현재 지구 자기장은 자남극에서 흘러나와 자북극을 통해서 흘러들어간다. 그런데 그 방향이 정반대로 바뀌어 자북극에서 자남극으로 자기장이 흐를 수도 있다. 이를 지자기 역전이라고 하는데, 그렇게 되면 나침반의 N극과 S극이 서로 뒤바뀌게 된다.
지자기 역전은 지구 역사상 수차례 발생했던 현상으로서, 20~30만 년 만에 한 번꼴로 일어났다. 이 일이 마지막으로 일어난 것은 78만 년 전으로서, 매우 오랫동안 지자기 역전이 일어나지 않은 셈이다.
기존 연구에 의하면 지자기 역전 현상이 한 번 일어나기 위해선 4000년에서 2만년의 기간이 소요되는 것으로 알려져 있다. 그런데 자기장 역전이 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 빨리 일어날 수 있다는 새로운 연구 결과가 최근에 발표됐다.
이 연구를 진행한 미국 리즈대학의 크리스토퍼 데이비스 교수는 “자기장의 흐름은 매우 격동적인데, 간단히 말해서 냄비 속에 담긴 끓는 물의 흐름과 같을 수 있다”고 밝혔다.

자기장 흐름, 냄비 속의 끓는 물처럼 격동적

지구 자기장이 역전을 향해 나아가고 있다는 징후는 여러 곳에서 발견되고 있다. 지구 자기장의 변화는 수세기 전부터 선원들의 항해일지에 기록돼 왔으며, 최근에는 수많은 위성과 관측소들이 그런 변화를 포착해 왔다.
먼저 가장 눈에 띄는 변화는 자북극의 위치가 빠르게 변하고 있다는 사실이다. 기존 연구에 의하면 자북극은 1831년부터 캐나다 북쪽에서 러시아 시베리아 방향으로 1년에 약 12㎞의 속도로 천천히 이동하고 있다. 그런데 최근 수년간 연평균 55㎞에 이를만큼 그 속도가 빨라졌다.
지난 200년간 지구 자기장이 약 15%나 약해졌다는 점도 역전이 일어날 징후 중의 하나다. 특히 아프리카와 남미 사이의 지역은 자계 강도의 변화가 심하다. ‘남대서양 변칙(South Atlantic Anomaly)’으로 알려진 이 이상 현상이 일어나는 지역은 그 면적이 증가해 매년 약 20㎞의 속도로 서쪽으로 이동하고 있다.
그런데 아주 먼 과거에 일어난 자기장의 변화를 추적하는 일은 훨씬 더 어렵다. 지자기 역전은 이미 알려진 현상이지만, 그 구체적인 메커니즘에 대해서는 아직 밝혀야 할 것이 많다.
이번 연구를 진행한 연구진은 지자기 역전 과정의 소요 기간이 얼마나 걸릴지를 알아보기 위해 지난 10만 년간 일어난 자기장 관측 데이터를 이용한 새로운 모델을 사용했다. 그 데이터에는 해양 퇴적물과 암석에 표시된 용암의 흐름, 그리고 자기장의 변화가 나타난 인공 구조물이나 유물 등이 모두 포함된다.

적도 지방에서 중심핵 역전 현상 잦아

연구진은 그런 데이터를 지구 자기장이 만들어지는 중심핵의 움직임에서 나오는 자기장 생성 물리학을 응용한 컴퓨터 시뮬레이션과 결합시켰다. 그 결과 연구진은 자기장이 약해지는 구역에서 자기장이 연간 10도 정도 방향을 바꿀 수 있다는 사실을 알아냈다.
이 속도는 이전 모델들이 제시한 것보다 약 10배, 그리고 현대 관측에서 볼 수 있는 변화보다 약 100배나 더 빠르다. 시뮬레이션에 의하면, 용융된 중심핵의 영역이 방향을 반대로 바꾸면 자기장 방향이 급격히 변하는 것으로 나타났다.
이러한 중심핵 역전 현상은 적도 부근의 지점에서 더 자주 나타났는데, 이는 과학자들이 저위도 지역에서 급격한 자기장 방향 변화를 관찰한 사실과 일치한다.
데이비스 교수를 포함한 공동 연구진은 “저위도 지역, 즉 적도 지방이 가장 빠른 변화를 일으키고 있다는 이 새로운 증거는 과학자들이 앞으로 그곳에 관심을 기울여야 한다는 사실을 시사하고 있다”고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판 7월 6일 자에 게재됐다.
지구 자기장은 태양에서 뿜어내는 대전입자를 비롯해 은하계를 통과해 들어오는 우주방사선을 막아주는 방어막 같은 역할을 한다. 따라서 지자기 역전 시 자기장이 일시적으로 없어지게 되면 많은 생명체들이 피해를 입거나 전자기기들이 이상을 일으킬 수 있다. 또한 철새나 고래 등 자기장을 감지해 이동하는 동물들에게는 엄청난 혼란을 야기할 수도 있다.
하지만 지자기 역전이 일어난다고 해도 생물 대멸종까지는 이어지지 않을 것으로 추정한다. 현생대에 들어서 지자기 역전 현상이 수백 번 이상 발생했으며, 인류의 조상이 처음 등장한 이후 수백만 년간의 진화 과정에서 이미 수차례 이런 현상이 일어났음에도 생명체들은 존재하기 때문이다.