지구 자기장

지구 자기장(地球磁氣場)은 지구에서 발생하는 자기장이다.

개괄

과거부터 사람들은 지구가 하나의 자석과 같다고 여겨왔다. 사실 지구의 자기력선 분포를 조사해 보면 지구 내부에 커다란 자석이 있는 것과 마찬가지로 느껴진다. 나침반이 언제나 남북 방향을 가리키는 것 역시 지구의 자기장 때문이다.

지구의 중심부에 하나의 막대자석이 있다고 가정하면 이 자석은 당연히 남북 방향을 가리키게 된다. 이 자석의 N극이 가리키는 방향의 끝지점을 지구의 자북극이라고 하며, S극이 가리키는 지점을 자남극이라고 한다. 또한 이 자석의 축 중심에서 수식인 면이 지표면과 만나면서 그리는 큰 원형의 선을 자기적도라고 한다.

참고로 지구 자기의 극점은 지리상의 극점과 일치하지 않는다. 실제로 자북극과 자남극을 잇는 직선은 지구 자전축에 대하여 약 11.5º쯤 기울어져 있다. 현재 자북극은 73ºN 100ºW부근에 위치하며, 자남극은 69ºS 143ºE부근 지점에 위치하고 있으며, 이 지점도 시간이 지남에 따라 조금씩 이동을 하게 된다.

지구 자기의 3대 요소

지구 자기장에는 세 가지 성질이 있다. 바로 편각, 복각, 수평 자기력이며 이를 지구 자기장의 3요소라고 한다. 이 세 가지 성질을 제대로 알아야 항해시 사용하는 나침반(자이로컴퍼스)을 올바로 사용할 수 있다.

편각

자북극과 자남극을 연결하는 직선은 지구 자전축과 일치하지 않는다. 즉, 나침반의 N극은 북극성이 위치한 진북방향을 가리키는 것이 아니라 동쪽이나 서쪽으로 기울어진다. 이 때 진북과 자북극 사이에서 발생하는 각도를 편각이라고 한다. 당연히 장소에 따라 달라진다. 대한민국 서울에서의 편각은 서쪽 방향으로 6.5º정도로 나타난다. 이 편각은 지구 자기의 방향을 나타내는 양이기도 하며, 방위각이라고 하기도 한다. 즉 서울에서 나침반을 가지고 진북을 찾고자 한다면 나침반이 가리키는 N극의 방향보다 서쪽으로 6.5º를 더 기울어야 진북을 찾을 수 있다는 의미이다.

복각

자석의 무게중심을 실로 묶어서 매달아 놓으면 북반구에서는 항상 N극이 아래쪽으로 기울어지며, 남반구에서는 S극이 아래쪽으로 쳐지게 된다. 이처럼 자석이 위, 아래로 기울어지는 자석의 방향과 수평이 이루는 각을 복각이라고 한다. 이 복각은 자극으로 갈수록 점점 커져서 자북극이나 자남극에서는 90º가 된다. 또한 자기적도로 갈수록 점점 작아지는데 자기적도 위에서는 복각은 0º가 된다. 대한민국 서울에서의 복각은 55º쯤에 해당한다. 복각도 편각과 마찬가지로 지구 자기장의 방향을 나타낸다.

수평자기력

지구 자기장은 남반구에서는 N극을 밀어내고 반대로 북반구에서는 N극을 끌어당기는 힘을 가지고 있다. 이 덕분에 자침이 항상 남북 방향을 가리키게 되고 위치에 따라서 편각과 복각을 이루게 된다. 이처럼 자침에 작용하는 지구 자기의 힘 역시 전자기력인데 이 전자기력에는 수평자기력과 연직자기력(수직자기력)이 있다. 이 중 연직자기력은 복각을 이루는 힘이라서 일반적으로 전자기력에서는 수평자기력만 언급하는 것이 일반적이다. 이 수평자기력은 자기적도에서 가장 크고 자북극과 자남극에서는 작아진다. 실제 지구의 자기적도에서의 수평자기력값은 약 0.35가우스이며, 지극에서의 값은 0이 된다. 참고로 연직자기력은 자극에서 가작 크고 자기적도로 갈수록 작아진다. 자극에서의 연직자기력은 0.68가우스이고, 자기 적도에서의 값은 0이 된다. 이 수평자기력으로 인하여서 자북극과 자남극으로 가까이 갈 수록 나침반만을 이용한 항해가 사실상 불가능하게 된다.

지구 자기장의 변화

지구자기장의 4요소의 세기와 방향은 사실 끊임없이 변화한다. 그 변화의 형태로는 일변화, 자기폭풍, 영년변화 등이 있다. 거시적인 관점에서 보면, 과거 지질시대에 있었던 지자기 역전 현상도 지구 자기장의 변화에 해당한다.

일변화

매일매일 규칙적으로 지구의 자기장이 조금씩 변화하는 것을 일변화라고 한다. 실제로 같은 장소에서도 지구의 자기장은 오전과 오후의 측정값이 다르게 나타난다. 그러나 일변화의 크기는 상당히 작은 값에 해당한다.

일변화의 주 원인은 전리층의 구성 입자들이 지구 자기장 속에서 운동을 하면서 발생하는 전류에 있다. 이 전리층의 전류는 지구 자기를 변화시킨다. 전리층 입자들의 태양의 복사열의 영향을 받아 낮이 밤보다, 그리고 여름철이 겨울철보다 일변화의 정도가 심하다. 물론 그 정도는 앞서 말했듯이 미미한 수준.

자기폭풍

지구의 자기장이 수시간에서 수일간에 걸쳐서 급격하게 변화하는 현상을 자기폭풍이라고 한다. 이 현상의 주원인은 태양의 표면이 폭발하는 플레어현상 때문으로 이 플레어가 발생하면 태양면에서 많은 양의 전리입자들이 튀어나와 지구의 자기장에 충돌하면서 지구 자기장을 혼란시키게 되는 것이다.

이 자기폭풍은 태양 흑점의 증감주기인 11년마다 발생하는 것이 일반적으로, 이 시기에는 전리층 중에서 통신에 방해가 되는 D층이 두꺼워져 델린저 현상(무선통신 두절)이 나타나고, 고위도 지방의 상공에서는 오로라의 발생이 현저하게 증가한다.

영년변화

수십~수백년 주기로 일어나는 자기장의 변화를 영년변화(secular variation)라고 한다. 일변화와 자기폭풍은 지구 외부의 요인으로 발생으로 인해 발생하는데 비하여 이 영년변화는 지구 내부에서의 변동에 그 원인이 있다. 실제로 지난 5세기간 지구의 편각은 약 30º, 복각은 약 20º정도 변화한 것으로 알려져 있으며, 지구 자기장의 세기는 지난 1세기 동안 약 5%이상 약해진 것으로 타나난다.

지자기 역전

지구 자기장은 암석에 각인되어 기록되는데 이를 통해 과거 지질시대의 지자기 변화를 알 수 있다. 지층 속 광물이 띠고 있는 자성은 그 암석이 생성될 당시의 고지자기를 반영하므로, 고지자기 기록으로 자극의 이동과 지자기 역전이 있었음이 밝혀졌다. 현재 지자기는 자북이 S극 자남이 N극인데, 과거의 어느 시기에는 역전이 일어나 자북이 N극 자남이 S극이 되는 식이다. 과거 지질시대의 역전 기록을 살펴보면 현재의 자기장 세기는 거의 바닥에 가까운데, 현재 추세대로라면 수천 년 후에는 지자기 역전을 경험할 수도 있을 것이다.

지구 자기의 원인

다이나모 이론(Dynamo theory)

외핵은 전기 전도도가 큰 철과 니켈로 된 유체로서, 유동성이 있다. 운동하는 외핵물질과 지구 외부 자기장의 영향으로 유도전류가 발생되고, 이 유도전류로 인해 지구 자기장이 발생된다는 이론이 다이나모 이론이다.

참조

• 퀴리온도
• 밴 앨런대