지구는 거대한 자기장으로 둘러싸여 있습니다. 이 자기장 덕분에 우리는 전하를 띤 태양풍 입자와 우주 방사선으로부터 안전합니다. 지구는 어떻게 이런 방패를 만들 수 있었을까요?
지구 내부의 외핵은 철로 이뤄져 있는데 온도가 4,400℃ 이상인 액체 상태입니다. 이러한 액체 상태의 외핵은 중력과 동위원소가 붕괴되며 나오는 열 때문에 밀도나 온도차가 발생하고 이로 인해 대류가 일어나 소용돌이 치게 됩니다.
이때 이온성 원자들이 움직이며 전류가 발생해 지구는 거대한 자기장을 형성합니다. 이를 '다이나모 이론(Dynamo theory)'이라고 합니다. 즉, 지구는 거대한 막대 자석인 셈인데요.
N극 S극이 바뀌기도
수십억 년 동안 우리를 지켜주고 있는 이 자기장은 수 천 년에 한 번씩 자기장의 극성을 바꾸기도 하는데요. 지구의 거대한 막대 자석이 거꾸로 뒤집히는 겁니다.
이런 현상이 일어나는 이유는 외핵의 철 분자들이 방향을 바꾸기 때문입니다. 자기장의 극성이 바뀌면 현재 지구 자기장의 북극을 나타내는 자북극(magnetic northem pole)은 남극을 가리키게 됩니다. 나침반의 N극과 S극이 가리키는 방향은 바뀝니다.
'새떼 오락가락, GPS 먹통'
이렇게 되면 영화 <코어(2003)>에서 나오는 것처럼 새떼가 방향을 잃고 유리창을 들이 박거나 GPS와 네비게이션은 먹통이 될 가능성이 큽니다. 우주의 방사선이 지표까지 뚫고 들어와 생명체에 치명상을 입힐 수도 있죠. 이렇게 지구의 거대한 자기장 갑옷은 얽히고 끊어지다가 약해져 방어력이 최대 90%까지 떨어질 수 있다고 합니다. 하지만 이렇게 극단적으로 N극과 S극이 바뀌는 '완전한 자기역전현상'은 드뭅니다. 수 천년에 걸쳐 서서히 전개되죠.
그런데 최근 <Proceedings of the National Academy of Sciences>에 게재된 연구에 따르면 지구의 자극이 부분적으로 바뀌거나 혹은 일시적으로 바뀌는 현상이 예상보다 훨씬 빠르게 발생할 수도 있다고 합니다. 심지어 인류의 한 세대가 끝나기 전에 이런 현상이 나타날 거라는 분석도 나옵니다.
연구팀은 중국 서남부의 동굴에서 약 9만1천 년~10만7천 년 전에 자란 고대의 황색 석순(yellow stalagmite)를 분석했습니다. 이 석순에는 철 광물이 포함돼 있었는데, 연대 측정과 분석을 통해 광물이 형성될 당시 지구의 자기장 방향 변화를 알아낼 수 있었습니다.
철과 니켈과 같은 강자성체 물질이 포함된 자성광물들은 퀴리온도, 즉 강한 자성을 띠는 물질이 자성을 잃는 온도 아래로 냉각될 당시의 지구 자기장 방향을 따라 자기를 띠기 시작하며 굳어집니다. 따라서 암석이 형성된 당시의 지구 자기장 방향이 해당 암석에 남아 있게 됩니다. 참고로 철은 퀴리온도가 770℃, 니켈은 358℃ 입니다.
100년 만에 뒤집어졌다
분석 결과 약 9만8천 년 전, 지구의 자기장이 갑작스럽게 바뀌며 자기역전 현상이 나타났는데요. 그 과정이 단 100년 만에 발생한 것으로 확인됐습니다. 이는 자기역전 현상이 일어나는 일반적인 속도보다 대략 30배 빠른 속도입니다. 가장 빠르게 진행됐다고 여겨지던 자기역전 현상보다는 10배 더 빠른 속도입니다.
연구에 참여했던 호주 국립대학 지구과학과 Andrew Roberts 교수는 "이 기록은 우리가 예상했던 것보다 더 빠르게 자기역전 현상이 일어날 수 있음을 보여줬다"고 전했습니다.
지구의 자기 극성이 1만6천 년 동안 여러 번 바뀌었다는 사실이 그리 놀라운 일은 아닙니다. 그런데 이렇게 100년 이라는 짧은 기간 극성에 엄청난 변화가 발생한 점은 매우 이례적입니다. 연구팀은 "이렇게 극도로 빠르게 지구 자기장의 극성이 변화한 결과는 아직까지 보고된 바 없다"고 밝혔습니다.
지구 내에서 이렇게 자발적으로 자기장이 완전히 바뀔 수 있다는 점을 연구하는 건 중요합니다. 왜냐하면 자기역전 현상이 일어나는 동안 지구 자기장 방패는 약 10%의 효율을 잃기 때문입니다. 물론 이 정도 자기장 방패의 약화는 생명을 위협할 정도는 아닙니다. 수십억 년 동안 지구의 자기장은 주기적으로 반전했고, 오늘도 여전히 지속되고 있습니다.
그러나 태양풍 같은 기상 현상은 지구의 자기장 방패가 강력할 때에도 그 방어막을 찢고 지구로 들어와 전자 기기에 영향을 끼칠 수 있습니다. 우주에서 밀려드는 전하를 띤 입자들은 라디오 신호를 교란하거나 위성이나 우주선 장비들을 태워버릴지도 모릅니다.
또한 회로 차단기에 과부화가 걸려 전체 전력망이 차단될 수도 있습니다. 1989년 3월 13일, 거대한 태양 폭풍우가 대기를 뚫고 들어온 적이 있는데 당시 캐나다 퀘벡에서는 9시간 동안 정전 사태가 발생하기도 했습니다.
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