지구는 왜 거대한 자석이 되었나?

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지구는 우주의 패러다이스 – 7

인간이 살기에 지구보다 좋은 행성이 없는데도 사람들은 지구의 고마움을 생각하지 않는다. 거대한 자석이 되어 생명의 파라다이스로 변한 지구의 은총을 소개하는 시리즈–7이다.

 

 

어디에서든 나침반을 보면 자침은 남북방향을 가리킨다. 이것은 지구 전체가 하나의 큰 자석이기 때문이다. 지구가 자석이 아니라면 나침반은 모두 쓸모가 없어진다. 구름이나 안개 속을 가는 비행사와 선원은 방향을 잃고 말 것이다.

 

 

 

인류는 11세기부터 나침반을 사용하기 시작했고, 12세기부터 나침반에 의지하여 지구 전체를 탐험하는 대항해시대를 열었다.

 

 

 

코일 속에 전류가 흐르면 코일 주변에 자기가 생겨 쇳가루를 끌어당긴다. 자기의 힘이 미치는 범위를 자기장(磁氣場 magnet field)이라 한다.

 

 

 

지구는 거대한 하나의 자석이기 때문에 지구 주변에는 우주 공간 수만km 밖에까지 눈에 보이지 않는 자기장(또는 지자기)이 형성되어 지구를 우주방사선으로부터 보호한다.

 

 

 

지구가 거대한 자석이 된 이유는 지구 중심부의 외핵(outer core)에 포함된 철과 니켈 성분이 액체 상태로 대류를 일으키며 일정한 방향으로 흐르기 때문이다. 철과 니켈이 녹아 있는 것은 내핵의 고열 때문이다. 이처럼 지구 외핵의 대류에 의해 자기장이 형성되는 현상을 지오다이나모(geodynamo 지구동력)이라 한다. 지자기가 형성되는 추가적인 이유의 하나는 지구가 빠르게 자전하고 있다는 것이다. mantle: 맨틀, inner core: 내핵, outer core: 외핵, Magnetic field: 자기장, Fluid convection current: 유체 대류의 흐름

 

 

 

지구가 자전하는 중심축(자전축)과 나침반이 가리키는 지자기의 축은 일치하지 않고 11° 정도 기울어 있다. 자전축의 북극은 지리상 북극(Geographical North Pole)이라 하고, 지자기의 북극은 지자기 북극(North Magnetic Pole)이라 한다. 지도에서 적도로부터 남북극까지 표시되는 위도는 자전축을 기준으로 한다.

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지구가 강력한 지자기를 형성하는 거대한 자석이라는 것은 인간을 포함한 지상 생명체에게 우주의 패러다이스가 되도록 하고 있다. 그 이유는 앞 시리즈에서 설명했듯이, 자기장이 태양에서 오는 강한 자외선과 전기를 띤 입자들(태양풍)을 대부분 반사하는 동시에, 대기 상층부의 오존층을 보호하여 지상 생명체들이 안전하게 생존할 수 있도록 해주기 때문이다.

 

 

 

나침반의 바늘을 움직이는 지자기의 자력은 얼마나 강할까? 지자기가 너무 강하면 날아가는 비행기를 끌어당길지도 모른다. 그러나 지자기의 자력은 지역에 따라 조금 차이가 있지만, 25∼100μT(마이크로테슬러)이다. 자력의 세기는 주로 가우스(G)로 나타내는데, 1G는 100마이크로테슬러이고, 냉장고 문에 메모지를 붙여둘 때 사용하는 작은 자석의 자력은 약 10,000μT이다.

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지구의 내핵은 왜 자기장을 형성하지 않나?

영구자석은 온도가 650℃ 이상 되면 물리적으로 자력이 없어져 버린다. 자력은 자성을 가진 물질의 분자들이 적당한 속도로 회전할 때 생겨난다. 그러나 일정 이상 고온이 되면 분자 운동이 너무 빨라지고, 이때 자성을 형성하는 분자들의 질서 있는 방향성이 없어져 자성이 사라진다. 중심부 내핵의 온도는 수천℃이므로 이곳에서는 자력이 생겨나지 못한다.

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철은 왜 자성을 갖는가?

자연에서 산출되는 철광석은 몇 가지 종류가 있지만 대부분은 적철광(hematite)과 자철광(磁鐵鑛 magnetite)이다. 이 중에 대부분을 차지하는 적철광(분자식 Fe2O3)은 자성이 없고, 자철광(Fe3O4)만 천연적으로 자력을 가졌다. 그러므로 영구자석은 자철광을 이용하여 제조한다.

 

 

자철광만 아니라 어떤 물질이라도 각 원자의 주변에는 자장이 생긴다. 자성이 없다고 생각되는 플라스틱이나 나무의 원자 주변에도 전자가 돌고 있으므로 자장이 형성된다. 그런데도 자력이 작용하지 않는 것은, 원자들이 가진 자석(원자자석이라 함)의 극(極) 방향이 일정하지 않기 때문에 자력이 서로 상쇄된 것이다. 그러나 자철광의 원자자석은 극의 방향이 질서 있게 일정하기 때문에 강한 자성을 나타낸다.

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하나의 자석은 수억 개의 작은 자석으로 이루어져 있다. 만일 작은 자석들의 N극과 S극이 일정한 방향을 향하지 않고 사방 흐트러져 있으면, 자력은 서로 상쇄되어 자석이 되지 못한다. 그러나 자철광의 분자는 N극과 S극이 모두 일정한 방향을 가지고 있어 자석이 된다.

 

 

 

지각의 중요 성분인 철이 모두 적철광이라면 세상에 자석이 없을 것이다. 그러면 전기를 생산하는 발전기도 없을 것이며, 지구가 자석이 될 수도 없다. 반대로 모든 철이 자철광이라면 쇠붙이들이 전부 서로 끌어당겨 이상한 세상을 만들 것이다. 다행히 자철광은 특정 지역에서 소량만 화합물 상태로 산출된다.

 

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태양의 활동은 11년 정도를 주기로 활동이 심해지는데, 그럴 때는 태양풍이 강력해져 지구 표면의 방송, 통신, 기타 전자기구에 영향을 준다. 또한 각종 우주탐사선과 우주정거장의 장비에도 영향을 주어 오작동하게 만든다.

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다른 행성에도 지자기가 있을까?

과학자들의 조사에 의하면 목성, 토성, 천왕성, 해왕성에도 지자기가 있다. 그러나 이 행성들이 지자기를 갖게 된 이유는 아직 불확실하다. 화성의 경우에는 내부에 떠거운 코어가 없기 때문에 지자기가 생기지 않는다. 그리고 금성은 뜨거운 코어는 있지만 자전하는 속도가 느려 지자기가 충분히 생겨나지 않는다.

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자철광은 천연적으로 자성을 가진 철광석이다. 이들은 세계 도처에서 산출되고 있으며, 자석을 만드는 중요한 지하자원이다. 왜 자철광이 생겨났는지 이유는 확실하지 않다. 지구상에 자철광이 산출된다는 것은 매우 다행한 일이다. 자석이 없다면 오늘날의 전자기 시대가 열리지 못했을 것이기 때문이다. 또한 대부분의 철광석이 자성이 없는 적철광이라는 것도 다행이다. 모든 철이 자성체라면 서로 자력이 작용하여 오늘날의 다양한 철기문명을 만들 수 없었을 것이다.

 

 

전자장치들을 보면 자석의 도움으로 동작하는 것이 매우 많다. 발전기를 비롯하여 컴퓨터, 휴대전화, 유선전화, 스피커, 마이크로폰, 녹음장치, 전동기, 신용카드, 텔레비전, 전자악기, 진단장비 MRI, 인공심장 박동기, 자기부상열차, 장난감, 나침반 등등을 작동하게 하는 것이 자석이다. 자력으로 움직이는 전자기기들이 없으면 인류의 삶은 원시시대로 돌아간다. 또한 지자기를 탐지하여 고향과 집을 찾아가는 많은 철새와 동물들도 갈 곳을 찾지 못하게 될 것이다. - YS

 

 

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