지구에는 거대한 자기장이 있다. 남극(N)에서 나와 북극(S)으로 들어가며, 극지에서 가장 강해진다.
지자기의 세기는 대략 25 µT에서 65 µT 정도로 막대자석 등에 비해보더라도 매우 약한 편이다. 하지만 이 자기장은 지구 어느 곳에서나 같은 방향을 향하기 때문에 아주 오래전부터 나침반을 이용해 방향을 찾는 데 사용되었다.
지구 자기장의 원인
비록 세기가 약하긴 하지만, 지자기 지구 전체에 매우 광범위하게 작용한다. 이 거대한 자기장은 어떤 이유로 생길까?
과거에는 지구에 거대한 영구자석이 있어서 지구자기장을 만든다고 생각했다. 지금 들으면 뭔가... 어이없긴 하지만 어쨌든 옛날에는 그렇게 생각했다. 이 이론은 지구 내부 온도는 자성을 유지할 수 있는 최대 온도인 "퀴리 온도"보다 높기 때문에 설득력이 없다.
현재의 지구자기장을 설명하는데는 다이나모 이론이 가장 유력하다. 다이나모 이론은 지구의 핵이 회전하며 이때 생긴 유도전류와 자기장의 상호작용으로 발생한다는 이론이다. 우선 다이나모 이론에 대해 이해해보자.
위 사진으로 다이나모 이론의 개념을 이해하자.
$h_1$의 자기장이 주어진 상태로 회전판이 회전하면 도체로 된 회전판에는 전자기 유도현상으로 전류가 흐른다. 이 전류는 코일을 따라 흐르면서 이차 자기장인 $h_2$를 생성한다. 이차 자기장은 다시 중심축과 회전판에 자기장을 주어 전자기 유도를 만들고, 이는 다시 이차 자기장을 만들고... 가 반복된다. 결국 처음 주어진 자기장 $h_1$이 없어져도 자기장이 계속 유지되는 것이다.
이처럼 다이나모 이론은 회전하는 도체가 어떻게 자기장을 보존하는지 설명한다.
지구의 자기장도 이와 같은 원리로 형성된다.
외핵은 철, 니켈 등의 전도성 금속이 녹아있는 것이다. 이때 지구 자전에 의해 코리올리힘을 받아 회전하는 외핵은 위의 그림에서 회전판과 같은 역할을 한다. 지금으로부터 아주 오래전 지구에 가해진 자기장은 이 회전하는 외핵에 전자기 유도를 만들었다. 그 결과 외핵에 전류가 흐르고, 이 전류는 다시 자기장을 만든다. 이 자기장은 외핵에 다시 전류가 흐르게 하고, 이는 다시 자기장을 만들고... 를 반복하게 된다. 그러고 지구 외핵에 전류를 불어넣은 자기장이 사라지자, 지구는 다이나모 효과로 유지되는 자기장만이 남아 지구자기장을 만드는 것이다.
다이나모 이론을 포함하여 "지구의 자기장은 왜 생기는가?"에 대한 연구중에는 어느 것도 명확히 검증되어 받아들여진 것이 없다. 이번 글에서는 여러 이론 중 가장 타당성 있다고 여겨지지는 이론인 다이나모 이론에 대해 알아보았다. 전자기 유도와 전류의 자기장 형성과 지구의 자전, 핵의 유동성을 두루두루 결합하여 생각하며 지구의 자기장에 대해 깊게 생긱해보자.