'지구 자기장(Earth's Magnetic Field)'은 태양 등에서 나오는 '방사선(에너지가 높은 입자)'으로부터 지구를 지키는 '방벽(Barrier)'이다. 지구 자기를 따라 방위 자석의 N극은 북쪽을 가리키고, S극은 남쪽을 가리킨다. 그러나 과거의 지구에서는 방위 자석이 가리키는 방향이 반대가 되는 '지자기역전(Geomagnetic Reversal, 지구 자기 역전)'이라는 현상이 일어났다. 그리고 현재의 지구에서는 이미 지구 자기가 역전되기 시작했다고 해도 이상할 것이 없다고 한다. 지구를 지키고 있는 '지자기역전' 현상에 대해 알아보자.
0. 목차
- 지구 자기가 역전되는 동안 지구를 지키는 방벽은 약해진다.
- 지구 자기의 역전은 과거에도 여러 차례 일어났다.
- 지구 자기 역전의 증거
- 지구의 핵의 대류는 어떻게 지구 자기를 만들어 내는가?
- 치바절과 치바 섹션
1. 지구 자기가 역전되는 동안 지구를 지키는 방벽은 약해진다.
지구를 뒤덮고 있는 지구 자기의 형상은 지구 내부에 거대한 막대자석이 들어 있다고 생각하면 이해하기 쉽다. 흔히 북반구에 N극이, 남극에는 S극이 있다고 잘못 생각하기 쉬운데, 방위 자석의 N극이 북쪽으로 끌리고 S극이 남쪽으로 끌리므로, 북반구에는 S극이 있고 남반구에는 N극이 있는 셈이다. (물론 실제로 영구 자석이 있는 것은 아님)
하지만 과거의 지구에는 방위 자석의 N극이 남쪽을 가리키고, S극이 북쪽을 가리키던 시대가 있었다. 즉, 지구 내부에 있는 막대자석의 N극과 S극이 역전되었던 것이다. '지구 자기 역전(Geomagnetic Reversal)'이 일어날 때는 먼저 지구 자기의 강도가 현재의 10분의 1 정도가 되고 그 후 역전된다고 한다.
1-1. 인류는 지구 자기 역전으로 큰 영향을 받는다?
우주에서는 전기를 띤 고에너지 입자가 지구를 향해 오고 있다. 그러나 지구 자기가 있는 덕분에 지구를 향해 온 이들의 입자의 진로가 구부러진다. 지구 자기는 지구를 지키는 '방벽(Defensive Wall)'인 셈이다.
만약 지구 자기가 역전되는 과정에서 지구 자기가 10분의 1 정도가 되면, 방벽의 두께가 지금의 절반 정도가 되어 인공위성 등은 큰 영향을 받을 수 있다. 인공위성 등에서 사용되는 전자 기기에는 복잡한 전자 회로가 들어 있다. 전기를 띤 고에너지의 입자가 충돌하면 전자 부품이 손상되거나 정상적으로 작동하지 않을 가능성이 있다. 실제로 다른 지역에 비해 지구 자기가 약한 브라질 상공에서는 인공위성의 고장률이 매우 높다.
또 지구 자기가 역전될 때는 한랭화 등 지구 환경에 변동이 일어날 가능성도 그다고 한다. 단, 지구에서는 지금까지 몇 번이나 지구 자기 역전이 일어났기 때문에, 지구 자기가 역전된 것만으로 지상의 생명이 멸종되는 대참사가 일어나지 않는다고 생각된다. 큰 영향을 받는 것은 문명사회에서 살아가는 인간이다. 그렇다고 해도 지구 자기의 역전에는 수천 년 내지 수만 년 정도의 시간이 걸린다. 인류는 그 사이에 지구 환경의 변화에 적응해나갈 것이다.
2. 지구 자기의 역전은 과거에도 여러 차례 일어났다.
그러면 과거에 지구 자기의 역전이 일어난 적은 없었을까? 지구 과학적인 조사 결과, 지구에서는 과거 360만 년 동안 11회나 지구 자기가 역전되었다는 사실이 알려져 있다. 360만 년 동에 11회라는 것은 수십만 년에 1회의 빈도로 지구 자기가 역전된다는 뜻이다. 지금은 마지막으로 지구 자기가 역전되고 나서 이미 77만 년 정도가 지났다. 즉 지금까지의 빈도로 생각하면 현재의 지구에서 지구 자기의 역전이 일어난다고 해도 전혀 이상할 것이 없다.
과거 지구 자기 강도의 평균값과 비교하면 현재의 지구 자기 강도는 1.5배 이상이나 된다. 현재의 지구는 오히려 지구 자기가 강한 시기라고 할 수 있다. 만약 지구 자기 역전이 계속 일어난다고 해도 지금 바로 어떤 문제가 생기는 것은 아니다. 또 지구 자기 역전이 반드시 같은 빈도로 일어나는 것도 아니다. 1억 년 정도 전, 공룡이 번영하던 백악기에는 약 4000만 년 동안 지구 자기의 역전이 일어나지 않았다.
아래의 그림은 약 1억 4500만 년 전부터 현재까지 지구 자기의 방향을 나타낸 연표이다. '중생대 백악기'와 '신생대 고제3기' 등 연대 명칭 아래에 있는 흑백의 띠가 각 시대의 지구 자기의 방향을 나타낸다. 현재의 지구 자기와 같은 방향은 검은색, 반대 방향은 하얀색이다. 최근 수천만 년 동안은 단기간에 지구 자기의 방향이 바뀌고 있지만, 약 1억 2400만 년 전부터 약 8400만 년 전까지는 지구 자기의 방향 변화가 없었다. 또 약 258만 년 전부터 현재까지의 지구 자기의 방향을 자세히 살펴보면, 지구 자기가 역전된 시기를 대략적인 기준으로 해서 연대과 구분됨을 알 수 잇다. 후기로 표기된 것은 명칭이 결정되지 않은 연대이다. 2020년에는 약 77만 년 전~약 12만 600년 전의 연대에 대한 명칭으로 '치바절(Chibanina)'이 결정되었다.
2-1. 지구 자기의 역전을 예측할 수 있을까?
그러면 지구 자기의 역전을 예측할 수는 없을까? 현재 이루어지고 있는 지구 자기의 시뮬레이션 계산을 바탕으로 지구 자기 역전이 일어날 시기를 예측하기는 어렵다. 실은 '지구 자기 역전'이라는 현상 자체는 시뮬레이션으로 어느 정도 재현할 수 있다. 하지만 현재의 시뮬레이션으로 지구 내부의 모습을 정밀하게 재현할 수 있는 것은 아니다. 지구 자기가 역전되는 시기를 예측하기 위해서는 실제의 지구 내부에 들어 있는 성분의 비율이나 그 물리적인 성질, 지구 심층부의 온도와 압력 등을 빠짐없이 조사한 뒤에 슈퍼컴퓨터를 사용하여 매우 세밀하게 계산해야 한다. 하지만 현시점에서는 지구 내부의 성분과 그 성질을 정확하게 아는 것은 물론, 슈퍼컴퓨터의 성능도 충분하다고는 할 수 없다.
3. 지구 자기 역전의 증거
3-1. '고지자기'에 지구 자기의 흔적이 남아 있다.
그런데 '지구 자기가 역전'된다는 현상은 언제부터 알려졌을까? 지구 자기의 역전을 그 연대와 함께 최초로 지적한 사람은 일본 교토 대학의 지구 물리학자 '마쓰야마 모토노리(1884~1958)' 박사였다. 1920년대에 '마쓰야마 모토노리' 박사는 일본 효고현에 있는 '겐부도'라는 동굴에서 용암이 굳어서 생긴 암석을 조사하고 있었다. 고온인 용암은 식어서 굳을 때 이 되는 '고지자기(지질시대에 생성된 암석에 분포하고 있는 잔류 자기)'를 기록하고 있었다. 이 '고지자기'는 지구 자기의 흔적이 되므로, 용암이 식어서 암석이 된 시대를 알면, 그 당시의 지구 자기의 강도나 방향을 알아낼 수 있다. '마쓰야마 모토노리' 박사는 100만 년 이상 전에 생긴 겐부도 동굴에 있는 암석의 고지자기를 알아냄으로써 당시 지구 자기의 방향이 현재와는 반대 방향으로 있음을 발견했다. 나아가 그 밖에도 여러 장소에서 같은 연대 암석의 고지자기를 조사해, 당시의 지구 자기 방향이 현재와는 반대 방향이었다고 결론을 내렸다. 그러나 당시는 암석의 연대 데이터나 고지자기 데이터의 정확성이 높지 않아서 그다지 주목받지 못했다.
상황이 바뀐 것은 1960년대의 일이었다. 측정 기술이 향상되어 세계 각지의 용암 연대와 거기에 기록된 자기가 측정된 것이다. 그러자 각 연대의 지구 자기 방향을 구별할 수 있게 되었고, 지구 자기가 역전되고 있었음이 그 연대와 더불어 확실하게 드러났다. 나아가 태평양과 대서양의 해저에 있는 '해령' 주변에 띠 모양으로 서로 달라진 자기의 이상이 발견되어 지구 자기의 역전이 더욱 확실해졌다.
3-2. 해저에 지구 자기 역전의 역사가 기록되어 있다.
해령은 '판(Plate)'이라는, 지구 표면을 뒤덮는 단단한 암반의 공급원이다. 해령 주위에서는 해저 화산의 분화 등에 의해 생긴 고온의 용암이 식어 굳으면서 판이 만들어지며 굳어서 확대되어 나간다. 이때 용암에는 그 당시의 지구 자기의 강도와 방향이 기록된다. 오랜 세월 동안 판을 계속 만들어 온 해령의 주위 암석에는 지구 자기 방향이 몇 번이나 역전되어 온 지구의 역사가 분명한 줄무늬로 기록되는 것이다. 이것을 '줄무늬 자기 이상'이라고 한다.
그리고 태평양판은 연간 약 10cm씩 서쪽으로 넓어지고 있다. 즉 '줄무늬 자기 이상'의 폭을 알면 지구 자기가 특정 방향을 향하던 시기를 추정할 수 있다. 그 결과는 지상에서 발견한 암석의 조사에서 도출된 기간과 일치했다. 이리하여 '마쓰야마 모토노리' 박사가 말했던 '과거에 지구 자기가 역전되고 있었다.'는 가설을 재검토하게 되었다.
4. 지구의 핵의 대류는 어떻게 지구 자기를 만들어 내는가?
지구는 거대한 자석으로 생각할 수 있지만, 실제로 지구 내부에 영구 자석이 들어 있는 것은 아니다. 실은 지구 자기는 지구 내부에 흐르는 거대한 전류에 의해 생긴다. 즉, 지구는 영구 자석이 아니라 오히려 '전자석(Electromagnet)'인 셈이다. 현재의 지구 자기의 강도로 계산하면, 지구 내부에는 십수억 'A(암페어)'나 되는 전류가 흐르는 것과 같다고 한다.
4-1. 외핵을 움직이는 두 가지 대류
지구의 구조는 지상에 가까운 쪽부터 '지각(Crust)', '맨틀(Mantle)', '핵(Core)' 등 크게 3층으로 나누어져 있다. 지구를 거대한 '전자석(Electromagnet)'으로 만드는 열쇠를 쥐고 있는 것은 지구의 가장 깊은 부분에 위치하는 '핵'의 대류이다. 지구의 외핵은 '열 대류'와 '조성 대류'에 의해 날마다 뒤섞이고 있다. 실은 이 덕분에 외핵에 거대한 저류가 생겨 지구 자기를 만들어내는 것이다.
- 열 대류(Thermal Convection): 핵은 거의 순수한 고체의 철로 된 '내핵(Inner Core)'과, 가벼운 원소를 함유한 액체의 철로 이루어지는 '외핵(Outer Core)'의 2층으로 나누어져 있다. 핵은 매우 고온이며, 항상 주위의 맨틀에게 열을 빼앗기고 있다. 그래서 외핵과 맨틀의 부근에서는 액체인 철이 식어 밀도가 높아짐으로써 내핵 족으로 가라앉는다. 이것을 '열대류(Thermal Convection)'라고 한다. 또 외핵과 내핵의 경계에는 액체의 철이 고체가 되어 내핵에 조금씩 흡수된다고 한다. 이때 밀도가 낮은 가벼운 원소가 불순물로 외핵에 남기 때문에, 가벼운 원소를 많이 함유하는 밀도가 낮은 액체의 철은 외핵의 바깥쪽을 향에 떠오른다.
- 조성 대류: 외핵과 맨틀의 경계에도 외핵에서 가벼운 원소인 규소와 산소가 분리되어, 이산화규소의 결정이 생긴다. 액체인 철에서 이산화규소가 분리되면 밀도가 높아져 내핵쪽으로 가라앉을 것이다. 이처럼 '외핵과 내핵의 경계'와 '외핵과 맨틀의 경계'에서는 성분의 차이에 의해 대류가 생기고 있다. 이것을 '조성 대류'라고 한다.
4-2. 외핵의 대류가 지구 자기의 원천을 계속 만들어 낸다.
지구 외핵의 '철(Fe)'은 '열대류(Heat Convection)'나 '조성 대류'에 의해 초속 십수 mm로 움직이고 있다. 그러면 왜 액체의 철이 움직인 것만으로도 지구 자기가 생길까? 위에서는 이해하기 쉽도록 외핵의 대류를 지구 중심과 바깥쪽 사이를 순환하는 것처럼 설명했지만, 사실 지구 외핵에서는 단순히 중심과 바깥쪽 사이에서 대류하고 있는 것은 아니다. 실은 지구 자전에 의해 생기는 '코리올리 힘'의 영향을 받음으로써, 외핵에서는 액체의 철이 지구의 자전축과 평행인 방향을 따라 나선 모양으로 대류한다.
외핵처럼 철이 움직이고 있는 장소에 '자기장(Magnetic Field)'이 있으면 전류가 생긴다. 이른바 '전자기 유도(Electromagnetic Induction)'라는 현상이다. 금속 도선을 감아서 만든 코일 속에 자석을 넣었다 뺐다 하면, 코일에 전류가 생기는 실험을 생각하면 될 것이다. 이와는 반대로, 자기장이 있는 환경에서 금속인 철이 움직여도 '전자기 유도'에 의해 전류가 생긴다. 전류가 흐르면 주위에는 자기장이 생긴다. 그리고 이렇게 새로 생긴 자기장의 영향으로 다시 '전자기 유도'에 의한 전류가 생긴다. 외핵에서는 이 사이클에 의해 자기장이 계속 생겨 지구 자기의 '씨(Seed)'가 된다. 이 메커니즘은 '다이나모(Dynamo)'를 움직이는 전력에 발전기 자신이 만들어 내는 전력의 일부를 이용하는 메커니즘과 같은 것이다. 그래서 지구 자기를 발생시키는 메커니즘을 설명하는 이 이론을 가리켜 '다이나모 이론(Dynamo Theory)'이라고 한다.
또 외핵의 성분인 액체의 철 같은 물질에는 주위의 자기장을 질질 끄는 성질이 있다. 지구 자기의 '씨'는 액체인 철의 대류에 질질 끌려 형상을 바꾸어나간다. 이리하여 막대자석 주위에 생기는 자기장과 비슷한 형상의 지구 자기가 완성된다.
5. 치바절과 치바 섹션
5-1. 치바절(Chibanian)
이바라키 대학의 '오카다 마코토' 교수를 비롯한 일본의 연구자들은, 요로강의 강둑에서 연속된 일련의 지층인 '치바 섹션(Chiba Section)'을 '77만 년 전~약 12만 6000년 전의 기간을 대표하는 지층(GSSP)'으로 신청했다. 2020년에 '치바 섹션'은 GSSP로 공식 인정되어, '치바절(Chibanian)'은 '치바의 시대'라는 뜻으로 지바현의 이름에서 유래한 명칭이 되었다.
치바 섹션이 GSSP로 인정되기 위해서는 몇 가지 확인되어야 할 필수 조건이 있었다. 그 가운데 하나가 약 77만 년 전에 일어난 지구 자기 역전의 흔적이 일련의 지층에 기록되어 있는 것이었다. 치바 섹션에는 약 77만 년 전에 일어난 지구 자기 역전의 전후로 당시의 '지구 자기 북극점(S극)'이 남반구에서 북반구로 이동한 과정이 확실히 남아 있다는 사실이 확인되었다. 치바 섹션은 지구 자기가 역전되어 가는 과정의 환경 변화를 탐구하는 데 전 세계의 어느 지층과도 비교할 수 없는 귀중한 지층이라고 할 수 있다.
치바 섹션은 평균 1000년에 약 2m의 토사가 퇴적되어 만들어진 지층이다. 일반적인 토사의 퇴적 속도는 1000년에 60cm 정도이다. 짧은 시간에 많은 토사가 퇴적되면, 거기서 발견되는 화석이나 지층에 함유되는 성분을 조사함으로써, 연대마다 자세한 지구 환경의 차이를 알 수 있다. 즉, 치바 섹션에는 지구 자기의 역전 때 지구가 경험해 온 환경이 상세하게 보존되어 있는 셈이다.
5-2. 치바 섹션(Chiba Section)
아래의 사진은 일본 지바현 이치하라시의 요로강을 따라 있는 '치바 섹션(Chiba Section)'의 일부이다. '빨간색', '노란색', '초록색'의 표지는 각각 2015년에 보고된 '지구 자기가 현재와는 반대 방향이었던 시대', '지구 자기가 계속 역전된 시대', '지구 자기가 현대와 같은 방향인 시대'의 대략적인 위치를 나타낸다. 일부 표지의 위치는 가까이 있는 지층의 데이터에서 추정된 것이다. 그 후 이 지역의 지층에 대해 정밀하게 다시 측정했더니, 최신 데이터에서는 '지구 자기가 역전되었던 시대(노란색)'가 이 낭떠러지 위까지 계속되고 있음이 밝혀졌다. 지층을 바라보는 것만으로 '고지자기(지질시대에 생성된 암석에 분포하고 있는 잔류 자기)'의 모습은 알 수 없다.
사진 왼쪽 아래에 있는 'Byk E'라는 팻말의 높이에는 사진 왼쪽에서 오른쪽을 향해 둑의 벽에 '줄(Line)'이 뻗어 있다. 이 줄은 약 77만 년 전에 나가노현에 있는 온타케산이 분화했을 때 날아와 쌓인 화산재의 지층인 '시라오 화산재층'이다. 이 지층보다 위에 있는 지층이 '치바절(Chibanian)'의 지층에 해당된다.
