나침반 바늘은 언제나 북쪽을 가리킵니다. 등산객도, 옛 뱃사람도 이 사실을 믿고 길을 찾았습니다. 그런데 지구의 오랜 역사를 거슬러 올라가 보면, 나침반 바늘이 지금과 정반대인 남쪽을 가리켰을 시기가 여러 번 있었습니다. 지구의 자석이 통째로 뒤집히는 이 놀라운 현상이 바로 ‘지자기 역전(Geomagnetic Reversal)’입니다.

지자기 역전이란 쉽게 말해 ‘지구 자기장의 북극과 남극이 서로 자리를 바꾸는 일’을 의미합니다. 여기서 말하는 북극과 남극은 지도 위의 지리상 극이 아니라 자기장의 방향을 뜻합니다. 땅이 움직이거나 지구가 거꾸로 도는 것이 아니라, 지구 속에서 만들어지는 자기장의 방향만 뒤바뀌는 것입니다.

본 자료에서는 지구 자기장이 어떻게 만들어지는지부터, 과학자들이 역전의 흔적을 찾아낸 과정, 역전이 일어나는 동안 벌어지는 일, 그리고 지금 지구 자기장의 상태까지 차례로 살펴보겠습니다.

뒤집히는 지구 자석의 비밀

지구 자기장은 어떻게 만들어질까?

지구 깊은 곳에는 철과 니켈로 이루어진 핵이 있습니다. 가운데 내핵은 단단한 고체이지만, 그 바깥을 감싼 외핵은 뜨겁게 녹은 액체 금속입니다. 이 액체 금속이 끊임없이 움직이면서 지구 자기장이 생겨납니다.

(1) 지구 발전기(Geodynamo)
녹은 철이 열 때문에 위아래로 흐르는 대류를 일으키고, 지구의 자전 때문에 그 흐름이 소용돌이칩니다. 전기가 통하는 금속이 이렇게 움직이면 전류가 흐르고, 전류는 다시 자기장을 만듭니다. 이 과정이 스스로 이어지는 구조를 지구 발전기라고 부릅니다.

(2) 기울어진 막대자석
지구 자기장은 흔히 지구 한가운데 놓인 거대한 막대자석에 비유됩니다. 이 자석은 자전축에서 약 11도 기울어져 있어서, 나침반이 가리키는 자북과 지도 위의 북극은 조금 어긋납니다.

(3) 늘 변하는 자기장
외핵의 흐름은 한순간도 멈추지 않으므로, 자기장의 세기와 방향도 조금씩 계속 변합니다. 지자기 역전은 이런 변화가 극단까지 간 경우라고 볼 수 있습니다.

바위와 해저에 새겨진 역전의 흔적

과학자들은 사람이 태어나기 훨씬 전에 일어난 역전을 바위 속 작은 자석 알갱이로 알아냈습니다. 용암이 식어 굳을 때, 그 안의 철 성분 광물은 그때의 자기장 방향으로 줄을 선 채 굳어 버립니다.

(1) 거꾸로 자화된 화산암
20세기 초 프랑스의 지구물리학자 베르나르 브륀(Bernard Brunhes)은 일부 화산암이 지금의 자기장과 반대 방향으로 자화되어 있다는 사실을 처음 알아차렸습니다. 1920년대 후반에는 일본의 마쓰야마 모토노리(Motonori Matuyama)가 거꾸로 자화된 암석이 모두 오래된 지층에서만 나온다는 점을 밝혔습니다.

(2) 해저의 얼룩말 무늬
1950~60년대 연구선들이 바다 밑 자기장을 재어 지도로 그려 보니, 해령을 따라 정상과 역전 방향이 번갈아 나타나는 줄무늬가 드러났습니다. 1963년 프레더릭 바인(Frederick Vine)과 드러먼드 매슈스(Drummond Matthews)는 해령에서 새로 생긴 해양 지각이 당시의 자기장 방향을 기록한 채 양옆으로 벌어진 결과라고 설명했습니다. 이 해석은 해저 확장설과 판구조론을 뒷받침하는 결정적인 증거가 되었습니다.

역전은 얼마나 자주, 얼마나 오래 일어날까?

지자기 역전은 정해진 주기 없이 불규칙하게 일어납니다. 지난 8,300만 년 동안 적어도 183번 일어났으니 평균으로 따지면 수십만 년에 한 번꼴이지만, 수천만 년 동안 한 번도 뒤집히지 않은 시기도 있었습니다.

• 마지막 역전(Brunhes–Matuyama Reversal): 약 78만 년 전에 일어났으며, 두 과학자의 이름을 따 브륀-마쓰야마 역전이라고 부릅니다. 일본 지바현의 지층에 이 역전이 또렷하게 남아 있어, 2020년 이 지층을 기준으로 한 지질 시대에 ‘지바절(Chibanian)’이라는 이름이 붙었습니다.
• 역전에 걸리는 시간(Transition Duration): 대부분 1,000년에서 10,000년 정도로 추정합니다. 마지막 역전은 2만 2천 년쯤 걸렸다는 연구도 있습니다.
• 짧은 이탈(Geomagnetic Excursion): 약 4만 1천 년 전의 라샹 이탈(Laschamp Excursion)처럼 자기장이 잠깐 크게 흔들렸다가 원래 방향으로 돌아온 사건도 있습니다.

역전이 일어나는 동안 자기장이 완전히 사라지지는 않습니다. 다만 세기가 크게 약해지고, 여러 곳에 작은 극이 어지럽게 생겼다가 시간이 지나 새 방향으로 자리를 잡습니다.

지금 지구 자기장은 뒤집히고 있을까?

유럽우주국(ESA)의 스웜(Swarm) 위성 관측에 따르면, 지구 자기장은 지난 200년 동안 전 세계 평균으로 약 9% 약해졌습니다. 그래서 곧 역전이 시작되는 것 아니냐는 이야기가 종종 나옵니다.

(1) 남대서양 이상대(South Atlantic Anomaly)
아프리카와 남아메리카 사이 하늘에는 자기장이 유난히 약한 넓은 지역이 있습니다. 이곳을 지나는 인공위성은 우주에서 날아드는 입자에 더 많이 노출되어 고장이 나기 쉽습니다.

(2) 아직은 걱정할 단계가 아님
과학자들은 지금의 약화가 자연스러운 변동 범위 안에 있다고 봅니다. 현재 자기장은 오랜 기간의 평균보다 오히려 센 편이어서, 당장 역전이 시작된다고 볼 근거는 부족합니다.

(3) 우리 생활과의 관계
지표면의 사람에게는 별다른 영향이 없지만, 자기장의 변화는 위성 운영과 항법 장치에 영향을 줍니다. 그래서 미국과 영국의 기관이 함께 만드는 세계 자기장 모델(World Magnetic Model)을 5년마다 새로 고쳐, 스마트폰 지도와 비행기, 배의 길 찾기에 반영합니다.

지자기 역전은 우리 발밑 수천 킬로미터 아래에서 움직이는 액체 금속이 지구 전체의 모습에까지 영향을 준다는 사실을 보여 줍니다. 바위와 해저에 남은 작은 자석의 기록 덕분에 과학자들은 대륙이 움직여 온 역사와 지층의 나이까지 읽어 낼 수 있게 되었습니다.

익숙한 나침반 바늘 하나에도 지구의 긴 역사가 담겨 있다는 것을 아는 것, 그것이 우리 행성을 이해하는 지구과학의 첫걸음입니다.