지구 자기장
지구는 마치 하나의 커다란 자석처럼 자기장이 형성되어 있으며 지구상에 존재하는 자성물질은 지구 자기장의 영향을 받게 됩니다. 지구 자기장을 이용해 나침반이 발명되어 사용되고 있습니다.
지구자기장은 어떤 요소로 구성되어 있으며 지구자기장이 지구물리탐사와 대륙 이동, 해저 확장 등에 어떻게 이용되고 있는지 알아보겠습니다.
지구 내부 자기장의 약 90%는 지구의 회전축으로부터 11.5° 기울어진 자기쌍극자로 설명될 수 있습니다. 자기장은 크기와 방향을 가지는 벡터로 구성되어 있으며 나침반의 바늘이 바로 지구 자기장의 방향을 가리키고 있습니다.
복각(i)은 나침반의 바늘이 수평면과 이루는 각으로 나침반 바늘이 자북에서는 지면을 향하고(+90°), 자남에서는 위 방향을 향하여(-90°) 각기 수직임을 나타냅니다. 자기적도에서는 나침반의 바늘이 지면에 수평으로 복각이 0°입니다.
나침반의 바늘과 지리적 북극(진북) 사이의 각이 편각(δ)입니다. 자북은 대체로 미국의 중앙과 지리적인 북극을 연결하는 선상에 놓여 있으므로 이 선상에서만 나침반의 바늘이 진북을 향합니다.
수직 방향에서 약간의 차이를 보이는 중력과 달리 지구자기장의 경우는 방향에 대한 정보가 매우 중요합니다. 전체 자기장 벡터의 크기(F)는 다음과 같으며 아래 그림처럼 표현됩니다.
F=√ F^2H+F^2v= √ F^2N+F^2E+F^2v
(FH : 전체 자기장 벡터의 수평 성분 크기, FN : 수평 벡터의 북쪽 성분 크기, FE : 수평 벡터의 동쪽 성분 크기, FV : 전체 자기장 벡터의 수직 성분 크기)
복각(i)과 편각(δ)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
i=tan^-1(Fv/FH)
δ=tan^-1(FE/FN)
또한 자기능률이 M인 쌍극자가 지구 중심 자전축 상에 놓여있을 때, 위도가 z인 지표상의 한 점 S에 자기장
의 수평 성분 FH, 연직 성분 FV, 전체 자기장 벡터의 강도(F)는 다음과 같이 표현됩니다.
FH=M*cos Φ/R^2
Fv=2*M*cos Φ/R^3
F=M*(√1+3*sin^2Φ)/R^3
(M: 자기모멘트, R : 지구 반경, M/R 3: 자기 적도에서 전체 자기장 강도, Φ=90°-θ : 자기위도)
전체 자기장의 강도를 표현하는 식에 의하면 자기장은 1/R^2로 감소되는 중력장과는 달리 1/R^3의 비율로 강도가 감소됩니다. 또한 전체 자기장의 강도는 자기 적도(Φ=0)에서 M/R^3 값이 30,000nT 정도 되며 자극(Φ=90)에서는 약 60,000nT로 자기 적도의 두 배 정도 됩니다.
1전자 단위의 자극에 작용하는 힘이 1 다인(dyne)인 자기장의 세기를 1 엘스텟(oerst) 혹은 1 가우스(Gauss)라고 합니다. 가우스는 너무 큰 단위이기 때문에 약한 자기장을 나타낼 때는 감마(γ)라는 단위를 사용합니다.
1 가우스는 10^5*γ입니다. 국제단위계에서는 자속밀도의 단위인 Wb/m^2를 자기장의 단위로 사용하며 테슬라(Tesla)라고 부르기도 합니다.
1 Gauss=10^5*γ=10^-4*T, 1*γ=10^-9*T=1*n*T(나노 테슬라)
편각을 측정하는 고전적인 방법은 막대자석을 매달아 자침이 향하는 방향을 천체 관측에서 정해지는 진북과 비교하여 편각을 측정합니다. 복각은 고전적으로 복각계를 이용하여 측정합니다.
지구 자기장은 쌍극자만에 의한 것이 아니므로 실제 북자극과 남자극을 연결하는 직선은 지구 중심을 통과하지 않습니다. 지구 중심에 있다고 가상되는 쌍극자는 실제로는 지구 외핵에 흐르는 전류에 의해 만들어집니다.