과학논술/ 태양풍과 자기장

<제시문 1>

전하를 띤 대전 입자가 자기장속에서 운동할 때 자기장에 의해 힘을 받으며 이 힘을 로렌츠의 힘이라 한다.

자기장 B 에서 속도 v 로 자기장의 방향과 θ의 각도를 이루며 운동하는 전하량 q 인 대전입자가 받는 로렌츠의 힘 F의 크기는 qvBsinθ로주어지며, 플레밍의 왼손 법칙을적용해 대전 입자가 받은 힘의 방향을 알 수 있다.

이때, (－)전하가 운동하면 운동반대 방향을 전류의 방향으로 정하고 (＋)전하가 운동하면 운동 방향을 전류의 방향으로 정한다.

<제시문 2>

화성 탐사선의 활동을 통해 화성의 퇴적지형등이 발견되면서, 과거에 화성에는 물이 존재했음이 밝혀졌다. 그런데 화성에 모종의 변화가 일어나면서, 물은 모두 증발해 사라지고 말았다. NASA의 연구에 의하면 미약한 화성의 자기장이 그 원인이었다.

태양의 코로나 영역에서는 전자, 양성자, 중원소 핵과 같은 입자들이 고 에너지 상태로 태양으로부터 방사되어 나오며 이를 태양풍이라 한다. 태양풍은 20AU거리까지 방사되어 나간 후 냉각되어 우주 공간으로 사라진다. 화성에 비해 지구의 자기장은 아주 강해, 태양이 내뿜는 고에너지 태양풍을 지구의 자기장이 방어막이 되어 막아 준다.

간혹 태양 활동이 활발한 경우 태양풍이 강해지면서 지구 자기장을 교란시켜 무선통신의 두절을 일으키기기도 한다. 그러나 화성의 경우는 자기장이 아주 약해 고 에너지 태양풍을 막아줄 방어막이 없어, 화성의 대기는 태양풍에 그대로 노출되어, 바람에 모래가 날리듯이 우주로 날아가 버렸다. 화성의 대기가 사라지면서 대기압이 낮아지게 되고 화성의 표면의 물은 저압 상태에서 기화하여 화성의 대기와 함께 우주로 날려가 결국 화성표면의 물은 존재하지 않게 된 것이다.

<제시문 3>

1975년 바이킹 1, 2 호가 화성 표면에 착륙에 성공하여, 화성 표면에 관한 여러 가지 정확한 정보를 얻게 되었다. 화성에는 공기가 있기는 하나 기압은 지구의 1/100에 불과해 아주 희박하다. 공기의 주성분은 이산화탄소(CO2)가 95%, 수분과 산소는 아주 조금 밖에 없고, 화성의 적도에서 낮에는 온도가 26℃, 밤중에는 -110℃까지 내려간다. 화성의 토양은 점토와 다량의 산화철 성분을 포함하고 있으며, 이 산화철때문에 화성이 붉게 보인다.

화성의 지형적 특색은 남반구와 북반구가 비대칭적이라는 점을 들 수 있다. 아직 그 이유를 정확히 알 수는 없지만, 대부분의 화산들은 화성의 북반구에 몰려 있는 반면 대부분의 크레이터는 남반구에 몰려 있다.

화성의 적도 부근에는 낮은 북반구와 높은 남반구를 갈라 놓고 있는 것처럼 보이는 Valles Marineris라는 거대한 협곡이 있다. 이 협곡은 지구에서 판구조 운동의 결과로 홍해가 생긴 것과 같이 화산 활동에 의한 지각균열과 단층활동으로 생긴 것으로 보인다. 무인 화성 탐사선 패스파인더의 관측 결과에 의하면 화성의 내부 구조는 지구처럼 지각, 맨틀, 중심핵 등으로 구성된 것으로 밝혀져 이러한 지각 변동의 가능성을 뒷받침한다.

화성의 적도 바로 북쪽에는 지름이 2500여 km에 이르는 부푼 돔 형태의 타르시스(Tharsis)지역이 있다. 이곳에는 거대한 순상화산이 4개나 있는데, 그 중에서 가장 큰 것은 올림푸스(Olympus)라고 불린다. 이 산은 주위 평지 보다 25 km나 솟아 있는데, 이것은 에베레스트 산의 2.5배에 해당하는 높이이다. 올림푸스산의 기반은 지름 600여 km에 이르며, 꼭대기에 있는 칼데라는 제주도보다도 더 크다. 화성의 주요 물리량은 지구와 비교했을 때 다음과 같다.

지름 : 6,794 km (지구의 0.532배)

질량 : 6.4219e23 kg (지구의 0.107배)

공전 주기 : 686.98일 (=1.88년)

자전 주기 : 24시간 37분 23초

평균 밀도 : 3.94 g/cm3 (지구의 약 0.714배)

표면 온도 : 최고 293 K (℃) 최저 133 K (-140℃)

논제 1> 지구의 자기장이 태양풍을 차단시켜 주는 원리를 설명하시오.

논제 2> 지구와 비슷한 내부 구조를 가진 화성에 지구와는 달리 자기장이 존재하지 않는 이유를 제시문 2의 자료에 근거하여 추론하시오.

논제 3>1989년에 발생한 태양폭풍은 캐나다 퀘벡주에서 대규모 정전 사태를 일으켜 600만명이 9시간 동안 고통을 겪은 바 있다. 태양폭풍에 의한 강력한 태양풍이 정전을 유발시키는 이유를 설명하시오.

<출제의도> - 로렌츠 힘·판구조론 등 이해 정도 파악

논제 1에서는 지구자기장에서 대전입자가 로렌츠 힘에 의해 어떻게 운동하며 에너지는 어떻게 변하는지 도출해내는 능력을 파악하고자 출제하였다. 과학(태양계와 은하), 물리1(자기장내에서 전류가 받는 힘), 물리2(자기장내의 운동전하, 전자기파), 지구과학1(태양의 활동) 과 관련이 있다.

논제 2에서는 생물학에서 많이 사용되는 체적-표면적간의 불비례 원리를 화성에 자기장이 존재하지 않는 원인을 밝히는데 적용求？능력 및 판구조론과 열점의 이해정도를 파악하고자 출제 하였다. 과학(호흡, 생식, 지구의 변동) 생물1(세포호흡), 지구과학1(지각변동)과 관련이 있다.

논제 3에서는 태양풍에 의한 지구 자기장의 교란이 송전시스템에 전자기 유도현상을 일으켜 송전시스템을 파괴할 수 있다는 것을 이해하는지 파악하고자 출제하였다. 과학(전기에너지), 물리1(전자기유도)과 관련이 있다.

<예시답안>

논제 1: 플레밍의 왼손법칙에 의하여, 자기장과 수직한 속도 성분이 존재하는 대전입자는 진행방향과 수직인 힘을 받아 원운동을 하게 된다. 자기장과 나란한 속도 성분이 존재하면 자기장과 나란한 방향으로 운동할 수 있으므로 지구 자기장으로 진입한 태양풍의 대전 입자는 원운동을 하거나 지구자기장의 자기력선을 따라 나선 운동을 하게 된다. 전하를 띤 입자가 가속운동을 하게 되면 운동에너지를 전자기파로 방출하며 에너지를 잃게 되므로 지구 자기장에 의해 원운동이나 나선 운동을 하는 대전 입자는 점차 에너지를 잃으면서 자기력선을 따라 남극이나 북극 쪽으로 이동하게 된다.

남극이나 북극 쪽으로 이동하며 에너지를 거의 상실한 대전 입자는 자기력선을 따라 지구 대기층으로 진입하여 상층 대기의 질소나 산소와 충돌하여 에너지를 모두 상실한다. 이 과정에서 대전입자와의 충돌로 들뜬 상태로 바뀐 질소나 산소가 다시 바닥상태로 이동하면서 오로라를 형성하는 가시광선을 방출한다. 이러한 과정을 통해 지구자기장으로 진입한 태양풍의 대전입자는 에너지를 모두 잃게된다.

논제 2 : 지구의 자기장은 주로 철 성분인 액체 금속상태의 외핵의 회전에 의해 생성된다. 따라서 화성에 자기장이 존재하지 않게 된 이유는 화성의 내부구조에 액체 상태의 외핵이 없거나 혹은 액체 상태의 외핵이 있더라도 철과 같은 금속의 양이 아주 적은 두 가지 경우로 볼 수 있다.

화성은 지구와 비슷한 구조를 가지고 있으나 반지름이 지구의 절반 정도이다. 지구와 같이 방사성동위원소 붕괴로 열에너지를 생성한다면, 에너지를 생성하는 부분인 화성의 부피는 지구의 배가 되고, 생성된 에너지를 방출하는 표면적은 지구의 배가 되어 생성에너지에 대한 방출에너지의 비율이 지구보다 더 커지게 된다.

그 결과 지구보다 빨리 에너지를 소모해 화성의 내부는 지구보다 이른 시기에 냉각되었을 것이다. 올림푸스 화산의 존재는 이러한 추론의 타당성을 뒷받침해준다. 맨틀층이 식어 대류가 중단되고 판 구조운동도 더 이상 일어나지 않아, 내부의 마그마는 열점을 통해서만 외부로 지속적으로 방출되어 거대한 규모의 올림푸스 화산을 생성하게 된다. 맨틀의 대류와 판구조 운동이 있었다면 한 지점에 지속적으로 마그마를 분출되는 것은 불가능 했을 것이다.

이러한 화성 내부의 냉각은 맨틀뿐 아니라 액체 상태의 외핵도 냉각에 의해 고체 상태로 바꾸어, 화성은 자기장을 더 이상 생성하지 못하게 된 것이다.

화성의 밀도는 지구의 약 0.7배이며 표면에 많은 양의 산화철이 존재한다. 따라서 지구와는 달리 철 성분이 지표에 많이 존재하고 내부의 핵에는 그리 많지 않을 것이라고 추정할 수 있다. 철과 같은 금속 성분이 부족하면 액체 상태의 외핵이 존재하더라도 강한 자기장은 생성할 수 없게 된다.

이러한 요인에 인해 화성의 자기장은 존재하지 않게 된 것이다.

논제 3 : -이하 중략-

조현 최강학원