Earth’s magnetic field perturbed by 'electric oceans', claiMS researcher
미국의 연구진은 지구 자기장의 변화를 썰물과 지구 해양의 흐름과 관련시킨 새로운 연구 결과를 발표하였다. 지구 자기장의 변화에 대한 정확한 정보는 네비게이션과 대기 모델링에 매우 중요하다. 지구 자기장의 원인과 메커니즘은 아직까지 완전히 풀리지 않은 문제이다. 대부분의 지구 물리학자들은 지구 자기장의 방향을 결정하는 주요 원인이 지구 내부 안에서 용해된 철의 대류에 의해서 발생되는 것이라고 믿고 있다.
화산암에 정렬된 자기 광물을 연구함으로써 지구 물리학자들은 수 백 년마다 지구 자기장의 방향이 바뀌어 왔다는 것을 알 수 있다. 이런 거대한 시간 스케일상에서 변하는 지구 자기장의 특성으로 단기간에 북극의 방향이 변할 것이라는 걱정을 할 필요는 없다. 그러나 자기장이 단기간에 약간 변동하는 것은 지구 자기장의 방향에 기반하여 운행하는 시스템에 위협적일 수 있다. 이렇게 수 년에서 수 백 년에 걸쳐 자기장이 변하는 영년 변화(secular variation) 역시 지구 내부의 용해된 철에 의해서 발생하는 것으로 간주되었다. 즉 용해된 철의 대류 패턴의 미세한 요동에 의해서 지구 자기장이 짧은 기간 안에서 요동친다는 것이다.
비록 이런 요동이 지구 자기장의 주성분에 비교하면 작지만 이런 영년 변화는 매 5년마다 작성되는 국제 지구 자기 표준의 빠른 개정을 필요로 할 만큼 심각한 영향을 미친다. 이제 미국 노스웨스턴 대학의 그레고리 리스킨(Gregory Ryskin)은 이런 영년변화의 원인에 대해서 새로운 설명을 내놓았다. 리스킨은 바닷물에 용해된 소금에 의해서 유도된 전류는 지구 자기장의 방향을 변화시킬 수 있을 정도로 큰 2차 자기장을 발생시킬 수 있다고 말하였다. 그는 자신이 계산한 결과와 발표된 지구 자기장 데이터를 비교하였다. 그는 대서양에서의 해양 순환과 서유럽에서의 관측된 영년 변화를 관련시켰다.
과학자들은 오랫동안 바닷물의 소금이 전류를 전도하여 지구 자기장 하에서 바닷물의 변화가 2차 자기장을 유도한다는 것을 알고 있었다. 그러나 실제로 계산 정밀도의 한계와 데이터의 부족 등으로 이를 계측하고 증명하는 것은 어려운 문제였다. 리스킨은 이전의 이런 자기장 측정은 다소 표준이론에 의해서 편향되었다고 말하였다. 연구자들은 영년변화가 용해된 철의 움직임 변동에 의해서 발생한다는 가정에서 연구를 시작한 것이 문제라고 덧붙였다.
리스킨은 지구 자기장을 설명하는 기존의 모델과는 다른 각도에서 접근하였다. 그는 북대서양 지역에서의 지구 자기장 영년 변화를 중점적으로 조사하였다. 그는 용질 이동 방정식, 자기 확산, 대양 순환 데이터 등을 이용하여 1995년과 2000년 사이에 예측된 자기장의 변동을 계산하였다. 리스킨은 이 계산 결과를 국제 지구 과학 기준표에 기록된 영년 변화의 데이터와 비교하였다. 그는 계산된 영년 변화와 측정된 데이터 사이에 시간적으로 공간적으로 강한 상관관계가 있다는 것을 발견하고, 이 결과를 New Journal of Physics에 발표하였다.
리스키의 연구가 논쟁이 되는 것은 지구 자기장의 표준 모델의 강력한 증거 중의 하나에 직접적인 의문을 제기하고 있기 때문이다. 지구 외 핵에서의 유체 이동에 의해 영년 변화가 발생된다는 것은 지구 물리학자들에 의해서 받아들여지고 있는 이론이다. 리스킨은 그의 논문에서 만약에 영년변화가 대양의 흐름에 의해서 발생되는 것이라면 지구의 외 핵이 지구 자기장을 발생시켜 주는 원동력 역할을 한다는 다이나모(dynamo) 전체 개념에 의문이 제기될 것이라고 말하였다.
미시간 기술 대학의 대기 물리학자인 알렉스 코스틴스키(Alex Kostinski)는 이 논문은 기존의 이론과는 매우 반대되는 것이지만 중요한 연구 결과로 생각한다고 말하였다. 그러나 일부 지구 물리학자들은 리스킨의 연구에 기본적인 한계가 있다고 믿고 있다. 미국 와싱톤 대학의 로버트 타일러(Robert Tyler)는 리스킨은 해양에서 측정된 전류의 크기와 그의 이론에서 사용된 필요한 전류의 크기를 비교해야만 한다고 말하였다. 그는 리스킨이 바닷물을 통하여 자기장이 퍼져나가는 모델링에 대해서도 비판하였다. 해양과 같은 얇은 전도체에서는 확산이 해양을 통하여 진행되는 것이 아니고 경계 면의 꼭대기나 바닥을 따라 진행되는 것이라고 그는 덧붙였다.
리스킨은 비록 그의 연구에서 강한 상관 관계를 발견하였지만 모든 영년 변화가 바다의 흐름에 의한 것이라는 것을 증명하는 것은 아니라고 말하였다. 그는 더 방대하고 정확한 데이터와 모델의 계산 능력이 향상되면 그의 이론이 더 검증될 수 있을 것이라고 말하였다.
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Earth’s magnetic field perturbed by 'electric oceans', claims researcher
Electric blue: origin of magnetic north has never been proven
In a radical rethink of accepted geophysics, new research in the US links variations in the Earth’s magnetic field with the ebb and flow of the world’s oceans. Given the practical importance of these field variations in navigation and atmospheric modeling, the implications of this new research extend far beyond aCADemia. However, the idea has already faced strong criticism from some researchers in the geophysics community.
The origin and mechanism of the Earth’s magnetic field are amongst the biggest unsolved questions in the earth sciences. Most geophysicists agree however that the main component of the field — which defines the magnetic poles — is a dipole generated by the convection of molten iron deep within the Earth’s interior. We know, from studying the way magnetic minerals align in volcanic rocks, that this dipole has flipped its orientation every million years or so throughout Earth history.
Given these huge time-scales, sailors and Scouts need not worry about the North Pole suddenly becoming the South, but there is another shorter-term threat to old-fashioned navigation caused by slight drifting of the magnetic field over years-to-centuries. The origin of this “secular variation” is also thought to originate in the molten iron core, due to fluctuations in the established convection pattern. And, although small in comparison with the main dipole field, secular variation can be difficult to predict with effects substantial enough to prompt a revision of the International Geomagnetic Reference Fieldevery five years.
Electric sea salts
Now, Gregory Ryskinof Northwestern University, Illinois, is offering an alternative explanation for the origin of this secular variation. Ryskin believes that electric currents induced in dissolved salts — as ocean waters circulate through the Earth’s magnetic field — can generate secondary magnetic fields strong enough to shift the orientation of the original field. Comparing his own calculations with public geophysical data, Ryskin links circulation in the North Atlantic with observed trends in secular variation over Western Europe.
Scientists have long since known that salt in the ocean can conduct electricity, leading to secondary fields, as the waters chop and change in the presence of the Earth’s magnetic field. In practice, however, it is difficult to gauge the scale of these fields — partly due to the incompleteness of data and the limited precision of computations. Ryskin also suggests that previous measurement of these fields have been somewhat biased by standard theories. “Researchers work backwards — they begin with the assumption that secular variation comes from the core when this is still only a hypothesis.”
Taking a different approach, the physicist looked specifically at the North Atlantic in isolation from other models of the Earth’s field. He calculated the expected variation in magnetic fields between 1995 and 2000 using equations of solute transport and magnetic diffusion, and ocean circulation data from ECCO— a global reference point funded in part by NASA and the National Science Foundation (NSF).
Out of the blue
Ryskin then compared these figures with recorded secular variations in the International Geomagnetic Reference Field (IGRF) — a publicly available resource derived from satellites, observatories and surveys around the world. Publishing his findings in New Journal of Physics, Ryskin finds strong temporal and spatial correlation between his calculated secular variation and the IGRF figures between 1995 and 2000.
The reason this theory is so controversial is that it directly challenges one of the strongest pieces of evidence in the standard model of the Earth’s magnetic field. Secular variation caused by fluid motions in the earth’s outer core is taken by geophysicists as confirmation that the main field also emerges from this region known as the “geodynamo”. As Ryskin asserts in his paper: “If secular variation is caused by the ocean flow, the entire concept of the dynamo operating in the Earth’s core is called into question: there exists no other evidence of hydrodynamic flow in the core.”
Alex Kostinski, an atmospheric physicist at Michigan Technological University told physicsworld.com: “I consider this paper extremely important, although I expect violent opposition from the experts.”
Indeed, some geophysicists believe there are fundamental limitations in this research. “[Ryskin] should compare the required electric currents for the theory with the amplitudes of electric currents that have been measured in the ocean,” said Robert Tyler, an ocean electrodynamics researcher at the University of Washington. Tyler also criticizes the way Ryskin has modeled the spreading of magnetic fields through sea waters. “In a thin conducting shell like the ocean, the diffusion is not through the ocean but along the top/bottom boundaries.”
Despite Ryskin’s bold claims, he is also careful to note that — although he sees strong correlation in his results — this does not prove beyond doubt that all secular variation is due to ocean flow. “In fact, a definitive proof may never be possible, but as the accuracy and completeness of the data continue to improve, and further computations are carried out, sufficient clarity on the issue should be achieved soon,” he writes.
References : KISTI, physicsworld.com
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