기초과학 행성 왜 어떤 행성은 자기장을 잃고, 어떤 행성은 유지하는가?

행성 자기장은 내부 액체 금속핵의 대류와 자전 속도로 생성된다. 핵이 빠르게 식거나 맨틀 대류가 약해지면 다이너모가 멈춰 자기장이 소멸한다. 질량, 내부 열 보존, 위성 존재, 태양과의 거리 등이 자기장 유지 여부를 결정하며, 이는 대기 보존과 행성의 장기적 생존에 직접적인 영향을 준다.

1. 행성 자기장의 근본 조건: ‘다이너모’의 작동 여부

어떤 행성은 자기장을 잃고, 어떤 행성은 유지 행성 자기장은 우연히 생기는 것이 아니라, 행성 내부에서 작동하는 다이너모(dynamo) 메커니즘의 결과다. 이 다이너모가 작동하려면 세 가지 조건이 필수적이다. 첫째, 전기 전도성을 가진 유체 금속 핵이 존재해야 한다. 둘째, 그 유체가 대류(convection)를 일으킬 만큼 충분한 열 에너지를 가져야 한다. 셋째, 행성이 자전(rotation)하고 있어야 한다. 이 세 조건이 동시에 충족될 때, 내부 유체의 운동이 전류를 만들고, 그 전류가 자기장을 유지한다.

지구는 액체 철-니켈 외핵이 활발히 대류하고 있으며, 비교적 빠른 자전을 하고 있기 때문에 강한 자기장을 유지한다. 반면, 이 조건 중 하나라도 약화되면 자기장은 서서히 붕괴하거나 완전히 사라진다. 즉, 행성 자기장의 유지 여부는 외부 환경보다 내부 구조와 열역학 상태에 의해 결정된다.

2. 행성이 자기장을 잃는 가장 흔한 이유: ‘냉각’

행성이 자기장을 잃는 가장 일반적인 원인은 내부 냉각이다. 시간이 지나면서 행성 내부의 열원이 고갈되면, 액체 핵의 대류가 약해지고 결국 멈춘다. 대류가 멈추면 다이너모도 정지하고, 자기장은 쇠퇴한다. 화성이 대표적인 사례다. 화성은 초기에는 지구와 유사한 자기장을 가졌던 것으로 보이지만, 행성 크기가 작아 열을 빠르게 잃었고, 핵이 일찍 굳어 다이너모가 중단되었다.

금성 역시 자기장이 거의 없는 행성인데, 그 원인은 단순한 크기 문제가 아니다. 금성은 지구와 비슷한 크기임에도 자전 속도가 극도로 느리다. 자전이 느리면 코리올리 힘이 약해져, 유체 대류가 조직적인 전류 구조를 만들기 어렵다. 즉, 행성이 충분히 크더라도 회전 조건이 맞지 않으면 자기장을 유지할 수 없다.

3. 자기장을 유지하는 행성의 공통점: 열·구조·회전의 균형

자기장을 장기간 유지하는 행성들은 공통적으로 열 생산과 열 방출의 균형을 잘 유지한다. 지구의 경우, 방사성 붕괴열과 핵 형성 당시 남은 잔열이 외핵 대류를 지속적으로 유지한다. 여기에 비교적 빠른 자전이 더해져 안정적인 다이너모가 작동한다. 목성과 토성 같은 거대 가스 행성도 강한 자기장을 가지는데, 이는 금속 수소층의 전도성과 빠른 자전 덕분이다.

중요한 점은, 자기장이 단순히 내부 현상에 그치지 않는다는 것이다. 자기장은 태양풍으로부터 대기를 보호해 대기 손실을 억제한다. 다시 말해, 자기장을 유지하는 행성은 대기를 유지할 가능성도 높아지고, 이는 장기적인 행성 진화와 잠재적 생명 환경 형성에도 직접적인 영향을 미친다.

4. 자기장 유무가 행성의 ‘운명’을 가르는 이유

어떤 행성은 자기장을 잃고, 어떤 행성은 유지자기장을 잃은 행성은 태양풍과 고에너지 입자에 직접 노출된다. 이는 대기 침식을 가속하고, 표면의 물과 휘발성 물질을 우주 공간으로 날려 보내는 결과를 낳는다. 화성이 건조한 불모지가 된 이유, 금성이 극단적인 온실 행성이 된 배경에는 자기장 부재로 인한 장기적 대기 변화가 자리 잡고 있다.

결국, 어떤 행성이 자기장을 유지하느냐의 문제는 단순한 물리 현상이 아니라, 행성의 기후, 표면 환경, 생명 가능성까지 결정하는 핵심 요소다. 행성의 크기, 내부 구조, 냉각 속도, 자전 상태가 복합적으로 작용해 자기장의 생존 여부를 결정하며, 이 차이가 행성의 장기적 진화를 근본적으로 갈라놓는다.