지구 자기장과 태양풍... 지자기가 사라지면 인류는 멸망할까?

  금성이나 화성, 수성 등 '지구형'의 다른 천체와 지구를 행성 그 자체로 비교할 때 가장 큰 차이점 중 하나는 지구는 '살아있다.'라는 것입니다.

 

  그것은 지구에 생명체들이 살고 있다는 것이 아니라, 지구라는 행성의 내부가 아직 완전히 식지 않은 채 움직이며 자기장을 형성하고 있다는 것입니다.

 

  지구와 비슷한 크기인 금성조차 자기장이 거의 없다는 것을 생각 할 때 그만큼 지구는 독특한 존재입니다. (금성은 자체적인 자기장은 없는데 그 이유는 아마도 금성이 지구보다 먼저 식었기 때문이라고 생각합니다. 아이작 아시모프는 로봇 시리즈에서 지구에 방사성 물질이 지나치게 많아서 돌연변이가 빨랐다는 가설을 제시했는데, 방사성 물질이 다른 행성보다 많다면 그만큼 천천히 식을 것입니다. 또는, 지나치게 큰 달의 조석 현상이 지구가 식는 것을 막아주었을지도 모릅니다. 어찌되었든 금성에는 없는 자기장이 지구에만 존재하는 것은 참으로 흥미로운 문제입니다.)

 

  지구는 목성 등 큰 천체에 비해 작은 크기에 지나지 않지만, 강력한 자기장으로 주변에 영향을 주며, 특히 태양에서 날아오는 하전 입자가 직접 대기에 도달하지 않도록 막고 있습니다. 그런 점에서도 지구 자기장은 지구의 특징일 뿐만 아니라 지구가 살아있게 해주는 소중한 원천이기도 합니다.

 

 

  하지만, 근래의 지질학적 조사 결과 지구 자기장이 계속 변화하고 때로는 완전히 사라지는 일도 있었다는 것이 밝혀졌습니다. 지구 자기장이 하전 입자를 막아준다는 것을 생각할 때 만일 지구 자기장이 사라진다면 상당히 큰 문제가 일어날 것이라고 생각하기 쉽습니다.

 

  흔히 지구 자기장이 사라지면 태양풍의 하전 입자가 지상으로 쏟아져 내려와 위험하다는 의견이 종종 등장합니다. 이와 관련하여 일본의 한 만화에서는 지구 자기장이 약해져 방사선이 쏟아져 내려오면서 인류가 지하로 숨었다는 설정을 소개하기도 했으며, 할리우드에서는 <코어>라는 영화를 통해 지구 자기장이 멈춘 상황에서 인류가 1년 내에 멸망한다는 충격적인 설정을 제시하기도 했습니다.

 

  한편, 과학계에서는 지구 자기장이 사라지면 빙하기가 나온다는 주장이 나오기도 했습니다. 지구 자기장이 사라진 시기와 빙하기가 겹친다는 증거를 바탕으로 시작된 이야기인데, 앞서 소개한 충격적인 설정에 비해 그다지 잘 알려진 이야기가 아닌 듯, 제가 활동 중인 모임(조이 SF 클럽)에서 나온 질문에 대해 다른 분이 제대로 대답하지 못하는 것을 볼 수 있었습니다. 실제로 인터넷을 뒤져도 이에 대한 해답은 거의 나오지 않고 있으니까요.

 

  사실, 지자기와 빙하기가 관련되었다고 생각하기는 어렵습니다. 아무리 생각해도 둘 사이에 상관 관계가 느껴지기 않기 때문입니다.

 

  일반적으로 생각할 때 지구 자기장은 태양풍을 막아주기 때문에 지구 자기장이 약해지면 태양풍이 지구에 더 많이 도달해서 지표가 더워질 것이라고 생각하기 쉽습니다. 사실 태양풍은 많은 에너지를 갖고 있어서 실제로 태양풍이 지구에 더 많이 도달하면 지구는 당연히 더워지게 마련입니다. 지구에 도달한 태양풍이 에너지를 발산하고 그것을 지구 대기와 지표가 흡수하게 될 테니까요.

 

  하지만, 이러한 생각은 지구 자기장이 태양풍을 차단하는(사실 이 말은 반만 맞습니다) 원리를 정확하게 이해하고 있지 못한데서 발생합니다.

 

  지구 자기장에 대해서 설명하는 거의 모든 내용들이 "왜 자기장이 하전 입자를 차단할 수 있는지" 설명하지 않고, 단지 "자기장이 있어서 하전 입자를 막아준다."라는 모호한 설명만을 하고 있기 때문입니다.

 

  그러다보니 자기장을 스타워즈 같은 작품에 나오는 차폐막처럼 생각하는 사람도 등장합니다. 마치 자기장이라는 방패가 지구를 둘러싸서 태양풍이 접근하는 것을 막아준다고 착각하는 것입니다.

 

 

  하지만, 이 말은 정확하지 않습니다. 자기장은 하전 입자(荷電粒子, +나 -로 대전된 입자. 대개는 전자나 양자. 중성자는 '중성'으로 하전 입자에 속하지 않는다.)를 막아주지 못합니다. 자기장은 하전 입자에 영향을 주고, 그들이 지표면에 바로 내려오지 못하게 해 줄 뿐입니다. 그것도 방패라기보다는 그물 같은 방식으로...

 

 

  그렇다면 지구 자기장은 과연 어떻게 해서 하전 입자를 막아주는 것일까요? 그리고 왜 지구 자기장이 빙하기와 관련될 수 있는 것일까요?

 

  우선, 지구의 자기장은 하전 입자를 막지 않습니다. 지구 자기장은 방패나 차폐막이 아니기 때문입니다. 그들은 단지 하전 입자에 힘을 주어 지표면에 내려오는 것을 막아주고, 심지어는 지구에서 멀리 떨어진 곳을 지나가는 하전 입자마저도 지구 주변으로 끌고 와서 지상의 생명체를 보호합니다.

 

  그것은 바로, 잘 알려진 플레밍의 왼손 법칙에 의한 결과물입니다.

 

  왼손 법칙이란 자기장 속을 전류가 흐를 때 그 전류가 이동 방향에 직각으로 힘을 받는 법칙입니다. 흔히 전동기의 원리라고 부르는 법칙으로, 현대 문명을 이루는 중요한 법칙 중 하나입니다.

 

[ 플레밍의 왼손 법칙. 이처럼 자기장 속을 흐르는 전류(하전입자의 흐름)가 힘을 받는다. (엔사이버 백과) ]  

 

 

  왼손 법칙이라면 '전류가 흐르는 도선에 힘이 가해진다.'라고 생각하기 쉽지만, 전류라는 것은 반드시 도선을 흘러갈 필요는 없습니다. 전류(電流)란 보다 정확하게 말하면 전자와 같은 하전 입자가 한쪽에서 다른 쪽으로 흘러가는 것을 가리키는 것이니까요. (가령, 번개 역시 하전 입자의 흐름, 즉 전류입니다.)

 

  태양풍에 포함된 하전 입자가 태양에서 출발해서 태양계 바깥으로 나아가는 것도 곧 전류라고 볼 수 있습니다.

  결국, 하전 입자가 지구자기장을 지나가면(흘러가면) 플레밍의 왼손 법칙에 의해 하전 입자에는 이동 방향의 직각으로 힘이 가해지고 이동 방향에 변화가 생겨납니다. 이동 방향이 달라지면 힘이 가해지는 방향도 달라지게 되는데 그 결과 하전 입자의 움직임은 다음과 같은 형태를 띄게 됩니다. 

[ 자기력선 주변의 하전 입자의 흐름. 파란 선처럼 자기력선을 중심으로 주변을 돌게 된다. ]

 

  바로 자기력선을 중심으로 제자리에서 빙글빙글 도는 것입니다.

 

  이때 지름은 하전 입자가 가진 전하량, 그리고 자기력의 힘에 따라 달라집니다. 자기력과 전하량이 낮으면 힘이 약하니 지름이 늘어나고(크게 돌고), 자기력과 전하량이 크면 힘이 강하니 지름이 줄어듭니다.(좁게 돕니다.)

 

  어느 쪽이건 태양풍 속의 하전 입자는 마치 그물에라도 걸린 듯 지구 주변에 머무르게 됩니다.

 

  하전 입자가 머무르는 위치는 태양풍의 속도와 자기력의 세기에 관련되어 있습니다. 태양풍이 빠를수록 지구 주변에 머무를 가능성이 줄어들고, 자기력이 높을 수록 지구 주변에 머무를 가능성이 커집니다. 그 위치 역시 태양풍의 속도와 지구 자기장의 힘에 관련되는데, 지구 자기장의 변화가 크지 않고 태양풍의 속도도 어느 정도 일정하기 때문에 이러한 현상은 대개 비슷한 지점에서 일어납니다.

 

  그리하여 하전 입자들은 비슷한 지점에 계속 모여서 반 알렌대라는 지점을 형성합니다.

 

  반 알렌대에서 방사선이 매우 강한 것은 바로 높은 에너지를 가진 태양풍의 하전 입자(가령 베타선(-)이나 알파선(+))가 많이 모여있기 때문입니다. 그물로 물고기를 잡아서 건져 올린 느낌... 하전 입자의 우물이라고 해도 될 것입니다.

 

  한편, 하전 입자는 시간이 흐르면서 전자를 방출하거나 받아들이면서(에너지를 발산하여 안정되면서) 평범한 입자로 바뀝니다. 대개는  베타선(전자)과 알파선(양자, 헬륨 원자핵)이 합쳐서 수소나 헬륨 원자로 바뀌게 마련입니다. 그리고 원자들은 다시 분자를 이룹니다.

 

  이들 원자나 분자는 전기적으로 중성입니다. 그러니 더 이상 자기장의 영향을 받지 않으며 그 순간 이동하던 방향으로 날아가 버립니다. 그에 따라 일부는 우주로, 또 일부는 지구로 들어갑니다. (지구 대기권에서는 수소나 헬륨이 끊임없이 우주로 빠져나가지만, 이 과정을 통해 보충됩니다.) 원자(분자)는 평범한 물질이니 지구에는 아무런 피해도 주지 않습니다.

 

  이것이 바로 지구 자기장이 하전 입자를 막아서 지구를 보호하는 원리입니다. 방패처럼 하전입자를 막는 것이 아니라 하전 입자가 에너지를 모두 발산해서 안전해질 때까지 지구 밖 먼 곳에 머무르게 하는 것입니다.

 

  하지만, 자기장이 태양풍을 완벽하게 막아주는 것은 아닙니다. 자기장은 오직 하전 입자만을 막아줄 수 있습니다. 전기적으로 중성인 태양풍의 나머지 전자기파, 즉 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선 등은 자기장이 아닌 지구의 두터운 대기층. 특히 이들의 에너지를 흡수해서 금방 산소로 분해되는 오존이 대부분 막아 줍니다.

 

  당연히 지구 자기장이 없어도 하전 입자 대부분은 대기층을 통과하는 동안 에너지가 발산됩니다. 알파선이나 베타선은 특히 대기 속에서는 그다지 멀리 이동할 수 없기 때문입니다. 게다가 투과력도 얼마 되지 않습니다. 알파선은 종이나 천으로도 막을 수 있을 정도. 베타선은 얇은 금속판 정도면 충분히 차단합니다.

 

  태양에서 날아오는 하전 입자의 양이 많지만, 그들이 두터운 대기층을 지나 지상에 도달하기는 쉽지 않습니다. 게다가 인류에게 심각한 피해를 주기는 더욱 힘듭니다. 때문에, 지구 자기장이 없으면 우주선 때문에 인류가 멸종한다는 말은 사실이 아닙니다. 그 주장이 사실이라면 -과거에도 몇 번씩 지구 자기장이 사라졌기 때문에- 지구의 육상 생명체는 몇 차례에 걸쳐 사멸, 생성을 반복했을 것입니다.

 

  영화 <코어>처럼 지금 당장 지구자기장이 사라진다고 해도(그럴 수는 없지만), 태양풍의 하전 입자 때문에 다소 불편할지는 몰라도 위험하지는 않습니다. 외출을 조금 삼가고 옷을 두껍게 입는 것으로 충분합니다.

(그보다는 빠른 속도의 '태양풍'이 지구의 대기층 상층부를 스치고 지나가면서 지구의 대기층이 줄어드는 것이 더 문제입니다. 일시적인 현상이라면 모르겠지만, 지구 자기장이 완전히 사라져 버리면 지구 대기층은 점차 얇아질 가능성이 높습니다.)

 

 [ 할리우드의 재난 영화는 항상 과장되었지만, 이 작품은 특히 심했다. 영화 <코어> ]

 

 

  하지만, 지구 자기장이 사라지면 인류는 힘들어집니다. 태양풍에 들어 있는 하전 입자가 지표면에 떨어지기 때문이 아니라, 태양풍 때문에 대기층이 손상을 입을 수 있으며, 무엇보다도 지구에 유입되는 에너지량이 변화하여 기상 이변이 발생할 수 있기 때문입니다. 가령, 빙하기가 일어나거나 반대로 지구가 달아오를 가능성이 있습니다. (대개는 빙하기가 일어나게 될 것입니다.)

 

 

  그렇다면 지구 자기장과 기후 변화는 무슨 관계가 있는가?

 

  이를 위해서는 앞 내용에 조금 더 설명을 추가할 필요가 있습니다.

 

 

  자기장의 영향으로 지구 주변에 머무른 하전 입자는 시간이 지나면 에너지를 발산하며 수소나 헬륨 원자로 바뀝니다. (이윽고 원자 둘이 합쳐져 분자가 됩니다.) 이때 발산된 에너지는 대개 느린 속도로 사방으로 퍼져나가는데 그 중 일부가 지구에 들어갑니다.

 

  지구 주변에 머무르는 하전 입자의 양이 많을수록  지구에 유입되는 에너지는 늘어납니다. 반대로 지구 주변에 머무르는 하전 입자가 적을수록 지구에 유입되는 에너지는 줄어듭니다.

 

  지구 주변에 머무르는 하전 입자의 양은 자기장의 세기, 태양풍의 속도에 따라 달라집니다. 자기장이 강할수록 하전 입자는 많이 머무르게 되고, 자기장이 약해지면 하전 입자의 양은 줄어듭니다. (자기장이 강할수록 지구에서 멀리 떨어진 곳을 지나는 하전 입자도 끌어들일 수 있습니다.)

 

  자기장이 강하면, 지구에서 먼 곳을 지나 지구에 떨어질 수 없는 하전 입자들도 끌어들이게 됩니다.

 

 [ 멀리 떨어져 지나가던 하전 입자의 흐름. 이처럼 자기력의 영향으로 지구 쪽으로 방향이 바뀌고 결국엔 빙글빙글 도는 상태가 된다. ]

 

  반 알렌대의 모습을 보면 이러한 현상을 확인할 수 있습니다. 실제 반 알렌대는 태양 쪽만이 아니라 태양 반대쪽에도 생겨나는데, 이 부분에 머무르는 하전 입자가 바로 본래는 지구 주변을 통과해서 지나갈 하전 입자입니다. (이 모양을 보고 '태양풍 때문에 반 알렌대가 찌그러졌다라고 착각하기 쉽지만, 절대로 그렇지 않습니다. 반 알렌대의 모양이 태양풍의 속도와 관련되지 않은 것은 아니지만, 바람에 휩쓸리듯 밀려난게 아니라 자기장의 작용으로 이와 같은 형태를 띈 것입니다.)

 

[ 반 알랜대의 모습. 지구 뒤쪽으로도 발생하는 건 본래는 지구를 지나갈 하전 입자가 자기장 때문에 지구 근처에 머무르기 때문이다. ]

 

  하전 입자는 전자기파의 형태로 에너지를 발산하고 그 에너지 중 일부는 지구에 들어옵니다. (심지어 밤인 지역에도...)

 

  지구 자기장이 사라지면 하전 입자들은 -지구에 바로 떨어지는 것들 일부를 빼면- 지구를 그냥 통과하고 그만큼 지구는 에너지를 받지 못합니다. 실질적으로 지구상에 들어오는 에너지량은 자기장이 있을 때보다 훨씬 더 줄어들 수도 있습니다.

 

  그리고 그 결과 빙하기가 찾아올 가능성도 있습니다. 물론, 하전입자가 지상에 그대로 도착하는 만큼 지구에 유입되는 에너지가 늘어난다고 생각될지도 모릅니다. 하지만, 실제로는 지구에 바로 떨어지는 하전 입자도 대개는 대기권 높은 곳에서 에너지를 발산하는데, 그 중 절반 이상은 우주로 날아가버리는 만큼 에너지량이 늘어나리라고는 보기 어렵습니다. 반 알렌대에서 뿜어내는 에너지량과 비교할 때 상당히 부족하기 때문입니다.

 

  하지만, 그것이 어느 정도의 결과를 낳을지는 아직 알 수 없습니다. 이를 위해서는 반 알렌대에서 방출되는 에너지 중 어느 정도나 지구에 들어오는지, 그리고 자기장이 없을 때 어느 정도의 에너지가 지구에 전해질지 좀 더 많은 조사와 연구를 진행해야 할 것입니다.

 

  어찌되었든 지구 자기장은 기후에 변화를 가져오고 빙하기를 가져올 수도 있다는 주장은 무시할 수 없는 가능성을 갖고 있습니다.

 

  그나마 다행스러운 것은 지자기 역전이건 지자기 소멸이건 지자기의 변화는 매우 오랜 시간에 걸쳐 일어난다는 것입니다. 영화 <코어>처럼 한 순간에 지자기가 사라질 가능성은 없으며, 적어도 가까운 장래에 우리가 지자기 소멸로 인해 고생할 일은 없을 것입니다.

 

 

여담) 대기도, 자기장도 없는 달에서는 하전 입자가 그대로 내려와 모래(레골라스)를 대전시킵니다. 그래서 정전기가 일어난 것처럼 물체에 잘 달라붙는 상태가 됩니다. 아폴로 계획의 우주인들이 달에 내려간지 오래되지 않아 먼지가 잔뜩 묻은 듯 까맣게 변하는 것은 바로 그 때문이며, 이 역시 인류가 달에 갔다는 증거 중 하나입니다. 지구 상에서는 이처럼 대량으로 대전된 토양을 준비할 수는 없기 때문입니다. 정전기는 오래 가지 못하고 우주복을 털면 가볍게 떨어져 나갑니다.

 

여담) 앞서 말한 자기장 속에서 하전 입자가 회전하는 현상은 반전자나 반양자처럼 전하를 가진 반물질을 안전하게 보관하는데도 이용합니다. 다만, 반전자나 반양자와는 달리 전하를 갖지 않는 반원자를 보관하는 것은 쉽지 않습니다. 한가지 방법은 반전자와 반양자를 따로 보관하다가 필요할 때 둘을 합쳐서 반원자로 만들어 쓰는 것일 것입니다.


* 이 글은 2010년 07월 11일에 네이버 블로그에 올렸던 글입니다. 앞으로 소개할 글과 관련이 있기에 다시 등록합니다.