지구 자기장 — 나침반은 왜 북쪽을 가리킬까

나침반은 어디에 놓아도 바늘이 돌아 같은 쪽을 가리킵니다. 건전지도 없고 누가 건드린 것도 아닙니다. 바늘은 작은 자석이고, 자석을 돌려세우는 것은 다른 자석뿐입니다. 그 다른 자석이 발밑에 있습니다. 지구 자기장이 나침반을 돌립니다.

지구는 하나의 큰 자석입니다

지구 둘레의 자기장은 지구 중심에 막대자석 하나를 넣어 둔 것과 비슷한 모양입니다. 자기력선은 남반구에서 나와 지구를 크게 감싸고 북반구로 들어갑니다. 나침반 바늘은 그 자리의 자기력선과 나란히 섭니다.

여기서 하나를 짚어야 합니다. 자석의 N극은 다른 자석의 S극에 끌립니다. 나침반의 N극이 북쪽으로 끌려간다면, 북쪽에 있는 것은 S극입니다. 지구라는 자석은 북쪽에 S극, 남쪽에 N극을 두고 있습니다. 자기력선이 N극에서 나와 S극으로 들어간다는 약속과도 맞습니다.

자기장은 외핵에서 만들어집니다

지구 속에 진짜 막대자석이 들어 있는 것은 아닙니다. 자석은 뜨거워지면 자석의 성질을 잃는데, 지구 내부는 그보다 훨씬 뜨겁습니다.

자기장을 만드는 곳은 외핵입니다. 외핵은 철과 니켈이 녹아 있는 액체 상태의 층입니다. 이 액체 금속이 대류하고 지구 자전의 영향을 받아 돌면서 전류가 흐르고, 전류가 흐르면 그 둘레에 자기장이 생깁니다. 이것을 다이너모 이론이라고 합니다. 발전기처럼, 움직이는 도체가 자기장을 스스로 유지한다는 뜻입니다.

액체가 움직여 만드는 자기장이므로 고정되어 있지 않습니다. 자극의 위치는 조금씩 옮겨 가고, 긴 시간에 걸쳐서는 N극과 S극이 서로 뒤바뀌기도 합니다. 이 지자기 역전의 기록이 해저 암석에 줄무늬로 남아 있다는 것은 판 구조론의 역사에서 다루었습니다.

편각과 복각 — 바늘이 가리키는 방향

나침반이 가리키는 곳은 지도의 북극이 아닙니다. 자전축이 지표와 만나는 점이 지리상 북극이고, 나침반 바늘이 향하는 곳이 자북극입니다. 둘은 조금 떨어져 있습니다.

• 편각: 지리상 북극 방향(진북)과 나침반이 가리키는 방향(자북) 사이의 각. 관측하는 곳에 따라 다릅니다.
• 복각: 나침반 바늘이 수평면과 이루는 각. 자기력선이 지표를 비스듬히 뚫고 들어가기 때문에 생깁니다.

복각은 위도에 따라 달라집니다. 자기 적도에서는 자기력선이 지표와 나란하여 복각이 0° 이고, 고위도로 갈수록 커져 자북극에서는 90° 입니다. 북반구에서는 바늘의 N극이 아래로 기웁니다.

자기권은 태양풍을 막습니다

태양은 전기를 띤 입자를 끊임없이 내보냅니다. 이 흐름이 태양풍입니다. 전기를 띤 입자는 자기장을 가로질러 나아가지 못하고 휘어집니다. 그래서 태양풍은 대부분 지구 자기장에 막혀 옆으로 비켜 흐릅니다. 지구 자기장이 미치는 이 공간을 자기권이라고 합니다. 자기권은 태양풍에 밀려 태양 쪽은 눌리고 반대쪽은 꼬리처럼 길게 늘어집니다.

자기권에 붙잡힌 입자의 일부는 자기력선을 따라 극 쪽으로 내려와 대기와 부딪칩니다. 이때 대기가 내는 빛이 오로라입니다. 오로라가 고위도에서 주로 보이는 것은 자기력선이 그곳에서 지표로 들어가기 때문입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 지구 자기장의 원인. 외핵의 액체 철·니켈의 운동입니다. 내핵도 맨틀도 아닙니다.
• 지구 자석의 극. 북쪽에 S극 · 남쪽에 N극.
• 자기력선의 방향. 남반구에서 나와 북반구로 들어갑니다.
• 복각의 크기. 자기 적도에서 0° · 고위도로 갈수록 증가 · 자북극에서 90°.
• 편각. 진북과 자북 사이의 각. 지리상 북극과 자북극이 일치하지 않아 생깁니다.
• 자기권의 모양. 태양 쪽은 압축 · 반대쪽은 길게 늘어남.
• 자기권의 역할. 태양풍의 전기를 띤 입자를 막아 지표의 생명체를 보호합니다. 지구 시스템에서 외권에 속합니다.

자주 헷갈리는 것

• "북극에 N극이 있다" — S극이 있습니다. 나침반의 N극을 끌어당기는 쪽이니까요.
• "지구 속에 큰 자석 덩어리가 있다" — 없습니다. 막대자석은 자기장의 모양을 설명하는 비유이고, 실제 원인은 외핵의 액체 금속이 움직이며 흐르는 전류입니다.
• "나침반은 지도의 북극을 가리킨다" — 자북극을 가리킵니다. 그 차이가 편각입니다.
• "자기권은 태양 빛을 막는다" — 빛은 막지 못합니다. 자기장이 휘게 하는 것은 전기를 띤 입자입니다. 자외선을 흡수하는 것은 대기의 오존층입니다.

정리합니다. 지구는 북쪽에 S극을 둔 큰 자석이고, 그래서 나침반의 N극이 북쪽을 가리킵니다. 이 자기장은 외핵의 액체 철과 니켈이 움직이며 만들고, 바늘이 가리키는 방향은 편각과 복각으로 나타냅니다. 지구 자기장이 펼친 자기권은 태양풍을 막아 지표를 보호합니다.