지구 초기부터 강력한 자기장이 보호

화성은 자기장 붕괴돼 대기와 물 소실

공상과학영화에서 우주 전함들은 적의 레이저 포격 등으부터 전함을 보호하는 차폐막을 가지고 있다. 에너지가 고갈돼 차폐막이 손상되면 피격 위험에 처하게 된다.

지구도 이와 비슷하다. 지구의 보호막은 땅속 깊은 곳에서 소용돌이치는 액체 상태의 철이 형성하는 보호 자기장이다.

이 보이지 않는 자기장(magnetic field)은 지구 표면의 생명체를 보호하는데 필수적이다. 태양으로부터 날아오는 유해한 태양풍과 우주 광선으로부터 지구를 방호하는 것이다.

과학자들은 이 같은 자기장의 중요성을 알고 지구 역사에서 자기장이 어떻게 변해 왔는지를 알아내려고 노력해 왔다. 지구 자기장에 대한 지식은 지구 진화의 미래와 태양계 다른 행성들의 진화를 이해하는 단서를 제공할 수 있다.

미국 로체스터대 과학자들은 새로운 연구를 통해 지구 주위에 처음 형성된 자기장이 이전에 과학자들이 믿었던 것보다 훨씬 강력하다는 증거를 제시했다.

‘미 국립과학원 회보’(PNAS) 최근호에 발표된 이 연구는 지구 자기 차폐의 지속가능성과 태양계의 다른 행성들이 생명체를 포용하는데 필요한 조건을 갖췄는지의 여부를 판단하는 데 도움을 줄 것으로 보인다.

로체스터대 지구와 환경과학과 존 타두노(John Tarduno) 석좌교수는 “이번 연구는 거주 가능한 행성의 형성에 관해서 얘기해 준다”며, “우리는 지구가 왜 이렇게 진화해 왔는지에 대한 답을 하고자 했고, 이것은 지구의 자기 차폐가 매우 일찍 기록되었다는 많은 증거들을 제시한다”고 설명했다.

지구를 둘러싼 자기권(magnetosphere)의 구조. 태양으로부터 방사되는 고에너지 양성자가 지구 자기장에 의해 비켜가는 모습을 그렸다. CREDIT: Wikimedia / NASA

지구를 둘러싼 자기권(magnetosphere)의 구조. 태양으로부터 방사되는 고에너지 양성자가 지구 자기장에 의해 비켜가는 모습을 그렸다. ⓒ Wikimedia / NASA

오늘날의 지구 자기장

오늘날의 지구 자기 차폐는 지구 외핵(outer core)에서 생성된다. 지구 속 밀도 높은 내핵의 강한 열은 액체 철로 이루어진 외핵을 소용돌이치게 하고 휘저으며 전류를 생성함으로써 지구 자기장에 동력을 부여하는 지구 발전(geodynamo) 현상을 일으킨다.

액체 상태의 외핵 전류는 고체 상태의 내핵에서 흘러나오는 열에 의해 강한 영향을 받는다.

과학자들은 지구 핵의 위치와 그 속에 있는 물질들의 극한적인 온도 때문에 자기장을 직접 측정할 수 없다. 그러나 다행히도 지구 핵으로부터 지표로 올라오는 광물들은 녹은 상태에서 식을 때 자기장의 방향과 강도가 기록된 작은 자성 입자들을 포함하고 있다.

연구팀은 새로운 고자기(paleomagnetic) 자료와 전자현미경, 지구화학 및 원시강도(paleointensity) 자료를 사용해 호주 현장에서 수집한 가장 오래된 지상 물질로 알려진 지르콘(zircon) 결정체를 분석하고 연대를 측정했다.

약 5분의 1 밀리미터 크기인 지르콘은 지르콘이 형성될 당시 지구 자화를 기록한 더 작은 자성 입자를 포함하고 있다.

연구팀은 지구의 옛 자기장 방향과 강도를 결정하기 위해 호주의 현장에서 수집한 지르콘 결정을 분석하고 연대를 측정했다. 지르콘 결정체는 지르콘이 형성될 당시 지구의 자성을 기록한 자기 입자를 포함하고 있다. 지르콘 결정체는 10센트짜리 달러 동전의 ‘O’자 안에 들어갈 만큼 작다. CREDIT: University of Rochester / John Tarduno

연구팀은 지구의 옛 자기장 방향과 강도를 결정하기 위해 호주의 현장에서 수집한 지르콘 결정을 분석하고 연대를 측정했다. 지르콘 결정체는 지르콘이 형성될 당시 지구의 자성을 기록한 자기 입자를 포함하고 있다. 지르콘 결정체는 10센트 짜리 달러 동전의 ‘O’자 안에 들어갈 만큼 작다. ⓒ University of Rochester / John Tarduno

지구 자기장, 40억 년 전에 형성돼

타두노 교수의 이전 연구에 따르면 지구 자기장은 최소 42억 년 전에 형성됐고, 거의 지구만큼 오래됐다. 반면 지구 내핵은 비교적 최근에 추가됐다. 타두노 교수팀은 올해 초 발표한 연구에서 지구 내핵이 5억 6500만 년 전에 이르러서야 만들어졌다고 밝혔다.

연구자들은 처음에 지구 초기 자기장의 강도가 약할 것이라고 믿었으나, 이번의 새로운 지르콘 데이터는 더 강한 자기장을 가지고 있었음을 시사하고 있다.

그러나 아직 내핵이 형성되지 않았기 때문에 40억 년 전에 발달한 강한 자기장은 다른 메커니즘에 의해 동력을 얻었을 것으로 보인다.

타두노 교수는 “우리는 이 메커니즘이 지구 내 산화마그네슘의 화학적 침전에 의한 것이라고 생각한다”고 말했다.

산화마그네슘은 지구에서 달이 떨어져 나가게 된 거대한 충격과 관련한 극도의 뜨거운 열에 의해 용해되었을 가능성이 있다. 최근 연구에 따르면 달은 약 45억 년 전 지구가 화성 크기의 천체와 충돌하면서 잔해가 떨어져 나가 형성되었다는 이론이 제시된 바 있다.

이후 지구 내부가 냉각되면서 산화마그네슘이 침전돼 대류와 지구 발전을 일으켰다는 것이다. 연구팀은 이 지구 내부의 산화마그네슘원은 결국 소진돼 버려 5억 6500만 년 전에 지구 자기장이 거의 완전히 붕괴됐다고 믿고 있다.

그러나 지구 내핵이 형성돼 오늘날 지구가 가지고 있는 지구 발전기와 자기 방패에 동력을 공급할 수 있는 새로운 원천이 제공됐다는 것.

지구 내부구조를 절단한 모습. 액체 상태 철 성분으로 이루어진 외핵이 지구 자기장의 동력을 제공한다. CREDIT: Wikimedia / USGS

지구 내부구조를 절단한 모습. 액체 상태 철 성분으로 이루어진 외핵이 지구 자기장의 동력을 제공한다. ⓒ Wikimedia / USGS

화성은 자기장 없어져 물도 고갈돼

타두노 교수는 “이 초기 자기장은 태양풍이 가장 강렬했을 때 초기 지구로부터 대기와 물이 날아가 버리지 않도록 막아주었기 때문에 극히 중요했다”며, “자기장 생성의 메커니즘은 태양계 다른 행성이나 외계 행성 같은 천체에 확실히 중요하다”고 강조했다.

예를 들어 선도적인 이론에 따르면 화성도 지구와 같이 생성 초기에 자기장을 가지고 있었다. 그러나 화성에서는 지구와 달리 자기장이 붕괴한 뒤 새로운 자기장이 생성되지 않았다.

타두노 교수는 “화성이 일단 자기장 방패를 잃어버리자 이어서 물도 없어지게 되었다”며 ”그러나 우리는 아직도 왜 화성의 자기 방패가 무너졌는지 모른다”고 말했다.

그는 “초기 자기장 방패도 실로 중요하지만 우리는 자기장의 지속가능성에 관심이 있으며, 이번 연구는 지구의 자기 방패를 유지하는 일련의 과정들을 알아내려는 연구자들에게 더 많은 데이터를 제공한다”고 밝혔다.

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