2011학년도 1학년 융합과학 수업자료 020 지구 자기장

왜 이런 일이 생길까?

지구 내부는 어떤 모습일까?

지구쌍극자 지구는 자석이다.

자석은 어떤 성질이 있는가?

다이나모 이론 철로 된 자석은 약 500℃ 이상에서는 자성을 잃는다. 그러면??? 그러므로 지구 내부에 막대 자석이 있을 수는 없다. 그러면??? 그래서 등장한 이론이 다이나모 이론이다.

지자기 역전

고지자기_해저확장 이 줄무늬는 어떻게 해서 생긴 것일까? 시간이 지남에 따라 해저가 점점 확장되었고, 그 결과 오늘날과 같은 줄무늬가 생겼다.

전류와 자기장 BC 800 그리스, 마그네시아; 자철광(magnetite)이라는 돌이 쇠조각을 끌어당김 1269 de Maricourt; 북극과 남극이 존재, 인력과 척력이 존재 1600 W. Gilbert; 지구영구자석 1750 실험가들; 자기 단극은 존재하지 않는다. 1819 Hans Oersted(덴마크); 움직이는 전하와 자기의 관계 Andre Ampere(프); 자기력의 정량적인 법칙 1820 Faraday, Joseph Henry; 움직이는 자석이 전류를 생성 Maxwell;전기장이 자기장을 생성!

자기장과 자기력 자기장; 전하주위에 전기장이 생기는 것처럼 움직이는 전하의 주위에 전기장과 더불어 자기장이 발생 자기력선 크기: 자기력선의 밀도 B에 비례 방향: N극이 가리키는 방향

태양이 지구에 미치는 영향 자기권 내부 밴 앨런대 외부밴 앨런대

태양 플레어(Flare) 태양 플레어는 태양 활동 현상 중에서 가장 강렬한 활동 현상으로서 태양에 분포하고 있는 자기장의 지역적인 불안정 때문에 일어나는 태양표면의 거대한 폭발 현상이다. 플레어는 엄청난 양의 플라즈마를 우주공간으로 방출하며 이 물질들이 지구까지 도달하는데 걸리는 시간은 약 2~3일이다. 방출량 : 수백만 톤에서 지구 질량의 수십배 최고 분출속도 : 초속 수10만Km

태양의 홍염 태양의 불꽃인 홍염도 태양 활동의 일부분으로 표면의 물질이 대기권으로 분출되었다가 떨어지는 현상이다. 태양의 불꽃인 홍염도 태양 활동의 일부분으로 표면의 물질이 대기권으로 분출되었다가 떨어지는 현상이다. 강한 자기장 때문에 솟아오른 물질은 몇 시간에서 1주일 이상 태양의 중력을 이기며 공중에 떠 있다.

Coronal Mass Ejection(CME) 코로나 물질 분출 태양 코로나에서 물질이 강하게 분출하는 현상으로 지구질량의 수십배에서 수 백배의 플라즈마가 초속 1500 ~ 2000 Km/s(총알 속도의 약 1500배) 로 지구 쪽으로 날아 온다.

태양풍 태양으로부터 우주공간으로 분출되는 에너지의 빠른 흐름 속도 : 400 ~ 900 km/s 지구 도달 시간 : 수분 ~ 5일 미만

우주환경 피해 사례 A. 인공위성 피폭에 의한 경제적 손실 지난 25년간 인공위성의 고장으로 인한 미국의 총손실액  19개 민간위성의 대체비용 : 40억 $  21개 통신위성의 degradation : 8억$ 미국 상업위성의 연간손실액 : 1억 $ 미국 군용위성의 연간추정 손실액 : 8천만 $ 1998년 1월까지 미국 위성 보험 배상액 : 22.5억 $ (총 보험비 182억 $) 보험 미가입에 의한 손실 : 22.5억 $ (추정액) 년간 예상 피해액 : 25억 $ (1998년 5월 SOLTIP 국제우주환경예보학회 보고)

우주환경 피해 사례 B. 통신두절 및 혼란 1989년 3월 : 일본통신위성의 장애 (동계 올림픽 중계 시) 1994년 1월 : Canada 인공위성 Anik E-1, E-2의 이상작동 Anik E-1 (원래 수명; 10년) 1년 운용 손실액 : 4억 dollar 1997년 1월 : 미국 AT&T사의 Telstar 401호의 고장 (3년 운행) magnetic cloud event : 위성의 회로단절 예정수명 : 12년, 손실액 : 2억 dollar 1997년 4월 : 미국 Primestar사의 Tempo 1 발사 후 수 주만에 2개의 transponder 고장 solar flare 가 원인

우주환경 피해 사례 C. 송전시스템의 고장 원인: transformer saturation 오로라제트 전류 발생시: 지상의 거대 도체에 유도전기(DC) 발생 원인: transformer saturation power grid; 크고 길며 복잡할수록 쉽게 손상 1989 년 3월 Canada 의 Quebec주 발전소의 정전사태 약 3억 dollar의 손실유발 6백만 주민이 9시간의 정전사태 경험 변압기손상, 공장, 대중교통, 보안시스템, 난방 시설 1994년 4월 New Jersey Public Service Company transformer melt down 손실액 : 2천 6백만 dollar

우주환경 피해 사례 D. 국내 우주환경 피해 사례 2000년 2월 10일 10:45(KST) – 태양 플레어 폭발 미국 우주환경 센터 경보 발령(13일 03시 지구 도착 예정) 12일 08:57 지자기 폭풍 무궁화 3호위성 자세 불안정 2000년 4월 5일 00:41(KST) – 태양 플레어 폭발 미국 우주환경 센터 경보 발령 태양풍 진행속도 : 375  600 Km/s 로 급증 6일 18시 지구 도착 예측 7일 01:41 지자기 폭풍 7일 9:00~10:00 무궁화 위성 Roll error

자기권 남과 북의 자극은 자기력선이 지표면과 수직으로 교차하는데, 지구 자전축과 거의 일치한다. N 남과 북의 자극은 자기력선이 지표면과 수직으로 교차하는데, 지구 자전축과 거의 일치한다. 하지만, 자극은 지구의 어느 위치에 고정된 것이 아니며 년간 10km 정도의 속도로 이동한다. 또한 자극은 서로 대칭인 것도 아니다. 현재 지구의 북 자극은 캐나다 북부, 위도 약 80° N에 우치해 있다. 남 자극은 남극 대륙 연안에서 조금 벗어난, 오스트레일리아의 아데레이드 남부, 위도 약 60° S에 위치해 있다. 자기권은 어느 천체 주변에서 그 천체의 자기장에 의해 사건이 생기는 범위이다. 지구는 목성이나 토성, 천왕성, 해왕성과 같이 자기권으로 둘러싸여 있다. 지구 자기장은 지구 내부에 커다란 막대자석이 있는 모양이다. 자기력선의 화살표는 나침반의 바늘이 가리키는 방향이다.

자기권 지구 자기권의 실제 모습은 태양풍에 의해 심하게 뒤틀려 있어서 밤인 쪽은 긴 꼬리가 우주로 뻗쳐있다.

자기권 태양풍은 지구자기장을 뭉툭한 코 모양으로 눌러서 주간 자기권을 만든다. 자기권의 위치는 태양풍과 지구자기장에 의한 두 압력 사이의 균형에서 결정된다. 야간 자기권은 긴 꼬리 모양으로 나타난다. 자기권 꼬리는 반대로 향하는 2개의 둥근 돌출부로 되어 있다. 남반구 쪽은 태양 반대쪽으로, 북반구의 것은 태양 쪽으로 향해 있다. 지구 자기권의 구조와 운동을 결정하는 두 요소: 지구 내부 자기장 태양풍

자기권 지구의 태양 쪽에서, 자기권은 태양풍의 고 에너지 입자 흐름에 의해 눌려진다. 자기권과 이 흐름 사이의 경계를 자기권 계면이라 하는데, 지구 반지름의 10배 되는 위치에 있다. 태양의 반대편에서, 자기력선은 지구로부터 멀리까지 연장되어 그 긴 꼬리가 종종 달 궤도 넘어 까지 닿기도 한다. 자기권에서는, 이온이나 전자의 뒤섞임으로 전자기력이 중력보다 훨씬 세며 충돌은 매우 드물다. 이름에도 불구하고, 자기권은 공모양은 아니다.

자기권 대전입자들은 쉽게 영향을 받는다. 즉, 태양으로부터 온 전자와 양성자 같은 대전입자들은 지구 자기장에 붙잡혀 있다. 지구 자기장은 이 입자들을 전자기적으로 붙잡아서 반알렌대를 이루게 한다. 반 알렌 대의 외대는 대부분 전자로 되어 있고, 보다 무거운 양성자들은 내대에 모여 있다. 반알렌대: 지구 대기권의 아주 높은 곳에는 대전입자들로 된 두 개의 도넛 모양의 구역이 있다. 반 알렌 대를 이루는 입자들은 태양풍에서 왔다. 우주 공간을 떠도는 중성 입자들과 전자기 복사는 지구 자기권에 전혀 영향을 미치지 않는다. 하지만 대전된 입자들은 아주 큰 영향을 미친다.

자기권 대전입자들이 자기력선을 나선모양으로 휘감고 있다. 즉, 강한 자기장에 붙잡혀 있다.

자기권 오로라가 찬란하게 휘날리는 것은 마치 빛나는 커튼이 어둠 속에서 바람에 나부끼는 것 같다. 오로라는 자기권 입자들이 대기 입자와 부딪혀서 발광하면서 생긴다. 색은 들뜬 원자나 분자들이 기저 상태로 되돌아가면서 나타난다. (b) 오로라는 우주선에서 촬영할 수 있을 정도로 지표면에서 아주 높은 곳에 있다.

오로라의 형성 오로라는 전자와 양성자가 지구 대기에 충돌함으로써 생긴다. 산소와 질소가 이들 고에너지 입자에 충돌되면 들뜨게 된다. 그들이 원래의 상태로 되돌아가면서 고유한 색을 방출하게 되면서 여러 가지 색의 오로라가 생기게 된다. 녹색 = 산소 적색 = 산소 (저에너지 전자들) 청색 = 질소