플라스마권

플라스마권은 수 전자볼트의 에너지 대의 하전 입자들이 지구 자기권 내에 갇혀 지구와 함께 자전하는 영역이다. 이 영역에 있는 하전 입자들의 에너지는 밴앨런대와 환전류 영역에 있는 하전 입자들에 비해 에너지가 낮다. 하전 입자들은 평균 밀도가 세제곱 센티미터(@@NAMATH_INLINE@@cm^{3}@@NAMATH_INLINE@@) 당 >10⁴개에 이르며, 평균적으로 지구 표면에서 4-6 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 영역까지 도넛 형태로 지구 주변을 감싸며 분포하고 있다(그림1 참조). 플라스마권은 대부분 지구의 전리권에서 광전리에 의해 생성된 플라스마들이 자기권으로 방출되어 채워진 영역으로 이해할 수 있다.

그림 1. 플라스마권 3차원 구조(출처: )

목차

1963년 미국 스탠포드 대학의 카펜터(Don Carpenter) 박사는 지상에서 휘슬러(whistler) 파동의 발견으로 자기권 내 에너지가 낮고 고밀도인 플라스마 영역이 존재한다는 것을 처음으로 제안하였다. 휘슬러 파동의 생성 원인은 여러 가지가 있지만 대표적으로 지상에서 발생한 번개에 의해 발생할 수 있으며, 이렇게 발생한 파동은 지구의 이온권을 벗어나 지구 자기장을 따라서 전파한다. 기본적으로 휘슬러 파동은 플라스마 밀도에 주로 좌우하기 때문에, 휘슬러 파동의 급격한 변화 관측은 자기권 내 플라스마권의 존재를 의미한다. 또한 같은 해 구소련의 Luna 2 위성의 현장 관측으로 플라스마권의 존재를 확인하였으며, 2000년 3월에는 플라스마권의 3차원적인 구조를 파악하기 위해 미국 NASA의 IMAGE(Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration) 위성이 발사되었다.

플라스마권 내의 하전입자 밀도는 그림 2와 같이 변화한다. 평균적으로 4-6 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 지점에서 플라스마 밀도가 급격히 감소함을 보이는데, 이 지점을 플라스마권계면(plasmapause)이라 정의한다. 플라스마권계면의 변화로 플라스마권의 크기를 가늠할 수 있다. 태양 활동이 활발할 시에는 플라스마권계면은 지구쪽으로의 이동과 함께 플라스마권의 전체적인 크기가 줄어드는 반면, 태양 활동이 약할 경우는 그 크기가 확장된다. 플라스마권은 자기권 적도면 상에서 평균적으로 대칭인 원의 형태에 서쪽지역이 약간 돌출된 구조(bulge)를 가진다. 태양 활동이 강할 경우 이러한 돌출부가 더 뚜렷하게 길게 늘어지며, 이 영역을 대칭적인 플라스마권의 영역과 구분하기 위해 플룸(plume)이라 정의한다. 이 영역은 자기권계면과 연결되어 나타나기도 한다.

그림 2.(위) Dst 지수로 표현한 지자기 교란 기간 동안(아래) 플라스마권 내 밀도의 변화(출처: )

지구 자기권 내 하전입자는 전자기장의 영향을 동시에 받으며 운동한다. 하지만 그 기여도는 에너지에 따라 다르다. 플라스마권 입자의 경우 다른 지역, 즉, 밴앨런대와 환전류의 입자들에 비해 에너지가 상대적으로 낮기 때문에, 전기장에 의한 기여도가 상대적으로 큰 편이다. 자기권 내 전기장에 대한 이해는 다소 복잡하지만, 대표적인 전기장으로는 자기 적도면 상에서 동쪽에서 서쪽으로 자기권을 관통하는 대류(convection) 전기장(그림 3 위 왼쪽)과 지구를 향하며 지구 자전에 의해 생성된 동주기 회전(corotation) 전기장(그림 3 위 오른쪽)이 있다. 플라스마권은 동주기 회전 전기장의 영향이 크며, 지구 자기장이 하전 입자에 동시에 작용하여, 전자기장에 모두 수직인 방향인 반시계 방향으로 플라스마권 내 하전입자들이 표류운동(이를 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동이라 한다)를 한다(그림 3 아래).

그림 3. 플라스마권 내 전기장 구조(화살표)와 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동방향(실선)(위 왼쪽) 대류 전기장에 의한 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동(위 오른쪽) 동주기 회전 전기장에 의한 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동(아래) 두 전기장이 결합된 전기장에 의한 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동(출처: Lyons and Williams, 1984)