하나의 커다란 자석 - 지구자기장

손경근 | 2011.06.30 | 조회 8092
 





지구 자기장




- 지구가 갖고 있는 고유한 자기장, 지구자기장의 모든것




지구는 매우 커다란 자석으로 볼 수 있다. 막대자석에 철가루를 뿌리면 자석의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 줄을 서는 모습을 확인할 수 있는데, 지구 역시 그와 비슷한 모양의 자기력선을 만든다. 이처럼 지구가 가지고 있는 고유한 자기장을 지구자기장이라고 한다.









지구의 보호막, 지구자기장



태양과 지구는 태양으로부터 오는 대전 된 입자들의 흐름에 의해서 연결되어 있다. 태양풍이라 불리는 이 흐름은 약 450km/s의 속도로 입자와 자기를 운반하고 있다. 태양풍은 태양의 활동에 영향을 받는데, 태양의 흑점과 관련된 폭발인 태양 플레어는 태양풍의 돌풍을 일으키는 원인으로 알려져 있다.




지구자기장이 없었다면 지구에는 생명체가 존재할 수 없었을 것이다. 자기장은 정전기에 의해 대전 된 물체들을 밀어내는데, 실제로 지구로 향하는 대전 된 입자들(이온과 전자)은 지구자기장에 의해 밀려나고 있다. 지구를 보호하는 지구자기장이 없으면 태양풍은 대기에 닿게 되고, 땅 위의 생명체는 강한 에너지에 직접 노출되며, 결국 지구는 금성처럼 생명체가 존재할 수 없는 환경으로 변했을 것이다. (금성은 자기장이 존재하지 않는 것으로 알려져 있다.)




이처럼 지구자기장은 지구를 보호하는 역할을 하지만, 태양풍과 지구자기장 사이에서 일어나는 상호작용은 우리의 생활에 많은 영향을 미치고 있다. 태양풍의 돌풍이 많은 동안에, 강력한 자기폭풍오로라를 만들어 내기도 하고, 라디오와 텔레비전의 전파장애, 나침반이 있는 선박과 비행기들의 항해에 문제를 일으키기도 하며 갑작스러운 정전의 원인이 되기도 한다. 또한, 우주공간에서는 인공위성과 우주선에 해를 입히기도 한다. 또한, 자기폭풍과 자외선 복사에너지의 증가는 상층대기를 가열시켜 팽창하게 한다. 이로 인해 저궤도의 위성은 가끔 상층대기와의 마찰로 궤도를 이탈하기도 한다.




마셜우주비행센터(MSFC, Marshall Space Flight Center)에 있는 우주 플라즈마 물리 연구소(The Space Plasma Physics Branch)는 지구와 다른 행성들 주변의 자기권을 연구하는데 전력을 다했다. 이러한 연구는 나사(NASA)에서 우주 플라즈마 폭풍들을 예상하는데 도움을 주어, 인공위성이나 전력체계를 보호하는 데 큰 역할을 할 것이다.














지구 자기장의 구조



지구의 자기장은 전체적으로 혜성의 모습과 유사하게 보이고, 그에 따라 부분적으로 이름을 붙일 수 있다. 태양풍과 자기장이 정면으로 만나 생기는 충격파를 충격파면(bow-shock)이라 한다. 그다음 안쪽에 태양풍과 자기장이 직접 상호작용을 하는 면을 자기권계면(magnetopause)이라 하고, 그 사이의 입자들이 이동하는 길을 자기덮개(magnetosheath)라 한다. 태양의 반대편으로는 혜성의 꼬리처럼 자기장이 길게 늘어져 있는데 이를 자기꼬리(magnetic tail)이라 한다. 자기 꼬리의 안쪽에는 플라즈마 판(plasma sheet)이 존재하며, 지구와 가장 가까운 곳에는 양쪽으로 밴앨런 복사대(Van Allen radiation belt)가 존재한다.















충격파면(bow-shock)


지구자기장의 가장 앞부분(태양 방향)은 충격파면이다. 이것은 태양풍이 지구자기장에 부딪혀 생기는 충격파이며, 태양풍의 속력(수백km/s)을 고려한다면 이곳이 받는 압력은 굉장할 것이다.




자기권계면(magnetopause)


충격파면을 지나온 몇몇 입자들은 지구 자기권과 직접적인 상호작용을 한다. 이곳을 자기권계면(magnetopause)이라 한다. 이것은 원통형으로 변화하는 총알 모양의 앞면을 가지고 있으며 그 단면은 원형에 가깝다. 지구중심에서 자기권계면의 "앞부분"까지의 거리는 약 10.5 RE이고, 지구의 수평 옆면까지의 거리는 약 15 RE이다. (비교를 위해 참조하자면, 달의 평균거리가 약 60 RE이다.) 이 수치들은 단지 평균적인 값들이며, 태양풍의 압력이 오르고 내림에 따라 자기권계면은 오그라들거나 팽창한다.




자기꼬리(magnetic tail)


지구의 자기장은 태양과 반대편으로 혜성과 비슷한 형태의 자기장꼬리를 가진다. 이 자기꼬리는 매우 활동적이어서, 거대한 변화들이 발생하기도 하고, 이온들과 전자들에 에너지를 공급하기도 한다. 자기꼬리는 극지방 오로라의 주요 근원이기도 하다. 관측자들은 우주시대 이전에 이미 겨울철 북극의 하늘이 훨씬 어두웠을 때, 가장 밝은 오로라가 보였다고 기록해 놓았다. 이 오로라의 전자들은 태양으로부터 온 것이라고 여겨져 왔으나, 오로라가 태양 반대쪽의 면에 집중되어 보인다는 사실은 모든 사람에게 궁금증을 주었다. 이러한 관측들은 인공위성에 의해 자기권의 긴 꼬리가 발견되면서 설명되었다. 태양풍에 의해 태양 정면의 자기장은 양파 껍질처럼 벗겨지며 입자들을 가지고 꼬리 부근으로 가게 되는데, 꼬리 부근에서 모인 입자들은 자기 재결합에 의한 반동으로 극지방으로 진입을 하게 되는 것이다.




자기꼬리 돌출부


자기꼬리 대부분의 부피는 자기력선에 거의 평행한 두 개의 묶음이 차지한다. 적도보다 윗 부분의 묶음은 북극을 포함하는 대략적인 원형지역에 이르게 되는 반면, 아래 부분의 묶음은 지구로부터 먼 쪽을 가리키며 남극 지역에 연결되어 있다. "자기꼬리 돌출부"라고 알려진, 두 개의 묶음들은 지구로부터 멀리 떨어져 나가 있다. 그리고 두 개의 자기꼬리 돌출부를 분리하는 것은 약한 자기장과 플라즈마로 가득 찬 층인, "플라즈마 판"이다. 이것은 보통 지구 반경의 2∼6배의 두께를 가지며 적도에 집중해 있다.




플라즈마 판(plasma sheet)


플라즈마 판은 자기꼬리의 적도 위에 집중된 두께가 3~7 RE, 밀도는 0.3~0.5 ions/cm², 에너지가 2~5 KeV인 뜨거운 플라즈마의 두꺼운 층이다. 이 지역은 비교적 활동적이라서 그 두께와 밀도, 에너지는 심하게 변한다. 태양풍이 강할 때 지구자기장은 압력을 받는데 꼬리 부근의 플라즈마 판 역시 압력을 받아 눌리게 된다. 자기력선이 재결합되면서 이온들이 지구 방향과 반대 방향으로 향하게 된다. 이때, 지구 방향으로 흐르는 이온들은 자기력선이 수축함에 따라 힘을 받고 극지방으로 이동하고, 반대방향으로 향하는 이온들은 지구로부터 멀어지면서 에너지를 잃게 된다.




중성지점(Neutral Point)


입자들과 자기력선들 사이의 강한 구속은 때때로 깨어질 수 있다. 예를 들면, 입자들이 충돌하거나 플라즈마가 장의 세기가 0으로 떨어지는 "중성지점"을 통과해 흐를 때이다. 자기력선들의 그래프에서, 중성지점은 자기력선들이 서로 엇갈리게 보이는 곳처럼 나타난다.










자기 복사대




지구는 실제로 서로 다른 기원을 가진 두 개의 복사 지역을 가지고 있다. 밴 앨런(제임스 밴 앨런, James Alfred Van Allen, 1914~2006)의 방사능측정기에 의해 발견된 내부 복사지역은 적도 위의 밀집된 부분에 해당하며, 우주복사에 의해 생성되었다. 이것은 밴 앨런 복사대의 내부 복사대라 불리기도 하며, 10~100MeV의 범위에 있는 양자로 구성되어 있다. 이 입자들은 우주선을 쉽게 뚫고 지나가며 장비를 손상시키기도 하고 우주비행사들에게 해를 입히기도 한다.




파이어니어3, 4호는 내부 벨트 너머에 얽매인 입자들의 넓은 벨트를 탐사했다. 이것은 외부 복사대라 불리며, 이곳에 속해있는 입자들은 자신들이 소속된 자기력선을 따르기 때문에 바나나 형태를 취하고 있다. 외부 복사대에 모여 있는 입자들은 내부 복사대의 입자들보다 에너지가 작고, 대부분 태양풍으로부터 온 것이다. 내부 복사대는 비교적 안정되어 있는 반면, 외부 복사대는 그 속에 잡혀 있는 입자수의 변화폭이 크다.









활동적인 자기권



태양풍과 지구 자기장의 연결 자기장이 극적으로 불안정할 때, 서브스톰(substorms)이라고 불리는 현상이 자기권에서 발생한다. 서브스톰은 평균적으로 하루에 4번 정도로 발생주기가 짧고, 주로 극지방에서만 관찰될 수 있다는 점에서 자기폭풍과 구분되는 현상이다. 서브스톰이 발생하면 지구자기장의 태양을 향한 부분들은 자기꼬리로 휩쓸려 가거나, 끊어지게 되고, 자기꼬리에서 자기압력이 증가하면서 중성지점이 형성될 때까지 플라즈마 판을 누른다. 중성지점 안에서는 자기 재결합이 일어나는데, 이때 지구로 향하는 자기력선이 발생되며 플라즈마 입자들을 가속시킨다. 가속된 플라즈마 입자들은 지구의 극지방으로 들어가 고층대기와 상호작용을 하여 오로라를 생성한다. 일반적으로 2시간의 서브스톰이 발생하는 동안, 약 109W의 에너지가 고층대기에서 방출된다.









오로라는 자기권에서 동요의 정도에 따라 다양한 형태와 색깔로 나타난다. 상태가 비교적 안정적일 때, 오로라는 녹색이나 흰색의 막을 형성하며 하늘을 가로질러간다. 자기활동이 증가하면, 오로라 막은 밝아지고, 주름이 발달되며, 점점 더 빠르게 하늘을 가로질러 이동한다. 생성된 오로라는 수평선에서 수평선으로 빙글빙글 돌며 빛나는 나선형을 이루고, 이처럼 신비로운 빛을 제외하고는 어떠한 소동도 없이 잔잔하게 밤을 헤쳐나가는 것으로 보인다. 땅에서 바라본 오로라는 조용한 하늘에서 잠깐 동안만 지속되었다가 사라지기도 하고, 몇 시간 동안 남아 있기도 한다. 가장 강력한 자기활동 동안에, 하늘 전체가 붉은색으로 피어오르기도 한다.










- 글 한국천문연구원 /


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