1 개요
지구가 방출하는 자기장, 통칭 "지자기(地磁氣)"라고도 한다. 나침반으로 동서남북을 찾을 수 있는 것이 바로 지구자기장 덕분.
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지구자기장상에서의 북극과 남극은 각각 자(磁)북극, 자남극이라고 하는데 이는 우리가 경위도상에서 볼 수 있는 지리적 남북극과는 다소 차이가 있다.
2 특징
지구자기장의 세기는 위치에 따라 약 25~65 마이크로테슬라 (=250~650 밀리가우스) 정도. 만약 아이폰이나 갤럭시같은 지자기센서가 달린 스마트폰이 있다면, EMF 계열의 공짜 앱을 다운로드받아 지자기를 측정해보자. 우리나라에선 대개 40 마이크로테슬라 (400밀리가우스) 정도의 지자기가 측정된다.
네오디뮴 영구자석이 지근거리에서 수백 마이크로테슬라 단위의 자기장을 발한다는 것을 생각해 보면, 지자기는 별로 세지 않다고 느낄 수도 있다. 그러나 자기장도 역제곱법칙을 따르므로, 당신의 위치에 관계없이 어디서나 수십 마이크로테슬라의 자기장이 검출된다는 것은 지구가 얼마나 강력한 자석인지를 보여주는 것이다.[1]
지구의 외핵에는 철과 같은 자성체 금속이 녹아서 액체상태로 존재하는데, 이것이 서서히 흐르면서 (소위 지구 내부의 대류현상) 발전기처럼 작용하여 전자기장을 생성하는 것이 지구자기장이라는 설이 유력하다.
상공 1,000~60,000 킬로미터에는 지구자기장에 붙잡힌 방사성 입자의 띠가 있는데 이것이 바로 밴 앨런대(Van Allen Belt)다. 반알렌대의 구성물질은 대부분 태양풍, 즉 태양에서 분출된 플라즈마인데, 만약 지구자기장이 없다면 이 입자들은 반알렌대에 붙잡히는 일 없이 지구대기를 맹폭격하여 오존층을 전부 파괴해버리고, 그 결과 태양광의 자외선이 전부 지표면으로 쏟아져 들어오게 될 것이다. 자외선이 토양의 세균과 바닷물의 플랑크톤을 모두 죽여버리면 지구는 화성과 같은 죽은 별이 될 수밖에 없으니, 지구에 생명이 존재하는 것은 지구자기장의 덕분이라 해도 과언이 아니다.
다시 말해 SF에 나오는 에너지 방어막에 가장 가까운 것이 바로 지구자기장인 셈. 눈에 보이지 않는 전자기장이 지구의 생물들을 방사선과 자외선으로부터 지켜주고 있는 것이다. 고맙게 생각하자.
지구자기장의 모델을 다운로드할 수 있다. 바로 원하는 위치에 원하는 시간에 대한 지구자기장을 계산할 수 있는데, 실행파일도 있고 소스코드도 있으니 한번 받아보는 것도 나쁘지 않을듯. 이 모델은 IGRF(International Geomagnetic Reference Field)라는 곳에서 5년만에 한번씩 발표하고 있다. 지금 받는 것은 2010년에 공개한 모델로 2015년까지 유효...라기보다는 정확도가 비교적 보장된다. 모델을 만드는 데에는 세계곳곳에 위치한 관측소에서 측정한 지구자기장을 사용하고 있다. 완전히 뱀다리이긴 한데 지구자기장은 현재 조금씩 약해지고 있다. 아마도 조만간... 몇만년 단위이긴 해도... 지구자기장의 역전현상이 일어날거라는 설이 강력하다. 문자그대로 지구라는 자석이 꺼꾸로 뒤집힌다는 뜻.
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▲ 지구자기장과 태양풍의 모식도.
여담으로 지구 내부의 대류현상은 지구 자체의 방사능 물질에서 발생하는 열 때문이기도 하지만, 태양과 달의 인력에 기인하는 부분도 크다. (역으로, 달도 지구와 태양의 인력 때문에 나름대로의 화산활동이 있고, 가끔 월진(月震)도 일어난다.) 반면에 큰 위성이 없는 화성같은 행성의 경우, 행성내부 대류현상이 거의 없어 자기장도 갖고 있지 않다. 이때문에 화성 표면에는 태양풍과 자외선(오존층도 없으므로)이 여과 없이 그대로 내리쬐며, 이것이 화성의 테라포밍의 가장 큰 걸림돌이다.
3 지구 외 행성의 자기장
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↑ 태양계 행성들의 자기장. 지구를 제외하면 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등 한 덩치 하는 행성들이 자기장을 갖고 있음을 알 수 있다. 다들 2만 3만 찍을때 혼자 40만대 찍는 목성의 위엄. 황제 폐하를 보고 왔다 카더라
태양계에는 지구 외에도 자기장을 가진 행성들이 있다.
그중에서도 대표 주자는 단연 목성으로, 태양계 내 행성관련 현상으로는 최대 크기를 갖는다. 목성의 자기권(마그네토스피어)의 꼬리부분(태양의 반대쪽)은 토성 궤도까지 뻗어있을 정도다.
어째서 목성의 자기장은 이렇게 강력한가? 녹은 철이나 경금속류 따위를 대류시켜 자기장을 형성하는 작은 행성들과 달리, 목성의 자기장은 목성 특산물인 액체 금속수소라는 물질이 행성 외핵을 대류하며 발생하는 것으로 알려져 있는데, 액체 금속수소는 강력한 초전도물질이기 때문에 이것이 대류하며 행성 다이나모(발전기)로 작용해 발생하는 자기장의 강도가 녹은 철 등의 대류로 발생하는 자기장보다 훨씬 강력한 것이 아니겠냐는 추측이 있다. 물론 액체 금속수소는 지구에서 우리가 실제로 접해볼 수 있는 물질이 아니기 때문에(엄청난 고압이 필요하다) 이는 추측에 불과할 뿐이다. 또한 엇비슷한 덩치를 자랑하는 토성도 핵에는 액체 금속수소가 존재할 것으로 예측되는데도 불구하고 토성의 자기장은 상대적으로 빈약하다는 점도 의문이다.
아무튼 목성의 자기장은 목성 적도에서 약 430 마이크로테슬라로(지구의 20배 정도)[2] 막강하고 자기권의 규모도 엄청나다. 게다가 목성의 위성들 중에는 우주공간으로 입자를 분출하는 녀석도 있는데(이오), 여기 포함된 이산화황 등의 물질이 목성 자기장과 복잡하게 상호작용하며 "제2의 대기"를 형성한다. 여기 붙잡혀 있는 고에너지 입자들이 갖는 에너지만도 어마어마해서, 목성 부근을 지나는 무인탐사선들에게 큰 위협이 되곤 한다. 앞서 지구자기장이 우주방사선을 붙잡아 우리를 보호해준다고 하였는데, 이는 뒤집어 말하면 행성자기장에는 붙잡힌 고에너지 입자들이 바글거린다는 의미이다. 지구의 반 알렌대에도 고에너지 전자, 양성자, 알파입자 등이 잔뜩 있다. 목성의 반알렌대(?)는 그 규모와 방사능의 준위 면에서 지구의 것을 월등히 능가한다. 때문에 목성에 가까운 위성들은 대개 목성 자기장의 방사선을 뒤집어쓰며 목성을 공전하고 있으며, 4번 위성인 칼리스토쯤 가야 방사선의 수준이 좀 낮아진다.
그에 비하면 목성 외의 거대 외행성들은 좀 덩치값을 못한다는 느낌. 위의 그림을 보면 토성, 천왕성, 해왕성의 적도에서의 저기장 강도는 오히려 지구만도 못하다. 이것은 해왕성, 천왕성 같은 목성형 행성들은 지구보다 직경이 훨씬 큰데, 자기장이나 중력 등의 힘은 그 중심으로부터의 거리의 제곱에 반비례하기 때문에, 애당초 측정 조건이 덩치 큰 행성에게 불리할 수밖에 없다[3] (그러니까 목성이 엄청난거다). 만약 토성, 천왕성, 해왕성을 자기장의 강도는 그대로 두고 행성의 크기만 지구 크기로 축소할 경우, 그 적도에서 측정한 자기장의 강도는 지구의 자기장을 능가할 것이다.
수성도 행성자기장이 있다. 물론 지구에 비하면 미미한 수준으로 적도에서 300나노테슬라(지구의 100분의 1 수준) 정도지만, 그래도 있긴 있다. 수성 외핵에 철과 같은 금속이 존재하는데다 태양의 조석력이 강하게 작용하기 때문에, 행성 다이나모가 작용하고 있는 모양.
달도 한때 자기장이 있었음이 월석의 분석을 통해 밝혀졌다. 아마도 옛날 달이 지구에 더 가깝던 시절에는 지구의 조석력이 더 강하게 작용했기 때문에 달 내부의 자성물질이 대류했던 게 아니겠냐는 추측이 있다.
위에서 말했듯 금성은 행성자기장이 없는데, 2006년에 ESA 탐사로봇인 비너스 익스프레스가 경이로운 발견을 했다. 금성엔 자기장이 분명 없는데도 금성 주변에 지구의 자기권(마그네토스피어)과 유사한 현상이 관찰된 것(물론 규모는 지구 것보다 훨씬 작다). 아마도 태양풍이 금성의 두터운 대기와 충돌하며 대기 외각의 기체 분자를 전자와 분리시키며 플라즈마를 형성, 이 플라즈마의 흐름이 행성 자기권과 유사한 형태를 이루는 것이 아니겠냐는 추측을 하고 있다.
항성들은 당연히 전부 자기장을 가지며, 태양도 거대한 자기장을 갖고 있다 (태양의 흑점이나 코로나 등은 모두 태양의 자기활동 때문에 발생하는 현상이다). 태양 같은 항성의 자기장은 행성들의 그것과는 달리 플라즈마의 대류로 인해 형성된다. 그래서인지 태양 자기장의 활동은 매우 역동적이며, 지구에서는 몇만년인지에 한번 꼴로 일어난다는 자기극의 역전이 11년에 한번씩 일어난다. 태양의 경우 적도에서 측정한 자기장의 강도는 지구 것의 약 두배 정도다(평균 50마이크로테슬라 정도). 약소하다고 생각되겠지만 위에서 말한 "역장의 강도는 거리(직경)의 제곱에 반비례"라는 점을 상기하자. 태양의 직경은 지구의 109배(약 1,390,000km)다.
4 매체에서의 모습
위 동영상은 영화 노잉의 클라이막스. 태양에서 발생한 슈퍼 플레어가 지구의 자기장을 뚫어버리고 극지방에서나 보여야 하는 오로라가 미국 하늘에 펼쳐진 모습이 보인다.
지구자기장과 오존층의 무력화가 나오는 영화로는 졸작으로 악명높은 하이랜더 2편이 있다. 오존층이 없어져 피부암이 급증하자 주인공이 태양 자외선을 차단하는 인공 오존층을 만들어 지구 전체를 둘러싸는 것으로 영화가 시작하는데, 영화가 전체적으로 너무 엉터리라 이런 세세한 설정까지 기억하는 사람은 거의 없을 듯.
2003년에 나온 "코어"(The Core)라는 영화는 모종의 이유로 지구의 중심핵이 대류운동을 멈추는 바람에 지구자기장이 붕괴되는 재앙을 그리고 있다.