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- 지구 자기장은 태양 폭풍과 강력한 방사선으로부터 우리를 보호하는 가장 중요한 방패
- 지구 역사 동안 자기장은 여러 차례 역전과 단기적인 극성 반전(극성 이동)을 겪어
- 마지막 주요 역전은 약 78만 년 전에 발생, 마지막 극성 이동은 약 4만 2천 년 전
- 이번 발견으로 누락된 극성 역전 현상의 증거 찾는 새 가능성

자기장: 우리가 놓친 반전이 있었을까?
연구진, 자기장 극성 반전 시계열에서 4개의 주요 공백 ​​발견

사각지대:
지구 자기장은 지난 8300만 년 동안 이전에 알려진 것보다 더 많은 역전을 겪었을 가능성이 있다. 새로운 분석에 따르면 지구 자기 시계열 데이터에는 최소 4개의 두드러진 하강 구간이 존재한다. 이 기간에 자기 역전이 발생했음이 틀림없는데, 데이터에서 해당 구간이 빠져있다. 따라서 비교적 최근 과거에도 발견되지 않은 역전 현상이 있을 수 있다. 연구팀은 이러한 미발견된 역전 현상을 이제 구체적으로 탐색할 수 있다고 "지구물리학 연구 레터(Geophysical Research Letters)"에 발표했다. 

▲ 지구 자기장은 지난 8300만 년 동안 이전에 알려진 것보다 더 많은 역전 현상을 겪었을 가능성이 있다. pixabay

지구 자기장은 태양 폭풍과 강력한 방사선으로부터 우리를 보호하는 가장 중요한 방패다. 하지만 이 보호막 역할을 하는 자기장은 불변하는 것이 아니다. 지구 역사 동안 자기장은 여러 차례 역전과 단기적인 극성 반전(극성 이동)을 겪었다. 마지막 주요 역전은 약 78만 년 전에 발생했으며, 마지막 극성 이동은 약 4만 2천 년 전에 일어났다. 이러한 자기장 변화의 증거는 고대 용암류에서 찾아볼 수 있는데, 용암류는 굳어지면서 당시의 자기적 상태를 그대로 보존했기 때문이다.

그렇다면 이러한 역전과 극성 반전은 얼마나 자주 일어날까? 그리고 다음 역전은 언제 일어날까? 이 질문은 현재 남대서양에서 자기장 약화대가 확장되고 있다는 점에서 중요하다. 여러 모델에 따르면 이러한 약화대는 극성 이동이나 극역전에 앞서 나타날 수 있다. 반면, 지난 1만 년 동안 극성 반전 없이도 자기장 이상 현상이 여러 차례 발생했다는 연구 결과도 있다.

이러한 역전 현상에는 시간적 패턴이 있을까?

지구 자기극성 시계열(GPTS: Geomagnetic Polarity Time Scale)은 자기장 역전 및 극성 반전의 재발 주기를 보여준다. 이 시계열에는 알려진 모든 자기장 역전 현상과 그 발생 날짜가 포함돼 있다. 이는 지구 외핵의 열류에 의해 발생하는 것으로 추정되는 장기적인 추세를 보여준다.

이 자료에 따르면, 자기극 반전 빈도는 약 1억 5500만 년 전부터 약 1억 2000만 년 전까지 꾸준히 감소했다. 그 후 약 4천만 년 동안은 반전이 거의 발생하지 않았는데, 이를 백악기 초저속기(Cretaceous superchron)라고 한다. 약 8300만 년 전부터는 자기극 반전 빈도가 다시 점차 증가한 것으로 보인다. 그러나 이러한 큰 변동을 제외하고는 지구물리학자들은 아직까지 이러한 반전과 자기장 변화에서 명확한 패턴을 발견하지 못했다. 이러한 현상들은 통계적으로 무작위적인 것으로 나타난다.

▲ 지자기 시계열은 백악기처럼 지자기 활동이 잠잠했던 시기를 보여준다. 하지만 그 이후에도 일관된 시간적 패턴이 존재하는지는 아직 불분명하다. © Anomie/ gemeinfrei

문제는 짧은 기간 동안 발생한 자기극 반전은 해당 시기의 지질학적 "타임캡슐"이 부족한 경우가 많아 식별하기가 특히 어렵다는 것이다. 따라서 지자기 극성 시계열에는 상당한 공백이 존재할 수 있다

곡선에서 발견된 네 개의 의심스러운 하강 구간

도쿄대학교의 요시무라 유타카(Yutaka Yoshimura) 연구팀은 적응 대역폭 커널 밀도 추정(AKDE:Adaptive-Bandwidth Kernel Density Estimation)이라는 특수 통계 기법을 사용해 이러한 현상을 조사했다. 이 기법은 불규칙한 데이터 계열에서도 밀도 분포의 패턴을 식별할 수 있다.

연구팀은 실제로 찾던 것을 발견했다. 요시무라 교수 연구팀은 자전축 반전 빈도 곡선에서 뚜렷한 하강 구간이 나타나는 네 개의 시기를 발견했다. 이 네 시기는 모두 약 8천300만 년 전 백악기 초장기(superchrone)가 끝난 이후에 위치한다. 연구팀은 "이 네 시기는 약 2천100만 년에서 1천550만 년의 간격을 두고 있으며, 비정상적으로 긴 기간 일정한 자전축을 유지했던 시기를 포함한다"고 밝혔다.

▲ 적응 대역폭 커널 밀도 추정법을 사용하여 모델링한 GPTS2020 기반의 155~0 Ma 기간의 지자기 역전 빈도 변화(파란색 실선). 여기서 파일럿 대역폭은 실버만 법칙을 사용하여 계산되었다. 지자기 역전 시점은 역전 빈도 그래프 하단의 이벤트 플롯으로 표시되어 있다. 검은색 점선은 할랜드(1990)와 칸데 및 켄트(1995)의 하이브리드 지자기 극성 시간 척도 데이터 세트를 기반으로 한 콘스터블(2000)의 모델이다. (출처:Evidence for Missing Geomagnetic Reversals From Geomagnetic Reversal Frequency Model Using Adaptive Kernel Density Estimation / 23 February 2026 / Geophysical Research Letters)

또한 흥미로운 점은 에티오피아의 지질학자들이 최근 약 3천2백만 년 전에 발생한, 이전에는 발견되지 않았던 여러 차례의 자기장 일탈 현상을 발견했다는 것이다. 이 리마-리모(Lima-Limo) 자전축 반전 현상은 요시무라 연구팀이 발견한 네 개의 하강 구간 중 하나에 정확히 위치한다. 이들을 지자기 극성 시계열에 포함시키면, 이 함몰부는 완만해진다.

하지만 아직 발견되지 않은 역전 현상 존재

지구물리학자들에 따르면, 이번 연구 결과는 그들의 예상대로 지자기 시계열에 여전히 공백이 있다는 것을 확인시켜 주었다. 지난 8천300만 년 동안 역전 빈도가 감소했을 것으로 추정되는 기간 데이터가 누락됐을 가능성이 높다. 연구팀은 "AKDE 기반 빈도 분석에서 나타나는 함몰부는 이 기간 발견되지 않은 역전 현상이 있었음을 시사한다"고 밝혔다.

이번 발견으로 누락된 극성 역전 현상의 증거를 찾는 새로운 가능성이 열렸다. 이제 데이터 공백이 존재하는 시기가 명확해졌으므로, 지질학자들은 해당 시기의 시추 코어, 용암류, 해양 퇴적물 등을 ​​구체적으로 조사해 자기장 이상 현상의 흔적을 찾을 수 있다. 이는 극성 역전 순서의 패턴을 발견하는 데에도 도움이 될 수 있을 것다.

참고: Geophysical Research Letters, 2026; doi: 10.1029/2025GL120557)
출처: Research Organization of Information and Systems

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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