입자들이 지구를 둘러싼 큰 도넛모양의 반앨런방사능대를 어떻게 움직이는지 보여준다. 중간의 푸른색이 플라즈마권으로 불리는 차가운 물질구름이다. 새연구를 통해 플라즈마권은 속도가 빠른 전자들로부터 지구를 보호한다는 사실이 밝혀졌다. (사진 출처= NASA/Goddard)
산소, 물 등과 함께 지구는 인간이 살기에 최적의 조건을 갖춘 행성일 수밖에 없는 또 다른 이유가 밝혀졌다.
태양으로부터 나오는 유해전자를 차단해 인간과 전자기기들을 안전하게 보호해주는 강력한 차단막이 대기권 밖의 밴앨런방사능대 안에 존재한다는 연구 결과가 발표됐다.
지구의 대기권 밖에는 지구 자기장에 붙잡힌 하전입자들이 자력선을 따라 도넛 모양으로 지구를 감싸고 있는 밴앨런방사능대(Van Allen belts)가 있다. 태양에서 오는 에너지와의 반응에 의해 커지기도 하고 작아지기도 한다.
미국 콜로라도대학 우주과학자 댄 베이커가 이끄는 연구진은 지난 2012년 발사된 NASA(미항공우주국)의 밴앨런관측위성이 보내온 데이터를 통해 이 밴앨런대 내부에 어떤 유해 전자도 뚫기 힘든 매우 강력한 보호막이 존재한다는 사실을 발견했다.
연구 결과는 28일 유력 과학 학술잡지 '네이처'에 실렸다.
논문의 제1저자인 베이커는 "(사람을 비롯한 지상 생물에 유해한) 초고속 전자를 막아주는 이 차단막은 밴앨런대의 두드러진 특징"이라며 밴앨런관측위성이 보내온 매우 정밀한 데이터 덕분에 그 존재를 최초로 발견하게 됐다고 말했다.
지구 둘레에 밴앨런대가 존재한다는 사실은 지난 1958년 미국의 인공위성 익스플로어 1호가 발사되면서 밝혀졌다. 그로부터 수십년 후 과학자들은 밴앨런대를 구성하는 두 벨트의 크기가 변하면서 하나로 합쳐지기도 하고, 세 개로 나눠지기도 한다는 사실을 알게 됐다.
일반적으로 내부 벨트는 지상 650km~1만km, 외부 벨트는 1만4천km~5만8천km 사이에 존재한다.
두 벨트 사이에는 거의 비어있는 공간이 존재하는데 무엇이 이 두 벨트를 분리하고, 왜 두 벨트 사이에 전자가 없는 지역이 존재하는지 그 동안 의문으로 남아 있엇다.
연구진이 밴앨런탐사위성의 자료를 바탕으로 강력한 차단막을 새로 발견한 곳은 외부 벨트의 안쪽 끝부분이다. 가장 빠르고 강력한 에너지의 전자들도 보통의 환경에서 이 차단막을 결코 뚫지는 못했다.
플라즈마권으로 불리는 지구 주변의 차고 충전된 가스 구름(사진에서 보라색)이 지구의 밴앨런방사능대의 입자(사진의 회색)들과 반응하면서 태양으로부터 나오는 강력한 전자들도 뚫을 수 없는 차단막을 형성한다. (사진 출처= NASA/Goddard)
논문의 공동저자인 쉬리 캐너카이 NASA 밴앨런탐사선 과학자는 "밴앨런탐사위성의 데이터에는 (태양으로부터 온) 매우 활동적인 전자들이 지구로부터 일정하게 떨어진 지점까지만 도달할 수 있었으며, 이는 새롭고 전혀 예상치 못한 것"이라고 말했다.
연구진은 그 이유들을 분석했다. 외부의 강력한 전자를 차단하는 원인이 인공적인 전파는 아니라는 사실을 확인했다. 물리적 현상에서도 원인을 찾아보았다. 지구를 둘러싸고 있는 자기장의 형태가 이 차단막을 만드는지 분석해 봤지만 이 가능성도 없었다.
대신, 다른 우주입자들이 존재할 가능성을 검토한 결과 개연성이 상당히 높다는 사실을 알았다.
연구결과 방사능벨트만이 지구를 둘러싸고 있는 유일한 입자구조는 아니었다.
지구 대기의 가장 바깥쪽에 해당하는 지상 약 1천km 상공에서 밴앨런대의 외곽에 이르는 지역에는 '플라즈마권(plasmasphere)'으로 불리는 차고, 충전된 입자들의 거대한 구름들이 차 있다. 이 플라즈마권의 외부 경계에 있는 입자들은 외부의 밴앨런방사능대에 있는 입자들을 분산시킴으로써 벨트에서 입자들을 제거하는 현상이 발견됐다.
입자를 분산시키는 이 효과는 상당히 약했으며 빠른 속도로 움직이는 경계지역의 전자들에 영향을 미치지는 못했다. 방사능 벨트의 전자들은 믿을 수 없을 만큼 빠른 속도로 움직이되 지구로 향하지는 않고 지구 둘레를 거대한 고리 모양으로 움직인다.
밴앨런관측위성의 데이터를 통해 태양으로부터 오는 가장 활동적인 전자들의 경우 지구로 향할 때 거의 움직임이 없고, 수개월에 걸쳐 부드럽고 느리게 떠다녔을 뿐이었다. 이 움직임은 매우 느리고 약하기 때문에 플라즈마권의 외부경계에 있는 입자들이 촉발한 분산작용으로도 충분히 소멸될 수 있었다. 바로 이 작용에 의해 지구의 생물들은 강력한 유해 전자로부터 안전하게 보호되는 것이다.
이는 또한 특히 강한 태양풍이나 크로나질량분출과 같은 거대한 태양폭발이 물질의 구름을 지구로 보내는 경우처럼 극단적인 조건에서 왜 외부 벨트의 전자들이 두 개의 밴앨런대 사이의 빈 공간으로 밀려나올 수 있는지도 설명할 있게 해준다.
베이커는 "플라즈마경계면에 의한 분산은 외부 밴앨런대의 안쪽 끝에 벽을 만들 정도로 강했다"며 "강력한 태양풍은 플라즈마권의 경계를 안쪽으로 움직이게 만든다"고 설명했다.
태양에서 나오는 다량의 물질은 외부 플라즈마권을 침식해 그것의 경계를 내부로 이동시키고 밴앨런방사능대에서 나오는 전자들에게 더 안쪽으로 이동하도록 여지를 제공하는 것이다.
밴앨런탐사위성은 NASA의 과학탐사부서를 위해 존 홉킨스 응용물리연구소가 제작 운용하고 있다.