지구 자기장과 밴 앨런 벨트

2003년 개봉한 영화 코어는 다소 독특한 줄거리를 가집니다. 지구 외핵이 대류를 멈추며 지구의 자기장이 사라지며 나타나는 지구의 재난을 다루었는데, 영화의 실제 가능성 여부를 떠나 주제가 신선하고 굉장히 재미있게 본 기억이 납니다. 오늘 다룰 주제가 바로 지구 자기장에 관한 내용입니다. 추후 오로라, 편각이나 복각, 고지자기 등을 다루며 기초적인 내용으로 활용하고자 먼저 지구자기장에 대한 내용을 다루어 보겠습니다.

  1. 지구자기장의 개요

<지구자기장의 모형(출처 : NASA)>

가. 쌍극자기장 모형

  지구는 지구 내부 외핵의 대류로 인해 지구 주변으로 자기장이 형성되어 있습니다. 마치 지구 내부에 커다란 막대자석이 있고, 이로인해 그 주변에 자기장이 형성되어있다고 생각하면 됩니다. 지구안의 이 막대자석은 막대자석의 N극이 지구의 남극방향, 막대자석의 S극이 지구의 북극 방향을 향하도록 배열되어 있어, 자기력선은 지구의 남극에서 나가서 지구의 북극으로 들어가는 형태를 띄고 있습니다.

  쌍극 자기장 모형으로 지구 자기장을 해석하면, 지구의 자기축과 자전축은 약 11.5º 정도 기울어져 있고, 자기북극의 180º 반대 방향에 자기 남극이 위치해 있습니다. 하지만 이건 어디까지나 쌍극 자기장 모형일 뿐, 실제는 이와 딱 맞아떨어지지 않습니다.

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나. 다이너모 이론

<다이너모 이론의 개념도(출처 : 위키피디아)>

  지구 자기장의 형성과 유지는 다이너모 이론으로 설명하고 있습니다. 다이너모 이론 자체가 완전하진 않지만, 현재 지구 자기장의 원인을 설명하기에 다이너모 이론 만한것이 없습니다. 

다이너모 이론 자체가 어렵지만, 쉽게 이해할 수 있는 방법은 전자기 유도 실험입니다. 위 그림과 같은 실험은 중, 고등학교 학생들이 자주 접하는 실험인데, 전류가 전혀 흐르지 않는 도선 주변에 막대자석을 왔다 갔다 하면, 도선에 전류가 흐르게 됩니다. 자기선속의 변화로 인해 유도전류가 형성되는 상황이라 보시면 됩니다. 마찬가지로 전류가 흐르면, 그 주변으로 자기장이 유도되기도 하는데, 이는 솔레노이드 코일 실험을 생각하면 됩니다. 외핵도 마찬가지입니다. 외핵의 철이나 니켈과 같이 전하를 띠고 있는 입자들이 외핵의 대류로 인해 움직이면서 전류가 발생하고, 이 전류로 인해 외핵 주변에 자기장이 유도됩니다. 이 상태에서 지구의 자전으로 인해 외핵이 회전하면서 자기장이 놓여있는 공간에 전하를 띤 입자가 움직이며 유도자기장이 형성되고 이것이 지구 자기장의 발생 원인 및 유지의 원인이 된다고 설명하고 있습니다. 사실 좀 뜬구름 잡는 이야기 같기는 합니다만, 현재로서는 다이너모 이론을 대체할 무언가는 없다고 합니다.

<자기극의 이동을 설명하는 그림>

하지만 앞서 이야기한 것 처럼 다이너모 이론은 아직 완전하지 못합니다. 예를들어 자기 극의 경우 쌍극자기장의 모형에서 설명하는 것 처럼 자기 북극과 자기 남극이 완전 180º 반대 방향에 있지도 않을 뿐더러, 자기 북극과 남극은 고정되어있지 않고 계속 움직입니다. 또한 지자기 역전이 불규칙적 주기로 발생하여 해석을 더욱 복잡하게 합니다.

다. 쌍극 자기장 모형과 비쌍극 자기장

실제 지구자기장 전체 양을 100%로 놓고 보았을 때, 쌍극자기장이 차지하는 양이 90%, 비쌍극자기장이 차지하는 양이 10%정도 된다고 합니다. 쌍극자기장은 다이너모 이론으로 설명 가능한 부분으로, 이론적으로 예측할 수 있는 양이지만, 10%에 해당하는 비쌍극자기장은 다이너모 이론으로 설명하지 못하는 부분입니다. 특히 우리가 알고 있는 일변화와 영년변화가 비쌍극자기장의 원인에 해당하는 부분인데, 일변화는 하루 동안 자기장의 급격한 변화를 나타내는 것으로 태양 활동에 그 원인이 있습니다. 영년변화는 앞서 다룬 자기극의 이동, 이로인해 발생하는 비대칭적 자기 북극과 남극의 위치, 불규칙적 주기로 발생하는 자기극의 역전이 해당되며, 이는 다이너모 이론의 불완전으로 인해 설명하기 어려운 부분입니다.

  2. 밴 앨런 대(Van Allen Belt)

<영화 코어 한 장면>

  영화 코어에서는 지구 자기장이 사라지며 나타날 것으로 생각되는 각종 재난 상황을 보여주고 있습니다. 이중 주목할 만한 부분이 있는데, 지구 자기장이 뚫린 지역으로 고에너지 하전입자가 쏟아져 내려오며 강물이 끓으면서 물고기가 즉시 폐사하고, 현수교가 녹아 끊어지는 장면이 나옵니다. 태양에서는 지구 방향으로 수없이 많은 고에너지 하전입자를 쏟아붇고 있습니다. 하지만, 이들 고에너지 하전입자는 거의 대부분 지구 자기장에 매달려 버려 지표면으로 들어오지 못합니다. 자석 주변에 철가루를 뿌리면 철가루가 자기장 방향으로 배열되는것과 마찬가지라고 생각하면 됩니다. 만약 지구 자기장이 없다면, 이런 고에너지 하전입자는 실제로 지표면까지 도달할 수 있고, 영화 코어와 같은 심각한 상황이 충분히 재현될 수 있는 것입니다. 따라서 지구 자기장은 지구 내부 생명체를 보호하는 몇 가지 방패 중 하나가 됩니다.

이중 지구 자기장에는 특히 밴 앨런대라는 것이 존재합니다. 밴 앨런 대는 지구 자기장 내에 존재하는 영역으로, 특히 수 많은 대전입자가 관측되는 영역입니다.

위 그림이 밴 앨런 대를 표현하는 대표적인 그림입니다. 밴 앨런 대는 대전입자가 특히 많이 발견되는 2개의 영역으로 구분할 수 있는데, 바깥쪽의 외대(Outer radiation belt)와 안쪽의 내대(Inner radiation belt)로 구분합니다. 내대는 주로 고에너지 양성자가 붙들려 있고, 지표에서 약 3,000km 고도 수준에 분포한다고 알려져 있습니다. 하지만 이 고도는 태양활동에 따라 다로 유동적입니다. 바깥쪽의 외대에는 주로 전자로 구성되어 있으며, 지표 13,000km에서 60,000km까지도 분포한다고 알려져 있습니다.

 

이렇게 지구 자기장은 고에너지 대전입자를 붙을어 놓아 지표면으로 유입되지 못하게 하고 있는데, 유일하게 지표면으로 들어올 수 있는 창구가 있습니다. 바로 자기 북극과 자기 남극입니다. 지구 자기장의 개념적 모형도를 보면 알 수 있지만, 이 지역에서 지표면에서 들어가는 자기력선이 밀집되어 있고, 자기력선에 매달려 있는 하전입자들이 빠르게 운동하며 공기와 반응할 수 있게 됩니다. 이게 오로라 현상과 관련있는 것인데, 이에 관한 내용은 추후 포스팅 할 예정입니다. 또한 지구 자기장과 밀접히 연관된 고지자기 복각과 편각에 관해서도 추후 포스팅을 계속 하겠습니다.