태양풍과 우주 방사선으로부터 생명을 보호하는 지구 자기장. 외핵의 액체 철이 만드는 자기장의 생성 원리, 오로라 현상, 자기장 역전의 비밀, 그리고 자기장이 없다면 지구가 어떻게 될지 알아봅니다. 본문에서 지구의 자기장과 보호막, 생명을 지키는 보이지 않는 방패에 대해서 자세히 살펴보겠습니다.
보이지 않는 생명의 방패
지구는 거대한 자석으로 둘러싸여 있는데, 이 보이지 않는 자기장이 우리의 생명을 보호하고 있습니다. 지구 자기장은 지표면에서 평균 약 50마이크로테슬라의 세기를 가지는데, 이는 냉장고 자석의 약 100분의 1 정도로 약하지만 지구 전체를 감싸고 있어 엄청난 영향을 미칩니다. 자기장은 액체 상태의 외핵에서 생성되는데, 외핵은 깊이 2900킬로미터에서 5100킬로미터 사이에 위치하며 주로 철과 니켈로 구성되어 있고 온도가 4000-6000도에 달해 액체 상태로 존재합니다. 지구가 자전하면서 외핵의 액체 금속이 대류하고 회전하는데, 이러한 움직임이 전류를 발생시키고 전류가 다시 자기장을 만드는 자기발전기 효과가 작동하여 지구 자기장이 유지됩니다. 이를 지구다이나모 이론이라고 하는데, 1950년대에 이론적으로 확립되었고 컴퓨터 시뮬레이션으로 검증되었습니다. 지구 자기장의 모양은 막대 자석과 비슷한데, 자기력선이 남극 근처에서 나와 북극 근처로 들어가며 지구 주변 공간을 휘감고 있습니다. 하지만 지리적 북극과 자기 북극은 일치하지 않는데, 현재 자기 북극은 캐나다 북부에 있으며 매년 약 55킬로미터씩 시베리아 쪽으로 이동하고 있습니다. 이러한 이동은 외핵의 대류 패턴이 변하기 때문인데, 과거에는 이동 속도가 훨씬 느렸지만 최근 들어 빨라지고 있어 과학자들이 주목하고 있습니다.
지구의 자기장과 보호막
지구 자기장이 만드는 보호 영역을 자기권이라고 하는데, 태양 방향으로는 약 10지구 반지름까지 뻗어 있고 반대편으로는 수백 지구 반지름까지 꼬리처럼 길게 늘어져 있습니다. 태양에서는 끊임없이 태양풍이 불어오는데, 이는 태양의 외층 대기에서 방출되는 고에너지 입자들의 흐름으로 주로 양성자와 전자로 구성되어 있으며 초속 300-800킬로미터의 속도로 날아옵니다. 자기권은 이 태양풍으로부터 지구를 보호하는데, 태양풍이 자기권에 부딪히면 충격파가 형성되고 대부분의 입자들이 자기장을 따라 흘러 지구를 비켜갑니다. 태양풍과 자기권의 경계를 자기권계면이라고 하는데, 이곳에서 태양풍의 압력과 자기장의 압력이 균형을 이루며 끊임없이 변동합니다. 태양에서 코로나 질량 방출이 일어나면 평소보다 수백 배 많은 입자들이 방출되는데, 이것이 지구에 도달하면 자기 폭풍이 발생하여 자기권이 크게 교란되고 위성 통신 장애, 전력망 문제, GPS 오차 등이 생길 수 있습니다. 1989년 퀘벡 정전 사태는 강력한 자기 폭풍으로 인해 캐나다 전역이 9시간 동안 정전된 사건인데, 600만 명이 영향을 받았고 피해액이 수억 달러에 달했습니다. 자기권에는 반 앨런대라는 특별한 영역이 있는데, 1958년 제임스 반 앨런이 발견한 이 영역은 지구를 도넛 모양으로 감싸고 있으며 태양풍에서 포획된 고에너지 입자들이 집중되어 있습니다. 내대와 외대로 구성되어 있는데, 내대는 고도 1000-6000킬로미터에 위치하며 주로 양성자가, 외대는 고도 13,000-60,000킬로미터에 위치하며 주로 전자가 갇혀 있습니다. 우주비행사들은 반 앨런대를 통과할 때 방사선 피폭 위험이 있어서 아폴로 우주선은 가능한 한 빨리 통과하도록 설계되었고, 국제우주정거장은 반 앨런대 아래쪽 고도 400킬로미터에 있어 안전합니다.
자기장 역전과 미래
지구 자기장의 놀라운 특징 중 하나는 주기적으로 방향이 바뀐다는 것인데, 과거 암석의 자화 방향을 연구한 결과 자기장이 여러 번 역전되었음이 밝혀졌습니다. 평균적으로 20-30만 년에 한 번씩 역전이 일어나는데, 가장 최근 역전은 약 78만 년 전의 브룬헤스-마투야마 역전으로 이후 역전이 없어서 다음 역전이 임박했을 가능성이 있습니다. 역전이 일어나는 과정은 수백 년에서 수천 년이 걸리는데, 그 기간 동안 자기장의 세기가 약해지고 자기 극이 여러 개로 분리될 수 있으며 자기권의 보호 효과가 감소합니다. 현재 지구 자기장의 세기는 지난 200년간 약 10% 감소했는데, 일부 과학자들은 이것이 역전의 전조일 수 있다고 보지만 확실하지는 않습니다. 남대서양 이상대는 브라질과 남아프리카 상공의 자기장이 비정상적으로 약한 지역인데, 이곳에서는 반 앨런대의 입자들이 더 낮은 고도까지 내려와 인공위성이 오작동할 위험이 높습니다. 만약 자기장이 사라진다면 어떻게 될까요? 화성이 좋은 예인데, 화성은 과거에 자기장이 있었지만 약 40억 년 전에 사라졌고 그 결과 태양풍이 대기를 조금씩 벗겨내어 현재는 대기가 매우 희박해졌습니다. 지구에서 자기장이 역전되는 동안에도 완전히 사라지지는 않고 약해질 뿐이며, 수천 년이라는 긴 시간에 걸쳐 일어나므로 생명체가 적응할 시간이 있을 것으로 보입니다. 하지만 자기장이 약해지면 우주 방사선과 태양풍의 영향이 증가하여 위성 고장, 통신 장애, 전력망 문제가 더 자주 발생할 수 있고, 항공기 승무원과 승객의 방사선 피폭량이 늘어날 수 있습니다. 지구 자기장은 나침반을 작동시키는 것 이상의 의미를 가지는데, 오로라라는 아름다운 현상을 만들고 생명을 위협하는 우주 방사선을 막아주며 대기를 보존하여 지구를 생명이 살 수 있는 행성으로 만들어줍니다. 이 보이지 않는 방패 덕분에 우리는 안전하게 살아갈 수 있는 것입니다.