지구자기장
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1. 개요
地球磁氣場, earth's magnetic field
지구가 방출하는 자기장.
2. 상세
통칭 "지자기(地磁氣)"라고도 한다. 나침반으로 동서남북을 찾을 수 있는 것이 바로 지구자기장 덕분이다. 자기력선은 N극에서 나와 S극으로 들어가는데 현재는 남극쪽이 N극이고 북극쪽이 S극이다. 나침반의 N극이 북쪽, S극이 남쪽을 가리키는 것이 이 때문.[1]
지구자기장의 북극과 남극은 각각 자(磁)북극, 자남극이라 부르며, 이는 지구 자전축이 지표면과 만나는 점인 지리적 남북극, 즉 진북극・진남극과는 다르다.
지구자기장의 세기는 위치에 따라 약 25~65 마이크로테슬라 (=250~650 밀리가우스) 정도. 만약 아이폰이나 갤럭시같은 지자기센서가 달린 스마트폰이 있다면, EMF 계열의 공짜 앱을[2] 다운로드받아 지자기를 측정해보자. 우리나라에선 대개 40 마이크로테슬라 (400밀리가우스) 정도의 지자기가 측정된다.
네오디뮴 영구자석이 지근거리에서 수백 마이크로테슬라 단위의 자기장을 발한다는 것을 생각해 보면, 지자기는 별로 세지 않다고 느낄 수도 있다. 그러나 자기장도 역제곱법칙을 따르므로, 당신의 위치에 관계없이 어디서나 수십 마이크로테슬라의 자기장이 검출된다는 것은 지구가 얼마나 강력한 자석인지를 보여주는 것이다.[3]
지구의 외핵에는 철과 같은 자성체 금속이 녹아서 액체상태로 존재하는데, 이것이 서서히 흐르면서 (소위 지구 내부의 대류현상) 발전기처럼 작용하여 전자기장을 생성하는 것이 지구자기장이라는 설이 유력하다.
상공 1,000~60,000 킬로미터에는 지구자기장에 붙잡힌 방사성 입자의 띠가 있는데 이것이 바로 밴 앨런대(Van Allen Belt)다. 밴 앨런대의 구성물질은 대부분 태양풍, 즉 태양에서 분출된 플라즈마인데, 만약 지구자기장이 없다면 이 입자들은 밴 앨런대에 붙잡히는 일 없이 지구대기를 맹폭격하여 오존층을 전부 파괴해버리고, 그 결과 태양광의 자외선이 전부 지표면으로 쏟아져 들어오게 될 것이다. 자외선이 토양의 세균과 바닷물의 플랑크톤을 모두 죽여버리면 지구는 화성과 같은 죽은 별이 될 수밖에 없으니, 지구에 생명이 존재하는 것은 지구자기장의 덕분이라 해도 과언이 아니다.[4]
다시 말해 SF에 나오는 에너지 방어막에 가장 가까운 것이 바로 지구자기장인 셈. 눈에 보이지 않는 전자기장이 지구의 생물들을 방사선과 자외선으로부터 지켜주고 있는 것이다. 고맙게 생각하자.
지구자기장의 모델을 다운로드할 수 있다. 바로 원하는 위치에 원하는 시간에 대한 지구자기장을 계산할 수 있는데, 실행파일도 있고 소스코드도 있으니 한번 받아보는 것도 나쁘지 않을듯. 이 모델은 IGRF(International Geomagnetic Reference Field)라는 곳에서 5년만에 한번씩 발표하고 있다. 2020년 현재 가장 근래에 공개된 모델은 2019년 12월에 배포된 WMM2020으로, 모델로 2024년 연말까지 정확도가 비교적 보장된다. 모델을 만드는 데에는 세계곳곳에 위치한 관측소에서 측정한 지구자기장을 사용하고 있다.
2018년 말에는 지구자기장이 항해용 나침반을 재조정해야 할 정도로 심한 변동을 보이고 있다. 2000년까지만 해도 자북극이 1년에 10~15킬로미터 정도 이동하였는데, 2018년에 이르자 자북극이 매년 50킬로미터가량 이동할 정도로 변동폭이 커졌다. 1900년에서 1990년 사이에 자북극이 이동한 총 거리가 약 1000킬로미터인데, 1990년에서 2018년 사이에 1000킬로미터 가량 이동했으니 이동 속도가 매우 빨라진 것.
42억년 전에도 자기장이 강했다.#
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▲ 지구자기장과 태양풍의 모식도. 낮 부근의 자기장 형성 범위는 65,000km 상공까지이며, Bow Shock는 90,000km 상공에 형성된다.
여담으로 지구 내부의 대류현상은 지구 자체의 방사능 물질에서 발생하는 열 때문이기도 하지만, 태양과 달의 인력에 기인하는 부분도 크다. (역으로, 달도 지구와 태양의 인력 때문에 나름대로의 화산활동이 있고, 가끔 월진(月震)도 일어난다.) 반면에 큰 위성이 없는 화성같은 행성의 경우, 행성내부 대류현상이 거의 없어 자기장도 갖고 있지 않다. 이때문에 화성 표면에는 태양풍과 자외선(오존층도 없으므로)이 여과 없이 그대로 내리쬐며, 이것이 화성의 테라포밍의 가장 큰 걸림돌이다.
3. 지구 외 행성의 자기장
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태양계 행성들의 자기장. 태양계 행성들의 경우, 강력한 자기장을 가진 행성은 지구를 제외하면 모두 목성형 행성들이다.
태양계에는 지구 외에도 자기장을 가진 행성들이 있다.
그중에서도 대표 주자는 단연 목성으로, 태양계 내 행성관련 현상으로는 가장 큰 크기를 갖는다. 목성의 자기권(마그네토스피어)의 꼬리부분(태양의 반대쪽)은 토성 궤도까지 뻗어있을 정도다.[5]
어째서 목성의 자기장은 이렇게 강력한가? 녹은 철이나 경금속류 따위를 대류시켜 자기장을 형성하는 다른 행성들과 달리, 목성의 자기장은 목성 특산물인 액체 금속수소라는 물질이 행성 외핵을 대류하며 발생하는 것으로 알려져 있는데, 액체 금속수소는 강력한 초전도물질이기 때문에 이것이 대류하며 행성 다이나모(발전기)로 작용해 발생하는 자기장의 강도가 녹은 철 등의 대류로 발생하는 자기장보다 훨씬 강력한 것이 아니겠냐는 추측이 있다. 물론 금속수소는 지구에서 우리가 실제로 접해볼 수 있는 물질이 아니기 때문에(엄청난 고압이 필요하다) 이는 추측에 불과할 뿐이다. 또한 엇비슷한 덩치를 자랑하는 토성도 핵에는 액체 금속수소가 존재할 것으로 예측되는데도 불구하고 토성의 자기장은 상대적으로 빈약하다는 점도 의문이다. 그런데 최근 NASA의 발표에 의하면 토성의 자기장이 목성에게 밀리지 않으며, 질량 차를 고려했을 때 질량당 자기장은 토성이 오히려 강하다는 관측 결과가 나왔다고 한다. 토성참조.
목성의 자기장은 목성 적도에서 약 430 마이크로테슬라로(지구의 20배 정도)[6] 막강하고 자기권의 규모도 엄청나다. 게다가 목성의 위성들 중에는 우주공간으로 입자를 분출하는 위성도 있는데(이오), 여기 포함된 이산화황 등의 물질이 목성 자기장과 복잡하게 상호작용하며 "제2의 대기"를 형성한다. 여기 붙잡혀 있는 고에너지 입자들이 갖는 에너지만도 어마어마해서, 목성 부근을 지나는 무인탐사선들에게 큰 위협이 되곤 한다. 앞서 지구자기장이 우주방사선을 붙잡아 지표의 생명체들을 보호해준다고 하였는데, 이는 뒤집어 말하면 행성자기장에는 붙잡힌 고에너지 입자들이 바글거린다는 의미이다. 지구의 반 알렌대에도 고에너지 전자, 양성자, 알파입자 등이 잔뜩 있다. 목성의 반알렌대는 그 규모와 방사능의 준위 면에서 지구를 월등히 능가한다. 때문에 목성에 가까운 위성들은 대개 목성 자기장의 방사선을 뒤집어쓰며 목성을 공전하고 있으며, 4번 위성인 칼리스토쯤 가야 방사선의 수준이 좀 낮아진다.
그에 비하면 목성 외의 거대 외행성들은 좀 덩치값을 못한다는 느낌. 위의 그림을 보면 토성, 천왕성, 해왕성의 적도에서의 자기장 강도는 오히려 지구만도 못하다. 이것은 해왕성, 천왕성 같은 목성형 행성들은 지구보다 직경이 훨씬 큰데, 자기장이나 중력 등의 힘은 그 중심으로부터의 거리의 제곱에 반비례하기 때문에, 애당초 측정 조건이 덩치 큰 행성에게 불리할 수 밖에 없다.[7] 그러니까 목성이 엄청난거다.[8] 만약 토성, 천왕성, 해왕성을 자기장의 강도는 그대로 두고 행성의 크기만 지구 크기로 축소할 경우, 그 적도에서 측정한 자기장의 강도는 지구의 자기장을 능가할 것이다.
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천왕성, 해왕성의 경우에는 자전축과 자기장축이 크게 비틀어져있는데, 이는 두 행성의 내부 물질이[9] 목성, 토성과는 다르기때문이라고 추측된다. 때문에 천왕성과 해왕성에서는 오로라가 극지방에서 좀 떨어진 곳에서 관측된다. 특히 천왕성은 자전축이 거의 수직에 가깝게 기울어져있기 때문에 적도 근방에서 나타난다.
수성도 행성자기장이 있다. 물론 지구에 비하면 미미한 수준으로 적도에서 300나노테슬라(지구의 100분의 1 수준) 정도지만, 그래도 있긴 있다. 수성 외핵에 철과 같은 금속이 존재하는데다 태양의 조석력이 강하게 작용하기 때문에, 행성 다이나모가 작용하고 있는 모양.
달도 한때 자기장이 있었음이 월석의 분석을 통해 밝혀졌다. 아마도 옛날 달이 지구에 더 가깝던 시절에는 지구의 조석력이 더 강하게 작용했기 때문에 달 내부의 자성물질이 대류했던 게 아니겠냐는 추측이 있다.
위에서 말했듯 금성은 행성자기장이 없는데, 2006년에 ESA 탐사로봇인 비너스 익스프레스가 경이로운 발견을 했다. 금성엔 분명 자기장이 없는데도 금성 주변에 지구의 자기권(마그네토스피어)과 유사한 현상이 관찰된 것. 물론 규모는 지구 것보다 훨씬 작다. 아마도 태양풍이 금성의 두터운 대기와 충돌하며 대기 외곽의 기체 분자를 전자와 분리시키며 플라즈마를 형성, 이 플라즈마의 흐름이 행성 자기권과 유사한 형태를 이루는 것이 아니겠냐는 추측을 하고 있다.
참고로 금성에 자기장이 없는 것은 자전속도가 느려서가 아니다. 과거에는 자전속도가 느려서 자기장이 없다고 추측했으나 시뮬레이션 결과, 금성의 자전이 느리기는 하지만 다이나모 현상을 일으키기에는 충분한 것으로 드러났다. 때문에 현재는 자전이 느려서가 아니라 핵의 대류가 없어서 자기장이 없다고 추측하고 있다.[10][11] 혹은 자전 방향이 역전되면서 극이 역전되는 도중이라 자기장이 상쇄되고 있다고 추측하는 이론도 있다.
4. 항성의 자기장
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2016년 3월 12일 NASA에서 촬영하여 공개한 태양자기장 그림. 링크
항성들은 당연히 전부 자기장을 가지며, 태양도 거대한 자기장을 갖고 있다. 태양의 흑점이나 코로나 등은 모두 태양의 자기활동 때문에 발생하는 현상이다. 태양 같은 항성의 자기장은 행성들의 자기장과는 달리 플라즈마의 대류로 인해 형성된다. 이 때문에 태양 자기장의 활동은 매우 역동적이며, 지구에서는 몇만년에 한번 꼴로 일어난다는 자기극의 역전이 11년에 한번씩 일어난다. 태양의 경우 적도에서 측정한 자기장의 강도는 지구 적도에서 측정한 자기장의 약 두배 정도인 평균 50마이크로테슬라 정도이다.
항성의 자기장 중 가장 강한 건 중성자별의 일종인 마그네타로, 강도가 무려 10'''기가'''테슬라에 이르며, 원자가 이 자기장을 만나면 제 형태를 유지하지 못하고 휘어져 버릴 정도로 강력하다.
5. 위성의 자기장
위성의 경우 가니메데에서 자기장이 발견되었다.
6. 매체에서의 모습
위 동영상은 영화 노잉의 클라이막스. 태양에서 발생한 슈퍼 플레어가 지구의 자기장을 뚫어버리고 극지방에서나 보여야 하는 오로라가 미국 메사추세츠 주의 보스턴 인근 지역의 하늘에 펼쳐진 모습이 보인다.
지구자기장과 오존층의 무력화가 나오는 영화로는 졸작으로 악명높은 하이랜더 2편이 있다. 오존층이 없어져 피부암이 급증하자 주인공이 태양 자외선을 차단하는 인공 오존층을 만들어 지구 전체를 둘러싸는 것으로 영화가 시작하는데, 영화가 전체적으로 너무 엉터리라 이런 세세한 설정까지 기억하는 사람은 거의 없을 듯.
2003년에 나온 "코어"(The Core)라는 영화는 모종의 이유로 지구의 중심핵이 대류운동을 멈추는 바람에 지구자기장이 붕괴되는 재앙을 그리고 있다. 이 설정은 영화 개봉 당시에는 SF적 상상에 불과했는데, 최근 연구에서 실제로 지구 내부의 냉각 과정에서 지구 자기장이 사라질뻔한 적이 있었음이 밝혀져 재조명받고 있다.
[1] 물론 사실은 그 반대로 자석에서 지구의 북쪽을 가리키는 극을 N극, 남쪽을 가리키는 극을 S극으로 이름지은 것이지만.[2] 앱스토어 등에서 “EMF”로 검색하면 많이 나온다. 지자기 측정용 과학용 앱도 있지만, 일부는 “인체에 유해한 전자기장 탐지용”이란 유사과학 앱이며 심지어 “심령현상(유령) 탐지용”도 있다. 또 DIY용으로 집의 벽이나 천장 속의 철제 구조물을 찾아주는 앱도 있다. 이들 모두 휴대전화의 자기장 센서를 이용하는 앱들.[3] 보통 자성체는 몇센티미터만 떨어져도 자기장이 0으로 떨어지며, 초고압선조차도 수십미터만 떨어지면 자기장을 전혀 검출할 수 없을 정도이다.[4] 아폴로 계획 음모론자들은 그 당시의 기술로 밴 앨런대를 돌파하는게 불가능하다고 주장하나 이곳을 구성하는 알파선, 베타선은 각각 종이 한장, 알루미늄 박으로도 막히기에 사실이 아니다.[5] 즉 토성에서 나침반을 이용해 길을 찾으려 할 경우, 때에 따라서는(태양-목성-토성이 대략 일직선에 배열되어 있다면) 목성 자기장의 영향을 고려해야 한다는 것이다.[6] 행성 적도에서 측정시 지구의 20배라는 것이다. 실제 자기장의 강도를 비교하면 목성의 자기장의 자기 강도는 지구의 2만배다.[7] 같은 이유로 해왕성의 표면중력은 지구의 1.14배에 지나지 않고, 천왕성의 표면중력은 오히려 지구보다 낮아서 지구중력의 0.89배다. 다만 고체로 된 단단한 표면은 없고, 액화된 기체로 이루어진 바다를 표면으로 본다. 게다가 중심핵은 암석질의 고체이다.[8] 애초에 목성의 경우는 태생 자체부터 비범하기 때문에 태양계의 다른 행성들과는 차이가 날 수 밖에 없다. 자세한 건 목성 참조.[9] 두 행성은 목성과 토성에 비하면 내부 압력이 부족해 수소를 액체/금속화 시킬 수 없다. 그 대신에 전도성이 높은 고온의 물, 얼음(통상적으로 아는 그 얼음이 아닌 고압의 환경에서 존재하는 '''뜨거운 얼음''')이 맨틀에 존재하며 여기에서 자기장이 형성된다.[10] 금성에서 판 구조 활동이 전혀 일어나지 않는다는 사실도 이를 뒷받침한다. 판 구조 활동이 없어 내부의 열이 제대로 방출되지 않아 핵이 대류하지 않기 때문이다.[11] 골디락스 존도 이 의견을 뒤받침해주고 있다. 금성은 골디락스 존보다 태양에 가깝기 때문에 태양 에너지가 너무 크지만, 지구는 골디락스 존에 있기 때문에 태양 에너지가 금성보다 적다. 그 결과 지구는 핵과 지각의 온도차가 커서 대류가 활발히 일어나지만, 금성은 온도차가 그리 크지 않아서 대류가 그리 활발하지 못 하지 않을까 생각되는 것이다.