지구의 자기장

1.지구의 자기장

지구의 자기장은 지구의 자남극에서 자기력선이 빠져나와 자북극으로 들어가면서 그 영향권이 미치는 영역을 뜻해.

중력, 전기력과 마찬가지로 자기력은 쿨롱의 법칙에 따라 공간에서 거리의 제곱에 반비례하여 감소하게돼.

 (μ(뮤)는 투자율이라고 하는데 자기장에 의하여 매질이 얼마나 자화가 되는지 그 비율을 나타내는 상수야 단위는 (H/m) 헨리퍼 미터라고 읽어.)

지구에서 매우 멀어진다해도 사실 지구의 자기장의 세기가 0은 아니야. 하지만 거리가 멀어직수록 급함하게 되니까 보통

지구주변을 그림과같이 감싸고있는 모습으로 많이 묘사 돼.

다시 지구로 돌아와서

보통 사람들은 지구의 남극근처에  S극이 있고 지구북극 근처에 N극이 있다고 생각할거야.(실제로 그런사람 꽤 있음)

그도 그럴게 S 가 South 를 뜻하고 N이 North의 줄임말이니까.

하지만 아이러니하게도 현실은 정 반대야. 지구 남극근처에 있는극이 N극이고 북쪽에 있는것이 S극이지

왜 이렇게 된것일까??

사실 이건 인간들의 편의를 위한 약속이야.

인류가 처음 자기력을 이용할 때는 방향을 찾기위함이 가장 큰 이유였기 때문에

나침반의 붉은지침이 가르키는 곳으로 생각하고 N으로 이름을 붙이게 된거야

자 우리가 지구위에 있다고 생각했을 때 나침반의 붉은부분(N)이 북쪽을 가르키기 위해서는

실제로 북극 주변엔 지구자기의 S극이 있어야겠지??

나침반의 한쪽 침에다 붉은색을 칠하고 N극이라고 이름붙인 이유도 임의로 정한 것이지 아무도 뭐가 N이고 뭐가 S 인지 몰랐어. 

단지 구분을 위해 한쪽에 색을 칠했고 그당시 대부분의 인류가 북반구에 살고 있엇기 때문에 

자연히 북쪽을 가르치는 자침에 붉게 색칠을 한 것이 오늘날 까지 이어져 오는거야.(

(비슷한 예로는 전류의 방향을 들 수가 있겠어. 양성자가 +극에서- 극으로 이동한다고 생각했기 때문에 전류의 방향은 

+에서 -로 인간들이 약속!을 한거야. 하지만 현실 도선에서는 양전하는 대부분 양성자이기 때문에 무거워서 움직이지 않고,

실질적으로 전기에너지를 전달하는 입자는 전자인데 전자는 음(-)극을 띄니까 당연히 전류의 흐름과 반대로 흘러, 하지만

이미 약속을 해놓았고 지금까지 써왔으니 그대로 쓰고있는거야, 세계가 도량형을 SI 단위로 쓰지만 영국,미국은 아직도 인치, 파운드 단위를 쓰는 것 처럼)

사실 자기력선에도 방향이 N-S로 들어간다는 것은 사실이 아니야 인간이 설명하고 이해하기 쉽게

가상으로 방향을 설정한것이지 실제 자기력선에 방향은 존재하지 않아.

다음으로 지구의 자전축 북극과 자기장의 북극은 일치할까? 답은 '아니'

자기의 북극(자북)은 지구내부의 사정에 따라 항상 이동하기 때문에 지구의 '진짜' 북극(진북)과 항상 일치한다고 볼 수 없어.

여기서 설명해야 할 것이 편각과 복각인데 이것을 이용해 지구상에서 자신의 위치를 짐작할 수 있어.

(단, 변화하는 자북의 위치가 계속 기록되어야 해. 실제로도 기록하고 있고.)

이때 진북과 자북의 차이정도를 나타내는 용어가 편각이야 편각의 단위는 각도의 단위와 같으며 관측자의 위치에 따라 편각이 달라져

예를들어 진북, 자북, 관측자가 나란히 있으면 관측자 기준에서는 진북과 자북이 동일연장선상에 있는것이 되니까 편각이 0 이야

하지만 관측자가 고위도로 올라가서 진북, 관측자, 자북 사이로 나란히 놓이게 된다면? 편각은 180도가 되는거지.

좌표에선 경도의 역할을 하는 셈이지

복각은 관측자의 지점에서 자기력선과 지표면이 이루는 각을 뜻해, 관측자가 자기적도에 있다면 지구 자기력선과 지표가 이루는 각도는 0도 이겠지

좌표에선 위도 역할을 해 이런 유용성으로 인해 편각과 복각은 비행기의 계기판에 이용되는 등 아주 유용히 쓰이고 있어.

2.지구의 자기장은 어떻게 형성되는가?

그렇다면 대체 지구는 왜 자기장을 띄고 있을까?

여러가지 설이 많았지만 가장 유명했던 2가지 설을 알아보도록 하자.

첫번째는 '지구 영구자석설'(Perpetual magnet theory)이야.

말그대로 지구내부에있는 물질들이 자체가 영구자성을 띄어 지구전체가 자기장이 주도하는 질서아래에 놓이게 된다는 이론이야

16세기 영국의 엘리자베스 1세의 과학고문이었던 윌리엄 길버트가 강한 자성을 띈 자석을 공모양으로 깍아 여러가지 실험을 하면서 측정한 결과

세운 이론인데 당시에는 상당히 세련된 이론으로서 보편적으로 받아들여지게 되었지.

하지만 이후 영국해군은 300년 전부터 지금까지 지속적으로 자기북극을 기록해 오며 그 위치가 이동한다는 것도 알게되었고

19세기,20세기에 일게이들도 잘 아는 퀴리부인의 서방 피에르 퀴리가 '퀴리온도'를 발표하게 되면서 영구자석설은 힘을 잃게됬어.

지구내부의 물질들로 인해 자장이 발생되는 거라면 진북의 이동을 설명할 수 없었고, 

(퀴리온도란 쉽게말해 자성을 띄는 물질이 자성을 잃게되는 온도야 .  

지구내부 핵의 철과 니켈의 퀴리온도는 각각 768, 350℃ 라서 뜨거운 지구내부에서 자성을 유지하지 못하게 되는거지. 열만 박히면 꼼짝못해!)

현재에 와서 가장 보편적으로 받아들어지고 있는 설은 '다이나모'(Dynamo theory)이론이야.

다이나모 이론은 1920년에 J.라모가 태양의 자기장 형성에 대해 연구하다 발표된 이론으로.

지구 외핵의 대류현상으로 인해 유도전류가 형성되고 이 유도전류에 의해 자기장이 유도된다는 이론이야.

전극을 띄고있는 입자가 공간상에서 운동을 하게되면 자기장을 형성하게되.

물론 대전입자의 흐름인 전류또한 주변에 자기장이 생기게 되겠지 그 방향은 위의 사진과 같아.

이 법칙을 앙페르의 오른나사법칙이라고 하는데 엄지손가락을 전류의 방향으로하고 나머지 손가락을 감으면 그 방향이 자기장의 방향이야.

재미있는 것은 이 법칙이 반대의 상황에서도 적용된다는 거야. 자기장의 방향이 엄지손가락일때 전류의 방향은 손가락이 감기는 방향으로

이런 이유는 전기력과 자기력이 사실상 그 기원이 같으며 매우 밀접하게 연관있는, 위상이 90도 차이가는 상호유도의 관계에 있기 때문이야.

다시 돌아와서! 외핵의 흐름이 자기장을 만들어낸다고 했지? 

지구내부에서 움직이고 있는 뜨거운 금속은 그 자체로서 전류의 역할을 하게 돼. 

외핵의  꼬불꼬불한 대류흐름이 마치 감겨있는 전선의 열할을 하게 되는거야.

이제 어떻게 외핵의 흐름이 지구의 자기장을 형성하는지 알겠지?

다이나모 이론은 지구의 자기장이 바뀌는 '영년년변화'도 설명할 수 있으며 뜨거운 지구내부에서의 퀴리온도에 대해서도 자유로울 수 있어서

현재 가장 받아들여지고 있는 이론이야.

3.지구 자기장의 역할은 무엇인가?

그렇다면 지구의 자기장이 하는 일은 무엇일까?

우주에는 인체에 감마선, x선등 유해한 우주광선들이 항상 몰아치고있고 가까이에있는 태양에서만 해도 태양풍이라고하는 고에너지 입자들이

지구를향해서 항상 몰아치고 있어. 아마 이 고에너지의 우주광선들이 지구표면에 여과없이 닿게된다면 생물은 생존할 수 없을거야.

이런 난폭한 우주의 날씨를 막아주는 역할을 하는게 바로 우리 지구의 자기장인거지.

어떻게 자기장이 유해광선을 막노??

앞서 2장에서 말했듯이 전기와 자기는 서로 밀접한 관계를 가지고 있으며 합쳐서 전자기라고 부르지

그런데 우리가 보는 빛, 즉 가시광선을 포함한 우리눈에 보이지않는 x선, 감마선 등 여러가지 유해광선또한 전자기파야. 

그래서 지구의 자기장이 지구로 떨어지는 우주광선에 영향을 미치게 되는것이고 지구를 비켜지나가게 만들어주는 거야.

여기서 한발짝 더나가면 전자기장 얘기로 끝이없어지니까 여기까지만 알아먹으라

나머지는 나침반의 이용, 철새의 머가리 나침반 이런건데 이건 자기장의 역할이라기보다는 자기장을 이용해먹는 거니까 논외로 할게

4.지구 자기장의 변화

이렇게 지구의 자기장은 우리 인류뿐만 아니라 지구에 사는 모든 생명체에게 매우 소중한 현상이야.

하지만 지구의 자기장이 약해진다면, 또는 없어진다면 어떤일이 일어날까?

막연한 이야기 같지만 사실 지금 실제로 일어나고있는 일이야!

아마 인류가 맞게될 가장빠른 재앙은 운석충돌이나 질병이아닌 현재 진행되고있는 자기장 약화에 의한 우주방사능일지도 몰라.

지구의 자기장은 항상 북쪽이 자북극, 남쪽이 자북극으로 대체적으로 고정되있는 것이 아니라 몇만년, 몇십만년을 주기로 자기가 역전을 해

자기 남북극이 서로 팍 올라갔다 내려갔다 하는거지.

     

자기장의 극이 극에만 있는것이 아니라 적도에도, 심지어 남반구에서도

발생하면서 춘추전국시대처럼 지들끼리 뒤엉켜 붙는거지

문제는 이것이 실제로 일어나고 있다는 거야.

자기장이 주도하는 질서.. 그것은 거역할 수 없어

남반구 대서양 바다에 생겨서 지금은 딱히 티는 안나지만 여전히 진행중

학자들은 지금이 자극 역전현상의 주기가 다한게 아닌가 걱정하고 있어. 언젠가는 반드시 올 재앙이긴 하지만 넘나 무섭다

그렇다면 자기장이 약해지면 어떻일이 발생할까?

그냥 방사능 샤워 맞는거고 게쏙 피폭량이 늘어나서 집 앞마당이 체르노빌, 후꾸시마가 될 수도 있는거지

단순히 암 말고도 거리에 맨살로는 살이타서 걸어다닐 수도 없을것이고 밤이라 해도 우주공간 사방에서 날아오는 유해광선때문에

그야말고 방사능 샤워를 맞으면서 살아가야해.. 바퀴벌레처럼 방사능에도 내성이 생기지 않는이상 인류가 살아남기는 힘들거야.

또 자기장이 외핵의 대류에 의해 유도되는 만큼 자기장에 이상이 생긴다면 외핵의 대류에도 이상이 생긴거라고 볼 수 있으며

외핵은 맨틀에도 영향을 미쳐 전혀 이상한곳에서 지진이 일어날 수도 있을거야.

이를 대비해서 인류가 할 수 있는 일은 무엇이 있을까? 영화 코어처럼 땅을 뚫고 들어갈 수도 없는 일이고.

초강력 선크림을 바르고다닌다고 해서 될 것도 아니고.

사실 아직까지는 이에대한 대비가 전무한 상태야. 도축을 기다리는 가축마냥....

수억킬로미터 우주로부터 오는 운석을 어떻게 처치할방법은 생각해내면서 

고작 땅 아래 깊어봐야 6400km에 있는 핵때문에 아무것도 못하고 우리 인류가 멸망할 수도 있다는 것이다

하긴 심해도 정복못했는데... 하지만 어떻게든 살아나가지 않겠노? 인터스텔라 명대사가 생각난다

"우리는 답을 찾을 것이다, 언제나 그랬듯이"

"We will find a way, we always have"