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지구 자기권

지구 자기권
커다란 자석
지구자기장
지구는 매우 커다란 자석으로 볼 수 있다. 막대자석의 자기력선이 철가루를 그림과 같은 형태로 만들어내는 것처럼, 지구의 자기력선도 비슷한 형태로 나타난다. 이것이 나침반의 바늘이 항상 북극을 가리키는 이유이다. 자기장은 또한 정전기에 의해 대전된 물체들을 밀어낸다. 만약에 이러한 대전된 물체들이 자기장에서 움직인다면, 그것들은 자기장에 의해서 밀려날 것이다. 실제로도 지구로 향하는 대전된 입자들(이온과 전자)은 지구 자기장에 의해 밀려나고 있다.
태양과 지구의 연결
태양풍과 지자기
태양과 지구는 태양으로부터 오는 대전된 입자들의 흐름에 의해서 연결되어 있다. 태양풍이라 불리는 이 흐름은 약 450km/s의 속도로 입자들과 자기를 운반하고 있다. 그리고 이 태양풍은 태양의 활동에 영향을 받는데, 태양흑점들과 관련된 폭발인 태양플레어는 태양풍의 돌풍을 일으킨다.

지구의 자기장은 태양의 변화에 영향을 받기 때문에 활발하고 동적이다. 태양풍의 돌풍이 많은 동안에, 강력한 자기폭풍은 오로라를 만들어 내기도 하고, 라디오와 텔레비전의 전파장애를 일으키며, 나침반이 있는 선박과 비행기들의 항해에 문제와 정전을 일으키기도 한다. 또 우주공간에서는 인공위성과 우주선에 해를 입히기도 한다.
지구의 보호막
태양과 관측위성
지구의 자기장은 태양풍으로부터 지구를 보호한다. 하지만 지구자기장에서 태양풍 에너지는 가끔 우주 플라즈마 폭풍을 발생시킬 수 있다. 이러한 폭풍은 통신장비나 과학위성들에 오작동을 일으킬 수도 있으며, 지구 표면에 있는 전력체계에 손상을 입힐 수도 있다.

1989년 거대한 우주폭풍은 케나다 전력회사 하이드로 퀘벡(Hydro-Quebec)의 전력체계에 문제를 일으켰는데, 이는 캐나다와 미국에 살고 있는 6백만 명의 사람의 전기사용을 9시간동안 마비시켰다. 그리고 자기폭풍과 태양의 자외선 복사에너지의 증가는 상층대기를 가열시켜 팽창하도록 만든다. 이로 인해 저궤도의 위성은 가끔씩 상층대기와의 마찰로 궤도를 이탈하기도 한다.

마샬 우주비행센터(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. 이 연구는 나사(NASA)에서 우주 플라즈마 폭풍들을 예상하는데 도움을 주어, 인공위성이나 전력체계를 보호할 수 있을 것이다.
자기권이 없다면
태양과 관측위성
지구에 자기장이 없었다면 과연 생명체가 존재할 수 있었을까? 자기장이 없었다면 태양풍은 직접적으로 대기와 상호작용을 할 것이고, 결국 지구는 자기장이 존재하지 않는다고 알려진 금성처럼 물이 없고, 생명체 또한 존재하지 못했을 것이다.
지구 자기권의 분류
지구자기장 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. 그 다음 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)
충격파면
지구자기장의 가장앞부분(태양방향)은 충격파면이다. 이것은 태양풍이 지구자기장에 부딪혀 생기는 충격파 이며, 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 총알모양의 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.

* RE = 지구반경단위 (약 6378km)
자기꼬리(magnetic tail)
자기권계면
지구의 자기장은 태양과 반대편으로 혜성과 비슷한 형태의 자기장꼬리를 갖는다. 이 자기꼬리는 매우 활동적이며, 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 태양반대쪽의 면에 집중되어 보인다는 사실은 모든 사람에게 궁금증을 주었다. 그러나 그러한 관측들은 인공위성에 의해 자기권의 긴 꼬리의 발견과 이미지 형성이 된 이후에 많이 설명이 되었다. 태양풍에 의해 태양 정면의 자기장은 양파 껍질처럼 벗겨지며 입자들을 가지고 꼬리부근으로 가게 된다. 꼬리부근에서 모인 입자들은 자기재결합에 의해 그 반동으로 극지방까지 진입을 하게 되는 것이다.
자기꼬리 돌출부
자기꼬리
자기꼬리 대부분의 부피는 자기력선에 거의 평행한 두 개의 묶음이 차지한다. 적도보다 위 부분의 묶음은 북극을 포함하는 대략적인 원형지역에 이르게 되는 반면, 아래쪽의 묶음은 지구로부터 먼 쪽을 가리키며 남극 지역에 연결되어 있다. "자기꼬리 돌출부"라고 알려진, 이러한 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.

다음은 일반적인 플라즈마 밀도를 비교한 것이다.

- 지구 근처의 태양풍 6 ions/cm³
- 외부 자기장의 태양면 1 ions/cm³
- 꼬리돌출부를 분리시키는 플라즈마 판 0.3~0.5 ions/cm³
- 꼬리 돌출부 0.01 ions/cm³

이것은 상대적으로 낮은 밀도는 자기꼬리 돌출부의 자기력선들이 지구로부터 멀리 흘러가는 태양풍과 연결되어 있다는 것을 제시한다. 이온들과 전자들은 태양풍에 의해 휩쓸릴 때까지, 자기꼬리의 자기력선을 따라 쉽게 흐를 수 있다. 그러나 아주 적은 이온들은 태양풍의 일반적인 흐름을 거스르며, 지구를 향해 반대로 올라간다. 그러한 반대 방향의 흐름에 의해, 약간의 플라즈마가 자기꼬리 돌출부에 남아 있는 것이다.
플라즈마 판(plasma sheet)
플라즈마 판은 자기꼬리의 적도위에 집중된 두께가 3~7 RE, 밀도는 0.3~0.5 ions/cm², 보통 에너지가 2~5 keV인 뜨거운 플라즈마의 두꺼운 층이다. 이 지역은 다소 활동적이라서 두께, 밀도 그리고 에너지는 심하게 변한다. 태양풍이 강할 때 지구자기장은 압력을 받는데 꼬리 부근의 플라즈마 판 역시 압력을 받아 눌리게 된다. 이에 자기력선은 재결합이 되면서 이온들이 지구방향과 반대방향으로 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)
중성지점
입자들과 자기력선들 사이의 강한 구속은 때때로 깨어질 수 있다. 예를 들면, 입자들이 충돌을 당하거나 플라즈마가 장의 세기가 0으로 떨어지는 "중성지점"을 통과해 흐를 때이다. 자기력선들의 그래프에서, 그러한 점들은 자기력선들이 서로 엇갈리게 보이는 곳처럼 나타난다. 어떻게 한 번에 두 방향으로 자기장의 방향성을 나타낼 수가 있을까? 그럼에도 불구하고 만일 그래프가 그러한 점들을 보인다면, 자기장의 세기가 그러한 지점들에서 0이 되어 힘의 방향에 대한 언급이 어렵다는 결론을 내려야 한다. 자기권계면의 내부에 자기력선들의 배열을 그려볼 때, 그러한 지점들을 볼 수 있으며, 그것은 태양방향으로 향하는 선들과 꼬리방향으로 향하는 선 사이의 분리를 표시한다. 실제로 그 지점은 세기는 약하지만 0이 아닌 무질서한 자기장을 형성하는 것처럼 보인다.
자기 복사대
내부 복사대
내부복사대
지구는 실제로 서로 다른 기원을 가진 두 개의 복사지역을 가지고 있다. 밴 앨런(Van Allen)의 방사능측정기에 의해 발견된 내부복사지역은 적도 위의 밀집된 부분에 해당하며, 우주복사에 의해 생성되었다. 그것은 밴 앨런 복사대의 내부 복사대라 불리며, 10~100meV의 범위에 있는 양자에 의해 구성되어 있다. 그리고 이 입자들은 우주선을 쉽게 뚫고 지나가며 장비를 손상시키기도 하고 우주비행사들에게 해를 입히기도 한다.

왼쪽 그림은 초기 자기층의 관측에 기여했던 파이오니어(pioneer) 3, 4호의 궤도가 두 개의 복사지역 통과한 경로를 나타내 보여주고 있다.
외부 복사대
외부복사대
파이오니어3, 4호는 내부벨트 너머에 얽매인 입자들의 넓은 벨트를 탐사했다. 이것은 외부 복사대라 불리며, 이곳에 속해있는 입자들이 소속된 자기력선을 따르기 때문에 바나나 형태를 취하고 있다.

외부 복사대에 모여 있는 입자들은 내부 복사대의 입자들보다 에너지가 작고, 대부분 태양풍으로부터 온 것이다. 그리고 내부 복사대는 비교적 안정되어 있는 반면, 외부 복사대는 그 속에 잡혀있는 입자들의 수가 100배까지 변화한다.
활동적인 자기권
극적으로 불안정할 때, 서브스톰(substorms)이라고 불리는 것이 자기권에서 발생한다. 서브스톰의 급격한 진행은 자기폭풍을 만들어낸다. 자기폭풍은 태양풍의 구성성분과 속도를 변화시키는 태양의 강력한 폭풍과 관련이 있다. 서브스톰이 발생하면 행성간 자기력선들의 강력한 연결은 최외부에서 이루어진다. 지구자기장의 태양을 향한 부분들은 자기꼬리로 휩쓸려 갔거나, 끊어지게 되고, 자기꼬리에서 자기압력의 증가는 중성점이 형성될 때까지 플라즈마 판을 누른다. 중성점이 형성되고, 중성점 안에서 자기재결합이 일어난다. 이것은 고무 밴드처럼 지구를 향하는 자기력선을 발생시켜 플라즈마 입자들을 가속시킨다. 가속된 플라즈마 입자들은 지구의 극지방으로 들어가 고층대기와 상호작용을 하며 오로라를 생성한다. 일반적으로 2시간의 서브스톰이 발생하는 동안, 약 109W 의 에너지가 고층대기에서 방출된다.

서브스톰들은 평균적으로 하루에 4번 정도 발생한다. 하지만 상대적으로 낮은 위도에 사는 사람들은 오로라를 볼 수 없기 때문에, 좀처럼 그것을 인식할 수가 없다.

오로라는 자기권에서 동요의 정도에 따라 다양한 형태와 색깔로 나타난다. 상태가 비교적 안정적일 때, 오로라는 녹색이나 흰색의 막을 형성하며 하늘을 가로질러간다. 자기활동이 증가함에 따라, 오로라 막은 밝아지고, 주름을 발달시키며, 점점 더 빠르게 하늘을 가로질러 이동한다. 생성된 오로라는 수평선에서 수평선으로 빙글빙글 돌며 빛나는 나선형을 이루고, 이러한 신비로운 빛을 제외하고는 어떠한 소동도 없이 잔잔하게 밤을 헤쳐 나가는 것으로 보인다. 땅에서 바라본 오로라는 조용한 하늘에서 잠깐 동안만 지속되었다가 사라지기도 하고, 몇 시간동안 남아 있기도 한다. 가장 강력한 자기활동 동안에, 하늘전체가 붉은 색으로 피어오르기도 한다.
자기권
활동적인 입자들
가스의 원자와 분자는 충돌과 일정한 운동을 하면서 우주공간에서 존재한다. 온도가 높은 가스는 빠른 운동을 하고 더 많은 에너지를 갖고 있다. 플라즈마의 자유이온들과 전자들도 이와 같은 방법으로 운동하는데, 우리가 알고 있는 지구나 태양의 고층대기의 온도에 따른 이온과 전자들의 운동에 기초하여 그들의 에너지 값을 예상할 수 있다. 그러나 예상과는 달리 실제로 우주에서 관측된 몇몇 이온과 전자들은 매우 활동적이고, 빛의 속도(300,000 km/s)에 가까운 상당한 속도로 이동을 한다. 이러한 것을 통하여, 그들의 전기·자기적인 진행과정은 단순히 열에 의한 것만은 아니라는 것을 생각해볼 수 있다.
전자 전압
전자의 에너지를 측정하는 단위로는 eV(electron volt)가 있다. 이것은 한 전압에서 다른 한 전압으로 전자(혹은 양자, 전극과 같은 크기)가 이동함으로써 얻어지는 에너지이다.
자연상의 에너지 입자들
0.03 eV = 우리가 호흡하는 공기 중의 산소나 질소의 분자에너지. 이것은 총알속도만큼의 빠르기로 움직이지만 에너지의 규모에서는 극히 작을 뿐이다.
0.5 eV = 태양표면 온도에서의 원자나 분자.
0.67 eV = 양성자나 중성자가 지구중력을 탈출하기 위해 필요한 에너지.
1000~15,000 eV = 극지방 오로라에서 전자들의 에너지.
40,000 eV = 방사능측정기를 통과하는 전자들에 의해 얻은 에너지.
50,000 eV = 고리흐름(ring current)에서의 이온의 일반적인 에너지.

좀 더 큰 단위의 필요성 때문에 다음과 같은 단위구조가 생겼다.

1,000 ev = 1 kev (kilo-electron-volt)
1,000,000 ev = 1 mev (mega-electron volt)
1,000,000,000 ev = 1 gev (giga-electron-volt)

1.4 Mev = 지구내부열의 주요인중 하나인 방사성칼륨으로부터 나온 전자들의 에너지.
4.2 Mev = 지구열의 또 다른 주요인인 방사성 우라늄238번으로부터의 α-입자들의 에너지.
10~100 Mev = 내부복사 벨트의 일반적인 양성자 에너지.
10~15,000 Mev = 태양의 폭발 시 에너지의 범위.
1~100,000,000,000 Gev = 우주선(cosmic ray)이온들의 에너지의 범위.
최종수정일

2017년 4월 11일