[뉴스스페이스=김시민 기자] 수십억 년에 걸쳐 지구는 조용히 자기장이라는 ‘고속도로’를 통해 대기 입자들을 달 표면에 쌓아왔으며, 이는 미래 달 기지의 물·산소·질소 자원 확보에 결정적인 실마리를 제공할 수 있다는 연구가 나왔다.

미국 로체스터 대학교 연구팀은 2025년 12월 11일 《Communications Earth & Environment》에 발표한 논문에서, 지구 자기장이 단순한 방패가 아니라 오히려 대기 입자들을 달로 운반하는 ‘운반 채널’ 역할을 해왔다고 밝혔다. 이 발견은 달 토양에 담긴 수소·질소·헬륨·아르곤 등 휘발성 물질의 출처를 설명하는 데 핵심 단서가 되며, NASA 아르테미스 프로그램의 자원 이용 전략에도 큰 영향을 줄 전망이다.

지구 자기장, 방패가 아니라 ‘자기 고속도로’

지구 자기장은 태양풍을 막아 생명을 지켜주는 보호막으로 알려져 있다. 그러나 로체스터 대학 물리학·천문학과 에릭 블랙먼 교수와 대학원생 슈보카르 파라마닉 연구팀은, 이 자기장이 오히려 지구 대기의 일부를 우주로 빼내 달에 공급하는 역할을 한다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션으로 입증했다.
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태양풍이 지구 상층 대기(특히 열권과 외기권)를 때리면, 산소·질소·수소·헬륨 등 이온화된 입자들이 떼어져 나간다. 이들 입자는 지구 자기장선을 따라 움직이며, 일부는 지구 자기꼬리(magnetotail)를 통과해 달까지 도달하게 된다. 달은 지구 자기꼬리 안에 약 3~5일 정도 머무는 주기로 들어가는데, 이때 자기장선을 따라 지구 대기 입자들이 달 표면에 충돌하고, 레골리스(달 토양)에 잔류하게 된다.
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연구팀은 초기 지구(자기장 없음, 강한 태양풍)와 현대 지구(강한 자기장, 약한 태양풍) 두 시나리오를 시뮬레이션했다. 그 결과, 현대 지구가 오히려 더 많은 대기 입자를 달로 전달하는 것으로 나타났다. 자기장이 입자들을 ‘가두는’ 것이 아니라, 특정 경로를 따라 ‘유도’함으로써 전달 효율이 높아진다는 것이다.
 

달 토양에 묻힌 지구의 ‘숨결’…수소·질소·헬륨·아르곤

이 연구는 1970년대 아폴로 임무에서 가져온 달 토양 샘플 분석에서 오랫동안 풀리지 않던 미스터리를 설명한다. 아폴로 샘플에서는 물(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N₂) 등 휘발성 물질이 예상보다 훨씬 많이 발견됐다.
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태양풍만으로는 이들 원소, 특히 질소의 농도를 설명하기 어렵다. 2005년 도쿄대 연구팀은 초기 지구 대기에서 탈출한 입자들이 달에 도달했을 가능성을 제시했지만, 당시에는 지구 자기장이 강하면 오히려 대기 입자 유출을 막는다고 보았다.
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로체스터 팀은 이 가정을 뒤집었다. 시뮬레이션 결과, 현대 지구의 강한 자기장이 오히려 대기 입자들을 자기장선을 따라 달까지 ‘유도’하는 효과를 내며, 수십억 년에 걸쳐 지구 대기의 조각들이 달 레골리스에 축적돼 왔다는 것이다.
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달 토양의 수소·질소 농도, 실측 데이터

아폴로 샘플 분석에 따르면, 달 토양에는 태양풍과 지구 대기에서 온 것으로 보이는 수소와 질소가 상당량 포함돼 있다.
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수소/물 : 중국 창어(嫦娥)-5 임무에서 가져온 달 토양 분석에 따르면, 중위도 지역(북위 43°)에서 레골리스의 평균 수분 함량은 최소 146~170 ppm(100만분의 146~170) 수준이다. 이는 태양풍에서 온 수소가 달 광물(橄欖石·輝石·斜長石) 표면에 OH/H₂O 형태로 흡착된 결과로, 일부 지역에서는 200 ppm 이상까지도 관측된다.
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질소 : 아폴로 샘플에서 측정된 질소 함량은 샘플에 따라 18~108 ppm 수준이며, 일부 미세입자(24 μm 이하)에서는 200 ppm 이상까지도 보고됐다. 이는 태양풍만으로는 설명하기 어려운 수준으로, 지구 대기에서 온 질소가 상당 부분 기여했을 가능성이 크다.
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헬륨·아르곤 : 달 토양에는 헬륨-3(He-3)과 헬륨-4(He-4), 아르곤-40(Ar-40) 등도 태양풍과 지구 대기에서 온 것으로 추정된다. 특히 아르곤-40은 지구 대기의 주요 희가스이므로, 달 토양에 함유된 아르곤의 일부는 지구 기원일 가능성이 높다.
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달 토양, 지구 대기의 ‘고고학적 기록’이자 자원 보고

연구팀은 달 레골리스가 단순한 먼지가 아니라, 지구 대기와 자기장의 장기적 진화를 기록한 ‘천연 보존고’라고 설명한다.
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지구 자기장이 37억년 전 그린란드 철석에서 이미 강하게 존재했다는 증거(옥스퍼드대 2024년 연구)와 함께 보면, 지구 대기 입자들은 적어도 30억년 이상 달에 쌓여왔을 가능성이 있다.
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달 토양에 축적된 수소·질소·산소·헬륨 등은, 지구의 대기 조성·기후·생물권 변화를 추적하는 데 중요한 화학적 기록이 될 수 있다.
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동시에 이 자원들은 미래 달 기지의 핵심 자원이 될 수 있다.
 

물(H₂O) : 레골리스에 흡착된 수소를 가열·추출해 물을 만들 수 있다. 창어-5 샘플 기준 170 ppm 수준이면, 1톤의 달 토양에서 약 170 g의 물을 얻을 수 있다.
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산소(O₂) : 달 토양(레골리스)의 40~45%는 산소이며, 이는 화학적·전기적 방법으로 추출 가능하다. NASA는 1.5 L의 달 토양에서 하루 생존에 필요한 산소를 얻을 수 있다고 추정한다.
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질소(N₂) : 지구 대기에서 온 질소는 달 기지의 공기(산소·질소 혼합)를 만들거나, 농업용 질소 비료로도 활용할 수 있다.
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아르테미스 프로그램, 달 자원 이용(ISRU) 계획

NASA는 아르테미스 프로그램을 통해 달 남극에 지속적인 인간 거주 기지를 구축할 계획이며, 이 핵심은 ‘현지 자원 이용(ISRU)’이다.
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물 추출 : 달 남극의 영구음영구역(PSR)에는 얼음 형태의 물이 풍부하다. NASA는 이 얼음을 채굴해 가열·응축하는 방식으로 물을 추출할 계획이며, 목표는 연간 수천 톤 수준의 물 생산이다.
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산소 추출 : 레골리스에서 산소를 추출하는 기술(예: 전기화학적 환원, 진공 열분해)을 개발 중이며, 이를 통해 인간 호흡용 산소와 로켓 산화제를 확보할 예정이다.
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수소·질소 활용 : 지구 대기에서 온 수소와 질소는, 달 토양에서 직접 추출된 물과 산소와 함께, 기지의 대기 조성·농업·연료 생산에 활용될 수 있다.
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시사점 : 지구-달, 40억년간 이어진 ‘자원 공급망’

이 연구는 지구와 달을 단순한 행성-위성 관계가 아니라, 수십억 년간 지속된 ‘자원 교환 시스템’으로 보게 한다. 지구 자기장은 생명을 지키는 방패일 뿐 아니라, 지구 대기의 일부를 달로 운반하는 ‘자기 고속도로’ 역할을 해왔다.
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달 토양은 지구 대기의 장기적 기록을 보존하는 동시에, 미래 달 기지의 물·산소·질소 자원을 공급하는 ‘자원 보고’가 될 수 있다.
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이 메커니즘은 화성·화성衛성(포보스·데이모스) 등 다른 행성계에서도 대기 유출과 위성 자원 형성에 적용될 수 있어, 행성 거주 가능성과 행성 진화 연구에도 중요한 시사점을 제공한다.