지구 진북과 자북의 변화

글 교무부

  미항공우주국 NASA의 제트추진연구소 지구물리학 과학자 리처드 그로스(Richard Gross)는 “올해 2월 27일 발생한 칠레 지진으로 지구 자전축이 8cm 이동하고 그 결과 하루의 길이는 1.26마이크로초 줄었다.”고 밝혔다. 1마이크로초는 백만분의 1초에 해당한다.

  23.5° 기운 지구의 자전축은 늘 미세하게 변했다가 복원한다. 이런 복원력은 팽이의 원리와 비슷하다. 이희일(한국지질자원 연구원)박사는 “회전하는 팽이에 약간의 힘을 가하면 팽이는 휘청이지만 계속 회전한다면 안정된 축을 다시 찾아간다.”며 “마찬가지로 강진이 지구 축에 영향을 끼칠 수 있지만 복원력도 역시 존재한다.”고 말한다. 지구의 거대 질량(약 6×10²⁴㎏) 덕분에 이런 복원력은 더욱 크다. 게다가 지구 자전축은 지구 혼자서 결정하는 게 아니다. 자전축은 태양과 다른 행성들의 태양계 안에서 균형을 이루기 때문에 지구 내부에서 충격이 발생한다 해도 매우 큰 변동이 아니라면 곧 본래의 축으로 복원하게 된다는 것이다. 도성재 교수(고려대 지구환경과학과)는 “지구 축은 늘 변화해 왔는데 학계에서는 4만년과 2만 5천 년의 주기로 변한다고 한다. 자전축의 변화는 지구 시스템에 엄청난 영향을 끼치지만 이는 수만 년 주기로 일어나는 변화이다.”라고 말했다.

  지구의 기후변화와 극이동의 상관관계를 설명하는 데 있어 현대과학자들에게 가장 많이 이용되는 이론은 밀란코비치(Milutin Milankovitch, 1879~1958) 이론이다. 밀란코비치 이론은 지구 기후변화의 장기적 사이클을 설명하는데 사용되는 이론으로서, 당초 1840년대 에드헤마르(Joseph Adhemar)와 1860년대 크롤(James Croll)이 제시한 개념을 밀란코비치가 수정 보완하여 1924년에 세상에 발표하였다. 이 이론의 골자는, 즉 지구 기후변화의 주요인은 지구에 복사되는 태양 일사량(日射量, insolation)때문이라는 것이다.

밀란코비치 이론

  밀란코비치는 지구에 대한 태양에너지량(일사량)은 황도면(지구공전궤도면)에 대한 지구 자전축 경사의 변동(obliquity), 지축의 세차운동(precession), 지구 공전궤도의 변화(eccentricity)라는 세 가지 요인에 따라 변하는 것으로 보았다.

  첫째, 밀란코비치는 황도면의 수직에 대한 지구 자전축 경사가 일정한 것이 아니라 21.5°와 24.5°의 사이에서 약 41,000년의 주기로 변한다는 것을 발견했다. 현재는 23.5° 기울어져 있다. 이 지축의 경사 정도가 계절변화의 주원인이다. 경사가 심할수록 계절의 온도 차이가 심해지고, 경사가 적을수록 계절 간 온도차가 적어진다고 한다. 즉 지축이 수직에 가까울수록 여름은 시원해지고 겨울은 따뜻해진다는 것이다.

  둘째, 지축은 공간에서 항상 같은 방향을 가리키고 있지 않다. 지축은 우주공간에 고정되어 있지 않으며, 지구가 태양주위를 공전할 때 팽이가 쓰러질 때 좌우로 비틀대듯이 비틀거리며 천천히 원운동을 한다. 이 지축의 흔들거림을 세차운동이라 한다. 이 세차운동은 달과 태양, 그리고 다른 행성들의 지구에 대한 중력 작용 때문에 일어난다. 밀란코비치는 세차운동의 주기를 약 22,000년으로 보았다. 당초 에드헤마르는 세차주기를 26,000년으로 계산했고, 현대과학에서도 26,000년으로 보고 있다. 지금 지축은 북극성을 가리키고 있으나, 12,000년이 지나면 직녀성이 북극의 별이 된다. 그 후 26,000년이 지나면 지축은 다시 현재의 북극성을 가리킨다. 이 세차운동으로 인해 지구의 춘분점이 매년 약 1/72도씩 움직여, 약 26,000년을 주기로 황도 12궁을 일주하는 것이다.

  셋째, 이심률(eccentricity)의 변화 즉 지구공전궤도의 변화에 대한 문제이다. 지구의 공전궤도는 타원형에서 거의 원으로 변한다. 공전궤도 변화는 근일점과 원일점의 변화를 일으키므로, 이 역시 지구에 입사되는 태양에너지량의 변화를 가져온다. 공전궤도가 원형에 가까우면, 지구와 태양간 거리가 거의 일정하게 되어 지구의 기후는 일 년 내내 같은 온도를 유지하게 된다. 밀란코비치는 이러한 공전궤도 변화의 주기가 몇 년 인지는 알지 못했다. 후에 밀란코비치 이론을 연구하는 다른 학자들에 의해 지구의 공전 궤도가 약 10만 년을 주기로 원에 가까운 모양에서 납작한 타원으로 변한다는 것이 밝혀졌다.

  밀란코비치는 상기 3개 궤도의 변화가 결합하거나 동시에 일어날 때, 지구기후의 대변화(특히 빙하기)가 야기된다고 가정했다. 밀란코비치 이론은 41,000년, 22,000년 그리고 공전궤도 변화주기가 빙하기의 도래와 퇴각을 가져온다고 설명하며, 남북극의 얼음층은 남북 고위도에 대한 태양일사량의 복사량의 크기에 따라 증감한다고 결론짓는다.

  밀란코비치는 고위도지방은 41,000년의 지축경사 변화주기에 의해 큰 영향을 받고, 저위도지방은 22,000년 세차운동 변화주기에 의해 큰 영향을 받는다고 한다. 부연하면, 41,000년 지축 경사 주기의 영향은 극에 가까운 지역에 크고 적도에 가까운 지역은 적다. 한편 22,000년 세차주기의 영향은 극지방에서는 적고 적도지방이 크다. 결론적으로, 태양일사량은 황도면에 대한 지축경사의 변동(obliquity)과 지축의 세차운동(precession)에 의해 주로 좌우된다.

  밀란코비치 이론은 지구의 장기적 기후변화와 지구궤도 간의 상관관계를 밝히는데 큰 기여를 했지만 또한 몇몇 문제점도 안고 있다. 그것은 지구의 기후변화 요인이 단지 지구에 유입되는 태양의 입사에너지 요인뿐인가 하는 데 대한 의문이다. 이 이론은 태양으로부터 방사되는 태양의 열량이 일정하다는 것을 전제하고 있다. 또한 지축의 경사를 변화시키는 주요인으로 태양계 내의 행성 중 질량이 가장 큰 행성인 목성의 영향을 꼽고 있다. 하지만 지구 자전축의 변화의 원인에 대해서는 아직 명확한 연구가 이루어지지 않았다.

지구 자북과 자기장의 변화

  나침반의 자침을 돌게 하면 결국 멈춰서 남북 방향을 가리킨다. 이때 나침반의 N극은 실제 북극을 가리키지 않는다. 자침의 N극이 진북 방향(지구 자전축의 방향)과 이루는 각을 편각이라고 한다. 자북극과 자남극을 연결한 선은 지구 자전축에 대해 약 11.5° 기울어져 있으므로 편각은 장소에 따라 다르다.

  과학자들은 지구 전체가 거대한 자석이며 지구 주변에는 밴 앨런대(Van Allen belt)라는 자기권이 형성되어 있다는 것을 알아냈다. 이 지구 자기장은 우주 공간의 궂은 환경으로부터 지구를 보호해 준다. 폭발한 별이나 붕괴된 블랙홀에서 오는 유해전파를 차단해 주며, 자외선과 방사선, 전자와 양성자를 포함한 태양풍으로부터 지구를 지켜주는 역할을 한다. 그 외에도 완전히 밝혀지지 않은 잠재적 기능들이 지구 생태계의 안전을 보장해 주고 있다.

  과학자들은 지구의 자성이 지구 역사에서 계속 변해왔음을 알게 되었다. 과거의 지구자기의 역사를 연구하기 위해서는 암석이 지닌 자기적 성질을 이용한다. 예를 들면, 마그마가 냉각되어 암석으로 굳어질 때 암석 속에 포함된 자철석과 같은 자성을 띠는 광물들은 그 당시의 지구 자기장 방향으로 자화(磁化)되어 남아 있기 때문이다. 맨틀로부터 상승하는 마그마가 중앙 해령의 확장축을 따라 분출하면서 냉각되어 새로운 해양 지각을 만들고 해양은 점점 더 넓어진다. 놀라운 것은 굳은 마그마의 자성의 방향이 북극을 가리키는 정상과 남극을 가리키는 역전을 되풀이 하였다는 것이다. 78만 년 전 분출된 하와이의 용암은 북쪽에서 나와서 남쪽으로 향하는 자기장속에서 굳은 것으로 보였다.

  지질학자 롭 코우(Rob Coe, 캘리포니아 산타크루즈 대학 교수)는 미국 서부 오레곤주에 위치한 스틴스산(Steens Mountain, 1600만 년 전 형성됨)에서 놀라운 현상을 발견한다. 스틴스산은 엄청난 화산활동으로 분출된 고대의 용암이 거대한 층을 이루고 있는 구조인데, 이 산이 특별한 이유는 이곳에서 용암이 분출될 무렵, 마침 지구에서는 자기장의 역전현상이 진행 중이었기 때문이다. 롭 일행은 산을 따라 오르며 수십 개의 용암샘플을 채취했는데, 경사면 아래쪽은 자기장이 남쪽을 가리키다가 정상에 가까워질수록 다시 북쪽을 향해 나 있었다. 그리고 그 사이엔 마구 뒤섞인 자기장의 기록이 나타났다. 놀라운 사실은 그 과정에서 나타난 자기력의 세기 변화였다. 역전을 앞둔 시점에서는 지구 자기장의 세기가 거의 80∼90%나 줄어들었다. 자기장의 역전은 자기장의 붕괴와 동시에 진행되었던 것이다. 더 놀라운 발견은 그 다음에 있었다. “자기장의 방향 변화는 심지어 용암이 굳는 짧은 시간 동안에도 일어났습니다. 우리가 발견한 사실은 정말 믿기가 힘들었죠. 용암이 굳는 동안 자기장이 60°나 변했는데, 이를 계산해 보면 하루에 6°씩 움직인 셈입니다. 정말 놀랍고도 신기한 발견이었습니다.”

  이는 자기장이 보통 천천히 점진적으로 변화하지만 역전할 때는 우주적 시간 개념01으로 볼 때 매우 짧은 순간 동안 급변한다는 것을 입증하는 증거인 셈이다. 곧 어느 시점에 갑자기 지구 전체의 자기장이 180° 회전하였고, 그 결과 자기장의 흐름이 북에서 남으로 바뀌었다는 것이다. 지구의 자기장이 활발하게 변동하고 있다는 것이 알려진 것은 상당히 최근의 일이다. 자북은 끊임없이 변동해 왔으며 특히 약 10만년 주기로 N극과 S극이 갑작스럽게 바뀌어 왔다.

  특히 자기장이 역전되기 전 자기장의 세기가 약해지는 사실을 알게 되었다. 자기장의 변화를 연구하던 지구 물리학자들은 수천 년 전부터 제작된 도자기에 주목했다. 도자기의 흙속에 포함된 철 성분이 자기(磁氣)정보를 포함한다는 사실을 알아냈기 때문이다. 그리고 선사시대부터 현대에 이르기까지 도기에 기록된 자기장 정보를 확인하던 과학자들은 놀랍게도 약 3백 년 전부터 눈에 띄게 자기장의 세기가 급격히 약해지고 있음(평균 10% 감소)을 발견했다. 과학자들은 이를 보고 이제 자기장의 역전의 시기가 임박한 것이 아닌가하는 추측을 내놓고 있다. 또한 앞으로 자기장이 지금보다 100배(80%) 감소 될 것이라고 한다. 그동안 지구 자기장의 갑작스런 역전에 따라 대부분의 경우 엄청난 규모의 생물종의 멸종과 진화가 일어났다.02 하지만 자기장의 변화가 생명체에 어떤 영향을 끼칠지에 대해선 아직 구체적으로 명확하게 밝혀진 바 없다. 지구상 많은 식물의 수분과정에 기여하는 벌이 자기장의 영향을 받고 철새들도 자기장의 흐름에 따라 비행을 하는 사실을 생각해보면 그 영향력은 지대할 것이다. 보다 분명한 것은 인체의 면역성이 감소되어 암 등의 발생이 증가되고 지구에는 지진과 태풍, 산사태 조류변화 등이 증가할 것이라고 한다.

  과학은 우리가 사는 지구가 일정 주기로 끊임없이 변화하여 왔으며 때로는 그 변화의 속도가 매우 빨라서 말 그대로 상전벽해(桑田碧海)의 사건이 지구 역사에 있었음을 밝히고 있다. 또한 최신의 과학적 장비들이 찾아낸 많은 자료들은 현재 우리가 살고 있는 이 시점이 급변의 시기임을 알려주고 있다. 이제 이러한 정보들을 더 이상 외면할 수 없는 상황에 이르렀으며 이에 대한 우리의 대처가 필요하다고 할 수 있다.

01 지구는 보통 몇 만 년 단위로 변화하며 우주는 몇 억 년 단위로 변화한다.

02 『월간과학 Newton』, 동아일보사, 1999년 8월