Geomagnetic Field Monitoring at King Sejong Station, Antarctica

지구물리

남극 세종기지에서의 지자기 모니터링

김동일 진영근 남상헌 이주한 한국해양연구원 극지연구소

Geomagnetic Field Monitoring at King Sejong Station, Antarctica

요 약 남극 세종과학기지에서는 성분 자력계 자력계 자력계를 이용하여 지자기장의 변화

와 절대 지자기 값을 측정해오고 있다 년에 획득한 지자기 자료를 이용하여 세종기지에서의 연중 지자기 변 화양상을 살펴보았으며 남극 지역의 개 중위도 지역의 개 관측소에서 관찰된 지자기 변화양상과 비교하였다 남극지역 관측소의 지자기장은 태양의 영향으로 인해 동계기간의 일변화 편차가 하계기간에 비해 작아지는 경향을 보인다 세종기지에서의 지자기의 변화를 일차 선형으로 가정하고 최소자승법을 이용하여 각 성분별 영년 변화율을

계산한 결과 수평성분이 편각이 수직성분이 총자기가

이다 가장 주목할 만한 변화는 년 월 일에 발생한 자기폭풍에 의한 것으로 그 세기가 매우 강력하여 고위도뿐만 아니라 중위도의 관측소에서도 지자기 교란이 잘 기록되었다 전반적으로 세종기지를 포함한

남극대륙에서는 우리나라 주변에서는 의 변화량을 나타내었다 또한 절대 지자기 측

정을 분석한 결과 좋은 기후조건에서 안정된 값을 나타내며 낮은 기온에서는 자력계가 상대적

으로 큰 측정오차를 발생하는 사실을 알아내었다

주요어 남극 세종기지 지자기장 영년 변화 자기폭풍 절대 지자기 측정

The variation of geomagnetic field and absolute magnetic field at the geomagnetic observatory of King Sejong Station has been measured with 3-component ring core fluxgate magnetometer, proton magnetometer and D-I magnetometer. With data obtained from King Sejong Station during 2003, the diurnal and annual variations of geomagnetic field were researched and compared with those at other observatories. The deviation of daily variation of magnetic field in antarctica decreased gradually during winter season due to sun effect. The rates of componental annual variation of magnetic field at King Sejong Station were calculated using the least-square method under the assumption that the annual variation of magnetic field is linear. The rates are -55.93 nT/year in horizontal intensity, -0.87 min./year in declination, 58.30 nT/year in vertical intensity, and -69.85 nT/year in total intensity of magnetic field. A remarkable variation was caused by the magnetic storms occurred on 29~30 October, which were so powerful that the variation was observed in mid latitudes as well as high latitudes. The values of variation are generally 1500 2000 nT in Antarctica including King Sejong Station, 350 500 nT in East Asia. The measurement of absolute magnetic field shows that ring core fluxgate magnetometer has relatively large error range under cold temperature.

Antarctica, King Sejong Station, geomagnetic field, annual variation, magnetic storm, absolute geomagnetic measurement

서 론

지자기장은 시간에 따라 값이 변하는데 그 변화주 기는 수밀리초에서 수천만 년에 이르기까지 매우 광범 위하다 지자기장의 변화 원인은 크게 태양과 달에 의 한 지구 외적요인과 맨틀이나 외핵의 운동과 같은 지 구 내부운동에 의한 지구 내적요인으로 알려져 있다 여러 가지 지자기 장의 변화 중에서 가장 극심한 변화는 태양 흑점활동 이 지구 전리층과 자기권에 큰 영향을 주는 자기폭풍 에 의한 것으로 적도보다는 극지방 에서 그 강도가 크다 이러한 자기폭 풍은 정전사태나 각종 무선통신의 두절 를 이용 한 장비의 성능저하 인공위성의 고장 등을 불러일으 킬 수 있다 실제로 년 월에 발생한 강력한 자 기폭풍은 캐나다 퀘벡주에서 수백만 가구의 정전사태 를 야기하였고 미 동북부지역에서는 전력공급에 차질 을 일으켰다 뿐만 아니라 각종 전파통신이 두절됐으 며 인공위성과의 통신장애로 인해 수많은 인공위성의 궤도변화를 야기하였다

이러한 지자기장의 변화를 관찰하기 위해 전 세계 여러 나라에 지자기 관측소를 운영하고 있다 한국해 양연구원 극지연구소에서도 년에 세종기지에 지 자기 관측소를 설치하여 지자기장의 변화를 연중 관측 하고 있으며 현재까지 년 여에 걸쳐 지속적으로 자 료를 획득 축적하고 있다 남상헌 김예동 남상 헌 진영근 외 그러나 지자기 자료를 보정하는 데 필수적인 절대 지자기 측정이 동시에 이 루어지지 않아 국제적인 관측값을 제시하는 관측소로 인정받지 못하고 있다 이런 점을 인식하고 년부 터는 자력계를 이용한 절대 지자기 측정을 시작 하여 더욱 정밀한 지자기 관측을 산출하고 있으며 수 년내 국제관측망에 등록되는 것을 목표로 하고 있다

이 연구에서는 년도에 획득한 세종기지의 지자 기 자료의 분석뿐 아니라 같은 기간 동안 다른 지역 에서 관측된 지자기 자료와 비교하여 세종기지의 지자 기 변화 특성을 분석하였다 또한 절대 지자기 측정

자료를 분석하여 연중 자력계의

지자기 측정오차를 산출하였으며 그 오차요인을 추적 하였다

세종기지의 지자기 관측소

남극반도 남셰틀랜드 군도

의 킹죠지섬 에 위치한 세종기지의 지자기 관측소 관측소명 는 미국 지질조사소

가 주관하는 전세계 지자기관측 프로그램 인

관측소중 하나로 년에 설 치되었다 는 에 소속되어 있는 수 십 개의 관측소 중에 가장 남쪽에 위치하고 있으며 남

위 서경 남극권에

위치한 지리적 중요성때문에 에서 특별히 관심 을 나타내고 있는 관측소이다 는 인위적인 지자 기장의 교란을 막기 위해 세종기지내 각 건물로부터

여 떨어진 곳에 위치하고 있으며 자기 센서는 관측소로부터 여 떨어진 지점에 침수를 막기 위 해 방수 처리되어 있는 지하공간에 설치되었다 세종 기지에 파견된 월동연구원에 의해 지자기 관측이 연중 계속되며 획득된 지자기 자료는 인공위성을 통해 로 실시간 전송이 된다 월동연구원이 자력 계를 이용하여 직접 측정하는 절대 지자기 경우 지자 기 관측소에서 여 떨어진 곳에 위치한 인위적인 지자기 요인이 최대한 제거된 소형 관측소에서 수행된 다 절대 지자기 측정은 매우 엄밀한 광학측정 방법을 사용하여 측정되기 때문에 안정적인 측정 기반이 뒷받 침되어야 한다 세종기지가 위치한 남극권의 경우 계 절에 따른 온도차에 의해 지표의 해빙과 결빙이 반복되 면서 미세한 움직임이 계속 된다 이를 방지하기 위해 영구동토층까지 파내어 기초를 다진 다음 비자성을 띤 원통형의 콘크리트 받침대를 박고 그 위에 를 설치하였다 진영근 외

전 세계적으로 산재하는 지자기 관측소를 연결하여 실시간의 지구 자기장 관측망 구성을 도모하는 은 각 관측소로 하여금 표준 관측 장비의 운영을 장려하고 있으며 세종기지 관측소 또한 이 표준 관측 장비로 관측을 수행하고 있다 지자기 값 은 벡터량이기 때문에 방향 과 크기

를 가지고 있으며 보통 성분으로 표시된다

지자기 벡터의 각 성분 및 총자기 절대 지자기 방향 을 측정하기 위해 세종기지의 지자기 관측소에서는 디

지털 자료획득 장치 에 의

남극 세종기지에서의 지자기 모니터링

해 제어되는 자력계와 자

력계를 운영하고 있으며 와 단축 자력계로 구성된 자력계

도 운영하고 있다

자력계는 지자기장의 상대적인 변화를 수평성분 편각 수직성분 으로 나누 어 연속적으로 기록한다 또한 성분의 연속 지자기 자료를 절대적인 값으로 보정하기 위해 자력 계로 총자기 의 크기 를 측정하고 자

력계로 수동으로 편각 복각

을 구하여 식 를 이용하여 성분 의 절대 지자기 값을 산출하고 있다

자료획득 처리 및 분석

세종기지의 지자기 관측 시스템은 년 월

의 고장으로 인해 년 월 하순에 재설치 및 시험 운영되었으며 월 일부 터 정상 가동되었다 이 연구에서는 월 일부터 월 일까지의 약 개월간의 자료만을 이용하였다

자력계는 초 간격으로

자력계는 초 간격으로 측정되어 분 간격으로 메모 리에 기록된다 기록된 자료는 시스템 메모리의 한계 로 인하여 매주 정기적으로 월동 연구원에 의해 백업 되었다 지자기 관측 시스템이 운영되는 동안 갑작스 럽게 중단되는 사태나 심각한 고장은 발생하지 않았지 만 차례에 걸쳐 자료송신용 안테나의 결빙으로 인해

로 자료가 전송되지 못하는 상황이 발생하였고 그 때마다 자료를 전자메일로 송부하였다 인공위성 송신용 안테나의 결빙은 주로 월 말부터 월 초사이 의 동계기간에 집중적으로 발생하였으나 이 기간에는 바람도 많이 불고 날씨도 안 좋아서 장비의 점검에 어려움이 많았다

자료보정을 위해 자력계를 사용하여 편각

복각 의 절대치를 측정하는 절대 지자기 관측은 년 월 일에 첫 관측을 시 작하여 년 월 일 마지막 관측까지 총 차 례에 걸쳐 약 주에 한 번씩 수행되었다 측정을 하기 에 앞서 먼저 연구동에 미리 설치된 기준점을 광학 측정하여 현재의 정확한 방위각을 측량하였다 편각

은 정확한 수평상태 에서 북쪽과 남쪽방향으로 단축 자력계를 돌려 자력값이 이 되는 방위각 을 측정하여 구하였고 복

각 은 구하여진 편각 을 이용

하여 단축 자력계를 총자기 의 수평성분 방향과 일치시킨 다음 수직방향으로 회전시켜 자 력값이 이 되는 고도를 측정하여 구하였다

이를 총 번 반복하여

측정하고 같은 시간대의 자력계

에 의한 연속 측정치의 평균과 비교하여 그 차이가

기준값 으로 구하여진다 자력계

는 자성체에 큰 영향을 받기 때문에 측정 시에는 관 측자의 몸에서 모든 자성체를 제거하고 측정을 실시하 였다 세종기지에서는 바람이 많이 불기 때문에 광학 측정이 필수적인 자력계의 측정을 매주 한 번씩 정기적으로 수행하기는 힘들었고 최대 풍속이

미만 시정이 양호한 날을 택하여 관측을 실시하였다 또한 의 망원경과 연구동의 기준점을 지나 는 일직선상으로 이글루 문에 작은 구멍을 내어 온도 가 많이 떨어지는 동계기간에도 실내 온도가 유지된 상태에서 관측할 수 있었다

분 단위로 기록되는 성분 자

력계의 지자기 자료는 절대적인 성분별 지자기 값을 나타내는 것이 아니라 상대적인 변화량만을 나타낸다 따라서 이 자료를 이용하려면 기준값

에 의한 자료보정을 해주어야 한다 각 성분별 기준값 은 자력계를 이용한 절대 지자 기 측정치와 같은 시간대의 자력 계에서 측정된 성분의 지자기 값의 차로 얻어 진다 은 년에 수행된 절대 지자기 측정 에 의해 얻어진 각 성분별 기준값 을 나타낸다 이 값들은 절대 지자기 측정이 실시된 날에 만 유효한 값이므로 매일의 기준값을 계산하기 위하여

선형내삽법 을 이용하였다 이렇

게 계산된 기준값을 해당하는 날의

남극 세종기지에서의 지자기 모니터링

자력계의 성분 지자기 자료에 더함으로써 최종 의 지자기 자료가 얻어진다 이를 분기별로 정리하고 각 성분의 월별 평균과 표준편차를 계산하였다

년의 각 성분별 지자기 값의 변화양상을 보기 위하여 분기별 자료 외에도 하루 동안 측정된 값의 평균과 표준편차를 구하여 그 분포를 나타내었다 세 종기지의 지자기 자료를 다른 지역의 지자기 자료와 비교하기 위하여 남극대륙에 위치한 개의 관측소와 우리나라 주변에 위치한 개의 관측소를 선정하여

지자기장의 수평성분을 분기별로 정리하였 다 또한 절대 지자기 측정 자료에 의한 각 성분별 기 준값과 표준편차를 계산하여 년 자료와 비 교하였다

결과 및 토의

세종기지의 지자기 연변화

세종기지에서 관측된 지자기장의 수평성분 편각 수직성분 총자기의 변화를 분기별로 보면 각 성분 모 두 주기적인 일변화가 잘 나타난다 또한 하루 동안의 일변화 편차는 사분기에서 사분기로 갈수록 점차 작아졌다가 사분기로 가면서 다시 커지는 현상을 볼 수 있다 는 세종기지의 지자기장의 수평성분 변화를 분기별로 나타낸 것으로 위에서부터 차례대로 사분기 사분기 사분기이다 다른 지역의 변화양상 과 비교하기 위하여 미리 선정된 곳의 관측소중

곳을 골라 지자기장 수평 성분을 분기별로 정리하였다 남극권에 위치한

에서의 일변화 편차는 세종기지에서와 마찬가지로 동계기간으로 갈수록 일변화 편차가 줄어드는 양상을 보인 반면 우리나라 주변의 관측소인 에 서는 분기별로 일변화 편차의 차이가 거의 없었다 와 은 각각 에서의 지자기장 수평 성분의 변화를 분기별로 나타낸 것이며 위에서부터 차 례대로 사분기 사분기 사분기이다 이러한 차이는 일변화가 주로 태양에 의한 외적 요인에 의해 일어나 고 남극대륙에 위치한 관측소에서만 일변화 편차가 변하는 것을 감안할 때 이는 계절에 따른 태양의 영 향력과 지자기장의 변화에 직접적인 원인인 전리층이 나 자기권의 변화와 밀접한 관계가 있는 것으로 생각 된다 남극권의 관측소에서 볼 수 있는 또 다른 특징 은 동계기간으로 갈수록 주기성을 가진 변화가 아닌 갑작스런 지자기장의 변화가 자주 발생하며 그 크기도 일변화 값을 상회한다는 것이다 즉 동계기간에 지자 기장의 교란이 자주 발생하였다는 것인데 이런 계절적

변화요인이 무엇인지 좀더 살펴볼 필요가 있다 년 월 일에 발생한 강한 지자기 교란은 그 좋은 예이다

년의 세종기지에서의 성분별 지자기 값의 변화 양상을 보기 위하여 분기별 자료 외에도 각 일별로 획득날짜에 의한 구분을 통하여 그 기간에 대한 대표 값을 계산하였다 즉 하루 동안 분 자료의 평균값을 구하고 그 값에 대한 표준편차를 산출하였으며 일별 평균자료를 기준으로 세종기지에서의 지자기 변화양 상을 일차 선형변화로 가정하고 최소자승법에 의거하 여 이에 대한 영년 변화율을 산출하였다 영년변화율 계산시 지자기교란에 의한 영향을 배제하기 위하여 편 각의 일변화의 표준편차가 미만 수평성분 수직성 분 총자기의 일변화의 표준편차가 미만이 되는 날에 대해서만 최소자승법을 적용하였다 그 결과

년 세종기지에서의 각 성분별 영년 변화율은 수

평성분이 편각이 수

직성분이 총자기가 로

계산되었으며

남극 세종기지에서의 지자기 모니터링

과

에 의한 세종기지에서의 이론적인 영년 변화율 과 전반적으로 비슷하게 나타난다 은 세종기지에서의 총자기의 일별 평균과 최소자승법에 의한 영년 변화율을 보여주며 수직선분의 길이는 일변 화의 표준편차를 나타낸다 여기서도 동계기간으로 갈 수록 일변화 편차가 작아지는 현상이 잘 나타난다

년 월의 자기폭풍 현상

년 월 일에 발생한 자기폭풍은 거대한 태양 흑점의 활동으로 인한 코로나 방전에 의해 발생 한 대규모 플라즈마가 지구에 도달하여 일어났다 이 러한 강력한 태양풍의 영향으로 지구 자기권에 저장된 에너지가 전류를 방출시킨다 이것이 지구 자극근처의 전리층으로 흘러 들어가 밝은 오로라 현상을 일으키는

을 유도시켰으며 이

에 의해 지자기장의 교란되었다 특히 월 일에 지 구를 강타한 자기폭풍은 지난 년 월 캐나다 퀘벡

에서 수백만 가구의 정전사태를 불러일으킨 폭풍 이후 년 만에 가장 규모가 큰 것으로 강도가 최고등급인 로 관측되었고 그 영향으로 중위도에 위치한 우리 나라에서도 오로라가 관측되었다 원영인 개인통신

과 는 월 일 양일에 걸쳐 발 생한 자기폭풍에 의한 지자기 교란을 나타낸 것으로

은 남극권의 개 관측소인 세종기지

에서의 지자기 수평성분 변화를 순서대로 보여주 며 는 우리나라 주변의 개 관측소인

에서의 지자기 수평성분 변화를 순서 대로 보여준다 또한 은 에 의한 지자 기장의 수평성분의 등자력도이다 등자력선의 간격은

남극 세종기지에서의 지자기 모니터링

이며 는 메르카토르도법 는 평사도법이

사용되었다 세종기지

를 포함하여 이 연구에서 사용된 개의 관측소의 위 치가 표시되어 있다 와 는 서남극의 남극반 도 주변에 위치하고 있으며 와 는 자극점이 있는 동남극에 위치하고 있다 따라서 와 에 서의 월 일의 일변화량은 로 매우 크 며 변화양상도 비슷하다 와 는 변화양상은 거의 같지만 그 값이 큰 차이를 보인다 에서의

월 일의 일변화량은 자극점근처의 나 보다는 다소 작은 를 나타내지만 에서 는 의 거의 배인 를 나타낸다 월

일의 일변화량도 와 에서는

에서는 를 나타내는 반면 에서는 를 나타낸다 일반적으로 자극점에서 떨어진 위치일수록 일변화량이 작기 때문에 에서의 일변 화량이 자극점 근처에 위치한 의 일변화량보다 작아야하며 지리적으로 가까이 위치한 와 유사한 값을 가져야 하기 때문에 에서의 관측값 산출시 문제 가 있는 것으로 판단된다 캐나다 서부에 위치한 북

위 북위 북위

북위 개 관측소의 지자기 수평성분을 검 토한 결과 북반구의 경우에도 자북극점으로부터 위도 가 작아지면서 일변화량의 크기가 감소하였으며 자극 점으로부터의 거리가 세종기지와 비슷한 위치에 있는 관측소 에서의 일변화량 크기가 세종기지와

유사하게 나타나 이러한 추정을 뒷받침해준다 중위도 에 위치한 관측소의 경우 모두 비슷한 변화양상을 보 이며 월 일의 일변화량은 모두 로 거 의 일정하였고 월 일의 일변화량은

로 위도가 낮아질수록 값이 점차 작아졌다 자기폭풍 시 극지방에서의 지자기 교란이 중위도에 비해 훨씬 크지만 중위도에서도 평소에 비해 상당한 크기의 지자 기 교란이 있었음을 알 수 있다

절대 지자기 관측

년 동안 총 번에 걸쳐 절대 지자기 값이 측정 되었다 매 측정시마다 번에 걸쳐 편각과 복각이 반복 측정되었으며 여기서 측정된 값과

자력계에서 측정된 성분의 지자기 값의 오차인 기준값 이 계산되었다 이 기준값의 평 균과 표준편차를 계산하여 년 자료와 비교 하였다 은 이를 나타내며 는 수평성분 는 편각 는 수직성분의 기준값 의 변화이다 와 의 수직선분의 길이는 표준편차 를 는 표준편차 를 나타낸다 절대 지자기 측정은 정밀한 측정이기 때문에 매우 안정된 환경조건이 필요 하다 날씨에 상관없이 측정을 수행한 년의 경우 반복 측정시 수평 수직성분 기준값의 편차가 보통 전후의 값을 나타내다가 클 때는 에 이른다 반 면에 년 측정에서는 바람이 미만 시정이

양호한 날에만 측정을 실시하였기 때문에 편차가 편각 의 경우 미만 수평 수직성분의 경우 대부분 미만으로 허용치 편각 수평 및 수직성분 이 하로 줄어들었다 기온 역시 기준값에 영향을 준다 년의 지자기 기준값의 변화양상을 보면 값이 큰

차이가 없다가 로 일 일 근처

에서 갑자기 큰 차이를 보인다 이 기간은 혹독한 추 위가 몰아치는 남반구의 동계기간에 해당하기 때문에 관측이 수행된 날의 동 시간대의 평균 실외온도와 측 정된 기준값을 비교해 보았다 의 는 지자

기 수평성분의 기준값과 평균 실외 온도를 보여주는 것으로 낮은 기온에서 기준값의 절대값이 급격히 커지 는 것을 알 수 있다 기준값은 절대 지자기 측정치와

성분 자력계의 연속측정치와의

차인데 절대 지자기 측정의 경우 난방이 되는 실내에 서 측정이 수행되었기 때문에 외부온도에 영향을 받지 않는다 따라서 기준값이 변화하는 원인이 외부에 설 치되어 있는 자력계에 있음을 알

수 있다 즉 자력계가 추운 기온

에 영향을 받아 상대적으로 큰 측정오차를 발생시킴을

남극 세종기지에서의 지자기 모니터링

알 수 있다

결 론

년 세종기지 지자기 관측소에서 측정된 지자기 자료를 이용하여 세종기지에서의 연중 지자기 변화양 상을 살펴보았다 이에 의한 세종기지 지자기 성분의

영년 변화율은 수평성분이 편각이

수직성분이 총자

기가 이다 남극대륙과 같이 계절에 따라 일조량이 큰 차이를 보이는 지역의 관측소에서는 태양의 영향에 의한 주기적 일변화에 있어서 그 편차 가 동계기간으로 갈수록 점차 줄어들었다가 다시 늘어 나는 경향을 보인다 반면에 비주기적인 갑작스런 지 자기의 변화는 동계기간으로 갈수록 증가한다 또한

년 월 말에 이틀 동안 연달아 발생한 자기폭풍 은 세종기지를 포함한 남극대륙뿐 아니라 동아시아 지 역에도 강한 지자기 교란을 발생시켰다 이와 함께 절 대 지자기 측정이 수행되었는데 이를

자력계의 연속 측정치와 비교한 결과 외부 온도가 낮은 경우 외부에 설치된

자력계의 측정오차가 상대적으로 커지는 현상이 나타 났으며 이에 대한 대책이 필요하다

사 사

이 연구는 대한민국 남극연구 프로그램의 일환으로 수 행된 남극 지구조진화 및 지질 환경특성 연구

의 지원을 받아 수행되었습니다 년 동안 지 구물리 장비 유지 및 지자기 측정에 많은 도움을 준

차 대한민국 남극 월동대원들에게 감사를 드리며 논 문을 심사해주신 두 분의 심사자에게도 감사드립니다

참고문헌

남상헌 김예동 남극 세종기지에서의 지자기 연구 지자

기계의 설치 및 일변화 분석 한국해양연구소

남상헌 남극 세종기지에서의 지자기 연구 지자기계의 운용 및 년중 변화양상 한국해양연구소

진영근 김예동 남상헌 이덕기 김규중 유인성 남극 세종기지 지진 및 지자기 모니터링 한국해양연구소