나침반은 왜 항상 북쪽을 가리킬까?

지구는 하나의 거대한 자석이다. 그리고 자기 마당이 지구 둘레를 넓게 감싸고 있다. 자석으로 만들어진 나침반 바늘이 지구의 자기 마당에 따라 정렬하기 때문에 바늘이 늘 북쪽을 가리키게 된다. 곧 지구의 자기 마당이 나침반 바늘에 힘을 주게 되어 바늘의 한 끝을 지구의 북쪽 자극으로 잡아당기는 한편, 반대쪽을 남쪽 자극으로 잡아당긴다. 자석의 이러한 성질을 이용하여 나침반을 만들고 방위를 알아내는데 쓰이게 되었다.

 

 

나침반은 최초 1세기경 중국인들이 만든 것으로 알려져 있고 고대 중국인들은 천연 자석이 자유롭게 움직일 수 있도록 놓였을 때 항상 같은 방향을 발견하여 나침반을 만들었고 이를 이용하여 집의 방향을 잡는 데 사용했었다. 이후 송나라 때 바다 항해에서 사용하기도 하였다. 이것을 아랍의 한 선원에게 전해져 자침을 사용하여 항해를 하는 기술이 유럽까지 전달되었고 이를 계기로 전 세계로 보급되었다.

 

 

 

그런데 나침반의 바늘이 가리키는 방향이 지구 자전축이 있는 참북이 아니라 지구 자기 마당의 북극, 곧 Magnetic North이다. 나침반의 지면에서의 위치에 따라 참북과 자북 사이에 각도 차이가 발생하는데, 이를 자기 편각이라고 말한다. 서울 부근에서는 자북이 참북에서 약 4.5도 서쪽으로 벗어나 있다. 이처럼 지구가 가진 자석으로서의 성질을 지자기 또는 지구자기라고 하는데, 지자기가 지구와 지구 주위에 영향을 미치는 영역을 지구 자기 마당이라고 한다.

 

 

지구 자기마당은 지구 중심 부근에서 막대자석을 지구 자전축 방향으로 놓은 쌍극자 자기 마당 형상을 하고 있다. 그 외부는 태향 플라스마의 영향권이다.

 

그럼 지구 자기마당의 세기는 얼마나 될까? 자기 마당의 세기는 단위를 가우스로 사용하는데 보통 지표면에서의 가우스는 1 가우스 정도가 된다. 냉장고 자석의 세기가 보통 10 ~ 100 가우스 사이이므로 그리 센 편이 아니라고 할 수 있다. 그러나 자기 마당 세기는 부피에 따라 다른 만큼, 지구보다 몇 배나 큰 지자기의 힘은 엄청난 것이다.

 

 

지구 자기마당의 자기력선은 태양 플라스마와 우주선을 포착하여 밴 엘런 복사대 (지구 자기 축에 고리 모양으로 지구를 둘러싸고 있는 방사능대로, 처음 발견한 미국의 물리학자 J.A. 밴 앨런의 이름을 따서 붙임. 밴 앨런 복사대의 내층은 지상에서의 높이가 지구 반지름의 약 1/2이고 대부분 고에너지의 양성자로 되어 있으며, 속도가 빠른 전자도 포함되어 있다.)를 만들고, 양극 지역에서 오로라 현상을 일으킨다. 전리층 위의 영역은 자기권이라는 공간인데, 수십에서 ~ 수천 KM까지 뻗어있다. 이 지역은 유해한 자외선으로부터 지구를 보호하는 오존층을 포함하고, 우주 광선으로부터 지구를 보호한다. 이 지구 자기 마당이 지구를 감싸고 보호해주지 않았다면 강력한 태양풍에 의하여 지구의 대기가 다 뜯겨나가고 말았을 것이다.

 

또한 지자기는 동물들에게도 큰 영향을 미치는데, 조류의 경우 이 지자기 마당에 의지해 방향을 찾는다. 비둘기가 가진 뛰어난 방향감각은 비둘기 머리뼈와 뇌 사이에 작은 자석이 있는데 이것을 통해 자기 마당을 느끼는 감각 때문이다. 만약 자기 마당의 사라지게 된다면 이런 능력을 갖고 있는 동물들은 가야 할 방향을 잃는 것이다.

 

 

자기 마당은 남극과 북극이 붙박여 있는 것이 아니라, 시간에 따라 방향과 크기, 위치가 수시로 변하며 때로는 평균 몇 10만 년 간격으로 역전해서 자북과 자남이 변화하는 원인이 된다. 과학적 측정에 의거하면, 약 80만 년 전에 지구 행성의 자기 마당 방향이 뒤바뀐 것으로 발혀졌다. 지구 자기 마당의 정확한 생성 원인이 발혀진 것은 없으나 고온의 녹은 철로 이루어진 외핵의 대류 운동에 의한 전자기 유도 현상, 다이나무 이론으로 설명하는 학설이 대부분이다.

 

 

 

 

2020/04/05 - [과학상식] - 운석 발견시 메뉴얼

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