 일어날 것이라고 주장한다.

R.A. Muller와 D.E. Morris는 매우 큰 충격과 그에 따른 급격한 기후 변화에 따른 지구자기장 역전을 제안한다. 그 충격은 적당한 규모의 빙하기와 극지방으로의 물의 재분배가 지각과 맨틀의 회전 속도를 변화시키는 계기가 되었다. 만약 해수면 변화가 충분히 크고(>10미터) 빠른(몇백 년 정도의) 액체 외핵의 속도 전단 때문에 지구의 발전기를 구동하는 대류가 파괴된다.

지구자기장의 극성에 대한 시간의 척도가 만들어진 직후 과학자들은 지구자기장 역전과 멸종의 관련성에 대한 가능성을 탐구하기 시작했다. 대부분의 제안은 지구의 자기장이 역전되는 동안 그 세기가 훨씬 약할 것이라는 가정에 있다. 2012년 독일의 한 연구에서 41,000년 전의 짧은 지자기 역전 기간 동안 그린랜드 얼음 코어에서 베릴륨-10의 수치가 정점을 보여주었고, 이로 인해 자기장의 세기가 역전이 진행되는 동안 정상의 약 5%로 떨어졌다.

멸종과 지자기 역전의 상관 관계에 대한 분석은 여러가지 이유로 어렵다. 따라서 현재로서는 명확한 증거를 찾기가 쉽지 않다.

지자기 회유가 빙하기 기간에 단기간의 빠른 기후 냉각의 현상과 관련이 있다는 증거가있다.

※ 지구자기장 역전과 지자기 회유와 관련하여 이런저런 자료를 보고 나름대로 정리해 보았다.

– 지구자기장의 역전은 지자기 회유에 따른 결과이다. 북자극이 이동하다가 적도 근처에서 다시 정상으로 갈 수도 있고 역전이 될 수도 있다.

– 지자기 회유때 발생하는 자기장 세기의 약화가 생물에 방사선 등 직접적인 영향과 대기의 변화(산소의 감소 같은) 등 간접적인 영향을 줄 수 있다.

– 지자기 회유와 멸종 그리고 단속평형설이라는 진화론은 좋은 시나리오로 보인다.

– 지자기 회유는 지구 내부의 어떤 변동으로 발생하는 것이기 때문에 이것은 지각 운동과 광범위한 화산 활동으로 이어질 수 있다. 이는 멸종의 원인으로 지목되는 주요한 후보이다.

– 지자기 회유는 빙하기와 관련이 있다.

– 지자기 회유는 지구 온난화와도 관련이 있다.

계속 자료를 찾아보며 이 글을 수정하던지, 새 글을 통해 내용을 보강해 나가겠다.

※ 관련글

– 지구자기장 조사 : http://yellow.kr/blog/?p=3299

– 예전에 신문광고를 냈던 아마추어 과학자(?) 강희문씨 논문

Ice age polarity reversal was global event: Extremely brief reversal of geomagnetic field, climate variability, and super volcano

– https://phys.org/news/2012-10-extremely-reversal-geomagnetic-field-climate.html

– October 16, 2012, Helmholtz Association of German Research Centres

약 41,000년 전, 지구 자기장의 완전하고 신속한 역전이 발생했다. 흑해의 퇴적물 코어에 대한 자성 연구에 따르면 이 기간 동안 마지막 빙하기에 흑해의 나침반이 북쪽 대신 남쪽을 가리킬 것이다. 또한 연구팀이 얻은 데이터는 북대서양, 남태평양 및 하와이의 다른 연구에서 얻은 추가 데이터와 함께 극성 반전이 글로벌 이벤트임을 입증한다.

……

포츠담의 지구과학자들은 41,000년 전의 지구자기장 역전에 대한 증거 외에도 그린란드 빙하 코어에서 이미 알려졌듯이 흑해 코어의 분석을 통해 마지막 빙하기에 수많은 급격한 기후 변화를 발견했다. 이것은 궁극적으로 흑해와 그린란드의 두 데이터 기록이 정확하게 일치한다는 것을 인정하게 되었다.

지난 10만년 동안 북반구에서 가장 큰 화산 분출 중의 하나인, 이탈리아 나폴리 근교의 캄피 플레그레이(Phlegraean Fields) 지역에서 39,400년 전에 발생한 화산 폭발은 흑해의 퇴적물 연구에서 상세히 기록되었다. 약 350 입방 킬로미터의 암석과 용암이 분출되었고 화산재는 지중해 동부 전역과 러시아 중부까지 덮였다.

지구자기장의 짧고도 빠른 역전, 마지막 빙하기의 단기 기후 변동성 및 이탈리아의 화산 분출과 같은 세 가지의 극단적인 시나리오는 처음으로 같은 지질학적 연대기에서 조사되어 정확한 연대순으로 정리되었다.

Possible relationships between changes in global ice volume, geomagnetic excursions, and the eccentricity of the Earth’s orbit

– https://pubs.giss.nasa.gov/abs/ra08500r.html

– Rampino, M.R., 1979: Possible relationships between changes in global ice volume, geomagnetic excursions, and the eccentricity of the Earth’s orbit. Geology, 7, 584-587, doi:10.1130/0091-7613(1979)7<584:PRBCIG>2.0.CO;2.

Orbital Variation -> Redistribution of Ice & Water -> Change in moment of interia -> Core-Mantle Interactions -> Magnetic excursions -> Climate Change

지구의 얼음 양, 지자기 변동 및 단기 기후 냉각이라는 주요 변화 사이의 가능한 관계는 지난 400,000년의 기후 및 지자기 기록 연구를 통해 조사되었다. 계산에 따르면 지구의 물의 양을 재분배하면 지구의 자전에 불안정이 발생하여 지자기 회유(geomagnetic excursions)가 발생할 수 있다. 이러한 자기장의 변동은 여러 가지 제안된 메커니즘을 통해 지구의 급속한 냉각을 초래할 수 있다. 주요 빙하 부피 변화의 시기에 지자기 회유(geomagnetic excursions)와 지구의 급속한 냉각 및 빙하의 전진이라는 사건이 동시에 일어난 시기는 약 13,500, 30,000, 110,000 및 180,000 B.P.에서 발생했다. 지구 궤도의 최대 이심률의 최근 4번째 그리고 아마도 5번째도 지자기 변위와 밀접하게 관계가 있는데, 지구의 급변적인 냉각과 급속한 얼음의 형성은 이러한 지자기 회유(geomagnetic excursions)를 수반했다. 따라서 밀란코비치(Milankovitch)주기 매개변수는 일사량의 변화와 기후에 대한 지구자기장의 영향을 통해 빙하기로 이어질 수 있다.

동아시아 지자기 규모 변동의 메카니즘 규명

– http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=TRKO201500013525

– 충남대학교 산학협력단, 유용재, 2015년 5월

○ 지구자기장의 급격한 변화가 일어났던 4번의 시기

― 800 BC, AD 200, AD 800, AD 1400 (Yu et al., 2010; Yu, 2012)

― 지구 냉각화 및 질병 창궐 등의 발생 시기와 유사 (Courtillot et al., 2007)

― 자연재해적 관점에서 문명의 흥망성쇠에 미친 영향 탐구 시도 (Ertepinar et al., 2012)

― 인류를 포함하는 생태계가 직면할 자연 재해를 예측하고 해결책을 찾는 기회로 활용

○ 대량 멸종은 지자기 급변과 시기상 유사

– 지구자기장 급변이 생태계 파괴로 이어질 개연성 충분

– Gallet et al., 2002, 2003, 2005, 2006, 2008, 2009, 2010; Genevey et al., 2009; Shaar et al., 2010, 2011; Hartmann et al., 2011; Herve et al., 2011, 2013; Gomez-Paccard et al., 2012; Reyes et al., 2013

– 역사유물 시료와 화산암을 이용해 복원한 지난 3200년간 한반도의 지표지구자기장 강도 변화 (Hong et al., 2013).

Continuous Spherical Harmonics를 이용한 Global Geomagnetic Field Model 수정에 기여 (Variation of virtual axial dipole moment (VADM) for the past 3200 years in Korea. solid red circles (with error bars): this study; ARCH3k.1 (Donadini et al., 2009); CALS3k.3 (Donadini et al., 2009); CALS3k.4 (Korte et al., 2009); CALS7k.2 (Korte and Constable, 2005a, b; Korte et al., 2005); and CALS10k.1b (Korte et al., 2011))

The effect of changes in the Earth’s moment of inertia during glaciation on geomagnetic polarity excursions and reversals: Implications for Quaternary chronology

– https://www.jstor.org/stable/24107674

– Rob Westaway, Current Science, Vol. 84, No. 8 (25 April 2003), pp. 1105-1115

제4기(Quarternary Period)의 지자기 역전 및 지자기 회유는 간빙기에서 빙하기로의 이전 및 빙하 최대기와 상관 관계가 있다. 이 관계는 얼음이 축적되는 동안 지구의 관성 모멘트의 감소를 수반하는 지구의 맨틀과 핵 사이의 상호 작용에 기인한다고 제안된다.
……

홍적세(Pleistocene) 후반의 지자기 회유는 특히 영거 드라이아스(Younger Dryas)와 단스고르-외슈거 이벤트(Dansgaard-Oeschger event, D-O event)라는 전세계 해수면 하락을 수반하는 급속한 얼음 성장의 짧은 단계와 직접적으로 관련이 있다. 이는 홍적세 중기의 기후와 지구자기장의 불안정성도 유사한 관계로 제안되었다. 해양 질량의 일부가 극지방의 빙상으로 이동한 결과, 즉 급속한 얼음 축적은 지구의 맨틀과 내핵 사이에서 각운동량과 회전 운동 에너지를 재분배한다. 이러한 변화는 지구 자기장을 약화시키고, 지자기 편이를 용이하게 하며 14C같은 우주발생 핵종(cosmogenic nuclides)의 생산을 증가시킨다. 하인리히 사건과 같은 급속하게 얼음이 녹는 그 다음 단계는 앞의 효과를 역전시키며 자기장의 세기는 강해진다.

기후의 불안정성과 지자기 회유에 대한 이러한 해석은 홍적세 중-후기 동안에 지자기 회유가 많았지만 지자기 역전으로 발전하지 못한 이유에 대한 자연스러운 설명을 제공한다.

대기 산소 탈출은 지자기역전-생물 대멸종 인과관계의 중요한 고리

– https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X14001629

– http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2014/06/10/earths-magnetic-flips-may-triggered-mass-extinctions/#.W6hbMElReHs

– https://blog.naver.com/gwatercenter/220004224460

– Earth and Planetary Science Letters Volume 394, 15 May 2014, Pages 94-98

지구는 하나의 내부[지심(core)]에서 공간[자기권(magnetosphere)]까지 다중권으로 결합된 복잡한 시스템이다. 이 시스템의 중간고리, 즉 인류와 기타 생물의 생존과 밀접한 관계가 있는 대기권(atmosphere), 생물권(biosphere), 수권(hydrosphere)은 지구내부의 동역학적 과정의 제어를 받을 뿐만 아니라 공간의 각종 물리과정의 영향도 받는다. 지질 기록 데이터에 의하면 각종 진화 행위와 중대한 사건의 구동요소는 흔히 내부에서 기원되고 공간과 결합되며 중첩된 물질과 에너지의 전환 및 이전 과정들이 누적되었다.

지구 현생대(Phanerozoic era) 단계의 진화에서 3개의 파라미터가 흥미로운 연관성을 나타낸다. 즉, 지자기역전(geomagnetic reversal)의 빈도수, 대기 산소함유량(oxygen content), 바이오매스이다(그림1). 앞서 1963년에 지핵의 변화가 초래한 지자기역전은 생물 대멸종(mass extinction)의 발생원인이라고 제기되었다. 예전에 지자기역전이 발생한 기간에, 지구는 자기장의 보호를 잃어 외부의 고에너지입자(high-energy particle) 등의 “킬러(killer)”로 인해 생물권이 피해를 입었다고 인정된 적이 있었다.

그 이후 데이터가 점점 많아져 지자기역전과 바이오매스의 연관성이 점차적으로 증명되었다. 그러나 이런 데이터는 오히려 처음의 아이디어와는 달랐다. 현생대에 천 번쯤 되는 지자기역전이 발생한 적이 있지만 전 지구적인 대멸종은 5번 밖에 일어나지 않았다. 인류 수백만 년간의 진화과정에서도 수십 번의 지자기역전을 겪었으나 멸종되지는 않았다. 그러므로 지자기역전과 생물 대멸종의 인과관계는 광범위하게 의문을 가지게 되었다. 2005년에 대기산소함량과 바이오매스의 연관성이 발견되어 이 사이의 인과관계에 대한 연구가 주력되었다. 그러나 이런 인과관계 사슬에서 상류 고리인 산소함유량 감소의 원인은 여전히 해결되지 않은 문제이다.

중국과학원 지질 및 지구물리연구소 지자기 및 공간물리연구실에서 연구원 Yong Wei는 북경대학교(Beijing University), 청화대학교(Tsinghua University), 독일 막스-플랑크태양계연구소 등 기관 학자들과의 협력을 통해 목적 있는 연구를 진행하여 이에 대한 새로운 관점을 제기했다. 첫째, 지자기역전과 생물 대멸종은 “다대일(many-to-one)” 관계이고 전통적 “일대일(one-to-one)” 관점, 즉 “지자기역전이 생물의 생존환경에 입힌 손해는 장기적이고 누적한 것임”이 아니다. 둘째, 지자기역전은 자기권의 보호작용을 약화시켜 고에너지입자의 침입을 일으킬 뿐만 아니라 산소이온탈출(oxygen ion escape)도 심해지는데 산소이온탈출만이 누적할 수 있는 것이다. 마지막으로, 현재 산소탈출 상황에 비해 지자기역전 기간의 산소탈출 메커니즘은 현재의 화성(Mars)에 가깝다.

……

이 연구는 지자기역전과 생물 대멸종의 인과과계에 대해 새로운 해석을 제기했다. 즉 수백만 년간의 시간 동안 지자기역전 빈도수의 증가로 인해 지자기장이 산소입자에 대한 보호작용이 빈번하게 약화되고 산소입자의 탈출률이 빈번하게 증가되어 대기 산소함유량이 지속적으로 감소되고 따라서 생물 대멸종을 유발하는 임계값으로 내려갔다. 이 연구결과는 “지자기역전-산소탈출-생물멸종” 인과관계 사슬의 구축에 이론적인 근거를 제공했을 뿐만 아니라 지구와 행성물리의 종합적인 연구에도 사례와 아이디어를 제공했다.

Midlatitude cooling caused by geomagnetic field minimum during polarity reversal

– https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3557043/

– Ikuko Kitaba, Masayuki Hyodo, Shigehiro Katoh, David L. Dettman, and Hiroshi Sato

은하우주선(galactic cosmic rays)에 의해 유발된 구름 형성으로 인한 기후의 영향은 최근 많은 논쟁의 주제가 되었다. 은하우주선과 구름 의 연결은 지구자기장 세기의 변화가 은하우주선 흐름을 변화시켜 기후를 변화시킬 수 있음을 시사한다. 그러나 이 가설은 강력한 지질학적 증거와는 잘 검증되지 않았다. 여기서 우리는 2번의 지구자기장 역전을 포함하는 5번의 간빙기 기간에 대한 고기후(paleoclimate) 및 고환경(paleoenvironment) 기록을 제시한다. 해양의 산소동위원소 19단계 및 31단계에는 각각 해수면의 상승 최고점과 지자기 역전(Matuyama-Brunhes 역전과 Lower Jaramillo 역전) 사이에 비정상적인 냉각 구간이 존재한다는 것을 보여준다. 이것은 해수면 최고점에서 최대 기온을 갖는다는 전형적인 간빙기 기후와 강하게 대조를 이룬다. 냉각은 지구자기장의 세기가 현재 값의 40% 미만으로 떨어졌을 때 발생했으며, 이는 우리가 은하우주선의 흐름이 40% 이상 증가 할 것으로 추정한다. 지구자기장의 세기가 회복되면 기후는 빠르게 따뜻해졌다. 우리는 지구자기장 세기가 은하우주선 흐름의 변화를 유발해 지구 기후에 영향을 미칠 수 있다고 제안한다.

– Comparison of climate and sea-level proxies for marine oxygen isotope stages (MISs) 17, 19, 21, 25, and 31. (A) For the warm climate proxy, the proportion of Quercus (Cyclobalanopsis) from an Osaka Bay core is used. (B–D) For the sea-level proxy, the sulfur content and the proportions of marine and pelagic diatoms from the same core are used. No diatom fossils were found at depths 502.23–506.75 m, 571.50–580.20 m, or 585.98–594.65 m (Fig. 1). (E) Marine oxygen isotope stack LR04 (19). Shading indicates thermal maxima based on pollen data. Triangles show the sea-level peak of Osaka Bay. Parts of pollen, sulfur, and diatom data are from previous studies (14, 16, 18). The topmost part of the MIS 17 layer is eroded at 340.34 m.

<관련 그림>