지구는 우리 눈에 보이지 않는 자기장으로 보호받고 있습니다. 마치 SF 영화에서 나오는 외계인의 우주선 처럼 이 자기장 방호벽은 태양에서 날아오는 강력한 고에너지 입자들이 지구 표면으로 유입되는 것을 막아줍니다. 사실상 지구 자기장은 지구 표면에 생명체가 융성하는데 큰 역할을 하고 있는 것이죠.
과학자들은 지구 자기장이 어떤 메카니즘으로 지구를 보호하는지 연구해왔습니다. 특히 흥미로운 부분은 태양표면에서 플레어나 CME 등 강력한 폭발이 발생한 후 지구에 이 고에너지 입자들이 쏟아질 때, 지구 자기장이 어떻게 반응을 하느냐입니다.
MIT의 헤이스택 관측소의 존 포스터(John Foster, associate director of MIT's Haystack Observatory)과 그의 동료들이 이끄는 연구팀은 나사의 밴 앨런 탐사선 데이터를 이용해서 이 과정을 추적했습니다. 밴 앨런 탐사선(Van Allen Probe)는 앞서 포스트에서 소개한 것 처럼 지구 주변의 자기장과 입자의 흐름을 관측하기 위해 발사한 인공 위성으로 A/B 두개의 위성이 한 시간 간격으로 지구 주변을 공전하고 있습니다. 그러므로써 지구 자기장의 변화를 실시간으로 측정하는 것이죠.
앞서 포스트에서 언급했듯이 밴 앨런 탐사선의 활약으로 지구 주변에 세번째 밴 앨런대가 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 다만 이 세 번째 밴 앨런대는 태양 활동이 강할 때 일시적으로 생기는 것 같습니다. 즉 지구 주변 자기장과 입자들의 흐름은 항상 동일한 것이 아니라 태양풍의 세기에 따라 매우 역동적으로 변한다는 것입니다.
2013년 10월 8일, 태양 표면에서 발생한 강력한 폭발의 결과로 그 충격파가 수성과 금성을 거쳐 지구에 도달했습니다. 밴 앨런 탐사선은 이 과정을 생생하게 기록했습니다. 연구팀은 이 자료를 바탕으로 지구의 자기 보호망이 어떻게 작동해 태양풍으로부터 지구를 보호하는지 알아냈습니다.
(지구 자기장의 변화. Earth's magnetosphere is depicted with the high-energy particles of the Van Allen radiation belts (shown in red) and various processes responsible for accelerating these particles to relativistic energies indicated. The effects of an interplanetary shock penetrate deep into this system, energizing electrons to ultra-relativistic energies in a matter of seconds.
Credit: Courtesy of NASA)
이 연구 결과에 의하면 태양에서 강력한 에너지 입자와 충격파가 도달하는 순간 불과 60초 안에 초상대성 전자(ultrarelativistic electrons, 지구 주변을 초속 1000km로 공전하는 고속 고에너지 전자) 생성되며 지구 자기장은 마치 망치로 맞은 듯이(sledgehammer blow) 출렁이게 된다고 합니다. (사진 참조)
그럼에도 불구하고 지구 자기장은 사라지는 대신 주변으로 입자를 가속시키면서 다시 본래의 모습을 찾게 됩니다. 다만 이 과정에서 3-4 MeV 까지 가속된 전자들은 지구 자기장에 갖혀 지구 주변을 고속으로 돌게 됩니다. 이런 입자들이 모여 밴 앨런대를 구성하는 것이죠.
연구팀은 이번에 목격된 태양풍과 충격파의 모습은 사실 결코 큰 태양 폭풍이 아니었다고 설명했습니다. 즉 훨씬 크고 격렬한 이벤트가 일어날 수 있다는 것이죠. 그러나 웬만큼 큰 태양 폭풍이라도 어느 정도는 충분히 막을 수 있도록 지구 자기장은 우리에게 보이지 않는 쉴드를 제공하고 있습니다.
물론 우리 인간을 위한 배려는 아니겠지만, 그럼에도 우리는 그 보이지 않는 자기장 쉴드의 보호아래 항상 있습니다. 우리가 공기에 대한 고마움을 평소 모르듯이 지구 자기장을 고맙게 생각하는 사람은 별로 없지만 이점은 명확한 사실이죠.
참고
Journal Reference:
- J. C. Foster, J. R. Wygant, M. K. Hudson, A. J. Boyd, D. N. Baker, P. J. Erickson, H. E. Spence. Shock-Induced Prompt Relativistic Electron Acceleration In the Inner Magnetosphere. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2015; DOI: 10.1002/2014JA020642
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