지구자기장의 근원

지구자기장의 근원

 

자기장은 중력과 마찬가지로 볼 수도 만질 수도 없지만 자석을 금속 물체에 접근시킬 때 끌어당겨지는 느낌을 통해서 또는 전류를 코일에 흘려보낼 때 주변에 위치한 나침반의 자침이 회전하는 것을 관찰함으로써 그 존재를 알 수 있습니다.

 

지구자기장 또는 지자기장은 지구에서 나타나는 고유의 자기장으로 범위는 지구 내부로부터 태양풍과 만나는 지구 외계까지 뻗어있습니다. 지구자기장은 태양풍 또는 우주선에 의해 지구 표면으로 유입될 수 있는 고에너지 입자를 차단하여 인류를 포함한 생태계를 보호할 뿐만 아니라 많은 동물이 지구자기장을 직·간접적으로 이용하여 생활하기 때문에 지구자기장이 사라지거나 세기가 매우 약해지면 생태계의 큰 혼란이 일어날 수 있습니다.

미래 지구자기장의 변화를 예측하기 위해서는 지구자기장의 생성 과정을 이해하고 과거 지구자기장의 장·단기 변화를 규명하는 것이 필요합니다.

 

(1) 자석과 자기장의 이용

지구자기장은 인류의 탐험 역사에서 중요한 역할을 하였습니다. 자기적인 현상은 고대 그리스인들에 의해 처음 알려졌지만 나침반은 중국인들에 의해 발명되었습니다. 기원전 4세기경 중국에서는 특정 물질이 자유롭게 회전할 수 있을 때 남북 방향을 가리킨다는 사실을 이용하여 군사들의 이동 방향을 정하거나 자연의 이치에 어울리도록 건축물을 축조하였습니다.

서기 1190년경 유럽의 선원들은 나침반을 이용하여 방향을 읽고 항해를 하였다는 내용이 문헌에 처음 언급되었습니다. 이때부터 안전한 항해를 위하여 더욱 정확하게 방향을 읽기 위해 꾸준히 노력하였지만 한동안은 기술의 진전이 거의 이루어지지 않았는데, 그 이유는 초기 과학자들과 항해사들이 자기적인 현상의 원인을 제대로 이해하지 못하였기 때문입니다.

나침반이 별들 또는 다른 천체를 가리키는 것이라는 이론이 있는가 하면, 어떤 이들은 금속을 멀리서도 끌어당길 수 있는 자성을 띠는 산이 존재한다고 믿기도 하였습니다.

1600년 영국의 물리학자이자 자연철학자인 윌리엄 길버트는 자신의 실험 결과와 함께 수집된 자료들을 바탕으로 한 저서 「자석에 관하여」를 통하여 지표에서 관측되는 지구자기장 분포와 특성을 자세히 기술하였는데 이때부터 영국 런던에서 지구자기장 방향을 체계적으로 관측하기 시작하였습니다.

 

(2) 현재의 지구자기장

지구 표면에서 관측되는 지구자기장의 대부분은 지구 내부에서 유래된 것이며, 그 자력선의 분포는 지구 내부에 막대자석(쌍극자)이 존재한다고 가정하였을 때 나타나는 자력선의 분포와 대략적으로 일치합니다.

쌍극자가 지구 내부에 실제로 존재하는 것은 아니며, 외핵에서 일어나는 전자기 유도 현상이 쌍극자 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 내부 기원의 지구자기장은 쌍극자에 의한 자기장으로 설명되지 않는 성분도 포함하며, 관측되는 지구자기장에서 쌍극자 기원의 성분을 뺀 자기장 성분을 비쌍극 자기장이라고 합니다.

 

(3) 지구자기장의 변화

지구자기장의 세기와 방향은 시간에 따라 변하며 다양한 주기를 갖습니다. 짧은 주기를 갖는 일변화, 수년 ~ 수만 년에 걸쳐 변화하는 영년변화, 그보다 긴 주기를 갖는 지자기 회유, 지자기 역전 등이 있습니다.

최근에는 새로운 종류의 지구자기장 변화가 발견되었으며 지자기 영년변화 충격과 고고지자기 급변 등이 있습니다.

 

(4) 지구자기장의 근원

지표에서 관측되는 지구자기장은 ①지구 내부(외핵)에서 일어나는 전자기 유도(다이나모), ②지구 외부의 전리층과 자기권에서의 전류변화, ③외부장의 변화에 의하여 지구 표면에 흐르는 지전류, ④지각을 구성하는 암석의 잔류 자기 등의 영향을 받습니다.

이러한 요인 중 지전류에 의한 와동 자기장과 암석의 잔류 자기에 의한 2차 자기장의 크기는 다른 두 원인에 비해 매우 작습니다. 지구 외부에 근원을 둔 외부 자기장의 세기도 태양풍이 약한 평상시에는 지구 내부에 근원을 둔 내부 자기장 세기의 약 1/1000 정도로 작으므로 지구자기장은 주로 내부 자기장으로 이루어진다고 할 수 있고 이를 주 자기장이라고 합니다.

따라서 내부 자기장의 근원이 곧 지구자기장의 가장 중요한 근원이 됩니다.