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- 현재 지구 자기장에는 거대한 약대(弱帶)가 존재한다.
- 남대서양 약대(SAA:South Atlantic Anomaly)는 남미에서 남아프리카공화국까지 뻗어 있다
- 2014년 이후 이 자기장 이상 현상은 그린란드 면적의 세 배로 커졌다, 역전 위험은 없어
- 현재의 이상 현상이 수십 년 또는 수 세기 동안 지속될 수 있는 주기적인 자기장 변동의 일부라고 추정

미스터리한 이상 현상: 지구 자기장의 약한 지대가 확장되고 있다.
남대서양의 이상 현상, 커지고 깊어지다 - 왜 그럴까?

최근 분석 결과에서 알 수 있듯이 남대서양의 광대한 지구 자기장 약화대(Weak magnetic field region)가 계속해서 확장되고 깊어지고 있다. 2014년 이후 이 자기장 이상 현상은 그린란드 면적의 세 배로 커졌다. 게다가 이 약화대 내에서 이전에는 분리돼 있던 두 개의 최소 자기장이 합쳐졌다. 또 다른 이상한 점은 캐나다와 시베리아에 있는 두 개의 지구 자기장 이상 현상이 반대 방향으로 발전하고 있다는 것이다. 지구 자기장은 어떻게 된 걸까? 

▲ 지구 자기장의 거대한 약화대가 남대서양에 존재한다. 최근 분석 결과 이러한 이상 현상이 확대되고 심화되었음을 보여다. © Finlay et al./ Physics of the Earth and Planetary Interiors, CC-by 4.0

지구 자기장은 태양 폭풍과 강한 복사열로부터 우리를 보호하는 가장 중요한 방어막이다. 하지만 이 자기장은 불변하지 않는다. 지구 역사를 통틀어 지구 자기장은 약화와 역전이라는 혼란스러운 시기를 반복적으로 겪어 왔으며, 때로는 기후와 생명체에 극적인 결과를 초래하기도 했다. 그러나 이러한 변화를 촉발하는 요인과 지구 핵의 지구 자기장에 영향을 미치는 요인은 아직 밝혀지지 않았다.

또 다른 문제는 예측이다. 과거의 자기 역전은 종종 지구 자기장의 약화와 엄청난 이상 현상의 출현으로 예고되었다. 그러나 이러한 이상 현상 이후 항상 자기 역전이 발생한 것은 아니다.

지구 자기장의 북쪽 두 자기장 세기대의 변화. 캐나다의 이상 현상은 이제 거의 눈에 띄지 않는다. (출처:Core field changes from eleven years of Swarm satellite observations / Physics of the Earth and Planetary Interiors / Novemebr 2025)

남대서양 약대, 궤도까지 확장

현재 지구 자기장에는 거대한 약대(弱帶)가 존재한다. 이 남대서양 약대(SAA:South Atlantic Anomaly)는 남미에서 남아프리카공화국까지 뻗어 있다. 이 약대 내에서는 자기장 강도가 2만6천 나노테슬라(nT) 아래로 떨어진다. 참고로, 우리 위도에서 지구 자기장은 거의 4만nT에 달한다. 따라서 남대서양 약대 이상은 지구 자기장의 보호 효과를 제한할 만큼 중요하다.

"남대서양 약대(SAA)는 이제 저궤도 위성이 노출되는 방사선량을 결정하는 주요 요인으로 간주된다"고 덴마크 공과대학교의 크리스 핀레이(C.C. Finlay)와 그의 동료들은 설명했다. 위성이나 국제 우주 정거장(ISS)이 남대서양 상공을 비행할 때, 이 약화된 영역에서 특히 많은 양의 고에너지 대전 입자에 노출된다. 핀레이는 "극단적인 경우 전자 장치에 문제가 발생할 수 있다"고 설명했다.

▲ 지구의 고체 내핵과 액체 외핵의 상호작용은 지구 자기장을 생성한다. © Alfred Wilson

남대서양 자기장 이상 현상 계속 증가

핀레이와 그의 연구팀은 최근 몇 년 동안 이러한 자기장 이상 현상과 다른 자기장 이상 현상이 어떻게 변화했는지 조사했다. 이를 위해 2014년에 발사된 스웜 위성(Swarm Satellites)의 데이터를 분석했다. 이 위성은 지구 자기장을 측정하고 모니터링하기 위해 여러 장비를 사용하는 세 개의 궤도 탐사선이다. 연구팀은 "이 고유한 지구 자기장 데이터 세트를 통해 스웜 임무 발사 이후 지구 자기장이 어떻게 발전했는지 자세히 분석할 수 있다"고 설명했다.

연구진은 그 결과, "가장 두드러진 변화는 아프리카 남서쪽 자기장이 더욱 약화된 것이다"고 보고했다. "남대서양 자기장 약화 영역의 최소 강도는 336나노테슬라 감소한 2만2094나노테슬라를 기록했다." 이와 동시에, 이 이상 현상은 지난 11년 동안 그린란드의 세 배에 달하는 면적으로 상당히 확대되었다.

둘이 하나가 되다

그리고 또 다른 변화가 있었다. 2020년 초, 스웜 위성이 남대서양 이상 현상에서 두 번째 극소대 발생을 감지했다. 이 두 번째의 작은 약대 자기장은 아프리카 남단 근처에 위치했다. 핀레이와 그의 팀은 "현재 우리의 지도 제작에 따르면 이 두 번째 극소대 지대가 성장해 남아메리카 근처의 주요 저기압과 합쳐졌다"고 보고했다. "동시에 주요 극소대 지대 또한 계속해서 확대되었다.“

이러한 합병은 두 번째 극소대가 남대서양 이상 현상의 붕괴를 시사할 것이라는 초기 가정을 반박한다. 오히려, 현재로서는 이 이상 현상의 끝이 보이지 않는다. 그러나 무엇이 이 이상 현상을 일으키는지는 여전히 미스터리로 남아 있다. 분명한 것은 그 원인이 우리 발아래 약 2,900km, 지구 핵에 있다는 것이다. 그곳에서 외핵의 액체 철은 고체 내핵 주위를 흐르면서 지구 자기장을 구성하는 전자기장을 생성한다.

"지구 표면에서 관측되는 지구 자기장의 변화는 핵-맨틀 경계의 자기장 변화 때문일 것이다.고 연구진은 설명한다. 그들은 모델을 사용해 이러한 자기장과 외핵의 해류가 이동했음을 확인했다. 예를 들어, 역류 방향의 지층이 남아프리카 공화국 아래에서 서쪽으로 이동했고, 또 다른 지층이 남아메리카에서 동쪽으로 이동했다. 그러나 이러한 현상이 발생하는 이유는 아직 불분명하다. 

▲ 지구 핵-맨틀 경계에서 지구 자기장의 방사 방향 성분의 2차 시간 미분(또는 세속 가속도)의 시간 평균으로, 2011년부터 2025년까지 평균화했다. 단위는 nT/yr−2다. 군집 기반 핵 자기장 추정치에서 구면 조화차수 9까지다. © Finlay et al./ Physics of the Earth and Planetary Interiors, CC-by 4.0

극북 지역에서도 이상 현상 발생

하지만 남대서양만이 지구 자기장 이상 현상을 보이는 유일한 지역은 아니다. 북반구에는 자기장 강도가 정상보다 높은 두 지역이 있다. 하나는 캐나다 북부에 위치하고 다른 하나는 시베리아에 위치한다. 2020년 초, 스웜(Swarm) 데이터는 캐나다 자기장 강도대가 감소하는 반면 시베리아 자기장 강도대는 증가하고 있음을 보여주었다. 이러한 추세는 지속돼고 더욱 심화됐다.

핀레이(Finlay)와 그의 팀은 "캐나다 자기장 강도대의 비교적 빠른 감소는 놀랍다"고 보고했다. 이처럼 큰 변화는 예상되지 않았다. 이러한 감소는 20년 전에 느리게 시작되었지만, 이제는 눈에 띄게 가속화되었다. 분석에 따르면 2014년 이후 이러한 이상 현상은 그린란드 면적의 1.5배로 줄어들었고, 동시에 801나노테슬라만큼 약화되었다.

동시에 시베리아의 자기장 강도대는 그린란드 면적과 거의 같은 수준으로 계속 증가했다. 연구진은 2014년 이후 지구의 자기장 세기가 260나노테슬라 증가했다고 보고했다. 이러한 현상의 원인 또한 아직 불분명하다.

역전의 징후는 없어

그러나 핀레이와 그의 연구팀은 이러한 새로운 결과에 우려할 만한 근거는 없다고 생각한다. 이러한 이상 현상에도 불구하고 지구 자기장의 임박한 역전 징후는 없다. 핀레이는 "고지자기 연구를 통해 지구 자기장이 과거에 종종 약화되었다는 것을 알고 있다. 남대서양 이상과 같은 약한 지대는 극 역전이 발생하지 않은 채 존재하기도 했다"고 말했다. 대신, 연구진은 현재의 이상 현상이 수십 년 또는 수 세기 동안 지속될 수 있는 주기적인 자기장 변동의 일부라고 추정한다.

참고: Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2025; doi: 10.1016/j.pepi.2025.107447
출처: Physics of the Earth and Planetary Interiors

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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