지구의 자기장

지구의 자기장

자기는 지구가 가진 자기 및 그에 의해 지구상에 생기는 자기장의 총칭. 벡터량이며 크기와 방향을 가진다. 지자기의 세기(주로 수평성분), 편각(지리상 진북과의 각도), 복각(수평면과의 각도)이 지자기의 세 요소로 지구상 위치에 따라 다르게 나타난다. 크기 단위로는 보통 G(가우스) 또는 T(테슬라)가 사용된다.'

지자기란 무엇인가

지구의 자기장은 대체로 자기 쌍극자로 근사할 수 있으며(즉, 지구 중심에 가상적으로 놓인 하나의 작고 강한 막대 자석에만 의해 만들어진 것으로 간주할 수 있다), 현재는 북극부에 S극, 남극부에 N극에 해당하는 자극이 있다. 지구의 쌍극자 자기장은 자전축에 대해 약 10.2도(2006년) 기울어져 있기 때문에 지리상 극과 자극의 위치에는 차이가 있다. 지자기 벡터는 적도 부근을 제외하면 지면에 평행하지 않고 지면과 비스듬히 교차하는 형태로 되어 있다. "어떤 지점에서 수평면과 지자기 벡터가 이루는 각을 복각"이라 하며 지자기가 지면을 향해 찌르는 방향인 경우가 플러스, 지면에서 나가는 방향인 경우가 마이너스가 되도록 정의된다. 복각은 남반구 대부분의 장소에서는 마이너스이며 남쪽의 자극에 가까워짐에 따라 -90도에 가까워진다. 또한 북반구의 대부분에서는 플러스가 되며 북쪽의 자극에 가까워짐에 따라 +90도에 가까워진다. 다만 지구 자기장은 쌍극자 자기장과는 완전히 일치하지 않기 때문에 복각이 -90도 혹은 +90도가 되는 점은 지구 쌍극자 자기장의 극과는 일치하지 않는다. 한편, 지자기의 벡터를 수평면에 투영했을 때에, "지리상의 진북으로 이루는 각은 편각"이라고 불린다. 편각이 나타나는 가장 큰 요인은 지구의 쌍극자 자기장이 자전축에 대해 기울어져 있다는 것이다. 그러나 역시 지구 자기장이 쌍극자 자기장과 완전히 일치하지 않으므로 편각도 쌍극자 자기장의 극 방향과는 일치하지 않으며 복각 +90도 점 방향도 되지 않는다. 예를 들어 일본의 경우 쌍극자 북극은 일본에서 볼 때 지리상 북극보다 조금 동쪽 방향이 되지만 편각은 약간 서쪽을 향하고 있다.

지표에서 관측되는 자기장은 대부분 지구 코어에 흐르는 전류에 기인한다.이것을 "지구의 다이너모 작용"이라고 부른다. 코어는 금속철을 주성분으로 하고 있어 전기전도도가 비교적 높다. 코어에 하나같이 전류가 흐른다고 가정하면 지자기의 쌍극자 모멘트에서 예상되는 전류의 세기는 수 십억 암페어에 이른다. 다만 코어는 반경이 3,500킬로미터 미만으로 지구 반경의 절반 이상이나 차지하고 있어 매우 거대하기 때문에 전류밀도로 하면 1평방미터당 수밀리암페어 정도이다. 그 외의 원인으로는 지각이 자화 되어 있는 것, 전리층에 흐르는 전류, 지각이나 맨틀, 바닷물 등에 흐르는 전류 등을 들 수 있지만, 이러한 기여는 일반적으로 작다. 또한 지구의 심부는 고온이기 때문에 철을 포함해 많은 강자성 광물은 큐리점을 넘어 자화를 잃는다. 따라서 강하게 자화 되어 있는 것은 지구의 극히 표층뿐이다. 지구는 큰 전자석이라고 할 수 있다. 코어에 흐르는 전류는 에너지 입력이 아무것도 없으면 전기 저항 때문에 감쇠해 10만 년 정도 지나면 사라진다.코어의 전류를 유지하는 구조를 지구의 다이나모 작용이라고 한다. 지자기를 유지하고 있는 근본 원인 중 하나는 코어 냉각이다.지구가 탄생했을 때에는 코어는 용융되어 있어 액체 상태에 있었다고 생각된다. 현재도 지진파 전달 방식의 특징으로 코어의 대부분은 액체 상태로 남아 있음을 알 수 있다(일부 고화되어 내핵을 형성하고 있다). 코어 표면의 온도가 떨어지면 열수축에 의해 밀도가 상승하여 코어 내부로 가라앉으려고 한다. 반면 내부의 뜨거운 액체는 상승해 열을 맨틀에 버린다. 이것이 코어의 열대류 운동이다.

열대류에 의해 생기는 운동에너지는 통상의 발전기(다이나모)와 마찬가지로 전자유도원리에 의해 전자기적인 에너지로 변환된다.그 과정은 다음과 같이 정리할 수 있다.

1. 코어에 초기전류가 흐른다.
2. 전류는 주위에 자기장을 만든다.
3. 그 자기장 안에서 외핵을 형성하고 있는 액체철이 열대류 운동을 하여 유도기전력을 발생시킨다.
4. 그 기전력에 의해 전류가 흐른다.

4의 전류가 초기 전류를 강하게 한다면 전류는 지수함수적으로 증대한다.다만 자기장 속을 전류가 흐르면 로렌츠력이 발생하고 그것은 열대류를 방해하는 방향으로 작용하므로 전류와 유속은 적당한 균형 아래 어느 크기로 유지된다. 통상의 발전기에서는, 영구 자석이 만드는 정전기장을 기초로 하여 기전력을 얻고 있다.그러나 코어의 경우, 자기 자신에게 흐르는 전류가 만드는 자기장을 이용해 유도기전력을 얻고 있는 점이, 극히 특수하다. 이러한 발전 구조를 자려다이나 모라고 한다. 코어의 다이나모 작용은 열역학 및 전자유체역학에 의해 대체로 기술될 수 있다. 그러나 이는 비선형 과정이어서 수학적으로 해석하기는 쉽지 않다. 그래서 계산기를 가진 수치 시뮬레이션이 1980년대부터 이루어지게 되었다. 특히 1990년대 후반에 이르러 지구와 가까운 환경에서 자발적으로 자기장이 생성될 수 있음이 확인되었다. 생성되는 자기장이 자전축을 따른 쌍극자 자기장으로 나타나는 것이나 역전을 포함한 시간변동의 특징 등도 재현되어 있다.