지구는 거대한 발전기

지구 내부의 구조와 자기장
지구 자기장은 어떻게 생겨난 것일까? 북극부터 남극까지 관통하는 거대한 막대자석이 심겨져 있을까? 지구의 해부도를 들여다보면 아쉽게도 막대자석 같은 구조는 보이지 않는다. 내부는 그저 삶은 계란처럼 생겼을 뿐이다.

삶은 계란의 겉에는 딱딱한 껍질이 있고, 안쪽에는 흰자, 중심에는 핵인 노른자가 들어 있듯이, 지구는 지각, 맨틀, 핵으로 되어있다. 그렇다면 지구의 자기장은 어디서 발생되는 것일까? 과학자들은 지구의 핵이 자기장을 만들어낸다고 말한다.

지구, 태양, 은하에 존재하는 자기장을 설명하는 방법으로 가장 널리 받아들여지는 이론은 ‘다이나모 이론’이다. ‘다이나모 이론’이라는 말이 무척 생소하게 느껴지겠지만, 우리말로 해석하자면 ‘발전기 이론’ 정도가 된다. 과학자들에게 태양의 다이나모에 대해서는 그래도 많이 알려져 있다.

태양 망원경을 통해 내부를 쉽게 살펴볼 수 있고, 지만효과라는 양자역학적 현상을 이용하면 태양 광선을 분석함으로 자기장의 세기를 측정할 수 있기 때문이다. 그런데 오히려 지구의 다이나모에 대해서는 아직 주요한 수수께끼가 많이 남아있다. 고체인 지구는 내부를 측정하기 어렵고, 다이나모 현상의 주기가 길어 연구가 어렵기 때문이다.

다이나모 이론
자석은 두 가지 종류가 있다. 영구자석과 전자석이다. 그렇다면 지구자석은 어떤 종류의 자석일까? 아마 많은 사람들이 영구자석 쪽에 표를 던질 것이다. 지구 자기장은 항상 변함없이(사실 그렇지는 않다) 동서남북 방위를 알려주기 때문이다. 하지만 놀랍게도 지구자석은 전자석에 가깝다! 전자석은 전기가 흐르면 자석이 되고, 전기가 흐르지 않으면 자성이 사라지는데, 지구가 전자석이려면 지구는 자기장을 유지하기 위해 끊임없이 땅 속 깊은 곳에서 전기를 생산해고 있어야만 한다. 다이나모 이론, 즉 발전기 이론이 필요한 이유는 여기에 있다. 다이나모 이론은 깊고 깊은 지구의 중심에서 전기가 어떻게 만들어지는지, 만들어진 전류에 의해 자기장이 어떻게 생성되는지 알려준다.

지구 내부에서 전기가 만들어질 만한 곳은 어디일까? 일단 전류가 흐를 수 있어야 할 것이다. 지구 내부에서 전류가 흐를 수 있는 곳은 금속성 물질로 이루어진 핵이다. 핵은 액체 상태의 외핵과 고체상태의 내핵으로 되어 있는데, 그 중 제철소의 쇳물같이 액체 상태의 금속으로 되어 있는 외핵에서 다이나모 과정이 일어난다. 하지만 액체 상태의 핵만 있다고 다이나모 과정이 일어나는 것은 아니다. 다이나모 과정이 일어나기 위해서는 외핵의 액체 금속에 충분한 대류가 일어나야 하고, 지구의 자전이 충분히 빨라야 한다.

에너지 관점에서 보면 다음과 같다. 먼저 지하 깊은 곳에 있는 토륨과 같은 방사성 원소들이 붕괴하면서 열이 발생된다. 이 열에너지는 외핵을 대류하게 만들고, 외핵이 대류하는 운동에너지가 다이나모 과정을 통해 전기에너지로 전환되면서 전류와 자기장을 만든다.

이 과정은 발전소의 전기 생산 과정과 비슷하다. 발전소에서는 연료가 연소되면서 발생된 열에너지가 물을 끓이고, 물의 운동이 터빈을 돌려 운동에너지가 전기에너지로 전환되는 과정을 거치는데, 지구 중심부의 외핵에서 일어나는 다이나모 과정도 이와 비슷하게 열에너지, 운동에너지, 전기에너지 순서로 에너지 변환 과정을 거친다.

그러나 모든 행성에서 이러한 다이나모 과정이 일어나 강한 자기장이 형성되는 것은 아니다. 다이나모 과정이 일어나려면 여러 조건이 필요한데, 다행히도 지구는 이 조건들을 모두 만족하고 있어 아름다운 생명의 터전이 될 수 있었다. 다이나모 과정에 필요한 조건은 크게 외핵의 대류와 적당한 속도의 자전인데, 이웃 행성인 금성, 화성과 비교해보면 지구에 일어나는 다이나모 과정이 쉽지만은 않은 일이라는 것을 알 수 있다.