지구의 자기장

앞서 언급한 지자기의 특성들이 지구 주위에서 나타나는 자장을 지구자장(earth Imagnetic field)또는 지자기장이라 한다. 여기에서 자침은 자장의 힘을 받아 방향을 가리키고 정지한다. 자기장을 표시하는데는 방위각(azimuth) 또는 편각(declination), 복각(inclination), 수평자력(horizontal magnetitude),  자기자오선의 방향, 연직분력 또는 전자력을 사용으로 지자기의 3요소로 표시한다.

 

 

편각(declination)

방위각이며 자침의 방향이 진북과 일치하지 않고 서 또는 동쪽으로 치우쳐 있다. 이들 각은 편각 또는 방위각이라 한다. 서울에서는 서쪽으로 6.5도 방위각을 갖는다.

 

복각 (inclination) 

자침에 수평이 되지 않고 상하로 기울어져 있는데 자침이 수평 방향에 대하여 기울어진 각을 복각(伏角)이라 한다. 지구상의 남과 북에 이 복각이 90도가 되는 점이 각각 하나씩 있다(북반구 : 73°N, 100W, 남반구 : 69°S, 143°E), 이를 북자극, 남자극이라 불리는 자기극(magnetic poles)이라 한다.

 

수평자력 (horizontal magnetitude), 지자장(地磁場)

자지지 오선의 방향으로 단위자극의 세기의 자침에 작용하는 힘으로 한다. 이 세기를 전자력(全磁力)이라 하며, 이 전자력 중에 수평성분을 수평자력, 연직성분을 연직자력이라 한다. 이와 같은 상호 독립된 세 가지만 취함으로써 결정된다.

 

각각의 단위로 방위각은 각도, 수평자력 및 연직자력은 가우스(gauss) 단위로 표시한다. 가우스의 10만분의 1인 감마(y)를 사용한다(lgauss = 105 lnT(나노테슬러) = 1 감마). 지구의 중심에 위치한 쌍극자의 연장선이 지표와 만나는 점으로 이를 지자기의 극(geomagnetic pole)이라 하며 중심에서 수직이 되는 지점들을 지자기의 적도(geomagnetic equator)라 한다.

극에서 이론적인 지자기 3요소, 방위각, 수평분력, 복각의 값은 극에서 각각 0, 0, 90°를 갖는데 이는 지리적인 극(geomagnetic pole)과 일치하지 않는다. 그 이유는 지자기장과 가장 유사한 자기장을 만드는 쌍극자(best fitting dipole)의 축이 지구자전축과 11.5도의 각을 이루기 때문이며, 이 방향을 연장한 선이 지표면에 나타난 곳이 지자기극이다. 이처럼 지구는 한 개의 자석이 막대처럼 있어서 생기는 것과 흡사하고 주로 지구내부 물질에 의해 나타난 것이다.

 

 

지자기의 변화

지구자장은 일정한 것이 아니다. 지자기의 시간에 따른 변화는 주기가 하루인 일변화(diurnal variation), 주기가 긴 영년 변화(secular variation), 그리고 갑작스런 변화인 자기폭풍변화(magnetic storms)가 있다. 이들 중 일, 영년 변화는 지구 내부의 원인에 변화이고 자기 폭풍은 지구 외부의 요인에 의한 것이다. 이들의 특성은 다음과 같다.

 

일 변화(diurnal variation)
24시간을 주기로 변화하는 것으로 변화량은 적고 위도에 따라 다르다. 외적요인으로는 태양에서 오는 플라스마의 양이나 속도에 따라 좌우된다. 달의 영향은 달의 인력이 이온화된 상부대기권의 이동에 영향을 끼침으로써 나타나며 주기는 25시간이며 양은 태양의 것보다 작다. 내적인 것은 매우 미약하다. 일 변화량은 10-30y 정도이며 100y가 될 때도 있다.

 

영년 변화(secular variation)

오랜 시간동안 측정한 자료를 분석해 보면 자기장은 서서히 변하고 있음을 알게 된다. 이는 일 변화에 비해서 주기나 변화폭이 매우 크다. 이는 맨틀이나 외핵의 운동과 연관되어 나타나는 지구 내부 자기장의 변화에 따라서 기인한다.

 

자기 폭풍 변화 (magnetic storms)

갑작스런 큰 변화를 의미하는데 이는 주로 태양의 혹점 활동에 기인되며 주기는 약 27일이며, 자기 폭풍은 적도보다 극지방에서 더 자주 일어나고 강도도 크며 극광(aurora) 현상이 일어난다.

 

지자기의 원인과 자기 이상

지자기장을 지구 구성물질의 영구자화(permanent magnetization)와 맨틀에서 일어나는 지질작용으로 설명할 수 있다. 지구 자장의 간단한 설명은 지구내부는 영구 자석(쌍극자)으로 되어 있다는 것이다. 지자기의 원인은 지구 내부 외핵의 물리적 특성으로 외핵은 액체상태로 운동이 쉽고 또 양도체로 구성되어 있기 때문에 외해의 액체 운동에 의하여 전류가 발생될 수 잇다는 다이나모(dynamo) 이론에 의하여 설명이 가능하다. 외핵은 철과 니켈과 같은 전기전도도가 큰 물질로 구성되어 있고 유체상태로 앞서 설명한 바와 같이 물질이 운동함에 따라서 역학적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주는 기구(mechanisms)을 발생한다. 이에 따라 지자기의 장(場)이 만들어진다. 따라서, 지구자장의 영년 변화의 원인은 외핵의 중간층에 대한 상대적인 속도변화 또는 외핵 내의 유체운동의 변화 등으로 설명할 수 있다.

 

이러한 지구자장은 세계적으로 분포하고 상당히 복잡하다. 자성광물(magnetic minerals)이 있는 지대는 이와 같이 국지 이상이 심하게 나타난다. 이 같은 자기 이상(磁氣異常; magnetic anomaly)을 조사하여 지하구조를 탐사할 수 있고 자성광물도 탐사할 수 있다. 자기 이상의 한계깊이는 어떤 온도 이상에서 자성(磁性)을 상실하게 되는 온도인 Curie온도 등온면이다. 이는 지역에 따라 다르다(예 : 미국 21km, 캐나다 17-24 km , 독일 20~25km).

심해는 대륙붕에 비해서 지자기 이상이 크다. 이는 퇴적암이 대자율이나 잔류자화가 매우 낮기 때문에, 화성암이나 변성암에서 기인되어지고, 특히 육지와 반대로 해양에서는 현무암에서 잔류자기가 특징적이다. 즉, 육지에 비하여 일정한 형태의 자기이상이 나타나고 중앙해령 (central ridge)을 중심으로 이에 평행하고 대칭적으로 분포한다. 미국 California 주에 가까운 동태평양 남북으로 주향하는 줄무늬 모양 자기이상이 관측되었다(그림 5-7). 이 그림에서 줄무늬 모양은 동서방향으로 두 개로 단절되어 250km 정도 밀려서 어긋남을 보인다.

 

이와 같이 지구자장의 이상을 조사함으로서 지각 중에 지리가 상대적으로 전이하여 어긋나는 것과 같은 지각의 변화를 알 수 있다. 또한 지자기장의 방향의 분포에 따라서 해령을 중심에서 양측으로 대칭됨을 나타낸다.

 

이처럼 지자기장은 정상 (현재와 같은 방향)과 역전(reversed)된 방향을 나타낸다. 위치에 따라서 부분적으로 끊어지는 곳이 있는데 이러한 부분을 변환단층(trans formfault)이라 한다. 이는 수평적인 이동 때문에 생성된 것이다. 이 같은 이상을 복원시키는 등 해양에서 공통적인 자기이상을 연구함으로서 해저확장설 (sea floor spreading)과 판구조론(Plate Tectonics)을 설명할 수 있다.