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지자기

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지자기장(地磁氣場, 영어: magnetic field of the Earth) 또는 지구 자기장은 지구 내부에서 우주 공간으로 뻗어 나가며, 태양에서 방출되는 하전 입자의 흐름인 태양풍과 상호작용하는 자기장이다. 지자기는 지구 외핵에 있는 액체 상태의 철과 니켈 혼합물의 대류로 인한 전류에 의해 생성된다. 이러한 대류는 핵에서 열이 빠져나가면서 발생하며, 이를 지오다이너모라고 부르는 자연적인 과정이다.

지구자기역전 사이의 정상 자기극성 기간 동안 지구 자기장을 컴퓨터 시뮬레이션한 모습.[1] 선들은 자기력선을 나타내며, 파란색은 자기장이 중심을 향할 때, 노란색은 바깥을 향할 때를 나타낸다. 조밀한 선의 다발은 지구 핵 내부에 존재한다.[2]

지표면에서 지구 자기장의 크기는 25 to 65 μT (0.25 to 0.65 G) 범위이다.[3] 근사적으로는 지구 중심을 관통하는 거대한 막대자석이 있는 것처럼, 현재 지구 자전축에 대해 약 11° 기울어진 자기 쌍극자의 자기장으로 표현된다. 엘즈미어섬(캐나다 누나부트 준주) 근처에 있는 북지자기극은 실제로는 지구 자기장의 남극을 나타내며, 반대로 남지자기극은 지구 자기장의 북극에 해당한다. (자석의 반대되는 극끼리는 서로 끌어당기며, 나침반 바늘과 같은 자석의 북쪽 끝은 지구 자기장의 남극을 향하기 때문이다.)

자기 북극과 남극은 대개 지리상의 극 근처에 위치하지만, 지질학적 시간 척도에 따라 천천히 지속적으로 이동한다. 그러나 그 속도는 일반적인 나침반을 항법에 사용하기에 충분히 느리다. 하지만 수십만 년에 이르는 불규칙한 간격으로 지구 자기장이 역전되어 자기 북극과 남극이 갑자기 위치를 바꾼다. 이러한 지자기극의 역전은 암석에 기록을 남기며, 이는 고지자기학자들이 과거의 지구 자기장을 계산하는 데 유중한 자료가 된다. 이러한 정보는 대륙과 해저의 이동을 연구하는 데 도움을 준다. 자기권은 우주 공간 또는 지리 우주에서 지구 자기장이 미치는 범위로 정의된다. 이는 전리층 상부에서 우주 공간으로 수만 킬로미터까지 뻗어 있으며, 태양풍의 하전 입자와 우주선으로부터 지구를 보호한다. 이러한 자기권이 없다면 지구 대기 상층부와 유해한 자외선으로부터 지구를 보호하는 오존층이 파괴될 것이다.

중요성

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지구 자기장은 대부분의 태양풍을 편향시키는데, 이 태양풍의 하전 입자들은 그렇지 않았다면 유해한 자외선으로부터 지구를 보호하는 오존층을 파괴했을 것이다.[4] 파괴 메커니즘 중 하나는 가스가 자기장의 거품에 갇혀 태양풍에 의해 뜯겨나가는 것이다.[5] 태양풍에 의한 이온 포집으로 인한 화성의 대기에서의 이산화 탄소 손실을 계산한 결과, 화성 자기장의 소멸이 화성 대기를 거의 완전히 소실시킨 원인이었음을 나타낸다.[6][7]

과거 지구 자기장에 대한 연구는 고지자기학으로 알려져 있다.[8] 지구 자기장의 극성은 화성암에 기록되며, 따라서 자기장 역전은 해저 확장이 일어나는 해령을 중심으로 "줄무늬" 형태로 감지된다. 또한 역전 사이 지자기극의 안정성 덕분에 고지자기학은 과거 대륙의 이동을 추적할 수 있었다. 역전은 암석과 퇴적물의 연대를 측정하는 방법인 자기층서학의 기초를 제공하기도 한다.[9] 자기장은 지각을 자화시키기도 하며, 자기이상은 금속 광석의 매장지를 찾는 데 사용될 수 있다.[10]

인류는 서기 11세기부터 방향을 찾기 위해, 12세기부터는 항해를 위해 나침반을 사용해 왔다.[11] 비록 자기 편각이 시간에 따라 변하지만, 이 방황은 충분히 느려서 단순한 나침반이 항해에 여전히 유용할 수 있다. 일부 박테리아에서 비둘기에 이르는 다양한 생물들은 자기수용을 통해 방향 정위와 항해에 지구 자기장을 이용한다.[12]

특징

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어떤 위치에서든 지구 자기장은 3차원 벡터로 표현될 수 있다. 방향을 측정하는 전형적인 절차는 나침반을 사용하여 자북 방향을 결정하는 것이다. 진북에 대한 자북의 각도가 편각(D)이다. 자북을 마주했을 때 자기장이 수평면과 이루는 각도가 복각(I) 또는 자기 복각이다. 자기장의 세기(F)는 자기장이 자석에 가하는 힘에 비례한다. 또 다른 일반적인 표현 방식은 X(북쪽), Y(동쪽), Z(아래쪽) 좌표계이다.[13]

지구 자기장을 표현하는 데 사용되는 일반적인 좌표계

세기

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지구 자기장의 세기는 약 22 and 67 μT (0.22 and 0.67 G) 사이이다.[14] 이에 비해 강력한 냉장고 자석의 자기장은 약 10,000 μT (100 G)이다.[15] 자기장의 세기는 더 정확하게 "자속 밀도"라고 불리며, SI 단위는 테슬라(T)이지만 가우스(G)도 사용될 수 있으며, 1 G = 100 μT이다.

자기장 세기의 등치선 지도를 등자기력선도(isodynamic chart)라고 한다. 세계 자기 모델이 보여주듯이, 세기는 극지방에서 적도로 갈수록 감소하는 경향이 있다. 최소 세기는 남아메리카 상공의 남대서양 변칙 지역에서 나타나며, 최대 세기는 캐나다 북부, 시베리아, 그리고 오스트레일리아 남쪽의 남극 해안 상공에서 나타난다.[16]

자기장의 세기는 시간에 따라 변화한다. 리버풀 대학교의 2021년 고지자기학 연구는 지구 자기장이 약 2억 년마다 세기가 순환한다는 증거를 추가했다. 주저자는 "기존 데이터셋과 함께 고려할 때 우리의 발견은 지구 내부 과정과 관련된 약 2억 년 주기의 지구 자기장 세기 변화가 존재함을 뒷받침한다"고 밝혔다.[17]

복각

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복각은 -90°(위)에서 90°(아래) 사이의 값을 가질 수 있는 각도로 주어진다. 북반구에서 자기장은 아래쪽을 향한다. 자기 북극에서는 수직 아래 방향이며, 위도가 낮아질수록 위로 회전하여 자기 적도에서 수평(0°)이 된다. 남자극에 이를 때까지 계속 위로 회전하여 수직 위 방향이 된다. 복각은 복각계로 측정할 수 있다.

지구 자기장의 등복각선도(isoclinic chart)는 아래에 나와 있다.

편각

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편각은 진북에 대해 자기장이 동쪽으로 치우친 경우 양의 값을 가진다. 나침반의 자북-자남 방향과 천구의 극 방향을 비교하여 추정할 수 있다. 지도는 일반적으로 편각 정보를 각도로 포함하거나 자북과 진북의 관계를 보여주는 작은 도표를 포함한다. 특정 지역의 편각 정보는 등편각선(isogonic lines)이 그려진 지도로 표현될 수 있다.

지리적 변이

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2020년 세계 자기 모델에 따른 지표면에서의 지구 자기장 성분.[16]

쌍극자 근사

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지구의 극들 사이의 관계. A1과 A2는 지리상의 극, B1과 B2는 지자기극, C1(남)과 C2(북)는 자극이다.

지표면 근처에서 지구 자기장은 지구 중심에 위치하고 지구의 자전축에 대해 약 11° 기울어진 자기 쌍극자의 자기장으로 매우 밀접하게 근사될 수 있다.[18] 이 쌍극자는 남극이 북지자기극을 향하는 강력한 막대 자석과 대략적으로 동일하다.[19] 이것이 의아하게 보일 수 있으나, 자석의 북극은 자유롭게 회전할 수 있을 때 (지리적인 의미에서) 대략 북쪽을 가리키도록 정의되었기 때문이다. 자석의 북극은 다른 자석의 남극을 끌어당기고 북극을 밀어내므로, 지구라는 자석의 남극에 끌려가야 한다. 쌍극자 자기장은 대부분의 위치에서 자기장의 80~90%를 차지한다.[13]

지자기극

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북극을 가로지르는 지구 자기 북극의 이동

역사적으로 자석의 북극과 남극은 지구 자기장에 의해 먼저 정의되었지 그 반대가 아니었다. 자석의 초기 용도 중 하나가 나침반 바늘이었기 때문이다. 자석이 자유롭게 회전할 수 있도록 매달렸을 때, 북극권 지역에서 지구의 자기 북극에 의해 끌리는 극을 자석의 북극으로 정의한다. 반대되는 극끼리 서로 끌어당기므로, 지구의 자기 북극은 실제로는 지구 자기장의 남극(자기장이 지구 내부를 향해 수직으로 들어가는 곳)이다.[20][21][22][23]

자극의 위치는 최소한 두 가지 방식으로 정의될 수 있다. 국지적 방식과 전지구적 방식이다.[24] 국지적 정의는 자기장이 수직인 지점이다.[25] 이는 복각을 측정하여 결정할 수 있다. 지구 자기장의 복각은 북자극에서 90°(아래쪽), 남자극에서 -90°(위쪽)이다. 두 극은 서로 독립적으로 방황하며 지구상에서 서로 정반대편에 위치하지 않는다. 북자극의 경우 연간 최대 40 킬로미터 (25 mi)의 이동이 관찰되었다. 지난 180년 동안 북자극은 1831년 부시아반도의 케이프 애들레이드에서 2001년 레졸루트베이로부터 600 킬로미터 (370 mi) 떨어진 지점으로 북서진해 왔다.[26] 자기 적도는 복각이 0인 선(자기장이 수평인 곳)이다.

지구 자기장의 전지구적 정의는 수학적 모델에 근거한다. 지구 중심을 통과하며 최적 적합 자기 쌍극자의 모멘트와 평행한 선을 그었을 때, 지표면과 만나는 두 지점을 각각 북지자기극과 남지자기극이라 한다. 지구 자기장이 완벽한 쌍극자라면 지자기극과 자북극/자남극이 일치하고 나침반은 그곳을 가리킬 것이다. 그러나 지구 자기장은 상당한 비쌍극자 성분을 가지고 있어 극들이 일치하지 않으며 나침반은 일반적으로 어느 극도 직접 가리키지 않는다.

자기권

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자기권 구조의 예술적 재구성. 1) 활모양충격파. 2) 자기권덮개. 3) 자기권계면. 4) 자기권. 5) 북측 꼬리 로브. 6) 남측 꼬리 로브. 7) 플라스마권.

지표면에서 주로 쌍극자 형태인 지구 자기장은 멀리 나갈수록 태양풍에 의해 왜곡된다. 태양풍은 태양 코로나에서 방출되어 초당 200~1000 킬로미터의 속도로 가속되는 하전 입자의 흐름이다. 이들은 행성간 자기장(IMF)을 함께 운반한다.[27]

태양풍은 압력을 가하며, 만약 지구 대기에 도달한다면 대기를 침식시킬 것이다. 그러나 지구 자기장의 압력에 의해 차단된다. 압력이 균형을 이루는 영역인 자기권계면은 자기권의 경계이다. 그 이름에도 불구하고 자기권은 비대칭적이며, 태양 쪽은 약 10 지구 반경 정도이지만 반대쪽은 200 지구 반경 이상 뻗어 있는 자기권 꼬리로 길게 늘어져 있다.[28] 자기권계면의 태양 쪽에는 태양풍이 급격히 감속되는 영역인 활모양충격파가 있다.[27]

자기권 내부에는 저에너지 하전 입자 또는 플라스마를 포함하는 도넛 모양의 영역인 플라스마권이 있다. 이 영역은 고도 60 km에서 시작하여 3~4 지구 반경까지 뻗어 있으며 전리층을 포함한다. 이 영역은 지구와 함께 회전한다.[28] 또한 고에너지 이온(에너지 0.1~10 MeV)을 포함하는 두 개의 동심원 타이어 모양 영역인 밴 앨런대가 있다. 안쪽 벨트는 1~2 지구 반경, 바깥쪽 벨트는 4~7 지구 반경에 위치한다. 플라스마권과 밴 앨런대는 부분적으로 겹치며, 겹치는 정도는 태양 활동에 따라 크게 달라진다.[29]

지구 자기장은 태양풍을 편향시킬 뿐만 아니라, 대부분 태양계 외부에서 오는 고에너지 하전 입자인 우주선도 편향시킨다. 많은 우주선은 태양의 자기권, 즉 태양권에 의해 태양계 밖으로 밀려난다.[30] 반면, 달에 있는 우주비행사들은 방사선 노출 위험이 있다. 2005년의 특히 격렬한 태양 분출 동안 달 표면에 있었던 사람이라면 치명적인 양의 방사선을 받았을 것이다.[27]

일부 하전 입자는 자기권 내부로 들어온다. 이들은 자기력선을 따라 나선형으로 움직이며 초당 여러 번 극 사이를 오간다. 또한 양이온은 천천히 서쪽으로, 음이온은 동쪽으로 표류하며 링커런트를 발생시킨다. 이 전류는 지표면의 자기장을 감소시킨다.[27] 전리층을 통과하여 그곳의 원자들과 충돌하는 입자들은 오로라 빛을 발생시키는 동시에 X선을 방출한다.[28]

우주 기후로 알려진 자기권의 변화무쌍한 조건은 주로 태양 활동에 의해 좌우된다. 태양풍이 약하면 자기권이 팽창하고, 강하면 자기권을 압축하여 더 많은 입자가 유입된다. 코로나 질량 방출이 태양에서 폭발하여 태양계에 충격파를 보낼 때, 지자기 폭풍이라 불리는 특히 강렬한 활동 기간이 발생할 수 있다. 이러한 파동이 지구에 도달하는 데는 단 이틀밖에 걸리지 않는다. 지자기 폭풍은 많은 혼란을 야기할 수 있다. 2003년의 "할로윈" 폭풍은 NASA 위성의 3분의 1 이상에 피해를 주었다. 기록된 가장 큰 폭풍인 카링턴 사건은 1859년에 발생했다. 이는 전신망을 마비시킬 만큼 강력한 전류를 유도했으며, 멀리 남쪽 하와이에서도 오로라가 보고되었다.[27][31]

시간 의존성

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단기 변동

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배경: 2000년의 자기 폭풍을 보여주는 지자기 관측소의 기록.
지구: 관측소의 위치를 보여주는 지도와 마이크로 T 단위의 수평 자기 강도를 나타내는 등치선.

지자기장은 밀리초에서 수백만 년에 이르는 시간 척도에서 변화한다. 짧은 시간 척도의 변화는 주로 전리층과 자기권의 전류에서 기인하며, 일부 변화는 지자기 폭풍이나 전류의 일일 변동에서 추적될 수 있다. 1년 이상의 시간 척도에 걸친 변화는 주로 지구 내부, 특히 철이 풍부한 핵의 변화를 반영한다.[13]

지구 자기권은 종종 태양 플레어에 부딪혀 지자기 폭풍을 일으키고 오로라를 유발한다. 자기장의 단기 불안정성은 K-지수로 측정한다.[32]

THEMIS의 데이터에 따르면, 태양풍과 상호작용하는 자기장은 이전 가설과 달리 태양과 지구 사이의 자기 방향이 정렬될 때 감소한다. 다가오는 태양 폭풍 동안 이는 정전 및 인공위성 장애를 초래할 수 있다.[33]

영년 변화

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1590년부터 1990년까지 연도별 추정 편각 등치선 (클릭하여 변화 확인)
1600년부터 2020년까지 지구 자기장의 축 쌍극자 성분 세기

1년 이상의 시간 척도에서 발생하는 지구 자기장의 변화를 영년 변화라고 한다. 수백 년에 걸쳐 자기 편각은 수십 도까지 변하는 것이 관찰된다.[13] 애니메이션은 지난 수세기 동안 전지구적 편각이 어떻게 변해왔는지 보여준다.[34]

쌍극자의 방향과 세기는 시간에 따라 변한다. 지난 2세기 동안 쌍극자 세기는 세기당 약 6.3%의 비율로 감소해 왔다.[13] 이러한 감소율이라면 자기장은 약 1600년 후에 무시할 수 있는 수준이 될 것이다.[35] 그러나 이 세기는 지난 7천 년 동안의 평균 정도이며, 현재의 변화율은 이례적인 것이 아니다.[36]

영년 변화의 비쌍극자 부분에서 두드러진 특징은 연간 약 0.2°의 비율로 나타나는 서진 표류이다.[35] 이 표류는 모든 곳에서 동일하지 않으며 시간에 따라 변해 왔다. 전지구 평균 표류는 서기 1400년경 이후 서쪽 방향이었으나 서기 1000년에서 1400년 사이에는 동쪽 방향이었다.[37]

지자기 관측소 이전의 변화는 고고학적 및 지질학적 재료에 기록되어 있다. 이러한 변화를 고지자기 영년 변화(PSV)라고 한다. 기록에는 일반적으로 지자기 일탈과 역전을 반영하는 간헐적인 큰 변화와 함께 작은 변화가 지속되는 긴 기간이 포함된다.[38]

오리건주 스틴스 산의 용암 흐름에 대한 1995년 연구는 지구 역사상 자기장이 한때 하루에 최대 6°의 비율로 이동했다는 놀라운 결과를 시사했다.[39] 그러나 2014년에 원저자 중 한 명은 그 결과가 실제로는 자기장의 이동이 아니라 용암의 지속적인 열적 탈자화 때문이었다는 새로운 연구를 발표했다.[40]

2020년 7월 과학자들은 시뮬레이션 분석과 최근의 관측 모델을 통해 지구 자기장의 방향 변화율이 연간 최대 ~10°에 도달했음을 보고했다. 이는 현재의 변화보다 거의 100배 빠르고 이전 생각보다 10배 빠른 수치이다.[41][42]

자기장 반전

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신생대 후기 동안의 지자기 극성. 어두운 영역은 오늘날의 극성과 일치하는 기간을, 밝은 영역은 역전된 기간을 나타낸다.

일반적으로 지구 자기장은 자전축과 거의 정렬된 축을 가진 쌍극자 형태이지만, 가끔 북지자기극과 남지자기극이 위치를 바꾼다. 이러한 지구자기역전의 증거는 현무암, 해저에서 채취한 퇴적물 코어, 해저 자기 이상에서 발견된다.[43] 역전은 10만 년 미만에서 5,000만 년에 이르는 간격으로 시간에 따라 거의 무작위로 발생한다. 가장 최근의 지구자기역전은 브뤼네-마쓰야마 역전으로 약 780,000년 전에 발생했다.[26][44] 관련 현상인 지자기 일탈은 쌍극자 축이 적도를 넘어갔다가 다시 원래의 극성으로 돌아오는 현상이다.[45][46] 라샹 사건은 마지막 빙하기(41,000년 전) 동안 발생한 일탈의 한 예이다.

과거의 자기장은 주로 영구 자기 모멘트를 가질 수 있는 자철석과 같은 철 산화물을 포함한 강자성 광물에 기록된다. 이 잔류 자화는 여러 방식으로 획득될 수 있다. 용암 흐름에서는 냉각되면서 작은 광물 속에 자기장의 방향이 "고정"되어 열잔류 자화를 형성한다. 퇴적물에서는 자기 입자의 방향이 해저나 호수 바닥에 퇴적되면서 자기장 쪽으로 약간 편향되는데, 이를 퇴적 잔류 자화라고 한다.[8]

열잔류 자화는 해령 주변의 자기 이상의 주요 원인이다. 해저가 확장되면서 맨틀에서 마그마가 솟아올라 냉각되어 해령 양쪽에 새로운 현무암 지각을 형성하고 해저 확장에 의해 멀어진다. 이것이 냉각되면서 지구 자기장의 방향을 기록한다. 지구 자기장이 역전되면 새로운 현무암은 역전된 방향을 기록한다. 그 결과 해령을 중심으로 대칭적인 줄무늬 시리즈가 형성된다. 해수면에서 자기계로 이 줄무늬를 감지하면 그 아래 해저의 연대를 추정할 수 있다. 이는 과거 해저가 확장된 속도에 대한 정보를 제공한다.[8]

용암 흐름의 방사능 연대 측정은 지자기 극성 시간 척도를 확립하는 데 사용되어 왔다. 이는 퇴적 및 화산층뿐만 아니라 해저 자기 이상의 연대를 측정하는 데 사용될 수 있는 물리 탐사 기술인 자기층서학의 기초가 된다.[8]

최초 출현

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오스트레일리아의 고시생대 용암과 남아프리카의 역암에 대한 고지자기 연구 결과, 자기장은 최소 약 34억 5천만 년 전부터 존재해 왔다는 결론이 내려졌다.[47][48][49] 2024년 연구자들은 그린란드에서 37억 년 전만큼이나 일찍 자기장이 존재했다는 증거를 발표했다.[50]

미래

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마지막 역전 이후 가상 축 쌍극자 모멘트의 변화

1800년대 후반부터 1900년대 내내 전반적인 지자기장은 약해졌다. 현재의 강한 약화는 10~15% 감소에 해당하며 2000년 이후 가속화되었다. 지자기 세기는 서기 1년경 현대 값보다 35% 높았던 최대치에서 거의 지속적으로 감소해 왔다. 암석에 기록된 과거 자기장 기록이 보여주듯이 감소율과 현재의 세기는 정상적인 변동 범위 내에 있다.

지구 자기장의 본질은 비등분산적(무작위적인 것처럼 보이는) 변동 중 하나이다. 자기장의 순간적인 측정이나 수십 년, 수백 년에 걸친 몇 차례의 측정만으로는 전체적인 자기장 세기의 추세를 추정하기에 충분하지 않다. 과거에도 알 수 없는 이유로 세기가 오르내렸다. 또한 지구 자기장은 엄밀히 쌍극자 자기장이 아니기 때문에, 쌍극자 자기장의 국지적 세기(또는 그 변동)에 주목하는 것만으로는 지구 자기장 전체를 특징짓기에 불충분하다. 전체 자기장이 일정하거나 증가하는 동안에도 지구 자기장의 쌍극자 성분은 감소할 수 있다.

지구의 자기 북극은 현재 가속화된 속도로 북부 캐나다에서 시베리아 쪽으로 이동하고 있다. 1900년대 초에는 연간 10 킬로미터 (6.2 mi)였으나 2003년에는 연간 40 킬로미터 (25 mi)에 달했으며,[26] 그 이후로 더욱 가속화되었다.[51][52]

물리적 기원

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지구핵 및 발전

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지구 자기장은 핵에서 빠져나오는 열에 의한 대류로 인해 생성된, 핵의 전도성 철 합금 내 전류에 의해 발생하는 것으로 믿어진다.

코리올리 효과에 의해 롤 형태로 조직된 전도성 유체의 운동과 그 운동이 생성하는 자기장 사이의 관계를 보여주는 도식.[53]

지구와 태양계의 대부분의 행성, 그리고 태양과 다른 별들은 모두 전기가 통하는 유체의 운동을 통해 자기장을 생성한다.[54] 지구의 자기장은 핵에서 기원한다. 핵은 약 3400 km까지 뻗어 있는 철 합금 지역이다(지구 반경은 6370 km). 이는 반경 1220 km의 고체 내핵과 액체 외핵으로 나뉜다.[55] 외핵 유체의 운동은 약 6,000 K (5,730 °C; 10,340 °F)인 내핵에서 약 3,800 K (3,530 °C; 6,380 °F)인 핵-맨틀 경계로 흐르는 열 흐름에 의해 발생한다.[56] 열은 내부의 방사능 원소 붕괴뿐만 아니라 핵을 향해 가라앉는 무거운 물질에 의해 방출되는 위치 에너지(행성 분화, 철의 대변혁)에 의해 생성된다. 유동 패턴은 지구의 자전과 고체 내핵의 존재에 의해 조직된다.[57]

지구가 자기장을 생성하는 메커니즘은 지오다이너모로 알려져 있다.[54] 자기장은 피드백 루프에 의해 생성된다. 전류 루프는 자기장을 생성하고(앙페르 회로 법칙), 변화하는 자기장은 전기장을 생성하며(패러데이 전자기 유도 법칙), 전기장과 자기장은 전류로 흐르는 전하에 힘을 가한다(로런츠 힘).[58] 이러한 효과들은 자기 유도 방정식이라 불리는 자기장에 대한 편미분 방정식으로 결합될 수 있다.

여기서 u는 유체의 속도, B는 자기장, η = 1/σμ는 전기 전도도 σ와 투자율 μ의 곱의 역수인 자기 확산도이다.[59] ∂B/∂t는 시간에 대한 자기장의 편미분이며, ∇2은 라플라스 연산자, ∇×는 회전 연산자, ×는 벡터 곱이다.

유도 방정식 우변의 첫 번째 항은 확산 항이다. 정지된 유체에서 자기장은 감소하고 자기장의 집중은 퍼져나간다. 만약 지구의 다이너모가 멈춘다면 쌍극자 부분은 수만 년 안에 사라질 것이다.[59]

완전 도체()에서는 확산이 일어나지 않을 것이다. 렌츠의 법칙에 의해 자기장의 모든 변화는 전류에 의해 즉각적으로 저항받으므로 유체의 특정 부피를 통과하는 선속은 변할 수 없다. 유체가 움직이면 자기장도 유체와 함께 이동한다. 이 효과를 설명하는 정리는 자기력선 동결 정리라고 불린다. 유한한 전도성을 가진 유체에서도 유체가 변형되면서 움직일 때 자기력선을 늘림으로써 새로운 자기장이 생성된다. 자기장의 세기가 증가하면서 유체의 운동에 저항하게 되지만 않는다면 이 과정은 무한히 새로운 자기장을 생성할 수 있다.[59]

유체의 운동은 부력에 의한 운동인 대류에 의해 유지된다. 지구 중심으로 갈수록 온도가 높아지며 아래쪽 유체의 높은 온도가 부력을 만든다. 이 부력은 화학적 분리에 의해 강화된다. 핵이 냉각되면서 용융된 철의 일부가 응고되어 내핵에 달라붙는다. 이 과정에서 가벼운 원소들이 유체에 남게 되어 유체를 더 가볍게 만든다. 이를 성분 대류라고 한다. 전체적인 행성 자전에 의해 발생하는 코리올리 효과는 흐름을 남북 극축을 따라 정렬된 롤 형태로 조직하는 경향이 있다.[57][59]

다이너모는 자기장을 증폭시킬 수 있지만 시작하려면 "씨앗" 자기장이 필요하다.[59] 지구의 경우 이는 외부 자기장이었을 수 있다. 역사 초기에 태양은 황소자리 T형 항성 단계를 거쳤는데 이때 태양풍은 현재보다 수십 배 강한 자기장을 가졌을 것이다.[60] 그러나 대부분의 자기장은 지구 맨틀에 의해 차단되었을 수 있다. 대안적인 소스는 화학 반응이나 열적 또는 전기 전도도의 변화로 인해 발생하는 핵-맨틀 경계의 전류이다. 이러한 효과는 여전히 지오다이너모의 경계 조건의 일부인 작은 편향을 제공할 수 있다.[61]

지구 외핵의 평균 자기장은 25 가우스로 계산되었으며 이는 지표면 자기장보다 50배 강한 수치이다.[62]

수치 모델

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컴퓨터로 지오다이너모를 시뮬레이션하려면 지구 내부의 자기 유체 역학(MHD)에 대한 일련의 비선형 편미분 방정식을 수치적으로 풀어야 한다. MHD 방정식의 시뮬레이션은 3D 격자점에서 수행되며 격자의 미세함은 컴퓨터 성능에 의해 주로 제한된다. 수십 년 동안 이론가들은 유체 운동이 미리 선택되고 자기장에 미치는 영향만 계산되는 운동학적 다이너모 컴퓨터 모델을 만드는 데 국한되었다. 운동학적 다이너모 이론은 주로 다양한 흐름 기하학을 시도하고 그러한 기하학이 다이너모를 유지할 수 있는지 테스트하는 문제였다.[63]

유체 운동과 자기장을 모두 결정하는 최초의 자기 일관성 다이너모 모델은 1995년 일본의 한 그룹[64]과 미국의 한 그룹[1][65]에 의해 개발되었다. 후자는 지자기 역전을 포함하여 지구 자기장의 일부 특성을 성공적으로 재현했기 때문에 주목을 받았다.[63]

해양 조수의 영향

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대양은 지구 자기장에 기여한다. 바닷물은 전기 전도체이므로 자기장과 상호작용한다. 조석이 해양 분지를 순환할 때 바닷물은 본질적으로 지자기력선을 함께 끌어당기려 한다. 짠물은 전도성이 약하기 때문에 상호작용은 상대적으로 약하다. 가장 강한 성분은 하루에 두 번 발생하는 정규 태음조(M2)에서 나온다. 다른 기여는 해양 너울, 소용돌이, 심지어 쓰나미에서도 발생한다.[66]

위성에서 관측한 해수면 자기장 (NASA)[66]

상호작용의 강도는 바닷물의 온도에도 의존한다. 이제 지구 자기장 관측을 통해 대양에 저장된 전체 열량을 추정할 수 있다.[67][66]

전리층과 자기권의 전류

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전리층에서 유도된 전류는 자기장을 생성한다(전리층 다이너모 영역). 이러한 자기장은 항상 대기가 태양에 가장 가까운 곳 근처에서 생성되어 지표면 자기장을 최대 1°까지 편향시킬 수 있는 일일 변화를 일으킨다. 전형적인 일일 자기장 세기 변화는 약 25 nT(2000분의 1)이며 수 초에 걸친 변동은 일반적으로 약 1 nT(50,000분의 1) 정도이다.[68]

측정 및 분석

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감지

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지구 자기장의 세기는 1832년 카를 프리드리히 가우스에 의해 측정되었으며[69] 그 이후 반복적으로 측정되어 지난 150년 동안 약 10%의 상대적 감쇠를 보여주었다.[70] Magsat 위성과 이후의 위성들은 3축 벡터 자기계로 지구 자기장의 3D 구조를 조사해 왔다. 이후 Ørsted 위성을 통한 비교 결과 남아프리카 서쪽 대서양 아래에 또 다른 극을 형성하고 있는 것으로 보이는 역동적인 지오다이너모의 작동이 시사되었다.[71]

정부는 때때로 지구 자기장 측정을 전문으로 하는 부서를 운영한다. 이들은 지자기 관측소이며 일반적으로 국가 지질 조사의 일부이다. 예를 들어 영국 지질조사소의 에스크데일뮤어 관측소가 있다. 이러한 관측소는 통신, 전력 및 기타 인류 활동에 영향을 미치는 자기 폭풍과 같은 자기 조건을 측정하고 예측할 수 있다.

전 세계 100개 이상의 지자기 관측소가 연결된 국제 실시간 자기 관측소 네트워크는 1991년부터 지구 자기장을 기록해 왔다.

군은 잠수함과 같은 중대한 금속 물체에 의해 발생할 수 있는 자연 배경의 이상을 탐지하기 위해 국지적 지자기 특성을 파악한다. 일반적으로 이러한 자기이상 탐지기는 영국의 님로드와 같은 항공기에 탑재되거나 수상함에서 기기 또는 기기 배열을 견인하여 운용된다.

상업적으로는 물리탐사 회사들도 쿠르스크 자기 이상과 같이 자연적으로 발생하는 광상으로부터의 이상을 식별하기 위해 자기 탐지기를 사용한다.

지각 자기 이상 현상

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암석권 이상에 기인한 지구 자기장의 단파장 특성 모델[72]

자기계는 유물, 가마, 일부 석조 구조물, 심지어 고고학 지물인 도랑과 패총에 의해서 발생하는 미세한 지구 자기장 편차를 감지한다. 제2차 세계 대전 중 잠수함을 탐지하기 위해 개발된 항공용 자기이상 탐지기를 개조한 장비를 사용하여 해저 전반의 자기 변화가 지도로 작성되었다.[73] 해저를 구성하는 철이 풍부한 화산암인 현무암은 강한 자성 광물(자철석)을 포함하고 있어 국지적으로 나침반 읽기 값을 왜곡할 수 있다. 이 왜곡은 18세기 후반만큼 일찍이 아이슬란드 선원들에 의해 인지되었다.[74] 더 중요한 점은 자철석의 존재가 현무암에 측정 가능한 자기적 특성을 부여하기 때문에 이러한 자기 변화가 심해저를 연구하는 또 다른 수단을 제공했다는 것이다. 새로 형성된 암석이 냉각될 때 이러한 자성 물질들은 지구 자기장을 기록한다.[74]

통계 모형

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자기장의 각 측정값은 특정 장소와 시간에 대한 것이다. 다른 장소와 시간의 자기장을 정확하게 추정해야 한다면 측정값을 모델로 변환하고 이 모델을 사용하여 예측을 수행해야 한다.

구면 조화 함수

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구면에서의 구면 조화 함수와 그 마디선의 도식적 표현. Pℓ m은 극을 통과하는 m개의 대원을 따라, 그리고 ℓ-m개의 위도 원을 따라 0이 된다. 함수는 이 선들 중 하나를 넘을 때마다 부호가 바뀐다.
사중극자 자기장의 예. 이는 두 개의 쌍극자를 가깝게 이동시켜 구성할 수도 있다.

지구 자기장의 전지구적 변화를 분석하는 가장 일반적인 방법은 측정값을 구면 조화 함수 세트에 맞추는 것이다. 이는 카를 프리드리히 가우스에 의해 처음 수행되었다.[75] 구면 조화 함수는 구의 표면에서 진동하는 함수이다. 이들은 위도에 의존하는 함수와 경도에 의존하는 함수의 곱이다. 경도 함수는 북극과 남극을 통과하는 0개 이상의 대원을 따라 0이 되며, 이러한 마디선의 수는 차수 m의 절대값이다. 위도 함수는 0개 이상의 위도 원을 따라 0이 되며, 이 수에 차수를 더한 것이 차수 ℓ과 같다. 각 조화 함수는 지구 중심에서의 특정 자기 전하 배치와 동일하다. 자기 홀극은 고립된 자기 전하로 아직 관찰된 바 없다. 자기 쌍극자는 서로 반대되는 두 전하를 가깝게 붙여놓은 것과 같고 사중극자는 두 쌍극자를 붙여놓은 것과 같다. 사중극자 자기장은 오른쪽 아래 그림에 나와 있다.[13]

구면 조화 함수는 특정 속성을 만족하는 모든 스칼라장(위치의 함수)을 표현할 수 있다. 자기장은 벡터장이지만 데카르트 성분 X, Y, Z로 표현될 경우 각 성분은 자기 스칼라 퍼텐셜이라 불리는 동일한 스칼라 함수의 도함수이다. 지구 자기장 분석은 곱셈 인자가 다른 변형된 구면 조화 함수 버전을 사용한다. 자기장 측정값에 대한 최소제곱법을 적용하면 지구 자기장을 구면 조화 함수의 합으로 얻을 수 있으며, 각각은 최적 적합 가우스 계수 gmℓ 또는 hmℓ가 곱해진다.[13]

가장 낮은 차수의 가우스 계수 g00은 고립된 자기 전하의 기여를 나타내므로 0이다. 다음 세 계수인 g10, g11, h11은 쌍극자 기여의 방향과 크기를 결정한다. 최적 적합 쌍극자는 앞서 설명한 대로 자전축에 대해 약 10° 기울어져 있다.[13]

방사형 의존성

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구면 조화 분석은 둘 이상의 높이(예를 들어 지상 관측소와 위성)에서 측정이 가능한 경우 내부 원인과 외부 원인을 구별하는 데 사용될 수 있다. 이 경우 계수 gmℓ 또는 hmℓ를 가진 각 항은 두 항으로 나뉠 수 있다. 하나는 반경에 따라 1/rℓ+1로 감소하고 다른 하나는 반경에 따라 rℓ로 증가한다. 증가하는 항은 외부 원인(전리층과 자기권의 전류)에 부합한다. 그러나 수년 동안 평균을 내면 외부 기여는 평균 0이 된다.[13]

나머지 항들은 쌍극자 원인(ℓ=1)의 퍼텐셜이 1/r2으로 떨어진다고 예측한다. 퍼텐셜의 도함수인 자기장은 1/r3으로 떨어진다. 사중극자 항은 1/r4으로 떨어지며 더 높은 차수의 항들은 반경에 따라 점점 더 빠르게 떨어진다. 외핵의 반경은 지구 반경의 약 절반이다. 핵-맨틀 경계의 자기장이 구면 조화 함수에 맞춰지면 지표면에서 쌍극자 부분은 약 8배, 사중극자 부분은 16배 등으로 작아진다. 따라서 긴 파장을 가진 성분만이 지표면에서 두드러질 수 있다. 여러 논거를 통해 일반적으로 차수 14 이하의 항들만이 핵에서 기원하는 것으로 간주된다. 이들은 파장이 약 2,000 km (1,200 mi) 이하이다. 더 작은 지물들은 지각 이상에 기인한다.[13]

= 전지구 모형

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국제 지자기 및 항공 우주 협회는 국제 표준 지자기장(IGRF)이라 불리는 표준 전지구 자기장 모델을 유지 관리한다. 이는 5년마다 업데이트된다. 11세대 모델인 IGRF11은 위성(Ørsted, CHAMP, SAC-C) 데이터와 전 세계 지자기 관측소 네트워크를 사용하여 개발되었다.[76] 구면 조화 전개는 2000년까지 120개의 계수를 가진 10차에서 절단되었다. 이후 모델들은 13차(195개 계수)에서 절단된다.[77]

세계 자기 모델이라 불리는 또 다른 전지구 자기장 모델은 미국 National Centers for Environmental Information(구 국립 지질 데이터 센터)과 영국 지질조사소가 공동으로 제작한다. 이 모델은 약 3,000 킬로미터의 공간 해상도를 가진 12차(168개 계수)에서 절단된다. 이는 미국 국방부, 영국 국방부, 미국 연방항공국(FAA), 북대서양 조약 기구(NATO), 국제 수로 기구뿐만 아니라 많은 민간 항법 시스템에서 사용되는 모델이다.[78]

위의 모델들은 핵-맨틀 경계에서의 "주자기장"만을 고려한다. 항법에는 일반적으로 충분히 좋지만, 더 높은 정확도가 필요한 용도에서는 더 작은 규모의 자기이상과 다른 변화들을 고려해야 한다. 몇 가지 예는 다음과 같다.[79]

  • 고더드 우주 비행 센터(NASA 및 GSFC)와 덴마크 우주 연구소의 "종합 모델링"(CM) 방식. CM은 지상 및 위성 소스로부터 시간적, 공간적 해상도가 크게 다른 데이터를 일치시키려 시도한다. 2022년 기준 최신 버전은 2016년의 CM5이다. 이는 주자기장 외에 암석권(지각), M2 조석, 그리고 1차/유도 자기권/전리층 변화에 대한 개별 성분을 제공한다.[80]
  • 미국 National Centers for Environmental Information은 790차수까지 확장되고 파장 56 킬로미터까지 자기이상을 분해하는 Enhanced Magnetic Model(EMM)을 개발했다. 이는 위성, 해상, 항공 및 지상 자기 조사에서 편찬되었다. 2018년 현재 최신 버전인 EMM2017은 유럽 우주국의 Swarm 위성 미션 데이터를 포함한다.[81]

주자기장에 대한 역사적 데이터의 경우 IGRF를 1900년까지 사용할 수 있다.[77] 전문화된 GUFM1 모델은 선박 항해 기록을 사용하여 1590년까지 추정한다.[82] 고지자기학 연구는 기원전 10,000년까지 거슬러 올라가는 모델을 제작했다.[83]

생체자기학

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새와 거북이를 포함한 동물들은 지구 자기장을 감지할 수 있으며 이동 중에 항해를 위해 이 자기장을 사용한다.[84] 일부 연구자들은 소와 야생 사슴이 쉴 때 몸을 남북 방향으로 정렬하는 경향이 있지만, 동물이 고압 송전선 아래에 있을 때는 그렇지 않다는 것을 발견했으며 이는 자기력이 원인임을 시사한다.[85][86] 다른 연구자들은 2011년에 서로 다른 구글 어스 이미지를 사용하여 그러한 발견을 재현할 수 없었다고 보고했다.[87]

매우 약한 전자기장은 항해를 위해 지구 자기장을 사용하는 유럽울새와 다른 명금류가 사용하는 자기 나침반을 방해한다. 송전선이나 휴대전화 신호는 새들에게 미치는 전자기장 효과의 원인이 아니다.[88] 대신 주범은 2 kHz에서 5 MHz 사이의 주파수이다. 여기에는 AM 라디오 신호와 사무실이나 일반 가정에서 볼 수 있는 일반적인 전자 장비가 포함된다.[89]

같이 보기

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각주

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