우주학 자기권 Magnetosphere

우주학 자기권 Magnetosphere

자기장은 많이 들어봤을 것이다.

대기권과 함께 지구를 감싸고 있는 힘

중력과 함께 우리 일상생활을 조정하고 있는 힘

자기권에 대해 알아보자!

1. 자기권이란?

지구 적도와 자기장선은 거의 수평이고 그 다음 고위도로 다시연결 되기 위해 돌아간다. 그러나 고위도에서, 자기장은 태양풍과 태양풍의 태양자기장에 의해 크게 왜곡된다.

지구의 햇빛이 비추는 면에서 자기장은 태양풍에 의해 약 65,000km의 거리까지 상당히 압축된다.

지구의 bow shock은 약 17km 두께를 가지고 지구로부터 약 90,000km떨어져 위치한다. 자기권계면은 지구 표면에서 수백키로 떨어진 거리에 존재한다.

지구의 자기권계면은 태양풍으로부터의 입자가 지구로 들어올 수 있게 하는 '체'로 비교되었다. 자기권에서 다른 속도로 거대한 플라즈마의 소용돌이가 자기권의 가장자리를 따라서 이동할 때 kelvinphelmholtz 불안정성들이 일어난다.

이것은 자기장선이 끊어지고 재연결되는 것 같은 자기 재접속을 야기시키고, 태양풍입자들은 자기권으로 들어갈 수 있게 한다. 지구의 빛이 비추지 않는 면에서 자기장은 6,300,000km이상의 길이에 자기꼬리로 연장한다. 지구의 자기꼬리는 극지방 오로라의 주된 요소이다. 또한, 나사의 과학자들은 지구의 자기꼬리는 낮면과 밤면의 전위차를 만들어 달에 "먼지 폭풍"을 일으킬 수 있다고 제안 혹은 추측했다.

자기권은 천체의 자기장에 의해 제어되는 하전입자들이 있는 천문학적 천체 근처 공간영역이다. 천체의 표면 근처에서, 자기장선은 자기쌍극자와 비슷하다. 표면으로부터 멀리에 있는,자기장선은 플라즈마에서 흐르는전류에 의해 상당히 왜곡된다.지구에 대해 말할 때 자기권은 일반적으로 이온권의 외각층을 나타나는데 사용되고 일부는 분리되도록 고려한다. 그러므로 지구의 자기권의 연구는 w.Gilbert가 지구 표면위에 자기장이 작은 인공소지구에 자화권과 비슷하다는 것을 발견했을때인 1600년에 시작되었다. 1940년대 지구가 자기장이 지구의 철의 외핵의 움직임의 결과로보는 dynamo이론의 모델을 제안했다. 자기계의 사용을 통해 과학자들은 시간과 위도, 경도의 함수로 지구의 자기장의 변화를 연구할 수 있었다. 1940년 후반부터,로켓이 우주선을 연구하는데 사용되기 시작하였다. 1958년 익스플로어1이 대기권 위의 우주선의 강도와 이 활동의 변동을 측정하기 위해 발사되었다. 이 임무는 지구의 자기권의 내부지역에 위치한 van allen radiation belt의 존재를 관측하였고 후에 익스플로어3 미션은 이 것의 존재를 명확하게 증명하였다. 1958년에는 태양풍의 아이디어를 제안했다. 자기권이란 용어는 토마스 골드에 의해 제안되었으며 익스플로어12미션은 후에 자기권계면이라는 것을 이끌어냈다. 

자기권의 구조모형

1. 자기권 최외각층

자기권과 주변의 물질 사이의 경계.

별의 경우 이것은 일반적으로 항성풍과 성간물질사이의 경계이다. 행성의 경우 태양풍이 자기권계면에 근접할 때 태양풍의 속다가 갑자기 떨어지는 곳의 경계이다.

2. 자기권외피층

자기권외피층은 자기권 최외각층과 자기권계면 사잉의 자기권 영역이다. 자기권으로부터 작은 양의 플라즈마를 포함하고 있지만, 주로 충격을 받은 태양풍에 의해 형성된다. 이곳은 자기장의 방향과 크기가 불규칙하게 변화하는 높은 입자에너지 플럭스를 나타내는 영역이다. 효과적으로 "열중성자화"를 겪은 태양풍가스의 무리에 의해 야기된다. 

태양풍의 흐름으로부터의 압력을 천체의 자기장의 베리어로 전송하는 쿠션같은 역할을 한다.

3. 자기권계면

자기권계면은 행성의 자기장 압력이 태양풍의 압력과 균형을 이루는 자기권의 영역이다. 이곳은 자기권외피층에 충격된 태양풍과 자기권에서 플라즈마와 천체의 자기장의 집합이다. 이러한 양쪽면들의 집합이 자화된 플라즈마를 포함하기 때문에, 이들간의 상호작용은 매우 복잡하다. 자기권계면의 구조는 자기장 뿐만 아니라 마하수와 플라즈마의 베타에 의존한다. 자기권계면은 태양풍의 압력이 변동할 때 크기와 모양이 변한다.

4. 지자기꼬리

압축된 자기장 맞은편이 지자기 꼬리이다.

이 지역은 자기권이 천체를 훨씬 넘어서 확장된다. 이곳은 남쪽꼬리와 북쪽꼬리라 불리는 2개의 러브를 가지고 있다. 북쪽꼬리 끝점은 천체를 향하고 남쪽꼬리끝점은 바깥을 향한다. 꼬리는 태양풍의 흐름을 반대할 수 있는 매우 적은 수의 하전입자와 함께 거의 비어있다. 두개의 라브는 자기장이 더 약하고 하전입자의 밀도가 더 높은 플라즈마 시트에 의해 분리된다.

5. 기타

목성의 자기권면은 밤면에서 거의 토성의 궤도에이르고, 낮면에서 7,000,000km까지 확장되는 태양계에서 가장 큰 행성 자기장이다. 목성의 자기권은 지구의 자기권보다 한자릿수 더 강하고, 목성의 자기모멘트는 지구의 자기모멘트보다 거의 18,000배 더 크다.

* 플라즈마란?

플라즈마 혹은 플라스마는 물리학이나 화학 분야에서 디바이차폐를 만족하는 이온화 된 기체를 말한다. 자유 전하로 인해플라스마는 높은전기전도도를 가지며, 전자기장에 대한 매우 큰 반응성을갖는다. 우주에 존재하는 물질의 99%가 플라스마로 이루어져있다. 물리적으로 플라스마는 전기전도도를 가지는 전하를 띤 입자들의 입합체로외부 전자기장에 집합적으로 반응한다. 플라스마는 일반적으로 중성 기체와같은 집합체 또는 이온 빔의 형태를 취하지만, 띠끌을 포핰하기도하며, 이러하늘라스마를 티끌 플라스마라 한다.

* 디바이차폐란?

디바이 차폐는 고밀도의 양이온으로 응축된 플라스마층으로 전반적으로 높은 양전하를 가지며 접촉하고 있는 물체 표면에서 반대 극성을띄는 음전화로 균형을 이룬다. 이 층의 두께를 디바이 길이라 하며, 플라스마의 다양한 특성에 따라그 값이변한다. 디바이 차례는 보통 전자가 이온에 비해 몇 십배 혹은 그 시앙의 열을 가지며 질량이 상당히 가볍기 때문에 제기된 개념이다. 결과적으로 전자는 이온보다 속도가 빠르다. 물체 표면이 상호 작용하는 구간에서 전자는 플라스마를 벗어나 상대적으로 중성인 물체를 대전시키게 된다. 퍼텐셜이 증가할 수록 전자의 방사량이 커지고 전자 온도의 배수만큼 퍼텐셜이 차이가 나면 균형 상태에 이르게 된다.

디바이 차폐는 플라스마로 부터 물체 표면으로 향한다. 비슷한 물리 반응으로는 양과 음으로 대전된 두개의 플라스마 영역 사이에서 일어나는 플라스마 이중층 현상이 있다.