나침반 바늘은 왜 북쪽을 가리킬까?

나침반 바늘이 북쪽을 가리키는 까닭은 자화된 바늘이 자유롭게 돌면서 그 장소의 지구 자기장과 나란해지기 때문입니다. 바늘이 북극의 한 점에 줄로 끌려가는 것이 아니라, 자기장이 바늘의 양끝에 반대 방향의 힘을 주어 돌림힘을 만들고, 수평면에서 그 힘이 가장 안정되는 남북 방향에 멈춥니다.

나침반 바늘은 작고 가벼운 막대자석입니다. 자석에는 서로 반대인 두 극이 있고, 바늘의 중심이 뾰족한 축이나 액체 속 베어링 위에서 마찰을 적게 받도록 만들어집니다. 바늘이 자기장과 비스듬히 놓이면 한쪽 끝과 다른 쪽 끝에 작용하는 힘의 방향이 어긋나 바늘을 회전시킵니다. 자기장과 나란해지면 이 돌림힘이 최소가 되므로, 흔들리던 바늘은 마찰과 감쇠를 거쳐 한 방향으로 안정됩니다. 북쪽을 찾는 쪽을 ‘북극’ 또는 north-seeking end라고 부르는 것은 그 행동에서 붙은 이름입니다.

이 방향을 제공하는 지구 자기장의 대부분은 땅속에 영구 막대자석이 있어서 생기지 않습니다. 지표에서 약 2,900킬로미터 아래 시작하는 액체 외핵에는 전기가 통하는 철이 풍부한 유체가 흐릅니다. 열과 조성 차이로 일어난 대류, 지구 자전의 영향, 기존 자기장이 결합하면 거대한 전류가 생기고 그 전류가 다시 자기장을 유지합니다. 이를 지오다이너모라고 합니다. 미국지질조사국은 이 과정을 운동 에너지가 전기·자기 에너지로 바뀌는 자연 발전기에 비유합니다.

지구 자기장은 멀리서 보면 기울어진 막대자석의 장과 비슷하지만 완벽한 쌍극자는 아닙니다. 외핵의 복잡한 흐름이 만드는 비쌍극자 성분, 지각 암석의 자화, 전리층과 자기권의 전류가 장소와 시간에 따른 차이를 더합니다. 그래서 평평하게 놓인 보통 나침반은 지도상의 정확한 지리적 북극을 직접 가리키지 않습니다. NOAA는 나침반이 현재 위치의 자기장 가운데 수평 성분을 따라갈 뿐, 특정한 자기극 한 점을 향하는 것은 아니라고 설명합니다.

지도에서 경선이 모이는 지리적 북쪽과 나침반이 보여 주는 자북 사이의 각도를 자기 편각이라고 합니다. 편각이 동쪽인 지역도 있고 서쪽인 지역도 있으며, 같은 나라 안에서도 달라질 수 있습니다. 외핵의 흐름이 변하면서 자기장과 자극 위치도 이동하므로 편각은 해마다 조금씩 바뀝니다. 정확한 항법에서는 날짜와 위치에 맞는 세계자기모델이나 해도 값을 이용해 나침반 방위에 편각을 보정해야 합니다. 오래된 지도 여백의 편각 숫자를 지금 그대로 쓰면 오차가 생길 수 있습니다.

자기장은 수평으로만 놓여 있지도 않습니다. 북반구 많은 지역에서는 자기장 선이 북쪽으로 향하면서 지면 아래로 기울고, 남반구에서는 반대쪽으로 기울어집니다. 이 각도가 자기 복각입니다. 수평 나침반은 바늘이 위아래로 기울지 못하게 하면서 수평 성분만 읽도록 만든 도구이므로, 제조사는 한쪽 끝에 미세한 균형추를 두기도 합니다. 한 반구용 나침반을 다른 반구에서 쓰면 바늘 한쪽이 케이스에 닿아 잘 돌지 않을 수 있고, 전 지구용 제품은 다른 축 구조나 균형 방식을 씁니다.

자극에 아주 가까이 가면 오히려 나침반은 더 명확해지는 것이 아니라 불안정해집니다. 그곳에서는 자기장이 거의 수직이어서 수평 성분이 매우 작기 때문입니다. 바늘은 수평면에서 어느 방향을 택해도 큰 차이를 느끼지 못하고, 작은 교란이 방위를 크게 바꿀 수 있습니다. NOAA의 세계자기모델도 수평 자기장이 약한 자극 주변을 주의 구역과 블랙아웃 구역으로 다룹니다. ‘자기 북극에 가까울수록 바늘이 더 세게 북쪽을 가리킨다’는 직관은 이 점에서 틀립니다.

일상에서도 나침반은 지구 자기장만 읽는 고립된 기구가 아닙니다. 휴대전화 자석, 스피커, 철제 탁자, 자동차 차체, 전선의 전류, 자성 광물이 많은 암석은 주변 자기장을 바꿔 바늘을 돌릴 수 있습니다. 스마트폰의 전자 나침반도 여러 축의 자력계를 쓰므로 자석 달린 케이스와 금속 물체의 영향을 받고 보정 동작이 필요할 수 있습니다. 실제 항법에서는 나침반을 수평으로 들고 금속과 전기 장치에서 떨어뜨린 뒤, 지형과 지도 같은 독립적인 단서와 함께 확인해야 합니다.

나침반이 보여 주는 북쪽은 고정된 우주의 화살표가 아니라, 움직이는 지구 내부가 지금 이 장소에 만든 자기장의 수평 흔적입니다. 액체 외핵의 흐름이 자기장을 유지하고, 그 장이 자화된 바늘에 돌림힘을 주며, 바늘은 지역별 편각과 복각을 가진 방향에 정렬됩니다. 작은 바늘 하나가 유용한 까닭은 지리적 북극을 직접 감지해서가 아니라, 행성 규모의 보이지 않는 장을 손바닥 위에서 읽을 수 있는 방향 신호로 바꾸기 때문입니다.