지구 자기장의 형성 원리 : 다이나모 이론(2013, 고3, 4월A)*

우리는 지구가 만들어 낸 커다란 자기장 속에서 살고 있다. 만약 금성처럼 지구에 자기장이 생성되지 않았다면 태양으로부터 쏟아지는 전기성을 띤 입자들을 막지 못했을 것이며, 그 결과 전기 입자들이 지닌 높은 에너지로 인해 대기층이 손상되어 생명체의 생존이 불가능했을 것이다. 이렇게 중요한 역할을 하는 지구의 자기장은 어떻게 만들어진 것일까?

과거의 과학자들은 지구 내부에 고체로 된 영구자석이 들어 있어서 지구 자기장을 형성한다고 추측했다. 이를 영구자화설이라고 한다. 하지만 지구 내부의 온도는 물질이 자성*을 유지할 수 있는 온도, 즉 ‘큐리온도’보다 높기 때문에 이 가설은 설득력을 잃게 되었다.

그 이후에 과학자들은 지구의 외핵을 이루는 물질이 액체 상태로 존재한다는 사실과 그 물질들의 대부분은 전기 전도도가 높은 철과 니켈이라는 점에 주목하였다. 그들은, 외핵을 구성하는 물질들은 유동적인 액체 상태이므로 지구의 자전 운동에 의해 외핵 내부를 순환할 것이고, 이러한 전기 전도도가 높은 물질의 유동적인 순환은 전류 생성의 조건이 될 수 있다고 생각했다. 이와 같은 가정과, 전류가 생성되면 그 주변에 자기장이 형성된다는 사실을 바탕으로 과학자들은 지구 내부에 지구 자기장을 형성하는 시스템이 존재할 것이라고 추측했다. 다만 전기 전도도가 높은 물질의 순환만으로는 전류가 생성될 수 없으므로 전자기유도현상*을 근거로 지구 외부로부터의 자기장이 지구 자기장 형성에 영향을 미쳤을 것이라고 전제하였다.

<그림>

이와 같은 지구 자기장 형성 원리를 증명하기 위해 고안된 장치를 다이나모라고 한다. ㉠다이나모는 <그림>과 같이 중심축과 전기 전도도가 높은 물질로 구성된 회전판, 전류를 계속 순환시키기 위해 중심축과 회전판을 연결한 코일 등으로 구성된다. 우선 중심축을 돌리면 회전판이 함께 움직이게 된다. 이후 <그림>의 h1과 같이 중심축과 평행한 방향으로 1차적인 자기장을 형성시켜 주면 전자기유도현상에 의해 회전판에서 전류가 발생하게 된다. 이렇게 형성된 전류는 코일을 따라 흐르면서 코일 주변에 <그림>과 같이 2차적인 자기장(h2)을 형성하게 된다. 이후 중심축이 계속 돈다면 1차적인 자기장이 없다 하더라도 2차적인 자기장에 의해 전류가 사라지지 않게 되고, 또한 전류가 코일을 따라 계속 순환되기 때문에 2차적인 자기장도 유지될 수 있는 것이다.

이와 같은 원리를 적용하여 지구 자기장의 형성을 설명하고 있는 것이 다이나모 이론이다. 이 이론에 의하면 지구 자기장은 전기 전도도가 높은 물질의 순환과 외부로부터 주어진 1차적인 자기장의 영향에 의해 형성되었다고 할 수 있다.

* 자성: 자석이 갖는 작용이나 성질.

* 전자기유도현상: 자기장 속에서 도체를 움직이거나, 도체의 주변에서 자기장을 변화시키면 전류가 생성되는 현상.

― 도성재․김광호, 「고지자기학」

※ <보기>는 지구의 단면과 지구 내부로부터 형성된 자기장을 나타낸 것이다. 24번과 25번의 두 물음에 답하시오.

<보기>

24. ㉠의 구성 요소를 <보기>의 ⓐ~ⓒ와 대응시켜 바르게 짝지은 것은?

	ⓐ	ⓑ	ⓒ
①	중심축	2차적인 자기장	회전판
②	회전판	1차적인 자기장	코일
③	중심축	1차적인 자기장	회전판
④	회전판	2차적인 자기장	코일
⑤	코일	2차적인 자기장	중심축

25. <보기>와 관련지어 윗글을 이해한 내용으로 적절하지 않은 것은? [3점]

① ⓐ를 중심으로 한 지구의 자전은 ⓑ가 유지되는 것에 영향을 미치겠군.

② ⓐ를 중심으로 한 지구의 자전으로 인해 ⓒ를 구성하는 물질들이 순환하는 것이겠군.

③ ⓑ가 형성되었더라도 지구 외부로부터의 자기장에 계속 영향을 받지 않는다면 ⓒ에서 발생한 전류는 유지될 수 없겠군.

④ ⓒ를 구성하는 물질들의 전기 전도도가 높은 것은 ⓑ를 형성하는 조건이 되었겠군.

⑤ ⓒ를 구성하는 물질들이 순환하고 있더라도 지구 외부로부터의 자기장이 없었다면 ⓒ에는 전류가 발생할 수 없었겠군.

24. [출제의도] 글의 내용 적용하기

ⓐ는 지구의 자전축으로서 다이나모에서는 회전판을 돌게 하는 중심축에 해당한다. ⓑ는 지구 자기장으로서 다이나모에서는 코일을 타고 흐는 전류에 의해 형성된 2차적인 자기장에 해당한다. ⓒ는 외핵으로서 다이나모에서는 회전을 통해 전류가 생성되는 회전판에 해당한다. 정답 ①.

25. [출제의도] 반응의 적절성 판단하기

4문단을 통해 지구 자기장이 형성된 후에는 지구 외부로부터의 자기장이 없더라도 전류가 사라지지 않는다는 내용을 확인할 수 있기 때문에, 지구 외부로부터의 자기장에 계속 영향을 받지 않는다면 외핵(ⓒ) 속에서 발생한 전류가 유지될 수 없다는 진술은 적절하지 않다.

① 3문단과 4문단을 통해 ⓑ(지구 자기장)가 유지되려면 ⓐ(자전축)를 중심으로 한 자전이 필요함을 알 수 있다. ④ 3문단을 근거로 ⓒ(외핵)의 구성 물질이 전기 전도도가 높다는 것이 ⓑ(지구 자기장)를 형성하는 조건임을 확인할 수 있다. ⑤ 3문단을 통해 전류가 형성되려면 ⓒ(외핵) 속 물질들의 순환뿐 아니라 지구 외부로부터의 자기장이 필요함을 알 수 있다. 정답 ③.