지구의 보호막, 지구자기장

지구는 매우 커다란 자석으로 볼 수 있다. 막대자석에 철가루를 뿌리면 자석의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 줄을 서는 모습을 확인할 수 있는데, 지구 역시 그와 비슷한 모양의 자기력선을 만든다. 이처럼 지구가 가지고 있는 고유한 자기장을 지구자기장이라고 한다.

 

 

 

지구를 보호하듯 감싸고 있는 지구자기장.

 

 

지구의 보호막, 지구자기장 태양과 지구는 태양으로부터 오는 대전 된 입자들의 흐름에 의해서 연결되어 있다. 태양풍이라 불리는 이 흐름은 약 450km/s의 속도로 입자와 자기를 운반하고 있다. 태양풍은 태양의 활동에 영향을 받는데, 태양의 흑점과 관련된 폭발인 태양 플레어는 태양풍의 돌풍을 일으키는 원인으로 알려져 있다.   지구자기장이 없었다면 지구에는 생명체가 존재할 수 없었을 것이다. 자기장은 정전기에 의해 대전 된 물체들을 밀어내는데, 실제로 지구로 향하는 대전 된 입자들(이온과 전자)은 지구자기장에 의해 밀려나고 있다. 지구를 보호하는 지구자기장이 없으면 태양풍은 대기에 닿게 되고, 땅 위의 생명체는 강한 에너지에 직접 노출되며, 결국 지구는 금성처럼 생명체가 존재할 수 없는 환경으로 변했을 것이다. (금성은 자기장이 존재하지 않는 것으로 알려져 있다.)   이처럼 지구자기장은 지구를 보호하는 역할을 하지만, 태양풍과 지구자기장 사이에서 일어나는 상호작용은 우리의 생활에 많은 영향을 미치고 있다.  태양풍의 돌풍이 많은 동안에, 강력한 자기폭풍은 오로라를 만들어 내기도 하고, 라디오와 텔레비전의 전파장애, 나침반이 있는 선박과 비행기들의 항해에 문제를 일으키기도 하며 갑작스러운 정전의 원인이 되기도 한다. 또한, 우주공간에서는 인공위성과 우주선에 해를 입히기도 한다. 또한, 자기폭풍과 자외선 복사에너지의 증가는 상층대기를 가열시켜 팽창하게 한다. 이로 인해 저궤도의 위성은 가끔 상층대기와의 마찰로 궤도를 이탈하기도 한다.   마셜우주비행센터(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. 이러한 연구는 나사(NASA)에서 우주 플라즈마 폭풍들을 예상하는데 도움을 주어, 인공위성이나 전력체계를 보호하는 데 큰 역할을 할 것이다.

 

태양풍과 지구자기장 사이에서 일어나는 상호작용은 우리의 생활에 많은 영향을 미치고 있다.

지구는 하나의 매우 커다란 자석이다. 지구의 자기력선은 막대자석 주위의 철가루와 비슷한 형태로 나타난다. 이것이 나침반의 바늘이 항상 북극을 가리키는 이유이다.

 

 

 

지구 자기장의 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. 그다음 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.

 

 

 

지구자기장의 구조.

오로라는 자기권에서 동요의 정도에 따라 다양한 형태와 색깔로 나타난다. 상태가 비교적 안정적일 때, 오로라는 녹색이나 흰색의 막을 형성하며 하늘을 가로질러간다. 자기활동이 증가하면, 오로라 막은 밝아지고, 주름이 발달되며, 점점 더 빠르게 하늘을 가로질러 이동한다. 생성된 오로라는 수평선에서 수평선으로 빙글빙글 돌며 빛나는 나선형을 이루고, 이처럼 신비로운 빛을 제외하고는 어떠한 소동도 없이 잔잔하게 밤을 헤쳐나가는 것으로 보인다. 땅에서 바라본 오로라는 조용한 하늘에서 잠깐 동안만 지속되었다가 사라지기도 하고, 몇 시간 동안 남아 있기도 한다. 가장 강력한 자기활동 동안에, 하늘 전체가 붉은색으로 피어오르기도 한다.

 

충격파면(bow-shock) 지구자기장의 가장 앞부분(태양 방향)은 충격파면이다. 이것은 태양풍이 지구자기장에 부딪혀 생기는 충격파이며, 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 총알 모양의 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.   자기꼬리(magnetic tail)  지구의 자기장은 태양과 반대편으로 혜성과 비슷한 형태의 자기장꼬리를 가진다. 이 자기꼬리는 매우 활동적이어서, 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 태양 반대쪽의 면에 집중되어 보인다는 사실은 모든 사람에게 궁금증을 주었다. 이러한 관측들은 인공위성에 의해 자기권의 긴 꼬리가 발견되면서 설명되었다. 태양풍에 의해 태양 정면의 자기장은 양파 껍질처럼 벗겨지며 입자들을 가지고 꼬리 부근으로 가게 되는데, 꼬리 부근에서 모인 입자들은 자기 재결합에 의한 반동으로 극지방으로 진입을 하게 되는 것이다.   자기꼬리 돌출부  자기꼬리 대부분의 부피는 자기력선에 거의 평행한 두 개의 묶음이 차지한다. 적도보다 윗 부분의 묶음은 북극을 포함하는 대략적인 원형지역에 이르게 되는 반면, 아래 부분의 묶음은 지구로부터 먼 쪽을 가리키며 남극 지역에 연결되어 있다. "자기꼬리 돌출부"라고 알려진, 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.   플라즈마 판(plasma sheet)  플라즈마 판은 자기꼬리의 적도 위에 집중된 두께가 3~7 RE, 밀도는 0.3~0.5 ions/cm², 에너지가 2~5 KeV인 뜨거운 플라즈마의 두꺼운 층이다. 이 지역은 비교적 활동적이라서 그 두께와 밀도, 에너지는 심하게 변한다. 태양풍이 강할 때 지구자기장은 압력을 받는데 꼬리 부근의 플라즈마 판 역시 압력을 받아 눌리게 된다.  자기력선이 재결합되면서 이온들이 지구 방향과 반대 방향으로 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)   입자들과 자기력선들 사이의 강한 구속은 때때로 깨어질 수 있다. 예를 들면, 입자들이 충돌하거나 플라즈마가 장의 세기가 0으로 떨어지는 "중성지점"을 통과해 흐를 때이다. 자기력선들의 그래프에서, 중성지점은 자기력선들이 서로 엇갈리게 보이는 곳처럼 나타난다.

 

 

 

자기 복사대  

 

지구는 실제로 서로 다른 기원을 가진 두 개의 복사 지역을 가지고 있다. 밴 앨런(제임스 밴 앨런, James Alfred Van Allen, 1914~2006)의 방사능측정기에 의해 발견된 내부 복사지역은 적도 위의 밀집된 부분에 해당하며, 우주복사에 의해 생성되었다. 이것은 밴 앨런 복사대의 내부 복사대라 불리기도 하며, 10~100MeV의 범위에 있는 양자로 구성되어 있다. 이 입자들은 우주선을 쉽게 뚫고 지나가며 장비를 손상시키기도 하고 우주비행사들에게 해를 입히기도 한다.   파이어니어3, 4호는 내부 벨트 너머에 얽매인 입자들의 넓은 벨트를 탐사했다. 이것은 외부 복사대라 불리며, 이곳에 속해있는 입자들은 자신들이 소속된 자기력선을 따르기 때문에 바나나 형태를 취하고 있다. 외부 복사대에 모여 있는 입자들은 내부 복사대의 입자들보다 에너지가 작고, 대부분 태양풍으로부터 온 것이다. 내부 복사대는 비교적 안정되어 있는 반면, 외부 복사대는 그 속에 잡혀 있는 입자수의 변화폭이 크다.

지구복사대는 크게 외부 복사대와 내부 복사대로 나뉜다.

 

 

활동적인 자기권 태양풍과 지구 자기장의 연결 자기장이 극적으로 불안정할 때, 서브스톰(substorms)이라고 불리는 현상이 자기권에서 발생한다. 서브스톰은 평균적으로 하루에 4번 정도로 발생주기가 짧고, 주로 극지방에서만 관찰될 수 있다는 점에서 자기폭풍과 구분되는 현상이다. 서브스톰이 발생하면 지구자기장의 태양을 향한 부분들은 자기꼬리로 휩쓸려 가거나, 끊어지게 되고, 자기꼬리에서 자기압력이 증가하면서 중성지점이 형성될 때까지 플라즈마 판을 누른다. 중성지점 안에서는 자기 재결합이 일어나는데, 이때 지구로 향하는 자기력선이 발생되며 플라즈마 입자들을 가속시킨다. 가속된 플라즈마 입자들은 지구의 극지방으로 들어가 고층대기와 상호작용을 하여 오로라를 생성한다. 일반적으로 2시간의 서브스톰이 발생하는 동안, 약 109W의 에너지가 고층대기에서 방출된다.

 

 

 

태양풍과 지구 자기장의 연결 자기장이 극적으로 불안정할 때, 서브스톰이라고 불리는 현상이 나타나기도 한다.

 

 

 

 

 

해로운 우주선을 걸러주는 지자기장

Nov 5, 2012, physicsworld.com

 

 

자기권 구조와 적도면의 자기권계면 근처에 생기는 켈빈-헬름홀츠 표면파 소용돌이. 오른쪽 아래 부분에 4대의 클러스터 II 미션 위성을 그렸다.

 

ESA의 클러스터 미션에서 수집한 데이터를 분석한 연구원들에 의하면, 지자기장에 의한 지구의 자기 보호막은 생각보다 침투가 쉽다고 한다. 이번 발견은 우주 기후(space weather)에 따른 위험성을 모델링하고 목성과 토성 주변의 자기 환경을 더욱 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있다.

클러스터 미션은 2000년 진수되었는데, 4대의 동일한 위성들로 구성되었으며 이들이 사면체의 꼭짓점을 형성하면서 지구에 근접한 궤도를 선회하고 있다. 위성들은 이심률이 높은 타원 궤도를 선회하기 때문에 지자기 환경 안팎을 넘나들게 되는데, 따라서 태양풍과 지구 사이의 상호작용을 3차원으로 파악할 수 있다. 태양풍이란 태양의 표층에서 날아오는 대전된 입자들의 흐름인데, 지자기장이 이들을 차폐하는 방어막을 형성하고 있다고 생각되었다.

그러나 지구로 날아오는 태양풍이 형성하는 자기장이 지자기장과 반대 방향이라면, "자력선 재결합"(magnetic reconnection)이라 알려진 프로세스에 의해서 자력선이 나뉘어 재결합한다는 것이 잘 알려져 있다. 이 프로세스는 태양풍 속의 플라스마가 지자기장의 경계면, 즉, 자기권계면(magnetopause)을 뚫을 수 있도록 하여, 결과적으로 지구 표면까지 뚫고 들어올 수 있도록 한다.

자기 소용돌이

2004년 클러스터로부터 얻은 데이터는 이 같은 자기장 방향의 불일치가 가정만은 아니며, 따라서 자기권계면이 그리 엄격하게 지켜지지 않는 것을 밝혀냈다. 4만 킬로미터에 달하는 플라스마 소용돌이가 자기권계면 주위에 발견되었으며, 태양풍이 형성하는 자기장의 방향과 지자기장의 방향이 일치하는 경우에도 자기권계면에 입구를 형성하는 것이다. 2006년 연구원들이 내린 결론은 이들 소용돌이가 켈빈-헬름홀츠 표면파(KHWs, Kelvin-Helmholtz waves)에 의해서 생성되었을 가능성이 크다는 것이었다. 켈빈-헬름홀츠파는 두 매질의 경계면에서 각각 반대 방향으로 서로 다른 속도로 움직일 때 일어난다. 지구상에서는 해면에서 대기와 바다 사이를 바람이 불면서 나타난다(아래 그림 참조). 우주 공간에서는 플라스마의 속도가 감속되는 자기권계면에서 나타나는데, 지구 쪽으로 감속되는 플라스마의 속도가 그 외부의 태양풍 플라스마보다 속도가 늦어서 나타난다(아래 그림 참조).

 

 

켈빈-헬름홀츠파 구름(위)과 자기권계면의 켈빈-헬름홀츠 표면파(아래)

 

일단 소용돌이가 나타나면, 불안정성이 증폭되면서 자기력선을 뒤엉키게 하면서 자력선 배열 방향에 상관없이 '자력선 재결합'을 유발한다. 그러나 이 현상은 특별한 조건 하에서만 나타난다고 여겨졌었다. 클러스터 미션 참가 과학자 아노드 메이슨(Arnaud Masson)은 이 현상이 지구 적도면 주위에서만 한정적으로 발생한다고 생각했었다고 말한다. 그러나 이제 2003년 수집된 클러스터 데이터 분석에 따르면 같은 현상이 훨씬 높은 고도에서 광범위한 자기장 범위에 발생함을 보여주었다. 자기장 방향에 어찌 되었던 간에 같은 효과가 발생하는 것으로 보인다고 메이슨은 설명한다. 따라서 특별한 경우가 아니라 항상 발생하는 것으로 나타났다는 것이다.

우주 기상 예보 모델링

태양풍이 지구 자기장의 방어막을 뚫고 들어오는 조건의 범위를 알게 된 것은 우주 기상 예보에 중요하다. 태양풍에 영향으로 GPS 내비게이션에 영향을 받는 것도 여기에 포함된다. 메이슨은 지자기 방어막의 어느 곳이 뚫렸는지를 알아야 한다고 말한다. 유니버시티 칼리지 런던의 크리스 애리지(Chris Arridge)도 이에 동의한다. 지구 자기장의 체(sieve)에는 구멍이 많이 뚫려 있는 것으로 보인다고 애리지는 말한다. 따라서 우주 기상 예보 능력을 갖추려면 에너지와 질량, 그리고 운동량이 지자기권을 침투하는 모든 범위를 아는 것이 중요하다는 것이다.

애리지는 태양풍과 태양계 외행성간의 상호작용을 연구한다. 그는 이번 연구방향이 목성과 토성을 더 잘 이해할 수 있게 할 것이라고 믿는다. 이들 거대한 행성들의 자기권 켈빈-헬름홀츠 표면파(KHWs)는 뜨거운 화제라고 한다. 따라서 지구 자기권에 생기는 켈빈-헬름홀츠 표면파를 이해하면 목성과 토성의 자기 환경을 더 잘 이해할 수 있도록 될 것이며, 그 역도 성립할 것이다.

* "클러스터 II"(Cluster I)는 ESA(European Space Agency, 유럽우주국)의 우주 탐사 미션으로 NASA(National Aeronautics and Space Administration, 미국항공우주국)도 함께 참여, 지구 공전 궤도 상의 지자기장을 연구하고 있다. 이 미션(우주 비행)을 클러스터라고 하는 이유는 4면체의 꼭짓점을 형성하는 동일한 4대의 우주선으로 구성되어 있기 때문이며. 원래는 1997년 발사된 클러스터 우주선의 실패하여 2000년 7월과 8월 두 대의 소유즈-프리갓(Soyuz-Fregat) 로킷에 한 쌍씩 탑재되어 카자흐스탄의 바이코누르(Baikonur) 기지에서 발사된 것이므로 II라고 하는 것이다. 2011년 2월, 클러스터 II는 우주 공간에서 펼친 10년간의 성공적인 과학 탐사 활동을 자축했고, 미션은 2012년까지 연장되었다. CNSA(China National Space Administration, 중국국가항천국, ~航天局)과 ESA의 더블스타 미션은 2003년에서 2007년까지 클러스터 II 미션과 함께 진행되었다.

 

 

2011년 11월 16일. 4대의 클러스터 위성이 얇은 바우쇼크(bow shock, 태양풍과 지자기장이 맞닥뜨려 형성하는 충격파) 경계면 안팎을 선회하고 있는 상상도. Copyright: ESA/AOES Medialab

 

 

 

2012년 3월 7일. 태양풍은 금성과 지구, 그리고 화성에 자기권계면을 형성한다. Copyright: ESA

 

 

 

클러스터 위성들이 지구 자기권 북쪽 커스프(뾰족한 끝)를 가로지르고 있다. Credit: ESA/AEOS Medialab

 

 

 

2003년 10월 6일. 지구 자기권 모습과 클러스터 위성들의 타원 궤도(붉은색 타원). 자기권의 태양 쪽 방향에는 바우쇼크(1)가 형성되어 있으며, 그 안에는 자기권계면(2)이 있다. 클러스터 위성들은 바우쇼크와 자기권계면을 넘나든다. Copyright: ESA

 

* 자기권(magnetosphere)이란 행성간 자기장(IMF, Interplanetary Magnetic Field)을 뚫고 날아오는 태양풍(solar wind)과 일차로 맞부닥뜨리는 바우 쇼크(bow shock)로부터 시작된다. 바우 쇼크 안쪽의 자기권(magnetosphere)에는 칼집처럼 안쪽을 덮고 있는 자기초(鞘, magnetosheath) 층이 있고, 다시 그 안쪽으로는 실제 지구 자기장의 경계면이 되는 자기권계면(magnetopause)이 있다. 자기권계면 안쪽에는 지구 자기에 의해서 태양 쪽과 그 반대쪽에 거대한 3차원 도넛 모양으로 자기장이 형성되는데, 양쪽 자기장이 지자기 남, 북극에서 모아지므로 그 뾰족한 부분을 커스프(polar cusp)라고 부른다. 한편 태양에서 날아오는 대전된 입자들은 자기장의 영향으로 지구 주위에 포착되면서 플라스마권(plasmasphere)를 형성하는데, 그 바깥쪽으로 반-알렌 방사능 띠가 있어서 커스프로 모아지는 극지방에서는 오로라를 볼 수 있다. 한편 태양 반대쪽으로 길게 플라스마가 모집(포착)되는 영역은 (플라스마) 포착 영역(trapping region)이라 부른다. 태양 반대쪽으로 자기장이 길게 늘어지면서 엽상(葉狀)을 이루는데 이것을 로브(lobes), 그리고 플라스마층의 겉면은 플라스마 맨틀(plasma mantle)이라 한다. 자기장의 적도면은 중립 지대(neutral line & point)이다.