지구자기마당과 그 변동

지구에 있는 자기마당을 지구자기라고 한다. 지구에 자기마당이 있는 사실은 오래전부터 알려져 왔지만 지구자기마당이 생성되는 원인은 1950년대부터 지구과학의 가장 큰 수수께끼 이자 가장 큰 과제의 하나로 남아 있다. 16세기에 이미 윌리엄 길버트가 실로 매단 막대자석이 수평면과 이루는 각이 위도에 따라 다른 것에 착안해 지구 자기 마당은 막대자석이 만드는 자기마당과 비슷한 모양임을 발견했다. 그 후 수학자인 가우스가 퍼텐셜 이론을 사용해 지구자기마당을 수식으로 표현하고, 지구자기마당을 생성하는 원인이 지구 내부에 있음을 발견했다. 지구자기마당은 크기와 방향을 갖춘 벡터양이며, 복각, 편각, 수평자기력의 세 가지 성분으로 나타낸다. 지구자기마당은 복잡한 패턴을 보이며, 그것들은 쌍극자로 표현되는 부분과 그렇지 않은 부분으로 나뉜다. 쌍극자 자기마당으로 표현되지 않는 자기마당을 비쌍극자 자기마당 성분이라 한다. 태양도 자기마당을 가진 천체이며, 지구자기마당은 태양자기마당이나 태양풍의 영향을 받는다. 그래서 태양을 향한 자기마당의 반구는 찌부러진 모양이고, 태양에 면하지 않은 반구는 자기력선이 태양풍 쪽으로 끌어당겨지는 것처럼 뻗어 있다. 지구는 하루에 1회 자전하므로, 지구자기마당에도 일변화가 있다. 또 태양 표면에서 대규모 폭발 현상(플레어)이 발생하면 지구자기마당에 큰 혼란이 생기는 경우가 있는데 이를 자기폭풍이라 한다. 지구자기마당은 수년 또는 수백 년의 시간 규모로도 변동하는데, 이를 지구자기의 영년변화라 한다. 또 지구자기마당은 수십만 년에 한 번꼴로 극성이 바뀐다. 지질시대에 지구자기마당이 어떠했는지를 연구하는 학문 분야를 고지자기학이라 한다. 마그마가 식어 단단해지면서 암석이 될 때 자성을 띤 광물이 생기고 그것들에 지구자기마당의 정보가 기록된다. 이것으로 암석이나 지층의 자기적인 성질을 측정하고, 과거 지구자기마당의 세기나 방위를 추정하는 것이다. 이렇게 하여 지질시대에 일어난 대륙의 이동을 실증했음은 이미 앞에서 이야기했다. 지구자기마당 생성 원인은 1950년대부터 지구과학의 최대 수수께끼이자 가장 큰 과제였다. 지구자기마당은 중심에 있는 금속질의 핵에서 이루어지는 발전 작용(다이너모 작용)이 원인이 되어 생겨나는 것으로 여겨왔다. 그림 2-23은 자기마당 속에 전류를 흐르게 하여 유지되는 간단한 다이너모 모델이다. 먼저 자기력선과 평행한 회전축을 가진 원반에 전류가 흐른다고 가정한다. 자기력에 의해 전자(음전하)는 원반의 바깥쪽으로 이동한다. 이 전자를 전선을 통해 다시 원반의 회전축으로 보내는 회로를 만들면 전선에 전류가 계속 흐른다. 회로를 회전축 주위를 돌게 만들면, 전류에 의해 생기는 자기마당은 처음과 같은 방향의 자기마당을 만든다. 그럼 지구 내부의 전류는 어떤 원리로 흐를까? 전류는 에너지가 소모됨에 따라 점점 약해지므로 전류를 일정하게 유지하기 위해서는 에너지를 계속 공급해야 한다. 지구 내부의 다이너모 작용을 연구할 때는 핵 내부의 유체 운동, 에너지 균형, 전자기에 관한 방정식을 함께 묶어 다루어야 한다. 1990년대 들어 고속연산이 가능한 컴퓨터가 개발되어, 마침내 지구자기마당의 특징을 재현하는 모델이 나타났다. 그림 2-23에 보이는 고전적인 모델에서는 적도면 안에 원형 전류가 흐르면 지축과 평행한 쌍극자 자기마당이 생겼다. 최근의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 핵의 대류 운동으로 적도면에 평행한 면을 흐르는 원형 전류의 구조가 해명되었다. 이런 지구자기마다의 생성 원인에 관한 정략적 연구의 막을 여는 획기적인 것이었다. 이런 모델에 따르면, 다이너모 작용이 발생할 수 있는 에너지의 근원은 내핵이 식어 굳는 부분이 성장하기 때문이다. 19세기에 방사선이나 방사성원소가 발견되어, 방사성원소가 반감하는 속도로 지구의 연령과 지질시대의 길이를 추정할 수 있게 되었다. 방사성원소의 반김기를 이용해 지질시대의 연대를 결정한 이는 아서 홈스이며, 그는 맨틀 대류가 원동력이라며 베게너의 대륙이동설을 지지한 것으로도 유명하다. 방사성원소란 알파선과 베타선이라는 방사선을 방출하면서 다른 원소로 변해가는 성질을 지닌 원소를 말한다. 원소의 종류는 양성자 수로 결정되지만, 자연계에는 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 것이 있으며, 그들을 동위원소라 한단. 예컨대 탄소는 양성자 수가 6이지만, 중성자 수가 6, 7, 8인 것이 존재한다. 이 가운데 중성자 수가 8, 즉 질량수가 14인 탄소는 방사성을 붕괴하는 성질이 있어 방사성핵종이라고도 한다. 방사성핵종의 붕괴율은 존재량에 비례하며, 방사성핵종의 양이 절반으로 줄어드는 시간 길이를 반감기라고 한다. 즉 반감기에 해당하는 시간이 흐르면 존재량은 2분의 1, 4분의 1, 8분의 1과 같은 식으로 감소한다. 지구연대학자는 채집한 암석을 분해해 광물별로 분리하고, 각각의 광물에 함유된 Rb과 Sr의 비, Sr과 Sr의 비를 측정한다. 광물 속의 Rb과 Sr을 이온 상태로 만들어 질량수에 따라 분리하고 각 입자수의 비를 측정한다. 이런 측정 원리를 이용하는 장치가 질량분석계이다. 어떤 암석의 형성 연령은 다음과 같은 원리로 구한다. 먼저 측정한 암석이 마그마가 식어서 생긴 것이라고 하자. 즉 암석의 연령은 마그마가 식어서 암석이 생길 때의 연대이다. 마그마는 질펀하게 녹아 있으므로, 가는 곳마다 동위원소비가 같았을 것이다. 마그마가 식어서 암석이 생기면 각각의 광물에 분배되는 Rb와 Sr의 비는 그것들의 이온 크기에 따라 달라진다. 즉 비율은 광물에 따라 다양하다. 하지만 모두 균질하게 섞였으므로 같다.