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- 지구의 자기장은 우주 방사선과 태양 폭풍의 에너지 입자 흐름으로부터 지구 표면 보호
- 오래된 암석층인 그린란드의 Isua 녹암지대에서 자기 흔적 찾았다.
- 젊은 지구는 현대적인 지오다이나모 없이도 상대적으로 강한 자기장을 형성

단단한 핵이 없는 원시 자기장?
우리 행성은 37억 년 전에 놀랄 만큼 강한 자기장을 가지고 있었다.

우리 행성의 보호 자기장은 언제 발생했으며, 그 강도는 얼마나 강했나? 37억 년 된 그린란드의 암석이 놀라운 답을 제공한다. 그 안에서 지질학자들은 지구 자기장의 가장 오래되고 분명한 증거를 발견했다. 그들은 이 고대 자기장이 오늘날의 자기장만큼 강했고, 팀이 보고한 대로 지구의 내부 핵이 형성되기 전에 존재했다고 제안했다. 따라서 원시 지구는 그 당시 이미 태양풍에 대한 보호 기능을 갖추고 있었다. 하지만 그것으로 충분했을까? 

▲ 그린란드의 이수아(Isua) 그린스톤 벨트에서 나온 이 띠 모양의 광석은 37억년 된 것이다. 당시의 지구 자기장의 흔적을 철광석에 저장해 오늘날까지 이어오고 있다. © Claire Nichols

우리 행성의 자기장은 가장 중요한 보호막이다. 이는 우주 방사선과 태양 폭풍의 에너지 입자 흐름으로부터 지구 표면을 보호한다. 오늘날 이 눈에 보이지 않는 자기장 쉴드의 엔진은 지구 핵에 있는 액체 철과 고체 철의 전자기적 상호 작용인 지구 발전기다. 그러나 지구의 내부 핵이 언제 굳어져 현대의 지오다이나모를 위한 조건이 만들어졌는가에 대해서는 여전히 논란의 여지가 있다.

또한 원시 지구가 견고한 내부 핵 없이 자기장을 생성할 수 있는지와 그것이 얼마나 강한지는 불분명하다. 42억 년 된 개별 지르콘 결정과 호주의 34억 년 된 암석에 대한 분석은 그러한 원시 자기장의 첫 번째 징후를 제공했다. 특히 지르콘의 경우 자기 서명이 입자 자체보다 젊은지 여부는 논란의 여지가 있다.

Archean의 암석

보다 명확성을 제공하기 위해 옥스퍼드 대학의 Claire Nichols가 이끄는 팀은 또 다른 아주 오래된 암석층인 그린란드의 Isua 녹암지대에서 자기 흔적을 찾았다. 38억~37억 년 전의 일부 퇴적암이 이곳에 노출되어 있다. “우리의 분석에 따르면 녹암지대 최북단에 있는 띠형 철광석 지층은 이때 이후로 열이 400도를 넘는 어떤 변성 사건도 경험하지 않은 것으로 나타났다”고 지질학자들은 설명했다.

▲ 단순화된 지질 지도(Nutman and Friend(2009) 이후)는 ISB의 북동쪽 부분을 묘사한다. 두 개의 작은 지도는 ISB의 전체 범위와 그린란드에서의 위치를 ​​보여준다. ISB의 변성 역사에 대한 이전의 지각 열적 제약은 색상이 지정된 기호로 표시된다. 여기서 분홍색, 파란색 및 노란색은 각각 Eoarchean 변성 작용, Neoarchean 변성 작용 및 원생대 열수 활동에 대한 증거를 나타낸다. 대사산물(사각형)과 후생암(원)의 암석학적 제약과 추론된 변성 경계(회색 선; Arai et al.(2014); Komiya et al.(2002)) 석류석-흑운모 온도계(5점 별, Rollinson(2002, 2003)); Sm-Nd 베개 현무암 연령(위를 향하는 삼각형; Polat et al.(2003)); Pb-Pb 인회석 연령(오각형; Nishizawa et al.(2005)); Sm-Nd 사장각섬석 연령(7점 별; Gruau et al.(1996)); 및 Pb-Pb 자철광 BIF 연령(아래쪽을 가리키는 삼각형; Frei 등(1999); Frei 및 Polat(2007)). 본 연구의 일부로 고지자기 데이터가 수집된 장소는 8A/A, B, C, D, 3AA, 4A, 5A 및 6A로 표시돼 있다. (출처:관련논문 Possible Eoarchean Records of the Geomagnetic Field Preserved in the Isua Supracrustal Belt, Southern West Greenland / Advancing Earth and Space Science)

이는 원시 자기장의 특징이 이 고대 암석에서 변하지 않고 남아 있을 수 있음을 의미한다. 따라서 연구를 위해 팀은 이 지층의 308개 암석 샘플에서 자철광과 인회석 광물의 자화를 분석했다.

적어도 오늘날의 50% 정도 강해

실제로 Nichols와 그녀의 팀은 많은 샘플에서 자기 신호를 감지할 수 있었다. Nichols는 "이렇게 오래된 암석에서 신뢰할 수 있는 서명을 얻는 것은 정말 어려운 일이므로 분석 중에 이러한 기본 자기 트랙이 나타나는 것을 보았을 때 정말 흥미로웠다"고 말했다. 따라서 초기 지구는 37억 년 전에 적어도 15마이크로테슬라의 자기장 강도를 가지고 있었는데, 이는 오늘날의 절반 수준이다.

지질학자들은 또한 그들의 결과가 당시 자기장 강도의 하한을 나타낸다고 강조했다. “따라서 우리는 시생 시대의 지자기장이 적어도 오늘날만큼 강력했다는 것을 배제할 수 없다”고 그들은 썼다.

▲ 연구팀은 Isua 녹암지대에서 채취한 수백 개의 샘플 디스크에 대해 측정을 수행했다. © Claire Nichols

견고한 접지 코어 없이도 자기 쌍극자

Nicholls와 그녀의 팀에 따르면, 그린란드에서 채취한 이 암석 샘플은 우리 행성이 초기에, 그리고 지구의 내부 핵이 굳어지기 전에 자기장 보호막이 있었음에 틀림없다는 가장 오래되고 분명한 증거다. “우리의 결과는 지구 자기장이 Eoarchean 이후로 활성화되었음을 보여준 이전 연구와 일치한다”고 연구팀은 썼다.

따라서 젊은 지구는 현대적인 지오다이나모 없이도 상대적으로 강한 자기장을 형성할 수 있었다. 지구물리학자들은 이 현상의 원동력이 지구의 액체 핵과 고체 맨틀 사이의 열교환이라고 믿고 있다. 이로 인해 지구 핵의 전도성 액체 금속에 대류가 발생하여 자기장이 생성되었다. 이는 고체 내부 핵이 늦게 형성될 때까지 원래 자기장의 강도가 약간 그리고 꾸준히 감소했다는 최근 연구와 일치한다.

대기로부터 더 많은 가스 손실

연구원들의 계산에 따르면, 15마이크로테슬라에 달하는 지구 원시 자기장의 보호 기포는 지구 반경의 최소 5배를 우주로 확장했다. 이는 오늘날의 절반에 해당한다. 그러나 동시에 아직 어린 태양에서 나오는 태양풍은 오늘날보다 훨씬 더 강했다. “이러한 조건에서 태양풍은 오늘날보다 더 많은 물질을 지구의 극 대기에서 우주로 운반했을 것이다”고 지질학자들은 설명했다.

새로운 측정은 이제 그 당시 지구 대기가 얼마나 많은 가스를 잃었는지에 대한 최초의 보다 정확한 표시를 제공한다. 그러나 당시의 상황과 가능한 지역적 차이를 더 잘 포착하기 위해서는 더 정확한 측정이 여전히 필요하다.
(Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024; doi: 10.1029/2023JB027706)
출처: University of Oxford

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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