7강. 지구의 역장
추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차
1. 개요 [본문]
2. 지구의 중력장 [본문]
3. 지구의 자기장 [본문]
a. 고지자극의 위경도 계산
1. 개요 [목차]
⑴ 지구의 역장 : 지구의 힘의 흐름
⑵ 역장은 중력장과 자기장으로 구분
2. 지구의 중력장 [목차]
⑴ 중력
① 중력의 정의 : 지구상의 물체가 받는 지구 중심방향의 만유인력과 지구 자전에 의한 원심력의 합력
② 만유인력 F는 두 물체의 거리의 제곱에 반비례하고 두 물체의 질량의 곱에 비례
○ 중력은 극에서 최대이고, 적도에서 최소임
③ 원심력 : f = mrω2 (r : 자전축으로부터의 거리, ω : 지구 자전 각속도)
○ 원심력은 극에서 0이고 적도에서 최대임
④ 중력의 방향 : 적도와 양극에서 지구 중심 방향이나 다른 지방에서는 지구 중심을 향하지 않음
⑵ 중력의 측정
① 중력계 이용 : 예민한 용수철 저울 구실을 하는 중력계를 이용
② 단진자 이용법 : 진자의 길이를 ℓ이라 하면 진자의 주기는 다음과 같음
③ 만유인력 상수의 측정 : 캐번디시 실험(Cavendish experiment)에 의해 최초로 측정됨
⑶ 중력가속도(gravitational acceleration)
① 지표면 중력가속도
○ 지표면 소규모 운동은 물체와 지구 간 거리가 거의 일정하여 중력이 일정
○ 중력가속도 값은 지하 밀도, 위도별 원심력 차이로 국소적 차이가 존재함
② 대기 중 중력가속도
③ 지구 내부 중력가속도
○ 지구 내부 중력가속도를 계산함에 있어 특정 지점 바깥쪽의 구껍질은 영향을 주지 않음 (∵ 닮음의 원리)
○ 지구의 밀도가 일정하다고 가정했을 때 중력가속도는 지구 중심과의 거리에 비례함
④ 실제 지구 중력가속도 프로파일
⑤ 지구 표면의 중력은 달 표면의 중력의 6배
⑷ 중력이상
① 표준중력 : 실제 지구와 같은 질량을 갖고, 지오이드에 가장 가까운 균질한 타원체에서 이론적으로 계산한 중력값으로 위도(Φ)의 함수
② 중력이상 = 실측중력 - 표준중력
○ 양의 중력이상 : 고밀도 물질이 있는 경우 (예 : 철광석, 감람암)
○ 음의 중력이상 : 저밀도 물질이 있는 경우 (예 : 석유, 암염)
③ 보정중력 : 지오이드상의 평탄한 지형에서의 중력
④ 부게 이상 = 보정중력 - 표준중력
○ 부게 이상이 나타나는 것은 지하 물질의 밀도분포가 다르기 때문
○ 지하의 밀도가 큰 곳(주로 해양)에서는 (+) 값을, 작은 곳(주로 육지)에서는 (-) 값을 나타냄
⑤ 중력이상의 분포 : 포츠담의 중력감자라고도 함
⑸ 중력이 가지는 역할
① 저온의 성간물질이 수축 시 생김 → 지구 생성 초기 에너지원
⑹ 지각평형설(isostasy)
① 밀도가 작은 지각이 밀도가 큰 맨틀 위에 떠 있으면서 평형을 유지한다는 이론
② 이와 같은 평형유지 과정에서 조륙운동이 일어남
③ 이론 1. 프래트설 : 지각 밀도가 다르고 모호면 깊이는 같음. (주석) 플랫(flat)하다고 외울 것
④ 이론 2. 에어리설 : 지각 밀도는 같고 모호면 깊이는 다름
⑤ 실제 지각은 대륙지각과 해양지각으로 나뉜다는 점에서 에어리설이 맞고, 각 지각에 대해서는 프래트설이 맞음
⑺ 인공위성의 운동
① 제1 우주속도 : 지구 표면을 스치듯이 원운동하는 데 필요한 속력. 초속 7.9 km
② 제2 우주속도 : 지구 표면에서 쏘아 올린 물체가 지구 중력장에서 탈출하는 데 필요한 탈출속도. 초속 11.2 km
③ 제3 우주속도 : 지구 표면에서 쏘아 올린 물체가 태양계를 탈출하는 데 필요한 탈출속도. 초속 16.7 km
④ 정지 위성
○ 정지위성 : 공전주기가 지구의 자전주기와 같은 경우. 그렇지 않은 경우 이동위성이라고 함
○ 정지 위성은 항상 같은 지점 위에 떠 있게 됨
3. 지구의 자기장 [목차]
⑴ 개요 : 지구는 진북이 S극인 막대자석으로 간주할 수 있음
⑵ 지구자기의 3요소
① 편각(방위각) : α로 표시
○ 진북에 대하여 자북, 즉 자침의 N극이 가리키는 방향이 이루는 각
○ 자침의 N극이 동편할 때는 (+)로, 서편할 때는 (-)로 나타냄
② 복각 : β로 표시
○ 자침이 수평면에 대하여 기울어진 각. 수평자기력과 전자기력이 이루는 각이기도 함
○ 자기적도 : 0°, 북자극 : +90°
○ 위도가 높을수록 큼
화살표는 자기장의 방향으로 S극인 진북으로 화살표가 향함
③ 수평자기력 : A 또는 H로 표시
○ 지구자기력의 수평 분력
○ 자기적도에서 최대가 됨
○ 수평자기력 H = F cos I, I : 복각
○ 연직자기력 V = F sin I, I : 복각
⑶ 지구 자기장의 변화
① 현재 지구 자기장 : 2.0 × 10-5 T
② 영년변화 : 지구내부의 변동에 의한 지구 자기의 완만한 변화
○ 주기성이 없음
○ 정자극기와 역자극기
Figure. 9. 역자극기일 때 지구 자기력선 프로파일
단, 진북이 S극임을 유의
○ 해령 근처에 위치한 해양 지각에서 측정한 자기 이상 분포
Figure. 10. 해령 근처에 위치한 해양 지각에서 측정한 자기 이상 분포
③ 일변화 : 태양의 고도변화에 의한 지구 자기의 변화
○ 밤보다 낮에 크게 나타남
④ 자기폭풍 : 태양의 플레어에 의해 수 시간에서 2 ~ 3일 간에 걸쳐 불규칙적으로 일어나는 지구자기의 급격한 변화
○ 델린져 현상과 오로라를 동반
⑤ 오로라 현상(aurora)
○ 태양풍에 있던 전자와 이온이 공기 입자를 흥분시키고, 공기 입자가 이내 빛을 방출시키는 형광 현상
○ 전자나 이온은 속도와 자기장에 수직한 로렌츠 힘을 받으므로 그 경로가 나선형을 그리게 됨
Figure. 11. 오로라를 일으키는 전자나 이온의 궤적
⑷ 지구 자기의 원인과 밴 앨런 대
① 다이너모 이론 : 외핵의 운동으로 발생한 전류가 자기장을 형성한다는 이론
○ (주석) 원형도선의 자기장이 아님 : 자전의 방향을 따라 Fe2+가 회전하지 않아 진북이 N극인 막대자석이 만들어지지 않음
○ 코리올리힘과 대류에 의한 이동으로 진북이 S극인 막대자석이 만들어짐
② 지구 자기장 변화의 원인
○ 내적 원인 : 외핵 물질의 운동 변화로 영년변화가 발생
○ 외적 원인 : 태양 활동의 변화로 일변화, 자기폭풍, 오로라 등이 발생
③ 밴 앨런 대(Van Allen belt)
○ 태양풍과 우주선을 차단하는 튜브 모양의 벨트 영역
○ 내대 (내적 원인) : 주로 양성자로 구성. 지상 약 3,000 km 부근에 위치
○ 외대 (외적 원인) : 주로 전자로 구성. 지상 약 15,000 km 부근에 위치
입력: 2019.08.16 22:36
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