자기권

지구 자기권은 지구 쌍극자 자기장의 영향을 받으며 다양한 에너지의 대전 입자들이 갇혀 있는 영역이다. 자기권의 크기는 태양 활동의 정도에 따라 수시로 변하는데, 자기권 최외곽 경계층인 자기권계면의 위치로 가늠할 수 있다. 평균적으로 자기권계면의 태양 직하점은 10 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 지점에 위치하며, 태양 활동이 활발할 때 자기권계면이 이보다 더 안쪽으로, 심지어 정지궤도 영역 이내까지 이동함과 동시에 자기권의 전체적인 크기도 축소된다(그림 1 참조). 자기권은 자기권 내부로의 태양풍의 유입을 차단하여 인공위성 뿐만 아니라 생명체도 보호하는 중요한 역할을 한다.

그림 1. 태양 활동에 따른 지구 자기권 변화(출처: )

목차

지구 자기장은 기본적으로 쌍극자 형태이지만, 태양풍과의 상호작용에 의해 그 모양이 변한다. 태양풍 및 행성간자기장의 영향으로 낮쪽(dayside) 자기장은 압축된 형태, 밤쪽(nightside) 자기장은 길게 늘어진 형태를 나타낸다. 자기권의 최외곽 경계층인 자기권계면의 위치 변화로 자기권의 크기를 가늠할 수 있는데, 낮 쪽 자기권계면의 태양 직하점은 평균적으로 10 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 지점에 위치하며, 밤 쪽 자기권계면은 수십 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 지점에 위치한다. 자기권 내 주요 지역의 특징은 다음과 같다(그림 2 참조).

그림 2. 지구 자기권 3차원 구조(출처: 김경찬)

- 자기권계면(magnetopause): 자기권 최외곽 경계층으로 이 경계의 내부 영역을 자기권이라 정의한다. 낮 쪽 자기권계면에서 행성간자기장과 지구 쌍극자 자기장과의 자기재연결이 자주 발생한다.

- 자기권외피층(magnetosheath): 자기권계면과 뱃머리충격파(bow shock) 사이 공간으로, 태양풍은 뱃머리충격파를 지나 성질이 급격히 변하고, 속도가 감소한 태양풍 입자들이 갇혀 온도와 밀도가 증가한 영역이다.

- 커스프(cusp): 극 지역에 자기장이 열린 영역으로 자기권외피층에 존재하는 입자들이 쉽게 전리권으로 유입할 수 있다.

- 자기권꼬리(magnetotail): 태양 반대편 야간 지역으로 자기장이 길게 늘어진 꼬리 형태를 보이는 영역이다.

- 플라스마판(plasma sheet): 자기권꼬리의 적도지역에 자기장이 얇은 판 형태로 길게 늘어선 영역으로, 플라스마판을 중심으로 위아래 지역에 서로 반대 방향의 약한 자기장이 존재하며, 수-수십 킬로전자볼트의 에너지에 해당하는 하전입자들이 갇혀 있다.

쌍극자 자기장에 묶인 대전 입자들은 기본적으로 세가지 유형의 운동을 경험한다. 첫째, 자기력선 주변을 회전하는 자이로 운동(gyromotion)(그림 3), 둘째, 자기력선을 따라 남북 방향의 왕복운동(bounce motion)(그림 4), 셋째, 자기력선을 가로질러 지구 주변을 도는 표류(drift)운동을 한다(그림 5). 표류운동에서는 쌍극자 자기장 구조에 의한, 즉, 지구 방향으로의 자기장 세기 증가에 의한 자력경도(B-gradient) 표류운동과 자기력선이 휘어진 곡률에 의한 곡률(curvature) 표류운동이 있다. 또한, 전기장에 의한 효과에 의해 전기장과 자기장 모두에 수직인 방향으로 이동하는 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동이 존재한다(그림 6). 자기권에 갇힌 대전 입자들은 위의 모든 운동을 경험하지만 입자의 에너지에 따라 정도의 차이를 보인다. 예를 들어, 밴앨런대와 환전류에 속한 입자의 경우 상대적으로 높은 에너지 때문에, 자기장에 의한 자력경도/곡률 표류운동 속도가 전기장에 의한 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동에 비해 훨씬 큰 반면, 에너지가 상대적으로 낮은 입자들이 분포하는 플라스마권 내 혹은 자기권꼬리에 존재하는 입자의 경우는 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동의 속도가 월등히 크다. 자기권꼬리에 존재하는 입자의 경우 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류운동에 의해 자기권 내부로 유입될 수 있다. 위에서 언급한 각 운동들의 시간 규모는 현저히 차이가 나며, 이는 입자의 종류, 위치 및 에너지에 따라 다르며, 대표 값에 대한 운동주기는 표1과 같다.

그림 3. 자기력선 주변 자이로운동(출처: )

그림 4. 자기력선을 따라 남북방향 왕복운동(출처: )

그림 5. 지구 주변 표류운동(출처: )

그림 6. 자기 북극에서 내려다 본 적도면 상에서 전자기장에 의한 @@NAMATH_INLINE@@E × B@@NAMATH_INLINE@@ 표류 운동(출처: 김경찬/이지원/한국천문학회)

지구 자기권은 위에서 언급한 자기장의 구조뿐만 아니라 에너지에 따른 대전 입자의 분포에 의해서도 그 영역을 분류하기도 하다. 2-7 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 영역에 메가전자볼트의 에너지에 해당하는 입자들이 갇혀있는 밴앨런대, 3-8 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 영역에 킬로전자볼트의 에너지에 해당하는 입자들이 갇혀있는 환전류, 이온권으로부터 4 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 이내 영역에 존재하는 전자볼트의 에너지에 해당하는 입자들이 존재하는 플라스마권으로 나눌 수 있다. 이들 세 지역은 서로 영역이 겹쳐 분포한다(그림 7 참조).

그림 7. 대전 입자의 에너지에 따른 자기권 내 영역 구분(출처: 김경찬/이지원/한국천문학회)

지구 자기장의 변형된 형태는 자기권 내에 존재하는 다양한 전류계에 의해 유도된 자기장과 지구의 쌍극자 자기장과의 결합에 의한 것으로 해석이 가능하다. 자기권의 전류계(그림 8)는 다소 복잡하며, 주요한 전류계만 소개를 하면, 자기권계면을 따라 흐르는 자기권계면 전류(발견자의 이름을 따서 채프만-페라로(Chapman-Ferraro) 전류라고도 한다), 야간 지역에는 자기권꼬리를 동서 방향으로 가로지르는 자기권꼬리 전류, 3-6 @@NAMATH_INLINE@@R_{E}@@NAMATH_INLINE@@ 영역 내에 도넛 형태로 흐르는 환전류, 자기권과 이온권을 연결하는 자기력선을 따라 흐르는 연자기력선(field-aligned) 전류가 존재한다. 그림 9은 자기권계면 전류 혹은 자기권꼬리 전류와 지구 쌍극자 자기장과의 결합을 보여준다. 주로 이들 전류계의 영향으로 낮 지역은 압축되고 밤 지역은 길게 늘어진 형태의 자기장이 형성된다. 전류계의 강도와 발생 여부는 태양 활동에 따라 달라진다.

그림 8. 지구 자기권 내 전류계의 3차원 분포(출처: 한국천문학회)

그림 9. 자기권계면 전류(위) 혹은 자기권 꼬리 전류(아래)와 쌍극자 자기장과의 결합 효과(출처: 김경찬)