지자기

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1. 개요

지자기는 지구 자기장을 의미하며, 지구 내부의 전류에 의해 생성되어 지구를 둘러싸는 자기장이다. 이 자기장은 약 34억 5천만 년 전부터 존재했으며, 칼 프리드리히 가우스에 의해 세기가 측정된 이후 150년 동안 약 10% 감소했다. 지자기의 주요 특징으로는 편각, 복각, 세기가 있으며, 지구 자기장은 쌍극자 형태로 근사할 수 있다. 지구 자기장은 지구 환경과 생명체에 영향을 미쳐 태양풍을 막아 오존층을 보호하고, 생물체의 방향 감지에 사용되며, 기후 변화에도 영향을 미친다. 지자기는 나침반, 자세 제어, 자원 탐사, 화산 활동 관측 등 다양한 분야에서 활용된다.

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지자기
개요
정의	지구의 내부에서 외부로 뻗어나가 태양풍과 만나는 지점까지의 자기장
근원	지구의 외핵과 내핵
특징
주요 특징	시간 변화 공간 변화 쌍극성
세기	표면에서 약 25~65μT (0.25~0.65 가우스)
방향	지리상의 북극과 남극을 잇는 축과 약간 기울어져 있음
구성 요소
주 자기장 (Main field)	지구 내부에서 발생
외부 자기장 (External field)	전리층 전류 자류
발생 원인
주요 원인	지구 외핵의 대류 운동 코리올리 효과
이론	다이너모 이론
역사
초기 연구	윌리엄 길버트의 "De Magnete" (1600년)
가우스의 연구	지구 자기장의 수학적 모델 제시
중요성
생명체 보호	태양풍과 우주 방사선으로부터 보호 오존층 보호
항해	나침반 사용
동물 행동	철새의 이동 해양 동물의 방향 감각
변화
영년 변화	자기장의 세기 및 방향 변화 원인: 지구 내부의 변화
지자기 역전	자기장의 남북극이 뒤바뀌는 현상 불규칙한 간격으로 발생
지자기 폭풍	태양 활동에 의해 발생 통신 장애 및 인공위성 오작동 유발 가능성
측정 및 연구
측정 방법	지상 관측소 인공위성 항공기
주요 연구 기관	각국 지자기 연구소 국제 지자기 참조장 (IGRF)
관련 현상
오로라	자기력선을 따라 대기로 진입하는 입자에 의해 발생 고위도 지역에서 관측 가능
반 알렌대	지구 자기장에 의해 포획된 고에너지 입자 띠 인공위성 및 우주선에 영향
기타
참고 자료	지구물리학 행성 자기장

2. 역사적 배경

지구 표면 근처에서 지구 자기장은 지구 중심에 위치하고 지구 자전축에 대해 약 11° 기울어진 자기 쌍극자의 자기장으로 근사할 수 있다.^[16] 이 쌍극자는 지자기 북극을 향하는 남극을 가진 강력한 막대 자석과 거의 같다.^[17] 자석의 북극은 자유롭게 회전할 수 있도록 허용되면 (지리적 의미에서) 대략 북쪽을 가리키기 때문에 그렇게 정의된다. 자석의 북극은 다른 자석의 남극을 끌어당기고 북극을 밀어내기 때문에 지구 자석의 남극에 끌려야 한다. 쌍극자 자기장은 대부분의 지역에서 자기장의 80~90%를 차지한다.^[73]

지구의 극의 관계. A1과 A2는 지리적 극, B1과 B2는 지자기 극, C1(남극)과 C2(북극)는 자극이다.

3. 주요 특징

어떤 위치에서든 지구 자기장은 3차원 벡터로 나타낼 수 있다. 방향을 측정하는 일반적인 방법은 나침반을 사용하여 자북의 방향을 결정하는 것이다. 진북에 대한 각도는 편각 또는 방위각이다. 자북을 향하고 있을 때, 수평면과 자기장이 이루는 각도는 복각 또는 자침의 복각이다. 자기장의 세기는 자석에 작용하는 힘에 비례한다. 또 다른 일반적인 표현은 X (북), Y (동), Z (하) 좌표이다.^[73]

지구의 자기장은 대략 쌍극자로 근사할 수 있다. 현재 북극은 S극, 남극은 N극에 해당하며, 각각 북자극과 남자극이라고 부른다.^[92] 다만, 비쌍극자 부분은 지구상에 “눈동자 모양”으로 존재한다.^[94]^[95]

지자기의 자력선은 적도 부근을 제외하면 지면에 대해 평행하지 않고 비스듬히 교차한다.

지구의 쌍극자 자기장은 자전축에 대해 약 10.2도(2006년) 기울어져 있어, 지리상의 극과 자극의 위치에는 차이가 있다. 지자기의 극에는 “자극”과 “지자극(또는 자축극)”이라는 두 개의 극이 있다.^[96]

자극: 북자극은 나침반의 N극이 똑바로 아래를 향하는 곳이며, 남자극은 나침반의 S극이 똑바로 아래를 향하는 곳이다. 현재 자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있지 않다.
지자극(또는 자축극): 지자기 북극(북자축극), 지자기 남극(남자축극)은 지구의 자기장을 자기 쌍극자로 했을 때, 지자기의 분포가 관측된 분포도와 같아지는 막대자석의 길이 방향으로 연장선이 지표면에 나오는 두 지점이다. 지자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있다.

현재 복각이 -90도 또는 +90도가 되는 점인 자극은 지구 쌍극자 자기장의 극, 지자극과 일치하지 않는다. 자북극(북자극), 자남극(남자극)과 지자기 북극, 지자기 남극은 이동하고 있다.^[97]

1980년에는 북자극은 캐나다 북부의 N77.0°, W102.0°, 남자극은 남극 대륙 근방의 S66.5°, E139.09°에 있었다고 한다.

연도	북자극	남자극	지자기 북극	지자기 남극
1900년	70.5N 96.2W	71.7S 148.3E	78.6N 68.8W	78.6S 111.2E
1980년	76.9N 101.7W	65.4S 139.3E	79.1N 71.1W	79.1S 108.9E
1990년	78.1N 103.7W	64.9S 138.9E	79.1N 71.1W	79.1S 108.9E
2005년	83.2N 118.0W	64.5S 137.8E	79.7N 71.8W	79.7S 108.2E
2010년	85.0N 132.6W	64.4S 137.3E	80.0N 72.2W	80.0S 107.8E

3. 1. 편각

편각은 지리상의 진북과 지자기의 벡터를 수평면에 투영했을 때 이루는 각을 말한다. 편각의 가장 큰 요인은 지구의 쌍극자 자기장이 자전축에 대해 기울어져 있기 때문이다.^[96] 지구의 쌍극자 자기장은 자전축에 대해 약 10.2도(2006년) 기울어져 있어, 지리상의 극과 자극의 위치에는 차이가 있다.

편각은 진북에 대한 자기장의 동쪽 방향 편차가 양수로 나타난다. 이는 나침반의 자기 남북 방향과 천극의 방향을 비교하여 추정할 수 있다. 지도에는 일반적으로 편각을 각도 또는 자기 북극과 진북의 관계를 보여주는 작은 다이어그램으로 포함한다. 특정 지역의 편각 정보는 등각선(각 선이 고정된 편각을 나타내는 등고선)이 있는 차트로 나타낼 수 있다.

지구 자기장이 쌍극자 자기장과 완전히 일치하지 않기 때문에, 편각도 쌍극자 자기장의 극, 지자극의 방향과 일치하지 않는다. 예를 들어, 일본의 경우, 쌍극자의 북극, 지자기 북극은 일본에서 보면 지리상의 북극보다 약간 동쪽 방향이지만, 편각은 약간 서쪽을 향하고 있다.

3. 2. 복각

복각은 −90°(상향)에서 90°(하향) 사이의 값을 갖는 각도로, 지구 자기장이 북반구에서는 아래쪽을 향한다. 북극(자기)에서는 수직 아래를 향하고, 위도가 감소함에 따라 위쪽으로 회전하여 자기 적도에서는 수평(0°)이 된다. 남극(자기)에서는 수직 위쪽으로 향한다. 복각은 복각계로 측정할 수 있다.

어떤 지점에서 수평면과 지자기 벡터가 이루는 각을 복각이라고 하며, 지자기가 지면을 향해 꽂히는 방향은 플러스(+), 지면에서 나가는 방향은 마이너스(-)로 정의한다. 복각은 남반구 대부분에서 마이너스이며, 남쪽 자극에 가까워질수록 −90°에 가까워진다. 북반구 대부분에서는 플러스이며, 북쪽 자극에 가까워질수록 +90°에 가까워진다.

3. 3. 세기

지구 자기장의 세기는 종종 가우스(G) 단위로 측정되지만, 일반적으로 마이크로테슬라(μT) 단위로 보고되며, 1G는 100μT이다. 나노테슬라는 감마(γ)라고도 불린다. 지구 자기장의 세기는 약 22μT에서 67μT 사이이다.^[12] 강력한 냉장고 자석은 약 10000μT의 자기장을 갖는다.^[13]

세기 등고선 지도를 등자력선도라고 한다. 지구 자기장 모델에서 볼 수 있듯이, 자기장의 세기는 극에서 적도로 갈수록 약해지는 경향이 있다. 남아메리카 상공의 남대서양 이상 지역에서 가장 약한 세기가 나타나며, 캐나다 북부, 시베리아, 오스트레일리아 남쪽 남극 해안에서 가장 강한 세기가 나타난다.^[15]

자기장의 세기는 시간에 따라 변한다. 리버풀 대학교의 2021년 연구는 지구 자기장이 2억 년마다 세기가 변하는 주기를 갖는다는 증거를 제시했다. 주 저자는 "기존 데이터와 함께 고려할 때, 우리의 연구 결과는 지구 심부 과정과 관련된 지구 자기장 세기의 약 2억 년 주기의 존재를 뒷받침한다"라고 말했다.^[14]

일본에서의 지구 자기장의 세기 또한 장소에 따라 다르다. 2015년 기준으로, 沖縄本島|오키나와 본섬^일본어는 44,000 nT, 北海道|홋카이도^일본어 북단은 51,000 nT이며, 도쿄 부근은 46,000 nT이다.^[100] 일본 부근의 평균적인 지구 자기장의 수평 성분(H)의 크기는 약 30,000 nT이며, 자기적으로 안정된 상태의 일변화 진폭은 약 50 nT이다. 하지만, 자기폭풍 시에는 50 nT에서 수백 nT에 달하는 지구 자기 변화가 관측되기도 한다.^[101]

3. 4. 지리적 변화

1년 이상의 시간 척도에서 지구 자기장의 변화를 ''세속 변화''라고 한다. 수백 년에 걸쳐 자기 편각은 수십 도에 걸쳐 변하는 것으로 관측된다.^[73]

1590년부터 1990년까지 추정된 편각 등고선 (변화를 보기 위해 클릭)

쌍극자의 방향과 세기는 시간에 따라 변한다. 지난 2세기 동안 쌍극자 세기는 매 세기 약 6.3%의 비율로 감소해왔다.^[73] 그러나 이 세기는 지난 7000년 동안 평균 수준이며, 현재 변화율은 특이한 것이 아니다.^[32]

세속 변화의 비쌍극자 부분에서 두드러진 특징은 연간 약 0.2°의 속도로 진행되는 ''서쪽 이동''이다.^[31] 이 이동은 모든 곳에서 동일하지 않으며 시간에 따라 변해왔다. 전 세계적으로 평균화된 이동은 서기 1400년경부터 서쪽으로 이동했지만, 서기 1000년에서 1400년 사이에는 동쪽으로 이동했다.^[33]

자기 관측소 이전의 변화는 고고학적 및 지질학적 자료에 기록되어 있다. 이러한 변화는 ''고지자기 세속 변화'' 또는 ''고세속 변화(PSV)''라고 한다. 기록에는 일반적으로 지구 자기장 급변과 역전을 반영하는 때때로 큰 변화가 있는 긴 기간의 작은 변화가 포함된다.^[34]

1800년대 후반부터 1900년대와 그 이후까지 지구 자기장은 전반적으로 약해졌다. 현재의 심각한 감소는 10~15%에 해당하며, 2000년 이후로 가속화되었다. 지구 자기장 세기는 서기 1년경 최대값보다 약 35% 높은 수준에서부터 거의 지속적으로 감소해 왔다. 감소율과 현재 세기는 암석에 기록된 과거 자기장 기록에서 알 수 있듯이 정상적인 변화 범위 내에 있다.

지구 자기장의 특징은 이분산(겉보기에는 무작위적인) 변동이다. 순간적인 측정이나 수십 년 또는 수 세기 동안의 여러 측정만으로는 자기장 세기의 전반적인 추세를 추정하기에 충분하지 않다. 과거에는 알 수 없는 이유로 상승과 하강을 반복했다. 또한, 쌍극자 자기장의 국지적 세기(또는 그 변동)를 확인하는 것만으로는 지구 자기장 전체를 특징짓기에 충분하지 않은데, 이는 지구 자기장이 엄밀히 쌍극자 자기장이 아니기 때문이다. 지구 자기장의 쌍극자 성분은 전체 자기장이 동일하게 유지되거나 증가하더라도 감소할 수 있다.

지구 자기 북극은 현재 가속화되는 속도로 북쪽 캐나다에서 시베리아 쪽으로 이동하고 있다. 1900년대 초에는 연간 10km 였고, 2003년에는 연간 40km 였으며,^[38] 그 이후로 더욱 가속화되었다.^[46]^[47]

지구의 자기장은 대략 쌍극자로(즉, 지구 중심에 가상적으로 놓인 하나의 막대자석으로) 근사할 수 있으며, 현재는 북극 부분이 S극, 남극 부분이 N극에 해당하며^[92], 각각 북자극과 남자극이라고 부른다. 다만, 비쌍극자 부분은 지구상에 “눈동자 모양”으로 존재한다(지표의 자기장 세기 분포도).^[94]^[95]

지자기의 자력선은 적도 부근을 제외하면 지면에 대해 평행하지 않고, 지면과 비스듬히 교차하는 형태이다.

; 복각

: 어떤 지점에서 수평면과 지자기의 벡터가 이루는 각을 복각이라고 하며, 지자기가 지면을 향해 꽂히는 방향인 경우를 플러스, 지면에서 나가는 방향인 경우를 마이너스로 정의한다. 복각은 남반구의 대부분에서 마이너스이며, 남쪽 자극에 가까워짐에 따라 −90도에 가까워진다. 또한, 북반구의 대부분에서 플러스가 되며, 북쪽 자극에 가까워짐에 따라 +90도에 가까워진다.

; 편각

: 지자기의 벡터를 수평면에 투영했을 때, 지리상의 진북과 이루는 각을 편각이라고 한다. 편각의 가장 큰 요인은 지구의 쌍극자 자기장이 자전축에 대해 기울어져 있기 때문이다.

지구의 쌍극자 자기장은 자전축에 대해 약 10.2도(2006년) 기울어져 있으므로, 지리상의 극과 자극의 위치에는 차이가 있다.

지자기의 극에는 “자극”과 “지자극(또는 자축극)”이라는 두 개의 극이 있다.^[96]

; 자극

: 북자극은 나침반의 N극이 똑바로 아래를 향하는 곳이며, 남자극은 나침반의 S극이 똑바로 아래를 향하는 곳이다. 현재, 자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있지 않다.

; 지자극(또는 자축극)

: 지자기 북극(북자축극), 지자기 남극(남자축극)은 지구의 자기장을 자기 쌍극자로 했을 때, 지자기의 분포가 관측된 분포도와 같아지는 막대자석의 길이 방향으로 연장선이 지표면에 나오는 두 지점이다. 지자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있다.

현재, 복각이 −90도 또는 +90도가 되는 점, 자극은 지구 쌍극자 자기장의 극, 지자극과 일치하지 않는다. 자북극(북자극), 자남극(남자극)과 지자기 북극, 지자기 남극은 이동하고 있다.^[97]

1980년에는 북자극은 캐나다 북부의 N77.0°, W102.0°, 남자극은 남극 대륙 근방의 S66.5°, E139.09°에 있었다고 한다.

연도	북자극	남자극	지자기 북극	지자기 남극
1900년	70.5N 96.2W	71.7S 148.3E	78.6N 68.8W	78.6S 111.2E
1980년	76.9N 101.7W	65.4S 139.3E	79.1N 71.1W	79.1S 108.9E
1990년	78.1N 103.7W	64.9S 138.9E	79.1N 71.1W	79.1S 108.9E
2005년	83.2N 118.0W	64.5S 137.8E	79.7N 71.8W	79.7S 108.2E
2010년	85.0N 132.6W	64.4S 137.3E	80.0N 72.2W	80.0S 107.8E

지구 자기장이 쌍극자 자기장과 완전히 일치하지 않기 때문에, 편각도 쌍극자 자기장의 극, 지자극의 방향과 일치하지 않는다. 예를 들어, 일본의 경우, 쌍극자의 북극, 지자기 북극은 일본에서 보면 지리상의 북극보다 약간 동쪽 방향이지만, 편각은 약간 서쪽을 향하고 있다.

3. 5. 쌍극자 근사

지구의 자기장은 대략 쌍극자로 근사할 수 있는데, 이는 지구 중심에 가상의 막대자석을 놓은 것과 비슷하다. 현재 북극은 S극, 남극은 N극에 해당하며, 각각 북자극과 남자극이라 부른다.^[92] 하지만, 비쌍극자 부분은 지구상에 “눈동자 모양”으로 존재한다.^[94]^[95]

지자기의 자력선은 적도 부근을 제외하면 지면에 대해 평행하지 않고 비스듬히 교차한다.

'''복각''': 어떤 지점에서 수평면과 지자기 벡터가 이루는 각을 복각이라 하며, 지자기가 지면을 향해 꽂히면 플러스(+), 지면에서 나가면 마이너스(-)로 정의한다. 복각은 남반구 대부분에서 마이너스이며, 남쪽 자극에 가까워질수록 -90도에 가까워진다. 북반구 대부분에서는 플러스이며, 북쪽 자극에 가까워질수록 +90도에 가까워진다.
'''편각''': 지자기 벡터를 수평면에 투영했을 때, 지리상의 진북과 이루는 각을 편각이라고 한다. 편각이 생기는 가장 큰 이유는 지구의 쌍극자 자기장이 자전축에 대해 기울어져 있기 때문이다.

지구의 쌍극자 자기장은 자전축에 대해 약 10.2도(2006년) 기울어져 있어, 지리상의 극과 자극의 위치는 차이가 있다.

지자기의 극에는 “자극”과 “지자극(또는 자축극)”이라는 두 가지 극이 있다.^[96]

'''자극''': 북자극은 나침반의 N극이 똑바로 아래를 향하는 곳이며, 남자극은 나침반의 S극이 똑바로 아래를 향하는 곳이다. 현재 자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있지 않다.
'''지자극(또는 자축극)''': 지자기 북극(북자축극), 지자기 남극(남자축극)은 지구 자기장을 자기 쌍극자로 가정했을 때, 관측된 분포와 같아지는 막대자석의 연장선이 지표면과 만나는 두 지점이다. 지자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있다.

현재 복각이 -90도 또는 +90도가 되는 점인 자극은 지구 쌍극자 자기장의 극, 지자극과 일치하지 않는다. 자북극(북자극), 자남극(남자극)과 지자기 북극, 지자기 남극은 이동하고 있다.^[97]

1980년에는 북자극은 캐나다 북부의 N77.0°, W102.0°, 남자극은 남극 대륙 근방의 S66.5°, E139.09°에 있었다고 한다.

연도	북자극	남자극	지자기 북극	지자기 남극
1900년	70.5N 96.2W	71.7S 148.3E	78.6N 68.8W	78.6S 111.2E
1980년	76.9N 101.7W	65.4S 139.3E
1990년	78.1N 103.7W	64.9S 138.9E	79.1N 71.1W	79.1S 108.9E
2005년	83.2N 118.0W	64.5S 137.8E	79.7N 71.8W	79.7S 108.2E
2010년	85.0N 132.6W	64.4S 137.3E	80.0N 72.2W	80.0S 107.8E

지구 자기장이 쌍극자 자기장과 완전히 일치하지 않기 때문에, 편각도 쌍극자 자기장의 극, 지자극의 방향과 일치하지 않는다. 예를 들어, 일본의 경우, 쌍극자의 북극, 지자기 북극은 일본에서 보면 지리상의 북극보다 약간 동쪽이지만, 편각은 약간 서쪽을 향하고 있다.

3. 6. 자기 극

지구의 자기장은 대략 쌍극자로 근사할 수 있으며, 현재 북극 부분은 S극, 남극 부분은 N극에 해당하며, 각각 북자극과 남자극이라고 부른다.^[92] 지자기의 자력선은 적도 부근을 제외하면 지면에 대해 평행하지 않고 비스듬히 교차한다.

복각: 어떤 지점에서 수평면과 지자기의 벡터가 이루는 각을 복각이라고 하며, 지자기가 지면을 향해 꽂히는 방향이면 플러스, 지면에서 나가는 방향이면 마이너스로 정의한다. 복각은 남반구 대부분에서 마이너스이며, 남쪽 자극에 가까워짐에 따라 -90도에 가까워진다. 북반구 대부분에서는 플러스이며, 북쪽 자극에 가까워짐에 따라 +90도에 가까워진다.
편각: 지자기의 벡터를 수평면에 투영했을 때, 지리상의 진북과 이루는 각을 편각이라고 한다. 편각의 가장 큰 요인은 지구의 쌍극자 자기장이 자전축에 대해 기울어져 있기 때문이다.

지구의 쌍극자 자기장은 자전축에 대해 약 10.2도(2006년) 기울어져 있어, 지리상의 극과 자극의 위치에는 차이가 있다. 지자기의 극에는 “자극”과 “지자극(또는 자축극)”이라는 두 개의 극이 있다.^[96]

자극: 북자극은 나침반의 N극이 똑바로 아래를 향하는 곳이며, 남자극은 나침반의 S극이 똑바로 아래를 향하는 곳이다. 현재 자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있지 않다.
지자극(또는 자축극): 지자기 북극(북자축극), 지자기 남극(남자축극)은 지구의 자기장을 자기 쌍극자로 했을 때, 지자기의 분포가 관측된 분포도와 같아지는 막대자석의 길이 방향으로 연장선이 지표면에 나오는 두 지점이다. 지자극은 지구 중심에 대해 대칭적인 위치에 있다.

현재 복각이 -90도 또는 +90도가 되는 점, 자극은 지구 쌍극자 자기장의 극, 지자극과 일치하지 않는다. 자북극(북자극), 자남극(남자극)과 지자기 북극, 지자기 남극은 이동하고 있다.^[97]

1980년에는 북자극은 캐나다 북부의 N77.0°, W102.0°, 남자극은 남극 대륙 근방의 S66.5°, E139.09°에 있었다고 한다.

연도	북자극	남자극	지자기 북극	지자기 남극
1900년	70.5N 96.2W	71.7S 148.3E	78.6N 68.8W	78.6S 111.2E
1980년	76.9N 101.7W	65.4S 139.3E
1990년	78.1N 103.7W	64.9S 138.9E	79.1N 71.1W	79.1S 108.9E
2005년	83.2N 118.0W	64.5S 137.8E	79.7N 71.8W	79.7S 108.2E
2010년	85.0N 132.6W	64.4S 137.3E	80.0N 72.2W	80.0S 107.8E

지구 자기장이 쌍극자 자기장과 완전히 일치하지 않기 때문에, 편각도 쌍극자 자기장의 극, 지자극의 방향과 일치하지 않는다. 예를 들어, 일본의 경우, 쌍극자의 북극, 지자기 북극은 일본에서 보면 지리상의 북극보다 약간 동쪽 방향이지만, 편각은 약간 서쪽을 향하고 있다.

4. 발생 원인

지구 자기장은 주로 지구와 지구 주변의 전리층 등에 흐르는 전류 때문에 발생한다. 지자기가 발생하는 원인은 아직까지 명확하게 밝혀지지 않았다.^[94]

지구 자기(지자기)는 약 42억 년 전, 즉 지구가 탄생하고 약 4억 년 후에 발생했다는 사실이 오스트레일리아 서부 잭 힐스의 사암에서 발견된 지르콘을 통해 밝혀졌다.^[98]^[99]

가우스는 지자기 데이터를 분석하여 지자기 원인의 99%가 지구 내부에 있고, 그중 80%는 쌍극자(막대자석)로 설명할 수 있다고 밝혔다.

지자기의 원인은 다음과 같이 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

자성을 가진 물질(자성체)에 의한 자기장: 자화된 지각, 자성을 가진 퇴적층, 자철석 광상
지구에 흐르는 전류에 의한 자기장: 지구 핵에 흐르는 전류, 전리층(고층의 전리권)과 자기권에 흐르는 전류 (태양에서 날아온 하전 입자가 지구에 도달하면 지구 전리층을 흐르는 전류가 변한다.) 지각, 맨틀, 해수 등에 흐르는 전류
암석에 가해진 응력:^[94] 지진에 따른 지자기 변화,^[94] 화산 활동에 따른 지자기 변화^[94]

이 중 지구 핵에 흐르는 전류에 의한 자기장 발생은 다이나모 이론으로 설명된다. 해양 역시 지구 자기장에 영향을 미치는데, 바닷물은 전기 전도체이기 때문에 자기장과 상호작용하며, 주로 달의 조석(M2)의 영향을 받는다.

4. 1. 다이나모 이론

지구 자기장은 핵에서 방출되는 열에 의한 대류 전류로 생성된, 전도성 철 합금의 전류에 의해 생성되는 것으로 여겨진다.^[48] 지구와 태양계의 대부분의 행성, 그리고 태양과 다른 항성들은 모두 전기적으로 전도성이 있는 유체의 운동을 통해 자기장을 생성한다.^[49]

지구의 자기장은 지구 핵에서 발생하는데, 이는 약 3400km(지구 반지름은 6370km)까지 확장되는 철 합금 영역이다. 지구 핵은 반지름이 1220km인 고체 내핵과 액체 외핵으로 나뉜다.^[50] 외핵의 액체 운동은 내핵(약 6,000,000)에서 핵-맨틀 경계(약 3,800,000)로의 열 흐름에 의해 발생한다.^[51] 이 열은 더 무거운 물질이 핵으로 가라앉으면서 방출되는 퍼텐셜 에너지(행성 분화, 철 재앙)와 내부의 방사성 원소의 붕괴에 의해 생성된다. 흐름 패턴은 지구의 자전과 고체 내핵의 존재에 의해 구성된다.^[52]

지구가 자기장을 생성하는 메커니즘은 지구 자기 발생 이론으로 알려져 있다.^[49] 자기장은 피드백 루프에 의해 생성된다. 전류 루프는 자기장을 생성하고(앙페르의 법칙), 변화하는 자기장은 전기장을 생성하며(패러데이 법칙), 전기장과 자기장은 전류를 흐르는 전하에 힘을 작용한다(로렌츠 힘).^[53] 이러한 효과는 자기장에 대한 '자기 유도 방정식'이라는 편미분 방정식으로 결합될 수 있다.

:

\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} = \eta \nabla^2 \mathbf{B} + \nabla \times (\mathbf{u} \times \mathbf{B}),

여기서

\mathbf{u}

는 유체의 속도이고,

\mathbf{B}

는 자기 B-장이고,

\eta

는 자기 확산율이며, 전기 전도도

\sigma

와 투자율

\mu

의 곱의 역수이다.^[54]

\partial\mathbf{B}/\partial t

항은 시간에 대한 장의 편미분이고,

\nabla^2

는 라플라스 연산자이고,

\nabla\times

는 회전 연산자이고,

\times

는 벡터 곱이다.

유도 방정식의 우변의 첫 번째 항은 확산 항이다. 정지된 유체에서 자기장은 감소하고 자기장의 임의의 농도는 퍼진다. 지구의 다이나모가 멈춘다면, 쌍극자 부분은 수만 년 안에 사라질 것이다.^[54]

완벽한 전도체 (

\sigma = \infty\;

)에서는 확산이 없을 것이다. 렌츠의 법칙에 의해 자기장의 변화는 전류에 의해 즉시 반대될 것이므로, 유체의 주어진 부피를 통과하는 플럭스는 변하지 않을 수 없다. 유체가 움직이면 자기장도 함께 이동할 것이다. 이 효과를 설명하는 정리는 '얼어붙은 장 정리'라고 불린다. 유한 전도도를 가진 유체에서도, 유체가 변형시키는 방식으로 움직일 때 자기력선을 늘림으로써 새로운 장이 생성된다. 자기장의 세기가 증가함에 따라 유체 운동에 저항하지 않는다면 이 과정은 무한정 새로운 장을 생성할 수 있다.^[54]

유체의 운동은 대류, 부력에 의해 발생하는 운동에 의해 유지된다. 온도는 지구 중심으로 증가하고, 아래쪽의 유체의 더 높은 온도는 부력을 만든다. 이 부력은 화학적 분리가 강화한다. 핵이 식으면 용융된 철의 일부가 고체화되어 내핵에 도금된다. 이 과정에서 더 가벼운 원소는 유체에 남아 더 가볍게 만든다. 이것을 '조성 대류'라고 한다. 전체적인 행성 자전에 의해 발생하는 코리올리 효과는 북-남 극축을 따라 정렬된 롤로 흐름을 구성하는 경향이 있다.^[52]^[54]

다이나모는 자기장을 증폭시킬 수 있지만, 시작하려면 "씨앗" 장이 필요하다.^[54] 지구의 경우, 이것은 외부 자기장일 수 있다. 초기 역사에서 태양은 현재 태양풍보다 훨씬 더 큰 자기장을 가진 T-Tauri 단계를 거쳤다.^[55] 그러나 대부분의 자기장은 지구의 맨틀에 의해 차폐되었을 수 있다. 대안적인 원천은 화학 반응이나 열 또는 전기 전도도의 변화에 의해 발생하는 핵-맨틀 경계의 전류이다. 이러한 효과는 지구 자기 발생 이론의 경계 조건의 일부인 작은 편향을 제공할 수 있다.^[56]

지구 외핵의 평균 자기장은 표면의 자기장보다 50배 강한 25가우스로 계산되었다.^[57]

지구 자기장을 컴퓨터로 시뮬레이션하려면 지구 내부의 마그네토하이드로다이나믹스(MHD)에 대한 비선형 편미분 방정식들을 수치적으로 풀어야 한다. MHD 방정식의 시뮬레이션은 3차원 격자점에서 수행되며, 격자의 세밀함(해의 현실성을 부분적으로 결정하는 요소)은 주로 컴퓨터 성능에 의해 제한된다. 수십 년 동안 이론가들은 유체 운동을 미리 선택하고 자기장에 미치는 영향을 계산하는 '운동학적 다이나모' 컴퓨터 모델을 만드는 데 국한되었다. 운동학적 다이나모 이론은 주로 다양한 유동 기하학을 시도하고 그러한 기하학이 다이나모를 유지할 수 있는지 여부를 테스트하는 문제였다.^[58]

유체 운동과 자기장을 모두 결정하는 최초의 '자기 일관적' 다이나모 모델은 1995년 일본의 한 연구팀^[59]과 미국의 한 연구팀^[60]^[61]에 의해 개발되었다. 후자는 지구 자기장 역전을 포함한 지구 자기장의 특성을 성공적으로 재현했기 때문에 주목을 받았다.^[58]

4. 2. 지구 핵

지구 자기장은 핵에서 방출되는 열에 의한 대류 전류로 생성된, 전도성 철 합금의 전류에 의해 생성되는 것으로 여겨진다. 지구와 태양계의 대부분의 행성, 그리고 태양과 다른 항성들은 모두 전기적으로 전도성이 있는 유체의 운동을 통해 자기장을 생성한다.^[49] 지구의 자기장은 지구 핵에서 발생한다. 지구 핵은 약 3400km(지구 반지름은 6370km)까지 확장되는 철 합금 영역이다. 지구 핵은 반지름이 1220km인 고체 내핵과 액체 외핵으로 나뉜다.^[50] 외핵의 액체 운동은 내핵에서 핵-맨틀 경계(온도 약 3,800,000)로의 열 흐름(약 6,000,000)에 의해 발생한다.^[51] 열은 더 무거운 물질이 핵으로 가라앉으면서 방출되는 퍼텐셜 에너지(행성 분화, 철 재앙)와 내부의 방사성 원소의 붕괴에 의해 생성된다. 흐름 패턴은 지구의 자전과 고체 내핵의 존재에 의해 구성된다.^[52]

지구가 자기장을 생성하는 메커니즘은 지구 자기 발생 이론으로 알려져 있다.^[49] 자기장은 피드백 루프에 의해 생성된다. 전류 루프는 자기장을 생성하고(앙페르의 법칙), 변화하는 자기장은 전기장을 생성하며(패러데이 법칙), 전기장과 자기장은 전류를 흐르는 전하에 힘을 작용한다(로렌츠 힘).^[53]

유체의 운동은 대류, 부력에 의해 발생하는 운동에 의해 유지된다. 온도는 지구 중심으로 증가하고, 아래쪽의 유체의 더 높은 온도는 부력을 만든다. 이 부력은 화학적 분리가 강화한다. 핵이 식으면 용융된 철의 일부가 고체화되어 내핵에 도금된다. 이 과정에서 더 가벼운 원소는 유체에 남아 더 가볍게 만든다. 이것을 '조성 대류'라고 한다. 전체적인 행성 자전에 의해 발생하는 코리올리 효과는 북-남 극축을 따라 정렬된 롤로 흐름을 구성하는 경향이 있다.^[52]^[54]

다이나모는 자기장을 증폭시킬 수 있지만, 시작하려면 "씨앗" 장이 필요하다.^[54] 지구의 경우, 이것은 외부 자기장일 수 있다. 초기 역사에서 태양은 현재 태양풍보다 훨씬 더 큰 자기장을 가진 T-Tauri 단계를 거쳤다.^[55] 그러나 대부분의 자기장은 지구의 맨틀에 의해 차폐되었을 수 있다. 대안적인 원천은 화학 반응이나 열 또는 전기 전도도의 변화에 의해 발생하는 핵-맨틀 경계의 전류이다. 이러한 효과는 지구 자기 발생 이론의 경계 조건의 일부인 작은 편향을 제공할 수 있다.^[56]

지구 외핵의 평균 자기장은 표면의 자기장보다 50배 강한 25가우스로 계산되었다.^[57]

4. 3. 기타 요인

해양은 지구 자기장에 영향을 미친다. 바닷물은 전기 전도체이므로 자기장과 상호 작용한다. 조류가 해양 분지 주변을 순환함에 따라 해수는 본질적으로 지구 자기장 선을 끌어당기려고 한다. 염분이 있는 물은 전도성이 약하기 때문에 상호 작용은 상대적으로 약하다. 가장 강력한 요소는 하루에 약 두 번 발생하는 규칙적인 달의 조석(M2)에서 비롯된다. 다른 요인으로는 해면의 융기, 소용돌이, 심지어 쓰나미도 있다.^[62]

상호 작용의 강도는 해수의 온도에 따라 달라진다. 이제 해양에 저장된 전체 열량을 지구 자기장 관측을 통해 추론할 수 있다.^[63]^[62]

암석에 가해진 응력도 지자기에 영향을 줄 수 있다.^[94]

지진에 따른 지자기 변화^[94]
화산 활동에 따른 지자기 변화^[94]

5. 시간적 변화

지구 자기장은 항상 일정하지 않고 끊임없이 변화한다. 이러한 변화는 지구 외부 요인과 지구 내부 요인에 의해 발생한다.

지구 외부 요인에 의한 변화
태양 플레어: 자기폭풍이나 강렬한 오로라를 발생시켜 수 초에서 수일 동안 지자기를 격렬하게 변화시킨다. 이러한 현상은 태양풍과 관련이 있다.
태양 방사: 자기폭풍이나 오로라가 없을 때에도 하루 주기로 수십 나노테슬라(nT) 정도의 변화를 일으킨다. 이를 일변화라고 한다.
지구 내부 요인에 의한 변화
마그마 활동: 자철광 광상의 탈자 현상을 통해 지자기를 변화시킨다. 자철광을 포함한 강자성 광물은 퀴리 온도 이상에서 자성을 잃는다.
세차 변동: 수년에서 수천 년 주기로 자기장 변동을 일으킨다. 지자기는 지난 100년 동안 약 6% 감소했으며, 이는 1,000년 안에 지자기가 소멸할 수도 있다는 것을 의미하지만 과거에도 드문 현상은 아니었다.
비쌍극자 부분의 서쪽 이동
지자기 역전: 지자기 극의 N극과 S극이 반전되는 현상이다. 평균 100만 년에 1.5회 비율로 역전되지만, 불규칙적이다. 백악기에는 1천만 년 이상 역전이 없었던 시기도 있었다. 78만 년 전 마지막 역전이 있었고, 지난 360만 년 동안 11회 역전되었다.^[94]

지구 자기장의 장기 변화(세속 변화)와 지구 자기장 역전에 대한 더 자세한 내용은 하위 섹션을 참고하라.

5. 1. 장기 변화 (세속 변화)

1년 이상의 시간 규모에서 지구 자기장의 변화를 ''장기 변화''(세속 변화)라고 한다. 수백 년에 걸쳐 자기 편각은 수십 도에 걸쳐 변하는 것으로 관측된다.^[73]

지난 2세기 동안 쌍극자 세기는 매 세기 약 6.3%의 비율로 감소해왔다.^[73] 이러한 감소율로는 약 1600년 후에 자기장이 무시할 만큼 약해질 것이다.^[31] 그러나 이 세기는 지난 7000년 동안 평균 수준이며, 현재 변화율은 특이한 것이 아니다.^[32]

장기 변화의 비쌍극자 부분에서 두드러진 특징은 연간 약 0.2°의 속도로 진행되는 ''서쪽 이동''이다.^[31] 이 이동은 모든 곳에서 동일하지 않으며 시간에 따라 변해왔다. 전 세계적으로 평균화된 이동은 서기 1400년경부터 서쪽으로 이동했지만, 서기 1000년에서 1400년 사이에는 동쪽으로 이동했다.^[33]

지구 자기장 급변과 역전을 반영하는 때때로 큰 변화가 있는 긴 기간의 작은 변화는 ''고지자기 장기 변화'' 또는 ''고세속 변화(PSV)''라고 한다.^[34]

5. 2. 지구 자기장 역전

지구 표면 근처에서 지구 자기장은 지구 중심에 위치하고 지구 자전축에 대해 약 11° 기울어진 자기 쌍극자의 자기장으로 근사할 수 있다.^[16] 이 쌍극자는 지자기 북극을 향하는 남극을 가진 강력한 막대 자석과 거의 같다.^[17] 자석의 북극은 다른 자석의 남극을 끌어당기기 때문에 지구 자석의 남극에 끌려야 한다. 쌍극자 자기장은 대부분의 지역에서 자기장의 80~90%를 차지한다.^[73]

역사적으로 자석의 북극과 남극은 지구 자기장에 의해 처음 정의되었다. 자석의 북극은 자석이 자유롭게 회전할 수 있도록 매달렸을 때 북극 지역의 지구 북쪽 자기 극에 끌리는 극으로 정의된다. 서로 다른 극은 서로 끌어당기므로 지구의 북쪽 자기극은 실제로는 지구 자기장의 남극(자기장이 지구로 향하는 곳)이다.^[18]^[19]^[20]^[21]

자기 극의 위치는 국소적으로 또는 전 지구적으로 정의할 수 있다.^[22] 국소적 정의는 자기장이 수직인 지점이다.^[23] 이는 기울기를 측정하여 결정할 수 있다. 지구 자기장의 기울기는 북쪽 자기 극에서는 90°(아래쪽), 남쪽 자기 극에서는 –90°(위쪽)이다. 두 극은 서로 독립적으로 이동하며 지구상에서 서로 정반대 위치에 있지 않다. 북쪽 자기 극의 경우 연간 최대 40km의 이동이 관측되었다. 지난 180년 동안 북쪽 자기 극은 북서쪽으로 이동하여 1831년 부티아 반도의 케이프 애들레이드에서 2001년 레졸루트 베이에서 600km 떨어진 곳으로 이동했다.^[38]

지구 자기장의 전 지구적 정의는 수학적 모델을 기반으로 한다. 지구 중심을 통과하고 최적합 자기 쌍극자 모멘트와 평행한 선을 그리면, 이 선이 지구 표면과 교차하는 두 지점을 북쪽 지자기 극과 남쪽 지자기 극이라고 한다. 지구 자기장이 완벽한 쌍극자라면 지자기 극과 자기 쌍극 극은 일치하고 나침반은 이 극을 가리킬 것이다. 그러나 지구 자기장에는 상당한 비쌍극자 성분이 있으므로 극이 일치하지 않고 나침반은 일반적으로 어느 쪽도 가리키지 않는다.

고지자기학에 따르면, 지자기 역전은 지자기 극의 N극과 S극이 반전되는 현상이다.^[94] 지자기는 평균적으로 100만 년에 1.5회의 비율로 역전을 반복하지만, 그 비율은 상당히 불규칙적이다. 예를 들어 백악기에는 1천만 년 이상 역전이 없는 시기가 있었던 것으로 추정된다. 지자기는 78만 년 전에 N극과 S극이 역전되었으며, 지난 360만 년 동안 11회 역전되었던 것이 밝혀졌다.

6. 지구 자기권

주어진 원본 소스에는 지구 자기권에 대한 정보가 전혀 없으므로, '지구 자기권' 섹션의 내용을 작성할 수 없습니다.

6. 1. 플라스마권과 밴 앨런대

주어진 원본 소스에는 플라스마권과 밴 앨런대에 대한 정보가 전혀 포함되어 있지 않기 때문에, '플라스마권과 밴 앨런대' 섹션에 대한 내용을 작성하는 것은 불가능합니다. 따라서 이전 답변과 동일하게, 해당 섹션의 내용을 작성할 수 없다는 점을 알려드립니다.

6. 2. 지자기 폭풍

지구 자기장 측정값은 특정 위치와 시간에 한정된다. 따라서 다른 위치와 시간의 자기장을 정확히 예측하려면 측정값을 모델로 만들고, 이 모델을 통해 예측을 수행해야 한다.

국제 지구 자기 및 대기 과학 협회는 국제 지구 자기 기준장(IGRF)이라는 표준 지구 자기장 모델을 관리한다. 이 모델은 5년마다 갱신된다. 11세대 모델 IGRF11은 외르스테드, 참프, SAC-C 위성과 전 세계 지구 자기 관측소 네트워크의 자료를 활용하여 개발되었다.^[74] 2000년까지는 120개의 계수를 가진 10차까지의 구면 조화 전개가 사용되었지만, 이후 모델은 13차(195개의 계수)까지 전개된다.^[75]

세계 자기장 모델은 미국의 국립 환경 정보 센터와 영국 지질 조사소가 공동 제작한다. 이 모델은 12차(168개의 계수)까지 전개되며, 공간 해상도는 약 3,000km이다. 미국 국방부, 영국 국방부, 미국 연방 항공청(FAA), 북대서양 조약 기구(NATO), 국제 수로 기구 등에서 사용되며, 민간 항법 시스템에서도 많이 활용된다.^[76]

위 모델들은 핵-맨틀 경계에서의 "주 자기장"만 고려한다. 항법에는 충분하지만, 더 높은 정확도가 필요한 경우 자기 이상 등 작은 변화를 고려해야 한다. 몇 가지 예시는 다음과 같다:^[77]

미항공우주국(NASA) 고다드 우주 비행 센터와 덴마크 우주 연구소의 "포괄적 모델링"(CM). CM은 지상 및 위성 데이터로부터 시간적, 공간적 해상도가 다른 데이터를 조정한다. 2022년 기준 최신 버전은 2016년의 CM5이다. 주 자기장, 지각, M2 조석, 자기권/전리층 변화에 대한 구성 요소를 제공한다.^[78]
미국 국립 환경 정보 센터는 790차까지 확장되고 56km 파장까지 자기 이상을 해석하는 향상된 자기 모델(EMM)을 개발했다. 위성, 해양, 항공 자력 및 지상 자력 조사 데이터를 사용한다. 최신 버전인 EMM2017에는 유럽 우주국의 Swarm 위성 임무 데이터가 포함된다.^[79]

주 자기장에 대한 과거 데이터는 IGRF를 사용하여 1900년까지 거슬러 올라갈 수 있다.^[75] GUFM1 모델은 선박 항해일지를 사용하여 1590년까지 추정한다.^[80] 고지자기 연구는 기원전 10,000년까지 거슬러 올라가는 모델을 만들었다.^[81]

7. 지구 환경 및 생명체에 대한 영향

지구 자기장이 약해지면 우주선이 대기권으로 더 많이 들어와 대기 중의 매우 차가운 수증기가 우주선이 지나간 자리를 중심으로 엉겨 붙게 된다. 그 결과 구름이 많아져서 햇빛의 양에 영향을 준다. 또한, 땅에 닿는 우주선이 많아지면서 생물들의 DNA가 손상될 가능성이 커져서 돌연변이가 늘어나는 원인 중 하나로 생각된다.

7. 1. 오존층 보호

지구 자기장은 태양풍의 대부분을 막아준다. 태양풍의 하전 입자는 지구를 유해한 자외선으로부터 보호하는 오존층을 파괴할 수 있다.^[3] 기체가 자기장의 거품에 갇힌 다음 태양풍에 의해 찢겨 나가는 것이 기체가 손실되는 한 가지 메커니즘이다.^[4] 태양풍에 의한 이온 제거로 인한 화성 대기의 이산화탄소 손실 계산은 화성 자기장의 소멸이 대기의 거의 완전한 손실을 초래했음을 나타낸다.^[5]^[6]

7. 2. 생물체의 자기 수용

사람은 11세기부터 방향 찾기에 나침반을, 12세기부터 항해에 나침반을 사용해 왔다.^[10] 편각은 시간에 따라 변하지만, 이러한 변화는 매우 느리기 때문에 간단한 나침반으로도 항해에 계속 사용할 수 있다. 여러 생물체들은 자기수용을 사용하여 박테리아의 일부 종류부터 비둘기까지 지구 자기장을 방향 및 항해에 사용한다.^[11]

새와 거북이를 포함한 동물들은 지구 자기장을 감지하고, 이동 중 방향을 찾는 데 이를 이용할 수 있다.^[82] 일부 연구자들은 소와 야생 사슴이 휴식을 취할 때 몸을 남북 방향으로 정렬하는 경향이 있지만, 고압 전력선 아래에 있을 때는 그렇지 않다는 것을 발견했는데, 이는 자기장이 원인임을 시사한다.^[83]^[84] 다른 연구자들은 2011년에 다른 구글 어스 이미지를 사용하여 이러한 결과를 재현할 수 없었다고 보고했다.^[85]

매우 약한 전자기장은 유럽 울새와 다른 명금류가 지구 자기장을 이용하여 항해하는 데 사용하는 자기 나침반을 방해한다. 전력선이나 휴대전화 신호는 새에 대한 전자기장 효과의 원인이 아니다.^[86] 대신, 원인은 2 kHz와 5 MHz 사이의 주파수를 가지는 것들이다. 여기에는 AM 라디오 신호와 사업장이나 개인 주택에서 발견될 수 있는 일반적인 전자 장비가 포함된다.^[87]

7. 3. 기후 변화

지자기가 약해지면 우주선이 대기권으로 더 많이 유입된다. 이로 인해 대기 중에 있는 아주 차가운 수증기가 우주선의 자취를 중심으로 응결하게 된다. 그 결과 구름의 양이 늘어나 햇빛의 양에 영향을 주게 된다. 또한, 지표면에 도달하는 우주선이 많아지면서 생물들의 DNA가 손상될 확률이 높아져 돌연변이가 증가하는 원인 중 하나로 여겨진다.

8. 활용

지구 자기장의 세기는 1832년 칼 프리드리히 가우스에 의해 측정되었으며,^[65] 그 이후로 반복적으로 측정되어 지난 150년 동안 약 10% 감소한 것으로 나타났다.^[66] Magsat 위성과 그 이후의 위성들은 3축 벡터 자력계를 사용하여 지구 자기장의 3차원 구조를 조사했다. 후속 외르스테드 위성을 통해 남아프리카 서쪽 대서양 아래에 대체 극을 생성하는 것으로 보이는 역동적인 지구 발전기가 작용하고 있음을 보여주는 비교가 가능해졌다.^[67]

정부는 때때로 지구 자기장 측정을 전문으로 하는 부서를 운영한다. 이들은 일반적으로 국가 지질 조사의 일부인 지자기 관측소이며, 예를 들어 영국 지질 조사의 에스크달뮤어 관측소가 있다. 이러한 관측소는 때때로 통신, 전력 및 기타 인간 활동에 영향을 미치는 자기 폭풍과 같은 자기 상태를 측정하고 예측할 수 있다.

전 세계 100개 이상의 상호 연결된 지자기 관측소로 구성된 국제 실시간 지자기 관측소 네트워크는 1991년부터 지구 자기장을 기록해 왔다.

군사 기관은 잠수함과 같은 상당한 금속 물체로 인해 발생할 수 있는 자연 배경의 이상 현상을 감지하기 위해 지역 지자기장 특성을 결정한다. 일반적으로 이러한 자기 이상 검출기는 영국의 님로드와 같은 항공기에 탑재되거나 수면 선박에서 기기 또는 기기 배열로 예인된다.

8. 1. 나침반과 항해

지구 자기의 활용은 오래전부터 이루어져 왔으며, 나침반을 이용하여 방위를 아는 데 사용되어 왔다.^[102] 복각을 이용하여 자세 측정 및 제어를 수행하는 시스템도 존재한다. 지자기를 이용한 모션 컨트롤 센서는 휴대 전화 등에도 구현되었다. 철새나 회유성 해양 동물 중에는 지자기를 방위를 아는 수단으로 이용하는 것으로 생각되는 종류가 있다.

8. 2. 자세 제어 및 모션 컨트롤

지구 자기의 활용은 오래전부터 이루어져 왔으며, 나침반을 이용하여 방위를 아는 데 사용되어 왔다.^[102] 복각을 이용하여 자세 측정 및 제어를 수행하는 시스템도 존재한다. 지자기를 이용한 모션 컨트롤 센서도 휴대 전화 등에 구현된 사례가 있다. 철새나 회유성 해양 동물 중에는 지자기를 방위를 아는 수단으로 이용하는 것으로 생각되는 종류가 있다.

8. 3. 자원 탐사

상업적으로, 지구물리 탐사 회사는 자력계를 이용하여 쿠르스크 자기 이상과 같은 광석체의 자연 발생 이상 현상을 식별한다.

8. 4. 화산 활동 관측

활화산 근처에서는 마그마의 활동에 따라 지자기가 변화하는 경우가 있다. 예를 들어 고온의 마그마나 마그마에서 나오는 화산 가스가 지하 얕은 곳까지 상승하면 암석이 열소자되어, 전체 자력이 소자 영역의 남쪽에서 감소하고 북쪽에서 증가한다. 이러한 지자기 변화는 분화 활동 관측에 이용되고 있다.^[102]

9. 한국에서의 관점

18세기 후반 아이슬란드 선원들이 자철석으로 인해 나침반 방향이 왜곡되는 현상을 인지한 것은 주목할 만한 사실이다.^[71]

9. 1. 자기 이상 지역 연구

자력계는 철로 된 유적, 가마, 일부 석조 구조물, 심지어는 도랑과 쓰레기 더미까지도 포함하여 고고학적 지구물리학에서 지구 자기장의 미세한 편차를 감지한다. 제2차 세계 대전 중 잠수함 탐지를 위해 개발된 공중 자기 이상 검출기에서 채택된 자기 장비를 사용하여^[69] 해저의 자기 변화가 매핑되었다. 현무암 — 해저를 구성하는 철이 풍부한 화산암^[70] — 은 강한 자성 광물(자철석)을 함유하고 있으며, 나침반의 방향을 국지적으로 왜곡시킬 수 있다. 이러한 왜곡은 18세기 후반 아이슬란드 선원들에 의해 일찍이 인식되었다.^[71] 더 중요한 것은, 자철석의 존재로 인해 현무암이 측정 가능한 자기적 특성을 가지므로, 이러한 자기 변화는 심해저를 연구하는 또 다른 수단을 제공했다. 새로 형성된 암석이 냉각될 때, 이러한 자성 물질은 지구 자기장을 기록한다.^[71]

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