지구 자전이 불러오는 지자기 형성

지구 자전이 불러오는 현상들의 일곱번째 글입니다.

지구 자전에 대한 시리즈물을 오래간만에 작성한다. 그동안 이런 시리즈물을 작성하고 있었다는 것조차 까맣게 잊고 있었다. 만에 하나 기다리고 계셨던 분이 계신다면 죄송할 따름…

지자기 형성

현재까지 알려진 지자기에 대한 부분은 알려진 것보다 아직 안 알려진 것이 더 많다. 이 글에서 언급하는 것도 확실히 알려지지는 않은 것이라는 걸 충분히 참작해 줬으면 좋겠다.

모든 종류의 별은 자기장을 갖는 것 같다. 지구 뿐만 아니라 태양, 중성자성, 블랙홀… 심지어는 태양계 내를 도는 소행성마저도 생각보다 큰 자기장을 갖고 있다는 것이 밝혀졌다. 자기장이 없는 천체는 달 정도?

자기는 소립자의 기본 성질이다. 모든 소립자는 자기모멘트를 갖고 있기 때문이다. 물론 자기모멘트 값은 0일 수도 있으니 자기모멘트를 갖고 있다고 꼭 자기장을 만드는 것은 아니다. 그러나 많은 입자들을 뭉치면 자기모멘트는 커질 수밖에 없고, 결국 큰 천체는 강한 자기장을 갖을 수밖에 없다. 그 중요한 예는 중성자성과 블랙홀이다. 중성자성과 블랙홀에서 방출되는 전자기파를 분광하여 관측하면 매우 강력한 자기장에 의해 흡수스펙트럼이 작게 나뉘어 보이는 것을 발견할 수 있게 된다. (물론 이러한 관측은 태양같은 보통 별에서도 관측되고 있다.)

그러나 중성자성이나 블랙홀에서 관측되는 자기장이 발생하는 원인은 비교적 명료한데 비해서 태양같은 보통 별이 갖는 자기장은 아직 왜 발생하는지 명료하게 설명하지 못하고 있다. 아직 명료하지 못한 것은 지구도 마찬가지…. (지금 한참 연구되고 있는 주제다.)

지각 두께가 너무 두껍게 표현된 것일까? 멘틀의 하위구조를 표현한 것일까?
지구의 구조 (출처 : flicker의 hendriko님)
지진파 연구에 의하면 지구의 구조는 내핵-외핵-멘틀-지각으로 구성되어 있다. 여기서 외핵만 액체로 되어 있다. 또한 내핵과 외핵은 철과 니켈이 주성분인 ‘니페금속'[footnote]간단하게 니켈(Ni)과 철(Fe)의 원소기호를 붙여 만든 이름이다.[/footnote]이라고 알려져 있다. 과학자들은 외핵의 액체 금속이 지자기의 원인일 것이라고 추측하고 있다.
페러데이의 유도법칙에 의하면 전류는 자기를, 자기는 전류를 유도한다. 전류는 전하의 움직임이고, 전하는 음전하인 전자 또는 양전하인 원자핵+떨거지전자(?)일 수 있다. 따라서 두 고체 사이에 전도성 액체가 끼어있고, 두 고체가 회전을 한다면 전도성 액체는 고체를 따라 회전하면서 고체와 마찰을 일으켜 정전기에 의해 전류를 형성한다. 이 전류는 자기장을 형성시켜 지자기가 된다는 것이다. 물론 이 때 전도성 액체의 흐름은 수시로 바뀔 수 있으므로 지자기도 수시로 변할 수 있다. 회전이 빨라질수록 지자기는 매우 복잡하게 나타난다. 현재 과학자들의 실험은 커다란 금속구 안에 나트륨을 넣고 가열하여 나트륨을 액체로 만든 상태에서 회전시켜 자기장을 형성하는 것까지 되어있다. 물론 아직 지자기에 바로 적용할 정도로 확실하게 정립된 이론은 아니다. 이 이론을 다이나모 이론이라고 한다.
여러분들이 과학시간에 들어봤을 지자기역전현상은 아마도 이러한 변화 때문에 나타나는 것이 아닐까 싶다. 또한 현재도 지자기 북극과 남극은 매년 수 km씩 움직이고 있는데 그 이유도 이때문일 것이다. 결국 지자기가 나타나는 현상은 자전 때문이란 해석이라고 할 수 있다.

구글의 이런 서비스 정말 마음에 들어요. ^^

태양계에 있는 8개[footnote]얼마 전에 명왕성이 행성에서 제외됐으므로…[/footnote]의 행성 중에 목성형 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 지구에 비해서 매우 강한 자기를 갖는다. 그 이유는 지구같이 딱딱한 고밀도의 핵과 코어를 둘러싸고 있는 액체와 고체 수소의 영향이 아닐까 추측된다. (수소는 고체가 될 때 금속성을 띈다. 목성형 행성의 중심 부근에는 수소가 고체로 존재할 것이다.)
반면 지구형행성인 수성, 금성, 지구, 화성 중에 지구만이 강한 자기장을 갖고 있다. 왜냐하면 가장 크기 때문이다. 수성은 작은만큼 자기장도 작다. 화성은 옛날에는 강한 자기장을 갖고 있었을 것이라 생각되지만 크기가 너무 작아서 지금은 핵이 식어 액체금속이 남아있지 않다고 생각된다. 궁금증을 자아내는 것은 금성인데 금성의 자기장은 예상외로 매우 약했다. (여기서 한 발 더 나아가면 더 큰 의문점이 생기는데 이는 두터운 금성의 대기 때문이다. 지구의 경우 자기장이 대기를 보호해주기 때문에 현재의 대기를 유지할 수 있다. 화성의 경우 자기장이 사라지면서 대기가 소실됐다고 본다. 그런데 금성은 가지장도 없고, 태양에 가까워서 태양풍에 의해 대기를 소실하기가 훨씬 쉬운 환경임에도 불구하고 지구보다 몇십 배 두터운 대기를 유지하고 있다.)
달의 경우는 지구와 큰 소행성이 빗겨서 충돌한 결과 생겨났다는 것이 현재의 정설이다. 이 때 무거운 부분은 지구에 떨어지고 가벼운 부분(지각같은 부분)만 우주로 날아가 달이 됐다고 추정한다. 따라서 달에는 액체금속으로 이뤄진 핵을 갖을 수 없다. 현재 달이 갖고 있는 약한 자기장은 달을 구성하는 암석들이 형성시키는 자기장이다. 지구의 지각이 약한 자기장을 갖고 있는 것과 같은 자기장이다.

태양의 자기장 형성은 아직 정설이 없다. 이 부분을 연구하면 재미있을 것같기도 하다.
개인적인 추측을 하나 말씀드이자면 태양의 핵에서 발생한 에너지가 표면으로 올라오는 과정에서 작은 소용돌이 대류가 형성되는데, 태양은 플라즈마이다보니 이 소용돌이가 전류형성의 원인이 되는 것이 아닌가 하는 추측이다. 아직 진실은 아무도 모른다.

지자기 지도 - 흰색선은 해령이나 해구 (출처 : Flicker johnbullas님)

지자기는 지역마다 다르지만 대충…. 지구의 자기장은 0.2~0.8G이고, 우리나라는 0.5G다. 태양은 100G 정도다. 목성형 행성들은 지구보다는 훨씬 크고, 태양보다는 훨씬 작다. 그러나 몇 T에 달하는 중성자성이나 블랙홀의 자기장과 비교한다면 매우 약한 편이다. 1T는 10000G다. 참고로 1T 정도의 자기장에서는 핸드폰이나 손목시계가 영원히 작동불능이 될 수 있다.

8 thoughts on “지구 자전이 불러오는 지자기 형성

  1. 지구과학을 항상 보면 신기할따름입니다.
    정말..
    뭐라 말로 표현할수가 없군요 ;ㅁ;

    1. 근데 지구과학 분야는 신기한 것만큼 밝혀진 것도 적은 것 같아요.ㅎㅎㅎ

  2. 음…실험실에 0.xT~수T급의 자석이 굴러다니는데 조심해야겠군요 -_-;;;
    몰랐어요. 핸드폰이 작동불능될 정도인지는…(어쩐지 그 근처에서는 전화가 잘 안되긴 합니다.)

    1. 제가 대학원에 있을 때 실험실에 8T 자석이 있었는데, 그 부근에 가면 한방에 먹통됐었죠. 처음 그 실험실에 들어가면 한 번쯤은 시계나 핸드폰이 맛가는 것이 연례전통…
      안 당한 건 저뿐인 것 같더라구요. (전 처음 갔을 때 귀에 딱지가 앉을정도로 주의를 주길래….)

  3. 우와 정말 신기하군요

    물리는 역시 어렵군요

    지구과학은 나름 쉽다고 생각했었는데… 착오가

    1. 만약 쉬운 분야가 있다면, 그 분야의 전문가들은 모두 굶어죽겠죠. ^^
      전문가가 있다는 이야기는 역시 뭔가 어려운 것들이 있기 때문이 아닐까 생각합니다.
      방문 감사합니당..

  4. 태양풍에 대한 글을 보고 지자기에 관심이 가서 검색하다 들어오게 됏습니다. 찾아본 곳 중에 제일 정확하고 다양한 내용이네요. 시각자료까지 ㄷㄷ 유익햇습니다.
    올리신 다른 포스팅도 다 흥미로운 내용이 가득한 것 같네요. 댓글달고나거 정독해야지^^;

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