지구에는 왜 운석 충돌구가 적을까

[성모세]

•  충돌구가 생기는 이유
•  달, 수성, 화성의 충돌구들
•  지구에 충돌구가 적은 이유

충돌구(impact crater)란 소행성이나 혜성 또는 그 파편이 행성, 위성, 소행성 같은 고체 상태의 천체 표면에 충돌하여 만들어진 구덩이를 말한다. 구덩이를 만들면서 충돌체가 거의 완전히 부서지거나 증발해 버리기 때문에 충돌체가 무엇이었는지 알지 못하는 경우가 매우 많아 단순히 충돌구라고 부르는 것이 옳지만, 우리나라에서는 운석 충돌 구덩이 또는 운석 충돌구로 불리고 있다.

달이나 수성의 표면에서는 수많은 충돌구를 볼 수 있다. 반면 2000년을 기준으로 지구 표면에 존재하는 것으로 확인된 충돌구의 수는 2백 개를 조금 넘는다. 충돌구에 대한 연구는 주로 북미, 유럽, 호주 등지에서 이루어졌기 때문에 아직 연구가 미흡한 아시아, 남미, 아프리카에서 추가로 충돌구가 더 확인될 가능성은 충분히 있다. 우리나라에서는 아직 충돌구를 발견하지 못했다. 지구 표면에 확인되지 않은 충돌구가 현재 확인된 것의 몇 배가 된다고 하더라도, 여전히 지구 표면의 충돌구의 수는 더 작은 천체인 달이나 수성에 비해 훨씬 더 적다. 왜 그럴까?

충돌에 의해 거대한 구덩이가 형성되는 이유는 엄청난 충돌 속도 때문이다. 태양계의 행성, 소행성, 혜성 등은 매우 빠른 속도로 태양 주위를 돌고 있다. 이들의 궤도가 서로 겹치면 충돌이 일어날 수 있다. 지구의 경우 초당 30 km의 속도로 태양 주위를 돌고 있으며, 지구 궤도의 물체는 최대 초당 42km의 속도로 태양 주위를 돌 수 있다. 이보다 속도가 빠르면 원심력에 의해 태양으로부터 멀어지려는 힘이 태양의 중력이 잡아당기는 힘보다 커지기 때문에 태양으로부터 더 멀리 떨어진 궤도로 달아나게 된다. 

초당 40km의 속도로 지구 궤도로 진입하는 소행성의 경우를 가정해보자. 만약 이 소행성이 지구와 같은 방향으로 태양 주위를 돌면서 지구를 따라오면 이 소행성은 초당 10km의 속도로 지구로 돌진하게 된다. 지구와의 거리가 가까워지면 소행성과 지구 사이에 중력이 작용하고 이로 인해 소행성의 속도는 더욱 빨라져 초당 약 15km의 속도로 지구와 충돌하게 된다. 만약 어떤 천체가 지구와 반대 방향으로 태양 주위를 돌면서 지구와 만난다면 두 천체의 속도를 합한 초당 70km 이상의 어마어마한 속도로 지구와 충돌하게 될 것이다. 소행성의 경우에는 지구와 거의 같은 공전 궤도면에서 같은 방향으로 태양 주위를 돌고 있기 때문에 이런 정면충돌의 가능성은 없지만, 혜성의 경우에는 이런 일이 일어날 수도 있다. 

충돌 에너지는 충돌체의 운동 에너지(충돌체의 질량 × 속도의 제곱)로부터 구할 수 있다. 그러니까 지름이 1km인 소행성이 초당 15km의 속도로 지구와 충돌한다면, 충돌 에너지는 히로시마에 떨어진 원자폭탄의 2백만 배에 해당한다. 이처럼 엄청난 에너지가 방출되므로 충돌체의 지름보다 20~50배가 큰 거대한 충돌구가 생기는 것이다.

우리가 가장 쉽게 수많은 충돌구를 관찰할 수 있는 천체는 달이다. 천체 망원경이나 우주탐사선을 이용하여 촬영한 달의 표면 사진을 보면 수 많은 구덩이들이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 과거 한때 이들 구덩이들을 화산 폭발에 의한 분화구(volcanic crater)로 생각한 적이 있지만, 여러 연구자들에 의해 이들 대부분이 소행성이나 혜성 등과의 충돌에 의한 충돌구로 밝혀졌다. 

달 표면에 존재하는 충돌구의 분포를 관찰하면 흥미로운 사실을 알 수 있다. 우리가 달의 바다라고 부르는 달의 어두운 면은 밝은 면에 비해 상대적으로 충돌구의 밀도가 매우 낮다. 그 원인은 아폴로 우주인들이 가져온 월석의 생성 연대를 분석한 뒤 알게 되었다. 달의 표면을 구성하는 암석의 연대는 밝은 부분이 대부분 약 45억 년 전인 반면, 어두운 부분은 약 32억 년에서 38억 년 전인 것으로 밝혀졌다.

어두운 부분은 주로 현무암(제주도에서 흔히 볼 수 있는 기공이 많은 검은색의 암석)이라고 불리는 화산암으로 이루어져 있다. 약 32억 년에서 38억년 전 사이에 달의 표면에 많은 양의 현무암질 용암이 흘러나와 달의 바다라고 불리는 지역을 형성한 것이다. 용암이 흐르지 않은 달의 밝은 면에는 달의 생성 이후 만들어진 거의 모든 충돌구들이 보존된 반면, 용암으로 뒤덮인 달의 바다에는 용암 분출 이전의 충돌구들이 사라지고 그 이후에 만들어진 충돌구만 보존되어 상대적으로 충돌구의 수가 적은 것이다. 또한 달이 생성된 후 약 7억 년에서 13억 년 사이에 만들어진 충돌구의 수가 그 이후 약 32억 년에서 38억 년 사이에 형성된 것보다 훨씬 더 많다는 사실 또한 알 수가 있다. 즉, 충돌의 빈도수가 시간이 지남에 따라 급격히 감소한 것이다. 

태양계의 행성 중 비교적 규모가 작으면서 태양에 가장 가까이 위치한 수성 역시 달처럼 표면이 충돌구로 가득하다. 달과는 달리 수성의 충돌구는 모든 지역에 고르게 분포하고 있어 수성 표면의 생성 시기가 전 지역에서 거의 동일함을 알 수가 있다. 수성이나 달보다는 적지만 화성의 표면에서도 수많은 충돌구를 관찰할 수 있다. 화성의 충돌구의 분포 양상은 달과 매우 유사하여, 오래된 암석으로 이루어진 지역은 충돌구의 밀도가 매우 높으며 비교적 젊은 암석으로 구성된 지역에서는 충돌구가 드물게 관찰된다.

앞서 언급한 바와 같이 지구 표면에는 2백여 개의 확인된 충돌구가 있다. 그중에서 일반 대중에게 가장 널리 소개된 것은 아마도 아리조나 운석 충돌구라고 흔히 불리는, 미국 아리조나 주에 위치한 배린저 충돌구(Barringer impact crater)일 것이다. 배린저 충돌구는 지름이 1 km가 조금 넘어 지구의 충돌구 중에서 비교적 작은 것에 속한다. 규모가 작은 충돌구 임에도 가장 널리 알려진 이유는 생성 연대가 비교적 젊어(약 5만 년 전) 그 외형이 잘 보존되어 있기 때문이다. 또한 충돌구 중에서 가장 먼저 학문적으로 연구되었으며, 관광지로서 유명한 것도 이유가 될 것이다.

지구에 현재 보존되어 있는 충돌구 중 가장 큰 것은 남아프리카에 위치하고 있는 브레데포트 충돌구(Vredefort impact crater)이다. 약 20억 년 전에 형성된 것으로 추정되는 이 거대한 충돌구의 지름은 무려 300 km가 넘어 그 면적이 우리나라보다도 넓다. 이와 같이 지구에도 크고 작은, 또 오래된 것부터 젊은 것까지 다양한 충돌구가 존재하지만, 그 수는 달, 수성, 화성 등에 비하면 매우 적다. 그 이유가 뭘까?

먼저 지구로 외계의 물체가 진입할 때 지구 대기의 역할을 생각해 보자. 유인 달 탐사계획인 아폴로 계획 중 아폴로 13호만이 달로 가는 도중에 고장으로 달에 착륙하지 못하고 지구로 돌아왔다. 이를 소재로 만든 〈아폴로 13호〉란 영화를 보면 우주인들이 지구로 돌아올 때 지구 대기로의 진입 각도에 대해 고민하는 장면이 나온다. 지구 대기와 수직에 가깝게 진입하면 대기와의 마찰로 우주선이 불타 버리며, 수평에 가깝게 진입하면 대기 표층에서 튕겨져 우주 미아가 되어 버리고 만다. 

지구로 진입하는 소행성이나 혜성의 크기가 그리 크지 않다면, 아폴로 13호가 고민한 것과 같은 현상이 일어난다. 대기 상층부에 대해 매우 작은 각도를 가지고(수평에 가깝게) 접근하는 물체는 마치 물 위로 납작한 돌을 수평에 가깝게 던지면 물에 빠지지 않고 튕겨 나가듯이 지구 대기에 의해 튕겨 나가 버린다. 조금 더 큰 각도로 진입하는 물체는 대기로 진입하면서 마찰에 의해 표면이 녹거나 증발하면서 동시에 속도가 줄어든다. 

요즘은 도시의 밝은 불빛과 대기오염 때문에 관찰하기가 매우 어렵지만, 맑은 날 깊은 산골의 밤하늘에서는 길게 꼬리를 끌며 떨어지는 별똥별(유성)을 볼 수가 있다. 이는 수센티미터 정도의 아주 작은 암석이나 얼음조각들이 지구 대기로 진입하다 대기와 마찰해서 타는 현상이다. 이처럼 작은 조각들은 대기 상층부 70km 부근에서 모두 타버린다. 좀더 큰 암석은 타고 남은 조각이 땅 위에 떨어지게 된다. 운석(meteorite)이 이런 것들이다.

만약 매우 약한 물체(아마도 혜성의 경우)라면 대기와의 충돌의 힘을 이기지 못하고 폭발하기도 하며, 약한 암석은 여러 조각으로 부서진다. 운석은 여러 개가 동시에 낙하하는 일이 흔한데, 이는 대부분 지구 대기로 진입하는 도중에 부서진 조각들이다. 이런 현상을 운석우(meteorite shower)라고 한다. 하지만 충돌체의 크기가 커질수록 대기가 할 수 있는 일은 점점 줄어든다. 예를 들어 진입하는 물체가 매우 단단하여 대기에서 부서지지 않는 경우, 크기가 10 m 이상인 물체에 대해 지구 대기는 고작 10% 정도 감속하는 역할을 할 뿐이다. 지구의 대기는 우주에서 빠르게 날아오는 물질로부터 지구를 보호하는 역할을 하지만, 이는 비교적 크기가 작거나 약한 물체에 국한된다. 지구에 충돌구가 적은 더 중요한 이유는 지구가 지질학적으로 살아 있는 행성이므로 시간이 지나면서 여러 지질 활동에 의해 충돌구를 지워 버리기 때문이다.

달의 충돌구를 연구하면 알 수 있듯이 태양계에서 충돌의 빈도수는 시간이 지남에 따라 점차 감소하고 있다. 태양계 탄생 초기에는 수많은 소행성들이 태양계 곳곳에 존재했다. 사실 현재의 행성들은 수많은 소행성들이 충돌에 의해 합쳐져 만들어진 것이다. 하지만 지구의 충돌구 중 생성 연대를 정확히 알고 있는 것들을 살펴보면 오래된 것보다 젊은 것이 훨씬 더 많다는 것을 알 수 있다. 태양계에서 지구에만 유일하게 충돌의 빈도수가 증가할 아무런 이유가 없다. 따라서 이러한 현상은 지구에서는 오래된 충돌구들이 지워져 버렸기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 이는 달의 바다에 충돌구가 적은 이유와 같은 맥락이다. 지구에서 충돌구를 지우는 지질 활동으로는 비, 바람 등에 의한 풍화, 화산 활동 등이 있으며 가장 중요하게는 판의 이동을 들 수 있다. 

지구 표면은 10여 개의 크고 작은 판(plate)으로 나뉘어 있다. 지각과 맨틀의 상부를 일부 포함하는 지구의 판들은 서로 다른 방향으로 1년에 평균 수센티미터를 이동하면서 지구 표면에 여러 가지 지질 현상을 일으킨다. 거대한 규모의 지진, 화산 활동, 산맥과 해구의 형성 등이 대부분 판의 움직임과 관련이 있으며, 오랜 세월이 지나면서 대륙의 모양까지도 변화시키는 것이 판의 움직임이다. 따라서 지구 표면의 충돌구 역시 예외가 될 수 없다. 

지구 면의 3분의 2를 덮고 있는 바다 역시 충돌구가 적은 원인 중 하나이다. 바다의 역할은 세 가지 측면에서 생각해볼 수 있다. 먼저, 바다는 대기보다도 더 효율적으로 충돌 속도를 감소시킬 수 있다(단, 바다가 충돌체의 크기에 비해 충분히 깊은 경우). 둘째로 깊은 바다에 형성된 충돌구는 발견하기가 매우 어려울 것이다. 하지만 가장 중요한 원인은 역시 판의 움직임과 관련이 있다. 바다 밑을 형성하는 해양지각은 중앙해령이라고 불리는 해저산맥에서 생성되어 서서히 이동하다가 대륙을 만나면 맨틀 속으로 사라져 버린다(이런 곳에 깊은 해구가 형성된다). 해양지각의 수명은 2억년을 넘는 일이 거의 없기 때문에 이보다 오래된 해양지각은 충돌구를 간직한 채 사라지게 되는 것이다.