지난 포스팅에서 지구 자기장에 대한 내용을 다루었습니다.
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
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이제부터 고지자기 극을 해석하는 방법에 대해 몇 차례 포스팅을 통해 알아 볼 예정입니다. 이번에는 그 첫 번째인 편각과 복각에 대해 알아보겠습니다.
복각은 지구과학 1에서, 편각은 지구과학 2에서 다루어지며, 지구 자기장에 대한 세부적인 내용은 지구과학 2에서 다루어집니다. 똑같은 내용을 여러 교과에 쪼개어 놓아 참 애매합니다..ㅠㅠ
1. 지구 자기장의 벡터 표현
편각과 복각에 대해 논의하기 전 지구 자기력을 물리적으로 어떻게 나타내는지 알아야 합니다. 지구 자기력은 벡터로 표현할 수도 있고, 각도로도 표현할 수 있는데, 먼저 벡터로 표현하는 방법을 알아 보겠습니다.
가. 지구자기장의 벡터 표현
지구 자기장의 전체 벡터를 F라고 하면, F를 전자기력이라고 부릅니다(물리시간의 전자기력이 아님을 주의하세요). 이 전자기력 F는 동서방향의 자기력 FE, 남북방향의 자기력 FN, 연직방향의 자기력 FV로 벡터 분해할 수 있고, FN과 FE의 벡터합인 FH는 수평방향의 자기력인 수평자기력이 됩니다. 일반적으로 나침반이 향하는 방향이 FH가 되고, 진짜 지구 극의 방향인 지리적 북극 방향은 FN이 됩니다. 때문에, 추후 정의하겠지만 δ는 편각, i는 복각이 됩니다.
나. 지구자기장의 각도 표현
지구 자기장은 각도로도 표현 가능합니다. 남북 방향의 자기장 FN을 출발점으로 하여, 수평 방향으로 각도 δ만큼 얼마나 돌았느냐와 연직 방향으로 각도 i만큼 얼마나 돌았느냐로 표현하는 것입니다.
벡터로 표현하든 각도로 표현하든 3개 성분이 필요합니다. 벡터로 표현하면 FN, FE, FV라는 3개 성분이, 각도로 표현하면 FN, δ, i의 3개 성분이 필요한 셈입니다.
2. 편각
실제 자기 북극은 지리적 북극과 정확히 일치하지 않습니다. 특히 나침반이 향하는 방향은 자기력선을 따르기 때문에, 나침반이 가리키는 방향이 정확히 지구의 지리적 북극과 일치하지 않습니다. 이에, 나침반이 향하는 방향과 지리적 북극 방향에 차이가 발생하고, 이 각도 차이를 편각이라고 합니다.
나침반이 지리적 북극에 대해 동쪽으로 꺾여 있으면 동편각이라 하고, 기호로는 E로 표현합니다. 서쪽으로 꺾여 있으면 서편각이라 하고 기호로는 W로 표현합니다. 서울의 경우 서쪽으로 6.5도 꺾여있는 서편각인데, 그래서 아래와 같이 표기합니다.
편각은 당연히 어디서 관측하느냐에 따라 다른데, 특히 경도의 변화에 크게 달라집니다. 아래 그림을 보면 쉽게 알 수 있습니다.
관측하는 지역에 따라 지리적 북극과 자기 북극이 정확히 일치할 수도 있고, 완전이 심하게 차이가 날 수 있기 때문입니다. 아래 그림은 전세계 편각 분포입니다. 편각 분포를 보면 알 수 있듯, 위도에 따라서도 차이가 발생하지만, 위도보다 경도에 따라 더 크게 달라짐을 알 수 있습니다.
3. 복각
다음으로 복각을 볼 차례인데, 자기력의 벡터 표현에서 수평으로 돌아간 각도 δ는 편각이었습니다. 수직으로 돌아간 각도가 바로 복각 i인데, 일반적인 나침반으로는 측정하기 어렵고 복각계를 이용하여 측정합니다. 잘 알려진 것 처럼 나침반은 자기력선이 향하는 방향과 평행하게 놓입니다. 자기 적도에서 자기력선은 지면과 평행, 자기 극에서는 지면에 수직 방향으로 들어가는데, 때문에 나침반도 이에 평행하게 놓여, 자기 북극에서는 지면과 수직하게, 자기 적도에서는 지면에 평행하게 놓입니다. 그리고 중위도에서는 비스듬히 들어가는 방향이 됩니다. 아래 그림을 보면 이 원리를 쉽게 이해할 수 있습니다.
자기 적도에서 복각은 0도, 자기 극에서 복각은 90도가 될 수 밖에 없는 구조적 문제로, 복각은 위도와 거의 평행한 형태를 보입니다. 이렇게 복각계가 지면과 이루는 각도, 다시말해 전자기력 성분이 지면과 이루는 각도 i를 복각이라고 정의합니다.
후에 서술하겠지만, 만약 지구 자전축과 자기 축이 정확하게 일치한다면, 복각과 위도는 아래의 관계를 가집니다.
이와 관련된 내용은 다음 포스팅에서 다룰 예정입니다.
그렇다면 지질학자들은 무엇때문에 편각과 복각을 측정하는가를 생각해 볼 필요가 있는데, 여러가지 이유가 있겠다만,
- 현재 자기 북극과 자기 남극의 위치를 알기 위해
- 이를 통해 자기 북극과 자기 남극이 어느 방향으로 이동하고 있는지를 알기 위해
- 자기력선의 세기 변화를 알기 위해
- 대륙의 이동을 알고, 원래 대륙의 위치를 파악하기 위해
정도로 요약할 수 있습니다.
실제 학생들이 가장 고통받는 부분이 바로 4번입니다. 이에 다음 포스팅에서 편각과 복각을 활용하여 고지자기 극을 해석하는 방법을 알아보겠습니다.
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