신선한 ......
■ 공기와 대기
. BC 500년경 그리스의 아낙시메네스(Anaximenes)는 만물의 근원은 공기라고 하는 일원설(一元說) 주장
“우리의 영혼은 공기이며, 우리를 지배 유지하고 있듯이 전세계도 기식(氣息)과 공기가 포괄하고 있다”고 함
. 엠페도클레스(Empedokles)와 아리스토텔레스도 공기를 포함시킨 4원설을 주장. 공기가 물질이며 무게를 갖고 있다는 것을 처음으로 밝힌 사람은 갈릴레이 . 1774년 A.L.라부아지에에 의해서 공기가 산소와 질소로 이루어져 있음을 밝힘 . 공기의 조성이 일정하다는 사실은 H.캐번디시, 게이 뤼삭에 의해 확인
. 하층의 대기는 공기의 운동에 의하여 상하의 공기 혼합이 잘 되어 조성비(組成比)가 일정 . 지표 부근에서 수증기를 제외한 건조공기의 성분 (부피백분율, 시간 장소 계절 등에 따라 변동)
. 질소(N2) 78.084 %
. 산소(O2) 20.946 %
. 아르곤(Ar) 0.934 %
. 네온(Ne) 0.0018 %
. 헬륨(He) 0.000524 %
. 메탄(CH4) 0.0002 %
. 크립톤(Kr) 0.000114 %
. 수소(H2) 0.00005 %
. 산화질소(N2O) 0.00005 %
. 크세논(Xe) 0.0000087 %
. 이렇게 공기의 농도가 일정하게 유지되는 이유는 대기의 운동에 따른 혼합작용 때문
. 그러나 90 km 이상의 상공에서는 혼합작용보다 확산작용(擴散作用)이 더 많이 일어나며,
수소나 헬륨과 같이 가벼운 기체들이 보다 풍부해짐
. 공기 중의 농도가 일정하지 않은 기체들
수증기·오존·이산화탄소·이산화황·이산화질소 등 (부피 백분율의 변화 범위)
. 수증기(H2O) 0 ~ 7 %
. 이산화탄소(CO2) 0.01~0.1 % (평균 0.032)
. 오존(O3) 0~0.01 %
. 이산화황(SO2) 0~0.0001 %
. 이산화질소(NO2) 0~0.000002 %
. 특히 오존은 지상에서 20∼50 km 높이에 다량 분포되어 있으며, . 미량(微量)이지만 기상에 미치는 영향은 큼 . 이산화탄소와 오존을 제외하고 대략 80 km 까지는 조성의 기체가 일정하게 분포
. 아주 높은 상공 (80 km 이상)
. 공기의 상하운동이 거의 없어서 혼합작용이 감소되므로
. 공기분자 자체의 분자운동으로 성분기체 무게 차이별로 위 아래로 분리됨 . 인공위성 관측에 의하면 대기는 조성별로 성층(成層)을 이룸 . 지상 120 km 층까지 주로 질소와 산소 . 120∼1,000 km 층은 산소 . 1,000∼2,000 km 층은 헬륨 . 그 이상 1만 km까지는 수소
. 전리층, 지구의 천장 연합.뉴스, 2008.12.24.미 공군 조사연구소는 자체 운영 위성의 자료를 분석한 결과 지구를 감싸고 있는 전리층의 현재 고도가 예상보다 200㎞나 낮은 약420㎞로 드러났다고 미 지구물리학연맹(AGU) 연례회의에서 발표했다. 전리층의 교란은 위성이나 레이더 통신 장애를 일으킬 수 있기 때문에 전리층의 움직임은 우주 기상의 중요한 요인이 된다.
이온층이라고도 불리는 전리층은 태양의 자외선에 의해 대기권 상층부가 심하게 요동해 대기 구성물질 원자와 분자가 자유 전자와 양이온으로 갈라지면서 형성된 약한 플라즈마 층을 가리킨다. 지구 전리층의 높이는 밤에는 420㎞, 낮에는 800㎞까지 올라가는 것으로 탐지됐다. 그러나 AGU 회의에 참석한 과학자들은 전리층의 전형적인 고도는 밤에는 640㎞, 낮에는 960㎞라고 지적했다.
■ 산소 (O2)의 발생
현재 지구 표면 대기 중 산소는 질량 기준으로 23.3% (부피 백분율로는 21%) 이다. 사람은 보통 하루에 약 200 ∼ 500 리터 (약 300 ∼ 800g)의 산소를 소모한다.
약 46억년 전 초기의 지구는 대기의 구성이 지금과 매우 달랐는데, 주로 수소, 메탄, 암모니아와 수증기로 되어 있었다. 소행성 충돌로 인한 지구 생성 과정에서 마그마의 바다인 지구와 소행성 충돌 시 기체가 발생하여 이산화탄소, 질소 수증기 등으로 구성된 대기가 형성되었다. 산소 기체는 충돌과정에서 발생한 것이 아닌 유기물에 의해 생성된 것으로 추정된다.
지구의 산소는 약 32억년 전쯤 광합성을 할 수 있는 엽록소를 지닌 원시적인 물이 생긴 후 그 양이 증가했다.
그러나 32억년 전만 해도 공기 중에 산소가 없었으므로 태양으로부터 오는 강력한 자외선을 차단해 생물을 보호해주는 오존층이 아직 없었기 때문에 지구는 생명체의 유지가 어려웠다. 그러나 물은 자외선을 차단해 생명을 보호할 수 있어서 깊은 물 속에서 광합성을 할 수 있는 엽록소를 지닌 생명체가 생겨나서 산소를 만들기 시작했다. 처음에는 그 양이 매우 적어 그 후 약 10억 년간은 수중에서 생긴 산소가 모두 물 속에 녹아 버렸지만, 그 후 지금으로부터 약 22억년 전쯤에는 산소가 바닷물에 더 이상 녹을 수 없을 정도가 되어 산소가 대기 중으로 뿜어져 나오기 시작했다.
8억년 전쯤부터 오존층이 생기기 시작했는데, 그 후에 지구상에는 식물이 급격히 증가하게 되었고, 공기중의 산소의 양도 빠른 속도로 늘어나게 되었다. 식물의 푸른 잎은 엽록소를 지니고 있는데, 이것은 뿌리로부터 올라온 물과 공기 중의 이산화탄소와 태양에너지를 합하여 탄소동화작용을 하고,. 이때 나무는 부수적으로 산소를 만들어 낸다. 식물이 매년 대기 속으로 방출하는 산소의 총은 대략 2천억t 정도다.
조류를 현미경으로 관찰하여보면 산소생성에 중요한 기관인 엽록소가 발견된다. 주간에 광합성을 하고 야간에 모래흡착을 하는 과정이 반복되면서 청색조류에 의한 스트로마톨라이트가 성장하게 된다. 오스트레일리아 North pole에는 세계에서 가장 오래된 화석들이 발견되는데 이곳에서 35억 년 전으로 추정되는 최초의 생명 흔적을 발견할 수 있다. 오스트리아에서 적층 구조의 스트로마폴라이트를 발견하였는데, 이는 35억 년 전에 산소 생성물이 존재했었다는 것을 의미한다.
남극에서 발견되는 철운석을 통해 최초 바다 생성과정에서 많은 철과 소금이 다량 바다로 유입되어 있었다는 것을 추정할 수 있는데, 스트로마폴라이트가 만들어낸 산소는 이런 바다의 철 성분과 화학반응을 일으켜 녹 성분을 만들어내고 바다는 적황색의 바다가 되어 이후 녹이 침전되는 과정에서 지구에 장기간에 걸쳐 큰 영향을 미친다. 오스트레일리아 서부에 위치하고 있는 해머슬리 철 광산은 자연 노두 철 광산으로서 동서 500㎞, 남북 200㎞에 걸쳐 순도 95% 이상의 철이 매장되어 있는 철 광산으로 철 퇴적층의 형성으로 생성된 것이다.
유기물이 퇴적층 바위에 기록한 당시 상황을 보면 계절에 따라 활동상황을 달리하여 퇴적층에 옅은 겨울에는 녹색, 여름에는 적색의 퇴적 흔적을 남기고 있다. 해머슬리 철광산 퇴적층의 두께는 약 1500m로 1m의 퇴적층 두께를 형성하는데 약 7000년 정도가 걸린다. 왕성하게 산소물질이 생성된 기간은 약 20~18억 년 전으로 철 성분이 모두 퇴적한 후 산소에 반응할 철 성분이 사라지게 되자 바다에서 산소는 포화상태에 이르러 대기로 산소를 방출하기 시작한다. 산소가 다른 기체들과 함께 대기를 구성하면서 산소를 사용하는 생명체들이 나타나 진화하면서 진화의 속도가 빨라지고 20억년이 지난 현재에 이르게 되었다.
■ 중력 작용
□ 중력
질량이 있는 모든 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘(만유인력)이 작용한다. 특히 지구가 물체를 잡아당기는 힘을 중력이라 한다. 이 때의 중력이란 만유인력과 지구의 자전에 따르는 원심력을 더한 힘이다.
. 만유인력 F = G * M * m / R^2 . M, m = 두 물체의 질량 . R = 두 물체 사이의 거리 . G = 만유인력 상수 ( 6.67259×10^-11 N·m^2·kg^-2)
만유인력 상수 G는 매우 작기 때문에, 질량이 매우 큰 경우에만 힘 F가 느낄 수 있는 정도의 크기가 된다.
물질의 중력 작용을 하는 중력자는 물리학 소립자 사이의 상호간에 작용하는 기본 힘 중의 한 가지 이다. 물질의 소립자 중 기본적인 상호작용(Fundamental interaction, 基本相互作用, “자연계 4대 힘” 등으로도 부름)의 힘을 전달하는 Gauge입자 4가지 (Gluon, Photon, Boson , 중력자) 중의 하나이다. 다만 중력적 상호작용을 양자역학에 적용시키기 위해 가정되었을 뿐이다. 광속도로 움직이고 정지질량(靜止質量)과 전하(電荷)는 없으며 스핀(spin)은 2가 된다고 예측된다.
□ 무중력
무중력 (無重力, nongravity)이란 중력이 없는 상태, 즉 어떤 물체의 무게를 거의 느낄 수 없는 상태를 말한다. 중력장(重力場)의 양자로서 도입된 입자이며 중력양자라고도 한다. 질량을 가진 모든 물체 사이에서는 중력자를 교환함으로써 중력이 작용한다. 그러나 소립자 세계에서 이 힘은 무시되어도 좋을 만큼 작으며 또 이러한 입자가 실제로 관측된 적도 없다.
2백m 높이의 63빌딩에서 엘리베이터를 타고 내려오는데 갑자기 줄이 끊어졌다고 생각해 보자. 이 때 엘리베이터 안에 있는 모든 물체는 엘리베이터와 함께 떨어진다. 발 밑에 체중계가 있다면, 체중계에 힘을 작용하지 않게 되므로 체중계의 눈금은 0이다. 동전을 떨어뜨려도 바닥으로 떨어지지 않는다. 7초 정도의 짧은 순간이지만 무중력 상태가 만들어진다.
번지점프를 할 때, 우리의 몸은 무게를 느끼지 않게 되는데 이를 무중력 효과라 할 수 있다. 무중력 상태에서는 물이 든 컵을 거꾸로 기울여도 물이 전혀 쏟아지지 않는다. 따라서 무중력 상태인 우주선 안에서 음료를 마시기 위해서는 중력의 힘이 아닌 사람이 빨아들이는 힘이 있어야 하므로 빨대가 필요하다. 또한 위치 감각이 없는데, 이는 몸이 기울어졌는지 아닌지 위치를 감각하는 것은 내이에 있는 전정기관에서 중력의 자극으로 알 수 있기 때문이다. 그리고 대류 현상도 일어나지 않는다. 대류란 상대적으로 따뜻한 공기나 물은 가벼워서 위로 올라가고 차가운 공기나 물은 무겁기 때문에 아래로 내려오는 현상인데, 여기서 무겁다는 것과 가볍다는 의미가 중력 때문에 생기는 것이기 때문이다. 따라서 무중력 상태에서는 바람이 불지 않는다.
비행기를 이용한 무중력훈련은 위로 솟아오르는 관성력과 밑에서 작용하는 중력의 평형이 이루어지는 원리다. 무중력훈련을 할 때 2G상태와 무중력상태가 8회 정도 반복되어 훈련을 받는다,
무중력 비행은 비행기가 상공 6000미터부터 전속력으로 급상승 하는데 이때 중력이 두 배(2G)가 된다. 고도 8500부터는 가속도를 줄이므로 이 때부터 고도 9000미터까지 오를 때 무중력 상태를 느끼며, 또 고도 9000에서 8500미터까지 하강할 때 무중력을 느낄 수 있다.
. 무중력의 이용
무중력을 이용하면 물질이 일정하게 섞이므로 100%에 가까운 고순도 제품생산이 가능해 진다. 실제로 순도99.9999%의 구리가 순도99.99%의 구리에 비해 저온에서 열전도율이 거의 10배라 알려져 있다. 그러나 무중력의 상태를 만드는데 비용이 많이 들기 때문에 극히 제한적인 분야에서만 사용되고 있다.
무중력 볼펜은 자력의 원리를 이용하여 유체를 이동 시키므로서 무중력에서도 사용 가능한 우주 만년필이며,
무중력 혼합기는 회전력에 의해 Paddle이 원료를 혼합실 중앙상층부로 퍼 올려 주면 유효 부피가 증가 하면서 순식간에 무중력 Zoon이 형성되어 혼합을 완료하는 화학공정 중의 혼합장치이다.
. 허치슨 효과의 허실 (퍼온글)
허치슨효과는 니콜라테슬라 박사의 테슬라 코일을 이용해 전자기력을 발생, 중력장을 성공적으로 조절한 캐나다의 존 허치슨(Dr. John Hutchison)의 이름에서 비롯되었다. 그는 두 개의 커다란 고압발생코일(테슬라 코일)을 서로 마주보게 설치하고 코일의 끝에 각각 정전기 발생장치를 부착했다. 이 장치를 이용해 고압을 발생시키면 그 주변에 특수한 공간이 형성돼 금속이든 비금속이든 관계없이 물체가 반중력을 얻어 공중에 떠오르게 된다. 이를 '허치슨 효과'라고 한다.
이 효과를 100%응용할 수만 있다면 중력을 차단하거나 이용할 수 있는 장치를 만들어내어 내연기관의 발명보다 더 큰 효과를 갖고 올 수가 있다. 예컨대, 현재의 고속도로와 철도는 한물간 교통수단이 되고, 비행기는 UFO처럼 날개가 없이도 이착륙이 가능하다.
이 실험 중에 파괴된 물체의 단면에서 전혀 다른 성분이 검출된다. 캐나다 토론토 대학에서 조사한 바에 따르면 강철 파편 속에서 실리콘 원소가, 알루미늄 파편 속에서는 구리 원소가 다량으로 검출되었다고 한다. 고압방전과 정전기장에 의해 주변에 특수한 반중력 공간이 형성될 뿐 아니라 물질 변환도 가능하다는 점이 허치슨 장치의 특징이다.
허치슨 효과는 두 개의 테슬러 코일 사이에서 물체가 중력의 영향을 받지 않는 현상으로, 참가한 실험자들은 반중력 현상이라 주장하고는 있으나 두 번 다시 재연되지 못했기 때문에 사기라는 오명을 가지고 있는 대표적인 반중력 현상 케이스이다.
허치슨 효과나 반중력은 과학적으로 근거가 없고, 실험적으로도 증거가 없다. 그렇기 때문에 과학자들은 허치슨 효과나 반중력을 단지 개인의 착각 또는 속임수 정도로 생각한다.
. 허치슨 효과의 주장이론
물질은 고유진동수를 가지고 있으며, 이 고유진동수와 동일한 진동수로 공진시키면 진폭이 늘어나게 된다. 따라서 아무리 작은 진폭을 가진 물질이라 하더라도 이론상으론 원하는 크기의 진폭을 얻을 수 있다. 그러나 물질마다 고유진동수가 다르기 때문에 임의의 물질을 공진시키기 위해서는 물질마다 물질에 맞는 주파수로 조정해 주어야 된다.
테슬라 코일은 교류전류 즉 전자를 공진시켜 전압을 증폭시키는 장치이다. 이론적으로 무한대의 전압으로 올릴 수 있지만, 이럴 경우 콘덴서의 한계치에 도달하여 콘덴서가 폭발하기 때문에 콘덴서의 용량에 맞추어 중간에서 더 이상의 전압이 오르지 못하도록 방전하도록 만들어져 있다. 따라서 테슬러 코일을 통하여 고전압이 형성되면 물체내의 전자는 들뜬 상태가 되어, 물질을 임의의 진동수와 진폭으로 만들 수있게 된다. 단일의 테슬러 코일로는 고유진동수를 가진 물체의 진동수와 진폭을 일정한 수준 만드는 역할을 하게 되어 겉으로 보기에는 특별히 별다른 효과는 없을 것이다. 그러나 이와 같이 임의로 만들어진 진동수와 진폭을 가진 물체에 또 다른 테슬러 코일로 공진시킨다면 물체의 진폭은 증가하게 될 것이며, 진동수와 진폭이 Af = 3950 [m/s]의 관계에 도달하게 되면 무중력상태가 되어 떠 오를 수 있게 된다는 것이다.
그렇다면 문제는 그 동안 왜 실험이 재연되지 못했냐는 것이다. 이유는 간단하다. 무중력상태가 되는 원인을 모르기 때문이며, 기존의 물리법칙에 세뇌 당한 상태에서 어떻게 실험을 하여야 할지 알 방법이 없고, 때문에 그러한 실험이 행해졌다는 단순한 사실만으로 비슷한 실험환경을 만들어서 실험을 반복하게 되므로, 정확한 주파수로 공진시킬 수가 없게 되고, 그러므로 진폭은 증가하지 않게 되며, 따라서 진동수와 진폭과의 관계가 Af=3950[m/s]에 도달하지 못하게 되는 것이다. 그러니 실험의 재연이 실패한 것이 어쩌면 당연한지도 모른다.
그러나 단순히 파동을 공진시키는 것이 아니라 물질 자체를 공진시키는 것이므로, 물질이 불균질 할 경우에는 물질의 양단이 서로 다르게 증폭 진동함으로 인하여 물체는 파괴될 수 있다. 한마디로 허치슨 효과를 실험했던 존 허치슨은 벤자민 프랭크린이 번개에 맞아 죽지 않은 것보다도 훨씬 더 운이 좋았다고 봐야 하는 것이다.
□ 반중력 장치는 과연 상상 가능한 것인가?
1952년, 영국인 존 설(John Robert Roy Searl)은 자신이 개발한 원반 모양의 반중력 장치를 공개했다.
그는 티탄, 네오디미움, 철, 알루미늄, 나일론 66등 5가지 재료를 섞어서 만든 원통형의 영구자석 주위에 12개의 원기둥형 영구자석을 균일하게 부착시키고 그 바깥쪽에 다시 같은 방식으로 해서 3중의 사적 모형을 만들었다. 이때 가운데 원기둥을 전기 모터로 회전시키면 주변의 원기둥 자석과 원통 자석도 함께 회전하는데, 가장 바깥쪽에는 발생한 전기를 모으는 장치가 있다.
스위치를 넣자 모터가 서서히 회전하면서 10만V의 고압이 발생하고 주변에 강력한 정전기장이 형성되면서 오존과 같은 독특한 냄새가 나기 시작했다. 그런데 회전의 속도가 높아지면서 이 장치가 공중으로 떠오르기 시작했다. 모터와 연결 된 선이 끊어졌는데도 장치는 회전 속도를 더욱 높으면서 계속 공중으로 올라갔다. 그러다 15M 상공에 도달하자 주변에 분홍색 광선이 발산하면서 장치는 엄청난 속도로 하늘 높이 사라져 버렸다.
그 후 설은 41개의 비슷한 장치를 만들어 하늘로 날리는 실험을 되풀이했다. 시간이 지나면서 그는 무선하디로의 주파수를 변화시켜 이 장치의 움직임을 어느 정도 조절할 수 있다는 것을 알았다. '원반형 물체가 시계방향으로 초고속으로 회전하면, 중량이 점점 줄어들어 영(0)이 됐다가, 나중에는 마이너스가 되면서 중력대신 반중력을 받는다' 는 것이다.
이러한 주장에 대해 과학계는 '근거없다'고 일축하며 비판을 퍼부었다. 하지만 '설의 효과 (Searl Effect)'라 불리는 이러한 현상에 대한 뜨거운 논쟁을 불러일으키게 된다. (www.searleffect.com) 심지어, 2차 대전 당시 히틀러가 SEG(Searl Effect Generator)를 만드는데 성공했고, 이를 응용한 UFO 편대를 제작하려 했다는 주장도 있다. 현재까지 수없이 출몰해 온 UFO들은 외계생명체가 보내 온 것이 아니라 세계 각국이 비밀리에 SEG를 실험하는 것이라는 주장도 여기서부터 비롯된 것이다.
■ 밀란코비치 사이클 (Milankovitch cycle)
“ウィキペディア（Wikipedia）”
밀란코비치 사이클(Milankovitch cycle)이란,
. 지구 공전 궤도의 이심율, 자전축 기울기의 주기적 변화 그리고 자전축의 세차운동이라고 하는 세가지 요인에 의해 일사량이 변동하는 주기를 말함
. 이론적인 계산에 의하면 그 주기는 약 2 만년, 약 4 만년, 약 10 만년이라고 하는 3가지로 크게 나눌 수 있음
밀란코비치 사이클(Milankovitch cycle)을 결정짓는 변화 요소
. 현재부터 100만년 전까지의 정보를 이용 . 일사량(日射量)의 결정요소가 빙하기의 변화를 초래함
. 세차운동(歳差運動, Precession): 3가지의 주기 19,000년, 22,000년, 24,000년 . 자전축의 경사각(傾斜角, Obliquity): 변화 주기 41,000년 . 공전 궤도의 이심율(離心率, Eccentricity): 변화 주기 95,000년, 125,000년, 40만년
. 이 3가지의 요인을 기준으로, . 북위 65도에서의 경우 일사량은 복잡한 변화를 나타내는데 이것을 계산할 수 있음 . 빙상규모의 변화는 일사량(日射量)의 변화와 상관되는 것으로 봄
. 지구 자전축의 기울기의 변화 . 현재의 값은 23.4도이지만, 22.1도에서 24.5도의 사이를 변화함 . 주기는 4만 1000년 . 지구 자전축의 세차운동 . 지구 자전축은 팽이 꼭지 모습의 운동과 같은 거동을 보임 . 주기는 약 2만 5800년 . 지구 공전 궤도 . 실제의 이심율과는 다른 타원임을 극명하게 강조함
1920~30년대에 세르비아의 지구물리학자 밀란코비치(Milutin Milankovitch)가 지구로 들어오는 일사량(日射量)의 위도 분포와 계절 변화에 대해 당시 얻을 수 있는 최고로 정밀한 공전 궤도 변화의 이론을 이용하여 꽤 정확한 일사량 장주기 변화(長周期 変化)를 계산한 것임
. 연혁
밀란코비치 사이클(Milankovitch cycle)로 산출되는 일사량 변화는 북극이나 남극의 빙상 규모의 변화 또는 빙하기나 간빙기가 오는 연대를 구하는 데에 유효함
다만, 그 계산이 복잡하여 이론과 실제가 다른 경우가 있기 때문에 항상 검산이 요구됨
밀란코비치 산출한 수치는 1960년대까지 지질학자들 사이에서 이용되어 왔지만, 1959년에 시카고대 교수 리비(Willard Frank Libby)에 의해서 개발된 방사성 탄소 연대 측정법 등이 발전되어 보급됨에 따라, 60년대 한 때는 소용없는 듯했음
그러나, 70년대에 해양 바닥을 뚫는 보링 조사를 하여 채취된 샘플에 남겨진 미생물(유공충, 有孔虫) 화석의 산소 동위원소 비율로부터 얻을 수 있는 기후 변동의 주기가 밀란코비치가 산출한 수치나 계산법으로 얻을 수 있는 값에 가까운 값임이 밝혀져 그의 가설이 재조명 됨
. 밀란코비치 사이클(Milankovitch cycle) 계산의 어려움
밀란코비치 사이클을 계산하기 위한 요소인 공전 운동이나 자전은 태양이나 달을 시작으로 하므로 여러 가지 물리적 조건에 영향을 받음
예를 들어 지구 자전은 달의 인력에 의한 해수의 간만 작용에 의해서 해수와 해저의 마찰이 일어나게 되고, 지구의 자전 속도가 감속되는 등의 영향을 줌. 즉 20억 년 전은 자전 주기가 약 20시간 즉, 1일은 20시간이었음. 그래서 1일 20시간 경우의 사이클을 계산하게 되므로 그 수치 변화는 현재와 비교해서 단기간이 되므로 분명 격렬해지는 것이 예상됨.
이론상 당시는 현재의1/4정도의 주기였으리라고 생각됨
그런데 지구 자전축이 23.4도 기울어졌다고는 하지만, 수만 년 단위로 볼 때, 실제로는 22.1도에서 24.5도의 사이에서 흔들리고 있음. 또, 공전 궤도도 동그란 원이 아니라 약간 타원을 이루고 있음. 즉, 태양에 가까운 근일점(近日点) 과 태양으로부터 멀어진 원일점(遠日点)이 있음
자전축이 기울어 져, 예를 들면 북극이 근일점으로 태양의 방향을 향하고 있으면 분명하게 여름은 더워지며, 겨울은 원일점이 되어 자전축은 태양보다 먼 곳을 향하므로 매우 추워짐. 한편, 북극이 근일점으로 태양과 역방향이 되면, 겨울은 따뜻하게 되며, 원일점으로 태양 쪽에 향하므로 여름은 시원해짐.
이것을 이토타카시사(伊藤孝士)씨는 1993년 ”세차인자(歳差 因子)” 라고 불렀음, 또 자전축은 기울기가 크면 극지방에 입사 하는 일사량이 커져 빙상이 녹아 작아지며, 자전축의 기울기가 작으면 극지방에 입사 하는 일사량이 줄어 들어 빙상은 성장하기 쉽게 됨.
이러한 세 가지 요소가 서로 얽혀 1 만년부터 10 만년의 규모로 변화하며 극지방 빙상의 크기가 변화하거나 수만 년마다 빙하기나 간빙기가 오거나 하는 것임
. 최근 100 만년과 250 만년 사이의 기후 변동과 밀란코비치 사이클(Milankovitch cycle)
최근 100 만년을 보면 90 만년 전, 75 만년 전, 그리고 39~40 만년 전에는 공전 궤도가 동그란 원에 가까웠고, 북위 65도에서의 일사량이 1 m2 당 480 W 정도지만, 95만~100 만년 전, 60 만년 전, 그리고 20 만년 전에는 공전 궤도가 비교적 격렬했고, 타원이 되어, 자전축도 80 만년 전은 22.3~22.7도 전후에서 변동하던 것이 22.5~24도 사이를 격렬하게 요동하며 움직이게 되었고, 일사량도 440~540 W 사이를 격렬하게 변화하여, 추운 빙하기와 따뜻한 간빙기가 반복했음을 알 수 있음
한편, 화석의 증거를 이용하여 해수온도를 직접 추정할 수 있음
최근 250 만년을 보면 70 만년 전까지 2만~4 만년의 주기로 유공충(有孔虫) 화석 내부의 산소 동위원소 비율이 변화해서 무거운 산소 18 이 많고, 추운 해라고 생각할 수 있는 기간과 해수량으로 부터 추측할 수 있는 빙상이 발달한 기간이 일치함을 알았음. 반대로, 일반적인 산소 16이 많은 더운 해는 빙상이 작아진 것으로 판명되어 주기적인 변동을 확인할 수 있었음. 70 만년 전부터 10 만년 단위로 산소 동위원소 비율 변화처럼 기간이 길어지고 있음
거시적으로 보면 10 만년 단위로 변화하는 것을 볼 수 있지만, 미시적으로 보면 ”세차 인자(歳差 因子)”와 자전축 기울기의 변화에 의해서 일사량이 매년 변화함. 본래 의미로 밀란코비치 사이클의 일사량은 2만~4만년 단위로 증감이 반복되고 있지만, 70 만년 전부터 2만~4 만년 단위로 빙상 규모가 크게 변화하지 않게 된 이유에 대해서는 아직 잘 모름.
■ 빙하주기
네이쳐(Nature)지에 빙하주기가 10만년이 아니라 12만 4천 년에 가깝다는 연구 논문이 실림
. 지금부터 300만년 전부터 270만년 전까지 살았던 식물 화석이 쌓였던 유럽의 한 호수바닥 퇴적층에서 가져온 식물 자료를 바탕으로 당시 기후 변화를 연구한 것임
. Nature 397,685.688(1999), 25 February 1999 (University of Cambridge)
. 이 퇴적층은 계절에 따라 나무 나이테처럼 밝고 어두운 띠가 번갈아 가면서 나타남. 식물은 겨울에 적게 자라고 여름에 많이 자라, 따라서 호수 바닥에 쌓이는 식물 량도 계절에 따라 차이가 나고 이 차이가 색깔 차이를 가져오는 것임
(본문 중)
플라이어신(Pliocene: 300만년에서 260만년 전, 鮮新世) 시기는 지구의 기후 변화 시스템을 이해하는데 매우 중요한 기간임. 지구가 점진적으로 차가워지는 시기였으며 그 결과 지구상의 빙하가 증가하고 북반구의 활발한 빙결작용이 시작되었음.
이 시기의 기후 변동, 이 시기의 지구상 식물의 반응에 대한 대륙적인 기록을 분석한 것
헝가리에 있는 푸라 분화구의 호수에서 해마다 얇은 판자모양으로 층층이 쌓여 있는 침전물들은 과거 300만년에서 260만년 전의 32만년 동안의 지구 기후 변화의 기록을 담고 있음
그 기록의 스펙트럼 분석에 의하면 황도 경사와 세차 운동의 주기 동안에 들어오는 태양 복사에 대한 지상의 반응을 알 수 있지만, 가장 강력한 지상의 반응은 124,000년의 주기를 가지고 일어나는 것임
푸라 분화구의 기록은 124,000년의 주기를 가지는 온도 시스템의 내부적으로 유도된 비선형적인 반응들은 최소한 지난 플라이어신 기간 동안에 일어난 큰 규모의 환경변화를 유도한 세차 운동과 황도 경사의 궤도 주파수에 가해지는 외부적인 힘만큼 중요하다는 것임 (중략)
그러므로 푸라 분화구로부터 얻어진 결과들은 세차 운동과 황도 경사의 궤도 주기와 더불어 내부적으로 일어난 124,000년의 주기성을 가지는 비선형적인 기후 변화도 지상의 식물의 역학적인 변화를 유도하는데 중요한 역할을 하며, 광범위한 환경적인 변화와도 충분한 관계성이 있음을 나타냄
■ 지구온난화
. 빙하주기
지난 100만년 동안 적어도 일곱 번의 빙하기가 찾아왔었다.
빙하기와 간빙기가 교대로 찾아오는 이유는
. 지구가 태양을 중심으로 회전하는 방식, 즉 공전의 형태; 공전궤도는 원칙적으로 원을 그리는 것인데, 타원을 그리다 다시 원상 복귀하는 경우가 10만 년을 주기로 하여 한 번씩 찾아 옴
. 자전축의 기울기가 달라지는 것; 현재 자전축 기울기가 23.4도 이지만, 이 각도가 4만년 주기로 하여 커졌다 작아졌다 함 (1988.12, KBS-TV 방영, ”지구대기행” 8편, “빙하시대의 도래” 중에서)
. 지구 온난화 (글 강.동호, 일부내용 발췌)
……
지구온난화로 북극의 빙하가 녹으면 적도지방의 해수 온도와 극지방의 해수 온도 차이가 줄어들어 해류 이동이 중단되고, 이 결과 적도지방의 열이 극지방으로 발산되지 못해 적도지방은 더 뜨거워지고 극지방은 더 차가워진다는 것에 착안한 것이다. 과연 이 같은 빙하기는 도래할 것인가?
지금까지 과학자들이 수행한 연구결과에 따르면 이는 충분히 가능한 것으로 추론되고 있다. 지구온난화로 극지방의 빙하가 녹으면 지구의 열 이동을 담당하는 해양 대순환이 한꺼번에 차단될 가능성이 충분하기 때문이다. 다만 일부 과학자들 사이에서는 현재 진행 중인 지구온난화가 과연 해양 대순환을 멈추게 할 정도로 급격히 진행되고 있는가 하는 점이 논란을 일으키고 있다. 사실 인류가 살고 있는 지금은 약 200만년 전부터 시작된 빙하기 사이에 낀 간빙기에 지나지 않는다. 즉 현재의 지질시대는 신생대 내에서 제4기 홍적세의 빙하기를 거친 충적세에 해당한다는 것이다.
홍적세는 약 200만년 전 시작돼 1만년 전 끝난 시기로 지금까지의 연구에 의하면 크게 4회의 빙하기와 이들 사이의 간빙기가 있었다. 이 마지막 빙하기 이후인 약 1만년 전부터 시작된 간빙기를 충적세라고 부르는데, 이 때 비로소 인류의 직접적 조상이라고 하는 호모 사피엔스(Homo sapiens)가 출현했다. 이런 관점에서 보면 앞으로 빙하기의 도래는 어쩌면 당연한 수순일지 모르지만 문제의 핵심은 현재 진행 중인 지구온난화가 이 같은 빙하기를 앞당길 것인가 하는 점이다.
만약 지구온난화로 빙하기가 일찍 다가온다면 이는 인류가 지구의 지질학적 역사에 영향을 미치는 최초의 대사건이 될 것이란 게 과학자들의 전망이다. 약 45억년의 역사를 가진 지구상에서 인간이 인위적인 활동에 의해 영향을 끼친 적은 지금까지 한 번도 없었기 때문이다.
인류는 지금까지 그저 다른 동식물과 마찬가지로 자연계의 일부로 포함돼 지구의 변화에 수동적으로 적응하는 존재에 지나지 않았다. 이와 관련, 최근 지질학계의 가장 큰 관심사 중 하나는 지구상에 인류가 출현한 이후 그들의 활동이 지표상에 어떤 변화를 일으키고 지구의 기후 변화에 어떤 영향을 끼치고 있는가 하는 점이다. 지구온난화로 인한 빙하기의 조기 도래를 주장하는 과학자들은 가장 유력한 시기로 1만5,000년 후를 꼽고 있다. 그 증거는 지난 2004년 남극에서 채취한 길이 3km의 빙하코어 를 분석한 결과다.
당시 유럽 남극빙하프로젝트 팀이 빙하코어를 분석해 네이처지에 발표한 바에 따르면 지구상에 빙하기는 약 10만년마다, 더 짧은 빙하기는 4만년마다 반복되고 있다. 기후의 한온(寒溫)을 기준으로 하자면 빙하기의 주기적인 반복은 더욱 짧아질 수 있다.
연구팀은 이 같은 분석을 근거로 현재의 간빙기가 1만년쯤 계속되고 있어 과거의 패턴을 따른다면 1만5,000년 뒤쯤 빙하기가 닥칠 것이라고 예측했다. 물론 새로운 빙하기의 도래에는 지구온난화 등 기후 변화의 정도와 속도가 큰 영향을 미치게 된다.
. 밀란코비치 주기
4만년마다 반복되는 짧은 빙하기를 밀란코비치 주기(Milinkoritch cycle)라고 부른다. 이 같은 명칭은 이를 발견한 유고슬라비아 학자의 이름을 딴 것이다.
밀란코비치 주기는 지구 자전축의 주기적인 변화, 즉 세차운동(歲差運動)이 결정적인 원인이 된다. 과학자들은 23.5도 기울어져 자전하는 지구 자전축의 기울기가 그냥 고정돼 있는 것이 아니라 4만년을 주기로 팽이가 돌 듯 비틀거리면서 이동, 세차운동이 일어난다고 설명한다. 여기에 기후 변화도 영향을 미친다.
기후 변화로 빙하기가 앞당겨질 수 있다고 주장하는 학자들은 이를 증명할 결정적인 사례가 과거에도 몇 차례 있었다고 말한다. 이들에 따르면 약 43만년 전, 즉 신생대 제4기 홍적세 중기에 있었던 간빙기는 기온과 대기 중 이산화탄소의 비중이 지금과 매우 유사했으며 그 시기가 2만8,000년간 지속됐다. 그런데 이 시기에 예기치 않은 기후 변화에 의해 간빙기가 극도로 짧아지는 현상이 벌어졌다.
제3차 빙하기가 끝나고 지구가 다시 따뜻해지자 빙하가 점점 극지방으로 물러가면서 북미지역에 캐나다 면적의 3분의 1 크기의 거대한 빙하 호수가 생겨났다. 그런데 이 호수 주변의 빙하가 한꺼번에 녹으면서 엄청난 양의 물이 빠르게 대서양으로 유입됐다. 그 결과 해양 대순환이 갑자기 작동을 정지했다. 지구온난화에 의해 극지방의 빙하가 빠르게 녹아 해양 대순환의 정지가 우려되는 현재의 상황과 매우 닮았다는 것이다.
이 사건으로 지구가 간빙기에서 새로운 빙하기로 접어든 시간의 간격이 길게는 수 천 년에서 짧게는 수 백 년이나 짧아졌다. 또 다른 예는 고생대 말기인 페름기에서도 찾아 볼 수 있다. 이 시기는 지구 역사상 세 번째 생물 대멸종(Mass extinction) 시기이자 가장 큰 멸종이 이뤄진 때다. 당시 지구 위를 덮고 있던 양치식물을 비롯해 그 때까지 진화를 거듭해 왔던 삼엽충 등 지구 생명체의 약 99%가 멸종한 것으로 추정된다. 이런 대멸종의 가장 큰 원인으로 지금까지는 소행성과의 충돌이 꼽혀 왔지만 최근에는 엄청난 화산 활동에 의한 지구온난화 때문이라는 주장이 점차 힘을 얻고 있다.
당시 해양 온도 상승으로 바다 속에 있던 메탄이 공기 중의 산소와 만나 대규모 이산화탄소를 생성하면서 대기 중의 산소 농도는 그 이전 40~50%에서 10%로 급감하고 지구 온도는 급격히 상승했다.
……
. 지구의 지질시대
약 45억년의 역사를 가진 지구의 지질시대는 선캄브리아대-고생대-중생대-신생대 등으로 구분한다.
선캄브리아대(Precambrian eon)는 시생대와 원생대로 구분되며, 고생대는 캄브리아기-오르도비스기-실루리아기-데본기-석탄기-페름기로 세분된다.
선캄브리아대는 지구 역사의 8분의 7을 차지하며 지각이 생기고 생명의 원형으로 여겨지는 최초의 유기물이 형성된 시기다. 이 시기에도 빙하가 적도지방까지 내려와 지구를 거의 덮어버린 초빙하시대(Snow-ball theory)가 있었다고 한다. 최초의 다세포 생물은 약 6억년 전 고생대(Palezoic era) 캄브리아기에 생겨났다. 이 시기는 지금부터 약 6억~5억년전까지의 기간으로 영국의 지질학자 세지윅이 웨일즈 지방의 지명을 따서 1832년 명명했다. 삼엽충이 대표적이며 척추동물을 제외한 모든 동물군이 출현한다.
캄브리아 지층은 주로 사암과 셰일로 구성되며 세계적으로 분포돼 있다. 이 시대 말기에 매우 다양한 껍질 생물들이 출현하는데, 이를 ‘캄브리아기의 대폭발’이라고 부른다. 이들 생물들은 오르도비스기에 첫 번째 대 멸종을 맞는데, 대규모 빙하기의 도래에 의한 것으로 추정된다.
데본기에도 그 이전의 실루리아기에 번성했던 많은 바다 생물들과 막 번성하기 시작한 양서류가 대량으로 사라지는 두 번째 대 멸종을 맞는다. 이는 연쇄적인 운석 충돌에 의한 것으로 추정된다.
석탄기는 영국의 석탄층에서 발견됐다 해서 붙여진 이름으로 다른 지역에서는 중생대나 페름기 등에 형성된 석탄층도 발견된다. 양치식물 등 대규모 식물군이 발달해 공기 중 산소 함량이 40~50%나 됐다. 페름기 말에는 세 번째 대 멸종이자 지구 역사상 가장 큰 멸종인 ‘페름기의 대학살’이 발생한다.
중생대(Mesozoic era)는 약 2억3,000만~6,500만년 전의 시기로 트라이아스기-쥐라기-백악기로 구분된다. 트라이아스기 말기에는 운석 충돌로 인해 파충류의 대부분이 사라지는 네 번째 대 멸종이 있었다. 쥐라기와 백악기는 잘 알려진 대로 암모나이트와 공룡들의 전성시대였지만 이 역시 백악기 말 소행성 충돌로 대부분 멸종하고 쥐와 같은 작은 포유류와 조류들만 살아남았다.
신생대(Cenozoic era)는 약 6,500만년 전부터 현재까지로 포유류와 조류, 경골어류가 번성한 시대다. 포유류가 점차 대형화하고 제4기 홍적세(플라이스토세, 갱신세, 최신세라고도 부른다) 이후 오스트랄로피테쿠스, 호모 에렉투스, 네안데르탈인 등 고생 인류들이 출현했다.
이 시기에 4회의 빙기와 간빙기가 있었으며, 약 1만년 전부터 충적세(또는 완신세, 현세)가 시작됐다. 이는 지구 최후의 지질시대며, 인류는 호모 사피엔스의 출현을 계기로 농경을 시작해 그 뒤 급격히 문명을 발달시켜 나갔다. (서울경제)
■ 밀란코비치
. 빙기와 간빙기의 교대에 흥미를 가진 밀란코비치
몇 개인가의 지질학적 증거를 통해, 과거에 지구 전체가 한랭 기후가 되어 고위도나 산악 지대에 빙하가 넓게 분포했던 시대가 있었다는 것이 확인되었고, 그것은 '빙하시대'라 불리고 있다. 빙하 시대로는 지금부터 약 3억년 전의 고생대 석탄기에서 페름기에 걸친 것, 지금부터 약 6억년 전의 선캄브리아대의 것이 알려져 있다.
빙하 시대라고 해도 그 전체 기간을 통해 기후가 한랭했던 것은 아니다. 제4기 빙하 시대의 연구로 빙하시대 사이에도 한랭화가 심했던 시기와 현재 정도로 온난했던 시기가 있었다는 것이 확인되고 있다. 전자를 '빙기', 후자를 '간빙기'라고 한다.
과거 약 65만 년 사이에 대하여 말하면 약 65 만 년 전 무렵의 권츠 빙기, 약 50만 년 전 무렵의 민델 빙기, 약 40만 년 전에 시작되는 리스 빙기, 약 10만년 전에 시작되는 뷔름빙기의 4개의 빙기와 각각의 빙기 사이에 3개의 간빙기가 있었다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 뷔름빙기가 사라진 것은 지금부터 약 1 만 년 전이다. 따라서 현재는 뷔름 빙기에 이어지는 제4의 간빙기라고 생각하는 사람도 있을 정도 이다.
뷔름빙기 중에서 가장 추웠던 것은 지금부터 약 1만 8000년 전이고, 그 무렵의 기온은 현재보다 5~10℃ 낮았다. 기온이 낮으면 바닷물의 일부가 얼음이 되어 육상으로 옮겨 가기 때문에 해수면이 낮아진다. 지금부터 약 1만 8000년 전의 저온기의 해수면은 현재보다 100m 이상 낮았다는 것이 확인되었다.
빙하시대 동안에 수만 년의 사이를 둔 빙기와 간빙기의 교대가 일어난 것은 어떠한 작용에 의한 것일까? 그것에 대하여 현재 가장 정확하다고 생각되는 이론을 제안한 사람은 수학자 밀란코비치(Milutin Milankovitch)이다. 밀란 코비치는 1875년에 유고슬라비아에서 태어났다. 오스트리아의 빈 공과 대학에서 학위를 딴 그는 유고슬라비아의 수도 베오그라드에 있는 베오그라드 대학의 응용 수학 교수가 되어 그 곳에서 이론 물리.역학.천문학을 가르쳤다.
1911년 무렵부터 그는 빙기와 간빙기의 교대 문제에 흥미를 가졌다. 1914년에는 그 때까지의 결과를 정리하여 '빙하 시대에 관한 천문학적 고찰'이라는 제목의 논문을 발표하였다. 수만년 동안에는 지구 궤도의 형태나 지축의 기울기가 변한다. 그것이 지구상에 입사하는 일사량에 변화를 일으키고, 그래서 빙기와 간빙기의 교대가 일어난다는 것을 그는 이 논문에서 주장하였다.
논문을 발표한 1914년에 제1차 세계대전이 일어났기 때문에, 그 후 오랜동안 이 논문은 과학계에 알려지지 않은 채 있었다. 세계 대전이 일어난 직후에 밀란코비치는 오스트리이.헝가리 군의 포로가 되었다. 포로로 수용된 독방 안에서 그는 자신의 이론을 완성하기 위해 계산을 계속하였다. 얼마 안 있어 해방되고, 대전 중에는 헝가리의 부다페스트에 머물러 있다가 전쟁이 끝나고 나서 다시 베오그라드로 와서 연구를 계속하였다.
이렇게 하여 1920년에 '태양 복사로 생기는 열 현상에 관한 수학 이론'이라는 제목을 붙인 프랑스 어 논문을 파리에서 발표하였다. 이 논문에서 그는 지구에 도달하는 태양의 일사량을 과거로 거슬러 올라가 계산하여, 앞에서 말한 지구의 천문학적 변동이야 말로 빙기와 간빙기의 교대의 원인이라고 주장하였다.
. 지구의 공전과 자전에 관계하는 3요소의 주기적 변동
지구의 공전 궤도면을 황도면이라고 한다. 황도면과 지구의 적도면은 일치하지 않고 약 23.5˚의 각도를 이루고 있다. 따라서 지구의 중심을 통과하는 황도면의 수선(수직선)과 지구의 자전축 역시 23.5˚의 각도를 이 고 있다. 이 각도를 궤도 경사각이라고 한다.
자전에 의해 하루의 순환이 생긴다. 또 23.5˚의 기울기를 유지한 채의 공전 운동으로 1년의 순환이 생긴다. 지구의 자전축이 기울어져 있기 때문에 북반구, 남반구의 여름과 겨울이 교차 되는 것이다. 계절에 따라 밤 하늘에 보이는 별이 달라지는 것도 지구의 공전 때문이다.
현재의 지구 궤도 경사각은 약 23.5˚이다. 그러나 지질 시대를 통해 이 경사각이 일정했던 것은 아니고, 21.5˚와 24.5˚ 사이를 변화하였다. 변화의 주기는 약 4만년이다. 지구의 궤도는 타원형을 하고 있다. 그 타원 궤도의 편평률(이심률)은 일정하지 않고 지질시대를 통해 0과 어떤 최대치 사이를 변화한다. 편평률이 0이라면 궤도는 원이 되고, 편평률이 최대일 때는 궤도는 가장 짜부라진 타원이 된다. 이와 같은 궤도의 편평률 변화의 주기는 약 10만년이다.
이처럼 궤도 경사각이나 편평률이 바뀌는 것은 태양만이 아니라 목성과 그 밖의 행성, 달 등도 지구에 인력을 미치고 있기 때문이다. 태양과 달이 지구 적도 부분의 부풀어오른 곳에 작용하는 인력에 의해 지구의 자전축은 항상 공간(친구)에 대하여 완만하게 그 방향을 바꾼다. 기울어져 돌고 있는 팽이의 축처럼 자전축은 어떤 원추면 위를 주기적으로 돈다. 이 변화는 세차라 불리며, 그 주기는 약 2만년이다.
. 빙기와 간빙기의 교대는 지구상 지점의 일사량 변화에 의한다.
여기서 설명한 지구 궤도의 경사각(주기 약 4만년)과 지구 궤도의 편평률(주기 약 10만면)의 변화와, 지구 자전축의 세차 운동(주기 약 2만년)은 모두 지구상 지점의 태양 일사량에 변화를 일으킨다. 지금까지 서술한 것에서도 추정할 수 있듯이 지구의 궤도 경사각이 커지면 커질수록 일사량의 계절 변하나 위도에 의한 변화가 커진다. 지구 궤도의 편평률이 커지면 커질수록 지구의 태양으로부터의 거리, 따라서 일사량의 계절 변화도 커진다.
이처럼 지구 궤도의 경사각 및 편평률의 변화와 세차 운동은 모두 지구상 지점의 일사량에 변화를 일으킨다. 이 일사량 변화로 빙기와 간빙기의 교대가 일어난다고 밀란코비치는 주장했던 것이다.
. 밀란코미치 설에 주목한 쾨펜과 베게너
다수의 학자가 밀란코비치의 논문에 주목하지 않았지만, 그 중요함을 주목하고 시종일관 그를 도운 것은 독일의 기상학자 쾨펜(W.P.Koppen;1846∼1940)과 그의 사위인 베게너(A.L.Wegener;1880∼1930)였다.
100통 넘게 쾨펜과 편지를 주고받으면서 논의를 거듭한 밀란코비치는 '빙기의 시작을 결정하는 것은 여름의 태양 일사량의 감소, 즉 서늘한 여름이 계속되는 것이다.'라는 아이디어를 얻었다. 그 구체적 목표로서 밀란코비치는 앞에서 서술한 북위 65˚에서의 여름의 태양 일사량을 선택했던 것이다. 약 100일 동안 계산하여 그는 앞에서 말한 그래프를 얻고, 그것을 쾨펜에게 보냈다. 그것이 빙기와 간빙기의 교대를 잘 설명하고 있는 것을 보고 감격한 쾨펜은 1924년에 오스트리아에서 열린 회의에 밀란코비치를 초대하여 그의 그래프를 소개하였다.
베게너와 공저인 <지질시대의 기후>라고 제목을 붙인 책 속에서도 쾨펜은 밀란 코비치의 천문 이론을 언급하였다. 이렇게 하여 그의 이론이 세계의 과학자들 사이에 알려지게 되었다. 그러나 과거 약 65만 년 동안 4회 일어난 것으로 추정되는 빙기의 연대 확정이 어렵고, 데이터가 부족하다는 이유로 마침내 그의 이론은 버려졌다. 실의에 잠긴 밀란코비치는 1958년, 세상을 떠났다.
. 해저 퇴적물의 연구에서 밀란코비치 설이 재평가되었다.
1976년에 밀란코비치의 생각을 논증하는 논문을 미국의 베이즈(1933~)등이 발표하였다. 그들이 사용한 데이터는 대륙에서 멀리 떨어진 인도양의 수심 약 3000m에서 채취한 해저 퇴적물이었다. 대륙에서 멀리 떨어져 있기 때문에 여기서 얻어진 해저 퇴적물에는 대륙의 침식에 의한 암설의 영향이 작다. 퇴적물의 퇴적 속도는 1000년에 3cm를 넘어 매우 크다. 조사된 기간은 과거 약 45만년에 걸쳐 있었다.
그들은 해저 퇴적물 속에 포함되어 있는 유공충의 종류에 주목하였다. 해수면 가까이에 살고 있는 유공충은 바닷물의 온도가 약간 달라지는 것만으로 그 종류가 바뀐다. 바닷물의 온도가 낮으면 낮을수록 저온에 적응한 유공충의 비율이 보다 커진다.
유공충 껍데기는 석회질이어서 해저에 퇴적한 유공충의 사체는 그대로 보존된다. 보다 새로운 시대의 퇴적물일수록 보다 위에 퇴적되기 때문에 채취한 해저 퇴적물을 아래에서 위로 더듬으면 그것이 그대로 연대 순으로 되어있다. 이것과 각층마다의 저온에 적응한 유공충의 비율에서 우리는 과거의 바닷물 온도 변화를 더듬을 수 있다.
이처럼 하여 얻어진 데이터를 바탕으로 그들은 가로축에 연대, 세로축에 저온에 적응한 유공충의 비율을 취한 그래프를 그리고, 그 그래프의 '주기분석'을 하여 어떠한 주기의 변화가 두드러지는가를 조사하였다. 그 결과 얻어진 것이 주기 약 2.3만년, 4.1만년 및 10만년의 변화였다. 이들은 각각 앞에서 서술한 자전축의 세차운동, 지구 궤도의 경사각 및 편평률의 변화에 대응한 주기이다. 이러한 일이 우연히 일어나는 것은 아니다. 다라서 이 결과는 빙기와 간빙기의 교대에 관한 밀란코비치가 주장한 이론이 옳음을 확인한 것이다.
. 과거의 기후 변화를 해명하기 위한 최근의 연구
최근에 와서는 유공충의 종류만이 아니라 유공충의 껍데기 등에 포함되어 있는 18 O(산소 18)과 16 O(산소 16)의 양의 비교를 통해서도 그 유공충이 살아 있던 당시의 바닷물의 온도를 추정할 수 있게 되었다. 바닷물의 온도가 높으면 높을수록 가벼운 16 O 이 바닷물 속에서 증발하고, 바닷물 속에서의 16 O 에 대한 18 O 의 양이 그만큼 늘어난다.
이 사실을 이용하여 과거의 바닷물의 온도를 추정할 수 있다. 해수면에서 증발한 바닷물은 마침내 눈이 되어 내리고 빙하에 갇히게 된다. 바닷물의 경우와는 반대로 기온이 높으면 높을수록 빙하 얼음 속에서의 16O의 양이 늘어나고 따라서 남극이나 그린란드의 얼음을 이용해서도 과거의 기후 변화를 더듬을 수 있다.
나무의 나이테를 이용해도 과거의 기후 변화를 알 수 있다. 그러나 그것을 이용하여 더듬는 것은 수천 년 동안의 기후 변화에 지나지 않는다. 꽃가루를 이용하면 보다 오랜 기간에 걸친 기후 변화를 더듬을 수 있다는 것이 최근에 와서 밝혀졌다.
호소나 늪 바닥에 토사가 퇴적한다. 그 토사 속에는 호소나 늪 주변에 자라고 있는 식물의 꽃가루가 섞여 있다. 기후가 바뀌어서 호소나 늪 주변에 자라고 있는 식물이 바뀌면 그 바뀐 식물의 꽃가루가 퇴적하여 기후 변화를 나타낸다고 하는 것이다. 물론 꽃가루가 그대로 보존되어 있는 것은 아니다. 그러나 꽃가루를 포함하고 있는 외막은 강하여 언제까지나 분해되지 않는다. 따라서 호소나 늪 바닥에서 퇴적물을 채취하여 화학적으로 토사를 씻어 낸 다음 꽃가루 부분만을 채취하여 이것을 현미경으로 관찰한다. 이러한 것에 의해 식물의 종류를 알게 되고 결국 과거의 기후 변화를 더듬을 수 있다고 하는 것이다. 이 연구 방법을 '꽃가루 분석'이라고 한다.
이 밖에도 다양한 방법을 이용하여 과거의 기후 변화를 더듬을 수 있게 되었다. 더욱이 이처럼 하여 얻어진 데이터는 밀란코비치의 생각을 확인하고 있는 것처럼 보인다. 그러한 의미에서는, 대륙 이동설을 제창한 베게너와 마찬가지로 밀란코비치 역시 자신이 살고 있던 시대보다 앞선 천재였다고 할 수 있다.
(“웹진충격 대예언, choonggyuk.com” 중에서 일부 발췌)
■ 지구자기권
자료: KASI 한국천문연구원. 커다란 자석
지구는 매우 커다란 자석으로 볼 수 있다. 막대자석의 자기력선이 철가루를 그림과 같은 형태로 만들어내는 것처럼, 지구의 자기력선도 비슷한 형태로 나타난다. 이것이 나침반의 바늘이 항상 북극을 가리키는 이유이다. 자기장은 또한 정전기에 의해 대전된 물체들을 밀어낸다. 만약에 이러한 대전된 물체들이 자기장에서 움직인다면, 그것들은 자기장에 의해서 밀려날 것이다. 실제로도 지구로 향하는 대전된 입자들(이온과 전자)은 지구 자기장에 의해 밀려나고 있다.
태양과 지구의 연결
태양과 지구는 태양으로부터 오는 대전된 입자들의 흐름에 의해서 연결되어 있다. 태양풍이라 불리는 이 흐름은 약 450km/s의 속도로 입자들과 자기를 운반하고 있다. 그리고 이 태양풍은 태양의 활동에 영향을 받는데, 태양흑점들과 관련된 폭발인 태양플레어는 태양풍의 돌풍을 일으킨다.
지구의 자기장은 태양의 변화에 영향을 받기 때문에 활발하고 동적이다. 태양풍의 돌풍이 많은 동안에, 강력한 자기폭풍은 오로라를 만들어 내기도 하고, 라디오와 텔레비전의 전파장애를 일으키며, 나침반이 있는 선박과 비행기들의 항해에 문제와 정전을 일으키기도 한다. 또 우주공간에서는 인공위성과 우주선에 해를 입히기도 한다.
지구의 보호막
지구의 자기장은 태양풍으로부터 지구를 보호한다. 하지만 지구자기장에서 태양풍 에너지는 가끔 우주 플라즈마 폭풍을 발생시킬 수 있다. 이러한 폭풍은 통신장비나 과학위성들에 오작동을 일으킬 수도 있으며, 지구 표면에 있는 전력체계에 손상을 입힐 수도 있다.
1989년 거대한 우주폭풍은 케나다 전력회사 하이드로 퀘벡(Hydro-Quebec)의 전력체계에 문제를 일으켰는데, 이는 캐나다와 미국에 살고 있는 6백만 명의 사람의 전기사용을 9시간동안 마비시켰다. 그리고 자기폭풍과 태양의 자외선 복사에너지의 증가는 상층대기를 가열시켜 팽창하도록 만든다. 이로 인해 저궤도의 위성은 가끔씩 상층대기와의 마찰로 궤도를 이탈하기도 한다.
마샬 우주비행센터(MSFC, Marshall Space Flight Center)에 있는 우주 플라즈마 물리 연구소(The Space Plasma Physics Branch)는 지구와 다른 행성들 주변의 자기권을 연구하는데 전력을 다했다. 이 연구는 나사(NASA)에서 우주 플라즈마 폭풍들을 예상하는데 도움을 주어, 인공위성이나 전력체계를 보호할 수 있을 것이다.
자기권이 없다면
지구에 자기장이 없었다면 과연 생명체가 존재할 수 있었을까? 자기장이 없었다면 태양풍은 직접적으로 대기와 상호작용을 할 것이고, 결국 지구는 자기장이 존재하지 않는다고 알려진 금성처럼 물이 없고, 생명체 또한 존재하지 못했을 것이다.
지구 자기권의 분류
지구의 자기장은 전체적으로 혜성의 모습과 유사하게 보이고, 그에 따라 부분적으로 이름을 붙일 수 있다. 태양풍과 자기장이 정면으로 만나 생기는 충격파를 충격파면(bow-shock)이라 한다. 그 다음 안쪽에 태양풍과 자기장이 직접 상호작용을 하는 면을 자기권계면(magnetopause)이라 하고, 그 사이의 입자들이 이동하는 길을 자기덮개(magnetosheath)라 한다. 태양의 반대편으로는 혜성의 꼬리처럼 자기장이 길게 늘어져 있는데 이를 자기꼬리(magnetic tail)이라 한다. 자기 꼬리의 안쪽에는 플라즈마 판(plasma sheet)이 존재하며, 지구와 가장 가까운 곳에는 양쪽으로 밴앨런 복사대(Van Allen radiation belt)가 존재한다.
충격파면(bow-shock)
지구자기장의 가장앞부분(태양방향)은 충격파면이다. 이것은 태양풍이 지구자기장에 부딪혀 생기는 충격파 이며, 태양풍의 속력(수백km/s)을 고려한다면 이곳이 받는 압력은 굉장할 것이다.
자기권계면(magnetopause)
충격파면을 지나온 몇몇 입자들은 지구 자기권과 직접적인 상호작용을 한다. 이곳을 자기권계면(magnetopause)이라 한다. 이것은 원통형으로 변화하는 총알모양의 앞면을 가지고 있으며 그 단면은 원형에 가깝다. 지구중심에서 자기권계면의 "앞부분"까지의 거리는 약 10.5 RE이고, 지구의 수평 옆면까지의 거리는 약 15 RE이다. 비교를 위해 참조하자면, 달의 평균거리가 약 60 RE이다.
이 수치들은 단지 평균적인 값들이며, 태양풍의 압력이 오르고 내림에 따라 자기권계면은 오그라들거나 팽창한다.
* RE = 지구반경단위 (약 6378Km)
자기꼬리(magnetic tail)
지구의 자기장은 태양과 반대편으로 혜성과 비슷한 형태의 자기장꼬리를 갖는다. 이 자기꼬리는 매우 활동적이며, 거대한 변화들이 발생하기도 하고, 이온들과 전자들에 에너지를 공급하기도 한다.
자기꼬리는 극지방 오로라의 주요 근원이기도 하다. 관측자들은 우주시대 이전에 이미 겨울철 북극의 하늘이 훨씬 어두웠을 때, 가장 밝은 오로라가 보였다고 기록해 놓았다. 이 오로라의 전자들은 태양으로부터 온 것이라고 여겨져 왔으나, 오로라가 태양반대쪽의 면에 집중되어 보인다는 사실은 모든 사람에게 궁금증을 주었다. 그러나 그러한 관측들은 인공위성에 의해 자기권의 긴 꼬리의 발견과 이미지 형성이 된 이후에 많이 설명이 되었다. 태양풍에 의해 태양 정면의 자기장은 양파 껍질처럼 벗겨지며 입자들을 가지고 꼬리부근으로 가게 된다. 꼬리부근에서 모인 입자들은 자기재결합에 의해 그 반동으로 극지방까지 진입을 하게 되는 것이다.
자기꼬리 돌출부
자기꼬리 대부분의 부피는 자기력선에 거의 평행한 두 개의 묶음이 차지한다. 적도보다 위 부분의 묶음은 북극을 포함하는 대략적인 원형지역에 이르게 되는 반면, 아래쪽의 묶음은 지구로부터 먼 쪽을 가리키며 남극 지역에 연결되어 있다. "자기꼬리 돌출부"라고 알려진, 이러한 두 개의 묶음들은 지구로부터 멀리 떨어져 나가 있다. 그리고 두 개의 자기꼬리 돌출부를 분리하는 것은 약한 자기장과 플라즈마로 가득 찬 층인, "플라즈마 판"이다. 이것은 보통 지구 반경의 2∼6배의 두께를 가지며 적도에 집중해 있다.
다음은 일반적인 플라즈마 밀도를 비교한 것이다.
- 지구 근처의 태양풍 6 ions/cm³
- 외부 자기장의 태양면 1 ions/cm³
- 꼬리돌출부를 분리시키는 플라즈마 판 0.3~0.5 ions/cm³
- 꼬리 돌출부 0.01 ions/cm³
이것은 상대적으로 낮은 밀도는 자기꼬리 돌출부의 자기력선들이 지구로부터 멀리 흘러가는 태양풍과 연결되어 있다는 것을 제시한다. 이온들과 전자들은 태양풍에 의해 휩쓸릴 때까지, 자기꼬리의 자기력선을 따라 쉽게 흐를 수 있다. 그러나 아주 적은 이온들은 태양풍의 일반적인 흐름을 거스르며, 지구를 향해 반대로 올라간다. 그러한 반대 방향의 흐름에 의해, 약간의 플라즈마가 자기꼬리 돌출부에 남아 있는 것이다.
플라즈마 판(plasma sheet)
플라즈마 판은 자기꼬리의 적도위에 집중된 두께가 3~7 RE, 밀도는 0.3~0.5 ions/cm², 보통 에너지가 2~5 KeV인 뜨거운 플라즈마의 두꺼운 층이다. 이 지역은 다소 활동적이라서 두께, 밀도 그리고 에너지는 심하게 변한다. 태양풍이 강할 때 지구자기장은 압력을 받는데 꼬리 부근의 플라즈마 판 역시 압력을 받아 눌리게 된다. 이에 자기력선은 재결합이 되면서 이온들이 지구방향과 반대방향으로 향하게 된다. 이때, 지구 방향으로 흐르는 이온들은 자기력선이 수축함에 따라 힘을 받고 극지방으로 이동하고, 반대방향으로 향하는 이온들은 지구로부터 멀어지면서 에너지를 잃게 된다.
중성지점(Neutral Point)
입자들과 자기력선들 사이의 강한 구속은 때때로 깨어질 수 있다. 예를 들면, 입자들이 충돌을 당하거나 플라즈마가 장의 세기가 0으로 떨어지는 "중성지점"을 통과해 흐를 때이다. 자기력선들의 그래프에서, 그러한 점들은 자기력선들이 서로 엇갈리게 보이는 곳처럼 나타난다. 어떻게 한 번에 두 방향으로 자기장의 방향성을 나타낼 수가 있을까? 그럼에도 불구하고 만일 그래프가 그러한 점들을 보인다면, 자기장의 세기가 그러한 지점들에서 0이 되어 힘의 방향에 대한 언급이 어렵다는 결론을 내려야 한다. 자기권계면의 내부에 자기력선들의 배열을 그려볼 때, 그러한 지점들을 볼 수 있으며, 그것은 태양방향으로 향하는 선들과 꼬리방향으로 향하는 선 사이의 분리를 표시한다. 실제로 그 지점은 세기는 약하지만 0이 아닌 무질서한 자기장을 형성하는 것처럼 보인다.
자기 복사대
내부 복사대
지구는 실제로 서로 다른 기원을 가진 두 개의 복사지역을 가지고 있다. 밴 앨런(Van Allen)의 방사능측정기에 의해 발견된 내부복사지역은 적도 위의 밀집된 부분에 해당하며, 우주복사에 의해 생성되었다. 그것은 밴 앨런 복사대의 내부 복사대라 불리며, 10~100MeV의 범위에 있는 양자에 의해 구성되어 있다. 그리고 이 입자들은 우주선을 쉽게 뚫고 지나가며 장비를 손상시키기도 하고 우주비행사들에게 해를 입히기도 한다.
왼쪽 그림은 초기 자기층의 관측에 기여했던 파이오니어(Pioneer) 3, 4호의 궤도가 두 개의 복사지역 통과한 경로를 나타내 보여주고 있다.
외부 복사대
파이오니어3, 4호는 내부벨트 너머에 얽매인 입자들의 넓은 벨트를 탐사했다. 이것은 외부 복사대라 불리며, 이곳에 속해있는 입자들이 소속된 자기력선을 따르기 때문에 바나나 형태를 취하고 있다.
외부 복사대에 모여 있는 입자들은 내부 복사대의 입자들보다 에너지가 작고, 대부분 태양풍으로부터 온 것이다. 그리고 내부 복사대는 비교적 안정되어 있는 반면, 외부 복사대는 그 속에 잡혀있는 입자들의 수가 100배까지 변화한다.
활동적인 자기권
태양풍과 지구 자기장의 연결자기장이 극적으로 불안정할 때, 서브스톰(substorms)이라고 불리는 것이 자기권에서 발생한다. 서브스톰의 급격한 진행은 자기폭풍을 만들어낸다. 자기폭풍은 태양풍의 구성성분과 속도를 변화시키는 태양의 강력한 폭풍과 관련이 있다. 서브스톰이 발생하면 행성간 자기력선들의 강력한 연결은 최외부에서 이루어진다. 지구자기장의 태양을 향한 부분들은 자기꼬리로 휩쓸려 갔거나, 끊어지게 되고, 자기꼬리에서 자기압력의 증가는 중성점이 형성될 때까지 플라즈마 판을 누른다. 중성점이 형성되고, 중성점 안에서 자기재결합이 일어난다. 이것은 고무 밴드처럼 지구를 향하는 자기력선을 발생시켜 플라즈마 입자들을 가속시킨다. 가속된 플라즈마 입자들은 지구의 극지방으로 들어가 고층대기와 상호작용을 하며 오로라를 생성한다. 일반적으로 2시간의 서브스톰이 발생하는 동안, 약 109W 의 에너지가 고층대기에서 방출된다.
서브스톰들은 평균적으로 하루에 4번 정도 발생한다. 하지만 상대적으로 낮은 위도에 사는 사람들은 오로라를 볼 수 없기 때문에, 좀처럼 그것을 인식할 수가 없다.
오로라는 자기권에서 동요의 정도에 따라 다양한 형태와 색깔로 나타난다. 상태가 비교적 안정적일 때, 오로라는 녹색이나 흰색의 막을 형성하며 하늘을 가로질러간다. 자기활동이 증가함에 따라, 오로라 막은 밝아지고, 주름을 발달시키며, 점점 더 빠르게 하늘을 가로질러 이동한다. 생성된 오로라는 수평선에서 수평선으로 빙글빙글 돌며 빛나는 나선형을 이루고, 이러한 신비로운 빛을 제외하고는 어떠한 소동도 없이 잔잔하게 밤을 헤쳐 나가는 것으로 보인다. 땅에서 바라본 오로라는 조용한 하늘에서 잠깐 동안만 지속되었다가 사라지기도 하고, 몇 시간 동안 남아 있기도 한다. 가장 강력한 자기활동 동안에, 하늘전체가 붉은 색으로 피어 오르기도 한다.
활동적인 입자들
가스의 원자와 분자는 충돌과 일정한 운동을 하면서 우주공간에서 존재한다. 온도가 높은 가스는 빠른 운동을 하고 더 많은 에너지를 갖고 있다. 플라즈마의 자유이온들과 전자들도 이와 같은 방법으로 운동하는데, 우리가 알고 있는 지구나 태양의 고층대기의 온도에 따른 이온과 전자들의 운동에 기초하여 그들의 에너지 값을 예상할 수 있다. 그러나 예상과는 달리 실제로 우주에서 관측된 몇몇 이온과 전자들은 매우 활동적이고, 빛의 속도(300,000 km/s)에 가까운 상당한 속도로 이동을 한다. 이러한 것을 통하여, 그들의 전기•자기적인 진행과정은 단순히 열에 의한 것만은 아니라는 것을 생각해볼 수 있다.
전자 전압
전자의 에너지를 측정하는 단위로는 eV(electron volt)가 있다. 이것은 한 전압에서 다른 한 전압으로 전자(혹은 양자, 전극과 같은 크기)가 이동함으로써 얻어지는 에너지이다.
자연상의 에너지 입자들
0.03 eV = 우리가 호흡하는 공기 중의 산소나 질소의 분자에너지. 이것은 총알속도만큼의 빠르기로 움직이지만 에너지의 규모에서는 극히 작을 뿐이다.
0.5 eV = 태양표면 온도에서의 원자나 분자.
0.67 eV = 양성자나 중성자가 지구중력을 탈출하기 위해 필요한 에너지.
1000~15,000 eV = 극지방 오로라에서 전자들의 에너지.
40,000 eV = 방사능측정기를 통과하는 전자들에 의해 얻은 에너지.
50,000 eV = 고리흐름(ring current)에서의 이온의 일반적인 에너지.
좀 더 큰 단위의 필요성 때문에 다음과 같은 단위구조가 생겼다.
1,000 ev = 1 kev (kilo-electron-volt)
1,000,000 ev = 1 Mev (mega-electron volt)
1,000,000,000 ev = 1 Gev (giga-electron-volt)
1.4 Mev = 지구내부열의 주요인중 하나인 방사성칼륨으로부터 나온 전자들의 에너지.
4.2 Mev = 지구열의 또 다른 주요인인 방사성 우라늄238번으로부터의 α-입자들의 에너지.
10~100 Mev = 내부복사 벨트의 일반적인 양성자 에너지.
10~15,000 Mev = 태양의 폭발 시 에너지의 범위.
1~100,000,000,000 Gev = 우주선(cosmic ray)이온들의 에너지의 범위.
□ 지구 대기와 이온층
지구의 대기는 고도가 증가함에 따라 밀도와 구성성분이 다양하다. 대기의 가장 낮은 부분은 대류권이라고 불리며, 이것은 지표면에서 약 10km 까지 뻗어 있다. 대류권의 기체들은 주로 산소분자(O2)와 질소(N2)분자이며, 밀도가 높아 지구 대기의 90%와 수증기의 99%를 포함한다. 가장 높은 산들은 대류권 안에 머무르며 우리의 일상적인 하루하루의 모든 활동도 이곳에서 이루어진다. 10km 위 부분의 대기는 성층권이라고 불린다. 기체는 여전히 밀도가 높아서 뜨거운 공기의 기구는 15∼20km의 고도까지, 헬륨 기구는 거의 35km 까지 올라갈 수 있다. 그러나 이곳에서는 공기층이 빠르게 얇아지고, 기체 구성 성분은 고도가 높아짐에 따라 약간 변한다. 성층권 내에서, 240nm 아래의 파장에서 들어오는 태양 복사는 산소분자를 각각의 산소 원자들로 쪼갤 수 있으며 각각의 원자들은 산소분자와 다시 결합하게 되어 세 개의 산소 원자로 되어 있는 오존을 형성한다. 이 기체는 약 25km의 고도에서 최고밀도에 이르게 된다. 대기는 높은 고도로 갈수록 희박해진다. 80km의 높이에서의 기체는 너무 희박해서 자유전자가 주변의 양성이온에 의해 포착되기 전의 짧은 시간 동안만 존재할 수 있다. 이러한 고도 이상에서 대전된 입자들의 존재는 이온층의 시작을 나타낸다. 이온층은 전리층 또는 열권이라 불린다.
지구 상공의 온도분포 (그래프 상의 대략의 온도 분포임)
500Km 이상 1700℃~ 150Km 200℃ 100Km -100℃ 50Km 0℃ 15Km -65℃ 0km (대기층) 15℃ . 태양까지 거리 1억5천만Km (표면온도 6천℃) . 달까지 거리 38만Km
. 이온층의 형성
이온층이란 태양 에너지에 의해 기체 분자들과 몇몇 원자들이 이온화되어 자유전자가 밀집된 층을 말한다.
태양복사는 태양상수로 알려진 1370W/m²의 세기로 지구의 대기를 친다. 이러한 강한 복사는 라디오 주파수에서 적외선 복사, 그리고 가시광선과 엑스선에 이르는 넓은 범위의 스펙트럼에 걸쳐 퍼져있다. 자외선파장과 더 짧은 파장들은 광자들이 충돌하는 동안에 기체분자나 중성기체 원자로부터 전자를 빼앗겨 이온화되는 것으로 여겨진다
태양복사의 입사는 기체원자나 분자에 흔히 있는 일이다. 이 과정에서 복사의 일부분은 핵에 의해 흡수되고 자유전자와 양성자가 생성된다. 고도가 낮아짐에 따라, 더 많은 가스 원자들이 존재하여 이온화 진행은 증가한다. 그러나 만일 동시에 자유전자가 양성자에 가까이 움직이게 된다면 자유전자가 양성자에 의해 사로잡혀 재결합이라고 불리는 상반되는 과정이 발생한다. 낮은 고도에서 기체밀도가 증가하여 이온화가 증가하듯이, 재결합과정 또한 기체분자와 이온들이 서로서로 더 가까워지기 때문에 가속된다. 이러한 두 과정 사이의 균형점은 주어진 시간에 존재하는 이온화도를 결정한다. 낮은 고도에서는, 기체원자와 분자들의 수가 훨씬 더 증가하며 자외선 태양 복사의 광자로부터 에너지를 흡수하는 경우가 더 많이 생긴다. 그러나 높은 고도에서는 흡수되는 복사 때문에, 낮은 고도에서는 더 작다. 따라서 약한 복사로 인해 이온화되는 양보다 재결합되는 양이 상대적으로 커서 균형점은 균형을 잃게 되고, 이온화 율은 고도가 낮아짐에 따라 줄어들기 시작한다. 이것은 이온화 극점이나 층들의 형성을 이끌어낸다.
참고
이온층은 충분한 밀도의 자유전자들이 발생하는 고층대기의 한 부분으로서 전자기파들 중 라디오파의 전달에 상당한 영향을 준다. 이런 이온화는 우선적으로 태양과 이온층의 활동에 의해 이루어진다. 이온층에서 구조와 극대밀도는 시간(흑점주기, 계절에 따라, 그리고 날마다), 지리학적 위치(극지방, 오로라존, 중위도지방, 적도지방), 그리고 태양과 관련된 어떤 이온적인 요동들에 따라 매우 다양하다.
이온화의 주된 요인은 태양 엑스선과 자외선 복사 그리고 태양으로부터 오는 미립자 복사에 있다. 태양이 이온화에 대하여 가장 큰 영향을 미친다고 한다면, 우주선들은 작은 영향을 담당하고 있다. 어떤 대기의 요동은 이온화의 분포에 영향을 미치기도 하는데, 이는 이온층이 대기 음향의 움직임, 전자기적인 방출, 그리고 지구자기장의 변화들을 포함하는 많은 매개 변수들에 의해서 제어되는 동적인 시스템이기 때문이다. 따라서 이온층은 대기의 변화에 대해 지극히 민감하기 때문에, 대기에서 발생하는 사건들의 매우 민감한 모니터 역할을 한다. 지진 발생 이전과 지진이 일어나는 중에 발생된 명백한 음향파 들 이외에도, 거대한 지진의 준비과정 부분은 전자기적인 방출의 발생이다. 이러한 전자기적 방출들은 거대한 지진(1960년 5월에 칠레의 8.3 강진) 보다 6일까지 앞서서 이온층에서 탐지되었다.
이온층 연구의 시작
1864년, 스코틀랜드 수학자인 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 전자기장파가 한 지역에서 다른 지역으로 전달될 수 있음을 설명하는 논문을 발표했다. 맥스웰의 전자기복사 이론은 1880년 말에 독일의 물리학자인 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)의 꾸준한 실험에 의해서 올바른 것으로 증명되었다. 그리고 19세기 마지막에 이르러서야 비로소 이탈리아 과학자인 구글리엘모 마르코니(Guglielmo Marconi)에 의해 이러한 이론들과 실험들이 최초의 실용적인 무선 통신체제로 탈바꿈할 수 있었다. 마르코니는 이것으로 영국특허를 얻었다.
1899년, 마르코니는 그의 무선 통신기술이 영국해협을 넘어간다는 것을 증명하였고, 1901년 12월 12일에는 마르코니가 영국의 콘월(Cornwall)에서부터 보내진 신호를 캐나다 동해안의 섬에서 수신하였다. 무선통신에 전자기 복사를 이용한 개척정신으로 그는 1909년 노벨 물리학상을 수상했다.
마르코니의 유명한 실험은 전 세계 통신을 향한 방법을 보여주었다. 그러나 또한 심각한 과학적인 딜레마를 불러왔다. 이 시점에 이르러, 전자기파는 빛과 비슷한 방법으로 똑바른 선을 따라 이동한다고 가정되었다. 전파신호는 어떤 방해물질이 그것을 차단하는 지점까지는 수신될 것이다. 만일 그 경로에 어떤 물질도 없다면, 최대거리는 송신기, 수신안테나의 높이 그리고 지구의 곡률에 의해서 결정될 것이다. 유추를 통해 빛의 그림을 그려볼 때, 이 거리는 LOS(가시거리, Line of Sight) 라고 불리는 거리로 나타난다. 마르코니의 대서양 횡단 증명에서, 독특한 것은 지구 곡률에 따라 휘어지는 전파를 발생시켜 영국으로부터 나온 통신 신호들이 예기치 못한 거리에서 수신된 것이다.
1902년, 올리버 헤비사이드(Oliver Heaviside)와 아서 케넬리(Arthur Kennelly)는 지구를 향해 반사되는 전달신호를 통해 고층대기에 전도층이 존재함을 제시했다. 이때까지, 전도층에 대한 직접적인 증거는 아무 것도 없었으며, 지구의 고층대기의 물리적, 전기적 조성에 대해 알려진 것도 거의 없었다. 만일 그러한 전도층이 존재한다면, 그것은 전파통신에서 LOS의 확장을 형성할 것이다. 1920년대 중반에, 이오노존데(전파가 전리층에서 반사되어 지상으로 돌아오는 시간을 측정하는 장치)의 개발은 이온층에 대한 직접적인 관측을 가져왔으며, 이온층의 특징과 다양성 및 이온층이 전파에 미치는 영향에 대한 최초의 과학적 연구를 할 수 있게 하였다.
마르코니의 대서양 횡단실험은 새롭게 발견된 이온층의 유용성을 연구하는 수많은 실험을 불러일으켰다. 대부분의 중요한 초기 실험들은 아마추어 전파연구가들에 의해 수행되었다. 이들은 원거리 전송을 위해서는 이온층을 통하여 2MHz 이상의 높은 주파수의 사용이 필요하다는 것을 보여주었다.
이온층의 구조
우리는 이온층을 D, E, F 그리고 상위층(topside)라고 불리는 네 부분의 지역으로 나눈다. 이러한 지역들은 F1, F2 와 같은 몇몇의 정기적으로 발생하는 층으로 더 나누어지기도 한다.
D층,
지표에서 약 75∼95km사이의 지역으로 상대적으로 약한 이온화가 높은 주파수 라디오파의 흡수의 주된 원인이 된다.
E층,
지표에서 약 95∼150km 사이의 지역이다. 이 지역 안에서의 분리된 층들인 다른 세부지역들은 E에 접두어를 붙여 표시를 한다. 즉, 짙은 층은 E2와 같이 표시를 하고, 변화기 쉬운 얇은 층은 산발성의 E라고 표시한다.
F층,
지표에서 약 150km 위 부분의 지역은 F층이라 불리며 반사도가 가장 높은 층이다. 이 지역은 크게 F1층과 F2층으로 나뉜다. 하지만 밤이 되면 이 경계는 사라지고, F층으로 합쳐지게 된다.
상위층(topside), 이온층의 이 부분은 F2층의 최고 높이에서 시작해서 O+이온들이 H+와 He+보다 적어지는 전이 높이까지로 구분되고, 밀도는 올라갈수록 줄어든다. 전이 높이는 1100km 만큼 높지만, 밤에는 500km아래로 떨어 낮에는 800km 아래로 좀처럼 떨어지지 않는다. 전이 높이 위 부분에서, 약한 이온화는 라디오 신호들에 거의 영향을 미치지 못한다.
. 이온층 활동
이온폭풍
태양의 활동은 이온층에도 영향을 미친다. 플레어와 코로나 물질의 방출(CME)과 같은 태양활동은 가끔 이온권의 교란을 발생시키는데, 이를 ‘이온폭풍’이라한다. 이 이온폭풍들은 통신위성을 두절시키며, 전기에너지의 흐름을 방해하는 것과 같은 지구상의 중요한 문제를 일으킨다. 따라서 만일 폭풍에 대한 예보가 가능하다면, 그러한 이온폭풍들을 감시하는 것은 중요한 일이 될 것이다.
현재는 지구의 GPS(위성항법장치, Global Positioning System) 네트워크를 이용해 이온층의 폭풍을 관측하여 예보한다. 지구의 GPS 네트워크를 사용할 수 있는 능력은 우리에게 새롭고 강력한 기술을 부여할 뿐만 아니라, 이온 폭풍을 예보하거나, 그것들의 이동을 관측하기도 하고, 또한 폭풍 현상의 좀 더 확실한 이해를 알려주기도 한다. 그리고 미분적인 이미지 기술인 DMT(Discrete Multi-Tone)가 개발되었는데, 이것은 폭풍의 각각을 뚜렷이 확인할 수 있게 하였고, 이온층의 변화에 따라 폭풍을 구별하는 방법으로 폭풍들을 분류하였다. 이런 방법에서 놀라운 것은 거의 실시간으로 전 세계에서 동시에 발생하는 이온 폭풍들을 연구할 수 있다는 것이다.
지구 이온층 지도
전체 전자의 양(TEC, total electron content)에 대한 전체적인 지도를 생성하는데 이용되는 데이터는 전체네트워크에서 100군데 이상의 지속적으로 작동하는 GPS 수신기들로부터 얻어진 것이다. 이러한 지구 이온층 지도(GIM, Global Ionosphere Map)은 매 30초마다 각각의 GPS 수신기로부터 얻어진 6~8개의 TEC측정을 시간과 공간에 따른 보간법을 사용하여 제공한다. 지도는 5~15분의 비율로 갱신되고 있으며, 실시간 방식으로 생성될 수 있다.
또한 지구 이온층 지도는 전우주환경의 중요 요소인 이온층 환경의 전체적인 패턴을 감시하는 새로운 도구로 주목받고 있다. 지구 이온층 지도는 전체적인 이온들을 측정하기 위해 이용되고 있으며, 고층대기의 과학적인 연구를 위해서도 이용되고 있다. 그리고 이것은 국제 우주환경 프로그램을 위한 중요한 데이터원이 될 것이다.
이온층의 불규칙성
불규칙적으로 구성된 이온층의 영역들은 라디오 신호에 회절과 흩뿌림을 일으킬 수 있다. 안테나에서 수신하였을 때, 이러한 신호들은 진폭과 위상에서 일시적인 동요를 나타낸다. 이것을 이온층의 섬광이라 한다. 향공 시스템에 미치는 영향과 국제 우주 날씨 프로그램 이온 섬광(National Space Weather Program Ionospheric scintillation)은 전파의 강도가 시간적으로 변동하는 현상, 위상주기의 미끄러짐, 수신에서의 손실 등의 문제를 일으키며, 위성 항공시스템들의 질을 떨어뜨린다. 국제 우주 날씨 프로그램은 이온층의 불규칙성과 섬광을 우주 날씨의 구성 요소에서 중요한 열쇠로 보며 목록으로 작성하였다.
전 세계의 GPS 네트워크를 이용한 지구 이온층의 불규칙성 관측
현재의 지구 전체의 GPS 네트워크는 수 백 개의 GPS 관측소를 포함하며, 그 수는 현재 계속해서 증가하고 있다. 이러한 관측소에서 각각의 수신기는 서로 다른 방향으로부터 동시에 GPS 인공위성으로부터 발생하는 L-band(엘 밴드, 390~1550 MHz) 이중 주파수 신호를 수신할 수 있다.