지구 중력 변화 - jigu junglyeog byeonhwa

지구의 중력장은 중력을 측정하는 지점의 해발고도 및 지형 기복 그리고 내부 물질에 따라 달라질 수 있는데, 보통 지구 중심에서 가까울수록 그리고 내부에 밀도가 높은 물질이 존재할수록 중력이 크게 측정된다. 세부적으로는 해양 지역과 지하 물질이 철광층 등으로 이루어진 지역은 중력이 크게 측정되며, 대륙 지역과 원유 매장 층 등은 중력이 작게 측정된다.

우리는 지구에 관해서 더 자세히 알고 싶어 하지만 지구를 잘라서 내부를 관측할 수는 없다. 따라서 인공위성 등을 통해 측량한 ‘실측 중력’과 같은 위도 어디서나 동일한 ‘표준 중력’의 차이점을 통해서 지구 내부에 어떠한 물질이 존재하는지 추측한다. 이러한 중력 측정을 통해서 전 지구적인 해류 순환에 관해서 알 수도 있으며, 궁극적으로 이를 통한 기후 변화 예측이 가능하다. 또한 지형적 요인으로 인한 자연재해의 예측도 가능하기에 더욱 정확한 중력장의 측정은 지구 과학 연구 분야에서 단연 화두가 되는 주제이다.

지오이드(Geoid)란?

지구 중력장 탐사에서 이용되는 물리적 값은 지오이드(Geoid)이다. 지오이드는 중력 포텐셜이 같은 등포텐셜(equipotential) 면인데 이는 지구의 중력장에 의해 정의된다. 따라서 지오이드는 중력 가속도를 측정할 때의 기준면이 된다. 측정된 위치에 따른 중력의 작용선 변화는 지표면 아래를 구성하고 있는 물질에 관한 정보를 파악할 수 있게 해준다. 또한 지오이드는 조수와 해류가 없을 때 휴지 상태에서의 가상의 해수면을 따르기에 기후 변화의 영향을 받는 해양 순환 및 해수면 변화의 예측에 매우 중요하다.

지오이드의 개념 ⓒ Ezeomedo et al. 2017

중력장 및 정상 상태 해양 순환 탐사 위성

지구의 중력장을 더욱 자세히 매핑하기 위하여 유럽 우주국은 Living Planet Program의 첫 번째 미션으로 고감도 중력 경도 측정기가 포함된 중력장 및 정상 상태 해양 순환 탐사 위성 (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer: 이하 줄여서 GOCE, ‘go-chay’로 발음함)을 선정했다.

GOCE는 지오이드를 더욱 자세히 측정함으로써 지구의 중력장을 매우 높은 정확도로 매핑할 목적으로 시작되었다. 2009년 3월 17일에 ‘Rocket’이라고 불리는 러시아 대륙간 탄도 미사일을 통하여 발사되었으며 발사는 러시아 북부의 플레세츠크 우주 기지에서 이루어졌다. 로켓은 그리니치 표준시 14시 21분에 이륙하였고 적도로부터 96.7º 경사의 283km 고도에서 원형 극궤도로 방출되었다. GOCE와의 연락은 분리 직후 스웨덴 키루나에 있는 유럽 우주국의 관제소를 통해 진행되었다.

GOCE의 외부 모습 상상도 ⓒ GOCE/ESA

아름다운 GOCE 탐사선 성능은 더 파워풀하다

GOCE 미션은 위성의 세련된 모양으로 인해서 유럽 우주국의 가장 우아한 우주 탐사선 중 하나로 자주 인용된다. 우주선에 탑재된 주요 장비로는 매우 민감한 중력 경도계 (EGG)를 들 수 있다. 이는 세 개의 직교축을 따라 지구의 ‘중력 잡아당김’의 작은 변화를 측정해서 보다 정확한 중력장을 조사한다. 이와 함께 SSTI (Satellite-to-Satellite Tracking Instrument) 온보드 GPS 수신기도 함께 탑재되었다. 위성은 독특하게도 전반적으로 화살표 모양을 띄고 있으며 지느러미를 달고 있는데, 이는 GOCE 탐사선이 비교적 낮은 고도에서 열권을 안정적으로 통과하기 위함이다.

GOCE의 외부 모습 상상도 ⓒ GOCE/ESA

위 미션은 실측 중력장과 표준 중력장의 차이를 1밀리 갈 (1 mGal = 10–5 m/s2)까지 구분해낼 수 있기에 결과적으로 1~2cm의 정확도로 지오이드를 정확하게 측정했던 미션이다. 미션의 해상도를 높이기 위해서 GOCE 위성은 다른 지구 관측 임무가 비행했던 고도보다 매우 낮은 궤도인 224km 정도의 고도에서 비행하였다. 미션의 결과를 분석했던 로리 빙험 (Dr. Rory Bingham) 박사에 따르면 GOCE 시스템의 낮은 궤도는 정확도와 공간 해상도를 크게 향상시켰다고 한다. 미션의 가장 중요한 과학적인 목표로는 이 모든 결과를 통해서 만들어질 중력지도와 모델을 전 세계 사용자들에게 제공함에 있었다.

GOCE의 외부 모습 상상도 ⓒ GOCE/ESA

GOCE의 결과

GOCE 데이터를 기반으로 한 초기 지구 중력 모델은 2010년 6월에 열렸던 영국 뉴캐슬 대학교에서 열렸던 유럽 우주국의 Living Planet Symposium에서 발표되었다. 로리 빙험 박사는 GOCE 미션이 지구 맨틀의 깊은 구조를 매핑하고 위험한 화산 지역을 조사했으며, 이는 해양에 대한 새로운 통찰력을 가져다주었다고 밝혔다. 중력장 결과 데이터를 다른 위성 고도계에서 수집한 해수면 높이 정보와 결합함으로써 임무를 맡은 과학자들은 해류의 방향과 속도를 추적 할 수 있었다.

첫번째로 공개된 GOCE의 지도 ⓒ GOCE/ESA

GOCE 데이터를 기반으로 생성된 지도는 이전에 사용했던 것보다 훨씬 더 세밀한 해류를 보여주었고 2010년 허리케인 이고르의 영향과 마찬가지로 북대서양의 Mann Eddy와 같은 아주 작은 세부 사항도 볼 수 있었으며, 걸프 해협의 속도도 자세히 매핑해냈다.

걸프해협의 속도를 자세히 매핑하다 ⓒ GOCE/ESA

또한 GOCE팀은 결과를 분석하던 중 우연히 2011년 일본 도호쿠 지진에 의해 생성된 초저주파를 감지했다고 밝혔다.

도호쿠 지진에 의해 생성된 초저주파를 감지한 GOCE 미션 결과 (왼쪽) 그리고 이의 시뮬레이션 모델 (오른쪽) ⓒ ESA/ HPF/ DLR

마지막으로 지구의 맨틀, 고대 대륙 잔해를 포함한 테티스 바다 잔해, 그리고 남극 대륙의 지질 구성에 관해서 자세히 알게 됨으로써 맨틀 구성을 통한 지구 역학의 새로운 정보들을 얻을 수 있었다. 이러한 결과들은 궁극적으로 화산 및 지진과 관련된 지구 내부를 더 잘 이해할 수 있게 해주며 해류와 열전달에 관해서도 많은 정보를 제공해준다.

지오이드를 자세히 매핑해낸 모습 1 ⓒ ESA/ HPF/ DLR

지오이드를 자세히 매핑해낸 모습 2 ⓒ GOCE/ESA

2010년 2월 위성 컴퓨터에서 오류가 발견되어 제어 기계를 백업 컴퓨터로 전환하였으며 2010년 7월에는 GOCE 위성의 심각한 통신 오작동을 일으켰지만 2010년 9월에 컴퓨터 바닥의 온도를 7도 정도 높임으로써 복구 완료되었다. 당초 계획이었던 20개월을 모두 채운 후 추가 미션을 수행하기 위해서 2012년 말까지 임무가 연장되었으며 이때 더 높은 해상도의 결과를 얻기 위해서 탐사선의 궤도가 255km에서 235km로 낮아졌다. 2013년 5월에는 또다시 229km까지 낮아졌고 2013년 10월 21일 추진제와 연료가 모두 소진됨으로써 GOCE의 임무가 공식적으로 종료되었다.

어떤 물체가 받는 중력의 크기를 우리는 무게라고 부릅니다. 몸무게란 우리 몸을 지구가 잡아당기는 중력의 크기로, 몸무게가 무거운 사람은 가벼운 사람에 비해 지구가 잡아당기는 힘이 셉니다. 무게는 힘의 단위인 N(뉴턴)을 사용해야 하지만 일상생활에서는 g(그램)이나 kg(킬로그램)을 주로 사용합니다. 그러나 사실 g(그램)과 kg(킬로그램)은 물질의 양을 나타내는 질량의 단위입니다. 지구 위에서는 무게가 질량에 비례하기 때문에 둘을 구분하지 않고 사용하는 것입니다. 정확하게 무게의 단위를 사용할 때는 g(그램)과 kg(킬로그램) 뒤에 힘이라는 의미인 F를 붙인 gF(그램힘)이나 kgF(킬로그램힘)을 사용해야 합니다.

천체가 그 천체 주변에 있는 물체를 끌어당기는 힘은 천체의 질량이 클수록, 천체의 반지름이 작을수록 커집니다. 그럼 우리가 사는 행성인 지구와 지구의 위성인 달의 중력의 크기를 비교해 볼까요? 지구와 달의 질량과 반지름은 다음 표와 같습니다.

 구분

지구 

 달

지구(1)와 달의 비율 

 질량

 5.97×1024 kg 

 7.36×1022 kg 

 1 : 0.0123

 반지름

 약 6400 km

 약 1740 km

 1 : 0.27

위의 표에서 보는 것처럼 지구가 달보다 질량은 약 81배, 반지름은 약 3.7배 큽니다. 이 때문에 지구 중력의 크기는 달의 중력의 크기보다 약 6배가 큽니다. 그래서 지구와 달의 중력의 크기가 달라지게 되고, 같은 물체라도 지구에서 측정한 무게와 달에서 측정한 무게가 달라집니다. 그러나 무게가 줄어들었다고 해서 물체의 고유한 양이 줄어드는 것은 아니므로 물체의 고유한 양을 나타내는 질량은 변하지 않습니다. 즉, 무게는 측정 장소에 따라 달라지는 중력의 크기를 나타냅니다. 

▲지구와 달에서 측정한 무게와 질량(출처: 에듀넷)

■ 지구 위에서도 중력의 크기가 달라져요

같은 원리로, 높은 산 위에서 무게를 측정하는 경우에도 산 아래에서 측정할 때와 다른 값을 얻게 됩니다. 산 위로 올라가면 지구 반지름보다 더 거리가 멀어지기 때문에 산 아래에서 측정할 때보다 무게가 작아집니다. 이처럼 지구의 표면에서 멀어질수록 중력의 크기는 작아져서, 지구의 표면으로부터 지구 반지름인 6,400km 만큼 떨어진 곳에서는 지구의 중력이 1/4로 약해지게 됩니다.

무게를 측정하는 장소 주변의 땅을 구성하는 물질이 무엇인지에 따라서 중력값이 달라지기도 합니다. 지구를 구성하는 지구 내부 물질의 종류는 지구 내부의 위치에 따라 달라집니다. 무게를 측정하는 곳 주변을 구성하는 물질이 다른 물질에 비해 무거운 물질이라면 무게가 좀 더 커지게 되고, 다른 물질에 비해 가벼운 물질로 구성되어 있다면 무게가 작아지게 됩니다.

계산을 통해 얻은 중력값을 ‘표준중력’이라 하는데 이 값은 실제로 측정한 중력값과 비교하면 차이가 있습니다. 이러한 차이를 ‘중력이상’값이라고 합니다. 호주와 독일의 공동연구팀은 2013년 지구 위의 30억 개 지점에 대한 중력값을 계산하고, 직접 중력값을 측정하여 중력이상을 보여 주는 지도를 만들어 발표하였습니다. 이 지도에서 빨간색은 실제로 측정한 중력이 표준중력보다 큰 것을 의미하고, 파란색은 작다는 것을 의미합니다. 이 연구팀의 연구로는 지구의 중력이 가장 작은 곳은 페루의 와스카란산 정상이며, 가장 큰 곳은 북극점 근처라고 합니다.