지구의 자기 방패

지구가 태양에서 오는 바람을 어떻게 막는지, 태양 폭풍은 무슨 일을 하는지

단계별로

지구는 자석이다

지구 외핵에서 요동치는 녹은 철이 자기장을 만듭니다. 지표에서는 냉장고 자석보다 약 100배 약하지만, 우주 멀리까지 뻗어 있습니다. 자극은 지구의 자전축에서 약 9° 떨어져 있습니다.

지구 중심으로 가는 길의 거의 절반쯤에 외핵이 있습니다. 수천 도로 뜨거운 액체 철의 바다입니다. 아래에서 올라오는 열이 이를 끊임없이 휘젓고, 지구의 자전이 그 흐름을 나선으로 비틉니다. 움직이는 철은 전류를 나르고, 전류는 자기장을 만들며, 자기장은 다시 전류를 유지합니다. 수십억 년 동안 돌아가고 있는 천연 발전기입니다.

여기 그려진 선은 자기장의 모양을 보여 주며, 나침반 바늘은 이 선을 따라 늘어섭니다. 선은 남반구에서 지구를 빠져나와 북쪽 근처에서 다시 들어가므로, 나침반이 가리키는 극은 엄밀히 말하면 자기의 남극입니다.

자극은 떠돌아다니고, 평균 수십만 년마다 자기장이 뒤집혀 북과 남이 자리를 바꿉니다. 마지막 역전은 약 78만 년 전이었습니다. 용암은 식을 때 자기장의 방향을 기록하므로, 오래된 암석은 역전 하나하나의 일기를 간직하고 있습니다.

태양에서 오는 바람

태양의 바깥 대기인 코로나는 눈에 보이는 표면보다 수백 배나 뜨거워서, 태양의 중력으로도 붙잡아 둘 수 없습니다. 코로나는 사방으로 우주에 흘러 나가는데, 이것이 태양풍입니다. 유진 파커가 1958년에 예측했고, 몇 년 뒤 우주선들이 확인했습니다.

태양풍은 플라스마입니다. 너무 뜨거워서 원자가 전하를 띤 입자, 주로 양성자와 전자로 쪼개진 기체입니다. 아주 희박해서 각설탕 하나 크기의 공간에 입자가 몇 개밖에 없으며, 실험실에서 만든 가장 좋은 진공보다도 텅 비어 있습니다. 그래도 결코 멈추지 않고, 태양의 자기장을 태양계 전체로 실어 나릅니다.

전하를 띤 입자는 자기력선을 쉽게 가로지르지 못하고, 대신 그 주위를 나선으로 돕니다. 그래서 지구의 자기장은 방패처럼 작용해 태양풍이 지구를 비켜 가게 합니다. 화성에는 이런 전 지구적 자기장이 없어서, 수십억 년 동안 태양풍이 화성 공기의 대부분을 벗겨 냈습니다.

방패

태양풍은 앞질러 가서 장애물이 있다고 알려 줄 수 있는 어떤 파동보다도 빠르게 움직입니다. 그래서 지구를 부드럽게 비켜 가지 못하고, 활꼴 충격파에서 갑자기 느려지며 뜨거워집니다. 달리는 배의 뱃머리 앞에 쌓이는 물결과 같습니다.

충격파를 지난 뒤, 느려진 태양풍은 자기권계면을 따라 돌아 흐릅니다. 그곳은 태양풍이 미는 힘과 지구 자기장이 미는 힘이 맞서 균형을 이루는 곳입니다. 이곳이 지구의 자기 거품인 자기권의 가장자리입니다. 안쪽은 지구 자기장이, 바깥쪽은 태양의 바람이 지배합니다.

거품은 태양을 향한 쪽이 납작하게 눌리고, 뒤쪽은 바람자루처럼 길게 늘어져 있습니다. 크기는 태양풍에 따라 달라져서, 바람이 세게 불면 자기권계면이 지구 가까이 밀려옵니다. 우주에서는 두 경계 모두 보이지 않으며, 여기서는 빛나는 막으로 그렸습니다.

달 너머까지 뻗은 꼬리

밤 쪽에서는 태양풍이 지구의 자기장을 길게 끌어내 꼬리를 만듭니다. 바로 자기 꼬리입니다. 정확한 길이는 아무도 모릅니다. 우주선들은 달보다 훨씬 먼 곳에서도 이 꼬리를 발견했고, 달까지 거리의 15배 넘게 뻗어 있을지도 모릅니다.

꼬리 한가운데에는 뜨거운 하전 입자층인 플라스마 시트가 지나갑니다. 그 위와 아래에서 자기력선은 서로 반대 방향을 향하며, 고무줄처럼 팽팽하게 당겨져 태양풍의 에너지를 모아 둡니다. 자기력선이 튕기듯 되돌아가면 그 에너지가 오로라를 밝힙니다. 이는 뒤의 단계에서 보여 드립니다.

달은 매달 약 6일, 보름달 3일 전부터 3일 후까지 이 꼬리 안에 머뭅니다. 그동안 달은 태양풍으로부터 보호받으며, 일본의 탐사선 가구야는 지구 상층 대기에서 온 산소가 달에 떨어지고 있다는 것을 발견했습니다.

방사선대

하전 입자는 자기력선 주위를 나선으로 돕니다. 극 근처에서는 자기력선이 모이고 자기장이 강해져 나선이 점점 좁아지다가, 입자가 마치 거울에 부딪친 듯 되돌아갑니다. 그렇게 입자는 1초 이하 만에 극과 극 사이를 튕겨 오가면서 지구 둘레를 떠돌고, 몇 년씩 갇혀 있기도 합니다.

안쪽 띠에는 주로 에너지가 엄청나게 높은 양성자가 있고, 거의 변하지 않습니다. 바깥쪽 띠는 주로 전자로 이루어져 늘 변합니다. 태양 폭풍이 오면 몇 시간 만에 비워지거나 채워지기도 합니다.

미국의 첫 인공위성 익스플로러 1호는 제임스 밴앨런 연구팀이 만든 방사선 계수기를 싣고 있었습니다. 높은 곳에서는 아무것도 세지 못했는데, 익스플로러 3호가 이유를 밝히기 전까지는 이해할 수 없는 일이었습니다. 방사선이 너무 강해서 계수기가 먹통이 된 것이었습니다.

소리를 켜면 방사선대의 소리를 듣는 것입니다. NASA의 밴앨런 탐사선이 녹음한 전파입니다. 그 주파수가 우리가 들을 수 있는 소리의 주파수와 같아서 스피커로 바로 재생할 수 있습니다. 이런 파동은 일부 전자를 가속하고, 다른 전자는 대기로 떨어뜨립니다.

태양 폭풍

흑점은 태양의 엉키고 비틀린 자기장이 표면을 뚫고 나오는, 더 어둡고 차가운 곳입니다. 비틀린 자기장이 갑자기 더 단순한 모양으로 돌아가면 엄청난 에너지를 내놓습니다. 플레어라고 하는 빛과 X선의 섬광, 그리고 흔히 자기만의 자기장을 지닌 채 우주로 내던져지는 가스 구름입니다. 이것이 코로나 질량 방출입니다.

플레어의 빛은 약 8분 만에 지구에 닿지만, 구름은 1일에서 4일이 걸립니다. 태양을 지켜보는 망원경은 며칠 전에 경고해 주지만, 구름이 실제로 얼마나 강한지는 달보다 4배 먼 곳에 배치된 우주선 옆을 지날 때에야 드러납니다. 우리에게 닿기 1시간도 채 남지 않은 때입니다.

2024년 5월, 흑점군 AR 3664는 폭이 지구의 15배가 넘어, 망원경 없이 일식 안경으로도 볼 수 있을 만큼 컸습니다. 태양은 11년 주기의 정점에 가까웠고, 5월 8일과 9일 이 흑점군은 지구를 향해 구름을 잇달아 쏘아 보냈습니다.

짓눌린 방패

가장 중요한 것은 구름 자체의 자기장이 어느 쪽을 향하느냐입니다. 태양을 향한 쪽에서 지구의 자기장은 북쪽을 향합니다. 구름의 자기장이 남쪽을 향하면 둘은 방향이 반대라서 서로 이어질 수 있습니다. 두 자석의 다른 극끼리 달라붙는 것과 같습니다. 그러면 방패가 열립니다. 지구의 자기력선이 태양풍에 걸려 극 위를 넘어 꼬리로 끌려가고, 에너지가 쏟아져 들어옵니다.

자기장이 북쪽을 향한 구름은 대개 옆으로 미끄러져 지나가고, 빠른 구름이라도 피해가 적습니다. 그래서 예보관들은 구름이 기다리고 있는 우주선에 닿기 전까지는 폭풍이 얼마나 강할지 알 수 없습니다.

북극광과 남극광

꼬리에 쌓인 에너지는 그곳에 머물지 않습니다. 팽팽해진 자기력선이 새총처럼 지구 쪽으로 튕겨 돌아가며 전자를 자기장을 따라 내던집니다. 자기력선은 극 근처로 내려오므로, 전자는 각 자극을 둘러싼 고리를 따라 상층 대기에 부딪칩니다. 여기서 빛나고 있는 오로라 타원입니다.

전자가 산소 원자나 질소 분자에 부딪치면 여분의 에너지를 주고, 그 에너지는 네온사인이 빛나듯 정확히 한 가지 색의 빛으로 다시 나옵니다. 산소는 초록빛을 냅니다. 공기가 가장 희박한 더 높은 곳에서는 대신 붉은빛을 냅니다. 이 붉은빛은 나오기까지 거의 2분이 걸려서, 더 낮은 곳에서는 그 전에 충돌이 에너지를 빼앗아 가 버립니다. 질소는 파란빛과 보랏빛으로 빛납니다.

북쪽과 남쪽의 오로라는 동시에, 거의 거울에 비친 모습처럼 빛납니다. 자기장이 있는 다른 행성에도 오로라가 있습니다. 목성의 오로라는 지구 전체보다도 큽니다.

2024년 5월의 폭풍

2003년 이후 가장 강한 폭풍이었습니다. 오로라는 극에서 멀리 떨어진 멕시코, 인도, 나미비아에서도 보였고, 6월에는 NASA의 CIRBE 위성이 이 폭풍이 밴앨런대 사이에 남긴 새로운 입자 띠 두 개를 찾아냈습니다.

폭풍이 에너지를 쏟아붓자 빛의 고리가 적도 쪽으로 멀리 퍼졌고, 수백만 명이 처음으로 오로라를 보았습니다. 휴대전화 카메라는 눈보다 더 많은 것을 담았습니다. 밤에 우리 눈으로는 거의 보이지 않는 희미한 빨강과 분홍을 기록할 수 있기 때문입니다.

우주 폭풍은 우리의 기술에도 미칩니다. GPS 위치가 어긋나, 북미에서는 봄 파종이 한창일 때 위성으로 조종하는 트랙터가 이랑에서 벗어났습니다. 뜨거워진 상층 대기가 부풀어 낮은 궤도의 위성들을 붙잡아 끌었고, 수천 대의 위성이 궤도를 지키려고 엔진을 점화해야 했습니다.

이 폭풍은 새로운 것도 남겼습니다. 6월, 신발 상자만 한 NASA의 위성 CIRBE가 밴앨런대 사이에서 새 띠 두 개를 발견했는데, 그중 하나에는 양성자가 들어 있어 전에 본 적 없는 구성이었습니다. 전자 띠는 석 달쯤 뒤에 사라졌지만, 다른 하나는 훨씬 오래 남았습니다.

그래도 이것이 기록상 가장 강한 폭풍은 아니었습니다. 1859년 캐링턴 사건 때는 열대 지방까지 오로라가 빛났고 전신선에서 불꽃이 튀었습니다. 오늘날 그런 폭풍이 온다면 훨씬 큰 피해를 줄 수 있기에, 태양은 하루 종일 감시되고 있습니다.