지구속은 어떻게 구성되었을까?

[산내들]

우리가 살고 있는 푸른 행성이 바로 지구이다. 우주에서 봤을 때 푸른색의 바다, 녹색의 산과 갈색의 흙에 흰색의 구름이 조화를 이루고 있는 아름다운 행성이다.

지구의 나이는 약 46억 년이라고 알려져 있다. 원시 지구는 태양 주위의 미행성들이 뭉쳐져서 탄생한 것으로 추측하고 있다. 탄생 직후의 지구는 고온의 마그마 바다였으나 미행성의 충돌이 잠잠해지면서 냉각하기 시작하여 얇은 지각이 형성된다. 이산화탄소가 주성분이었던 원시 대기에 비가 내림으로써 바다가 형성되고, 이산화탄소가 바다에 녹아 하늘이 맑아진다. 약 35억 년에서 25억 년 전쯤에는 지표의 온도가 현재 온도와 가까워졌고 지구 환경도 안정기에 접어든다. 그리고 35억 년 전 비로소 지구에 원시 생명이 탄생한다. 이것이 과학자들이 추측하는 지구 탄생의 이야기다.

태양계의 세 번째 행성, 우리가 살고 있는 푸른 행성, 지구.

푸른 행성 지구는 어떤 모습일까?

하늘이 파란 이유는 지구의 대기가 태양 빛 중에서 단파장인 푸른빛을 산란시키기 때문이다. 태양 빛은 여러 파장으로 나눌 수 있는데 그 중 한 부분이 우리가 볼 수 있는 가시광선이다. 가시광선은 빨주노초파남보 색깔로 나뉘게 된다. 빨간색은 상대적으로 파장이 길고, 파란색, 남색, 보라색으로 갈수록 파장이 짧다. 대기는 상대적으로 짧은 푸른색의 빛들을 많이 산란시키게 되고 이에 따라 우리의 눈에는 푸른색이 비쳐 하늘이 파랗게 보이는 것이다. 태양이 수평선 방향에 있다면 더욱 많은 대기들을 지나야만 우리 눈에 도달할 수 있는데, 푸른색의 단파장들은 산란되어 여러 방향으로 흩어지고 붉은 계열의 장파장들이 우리의 눈에 도달하기 때문에 저녁 하늘의 노을은 붉고 노란 계열로 보이는 것이다.

현재 지구의 대기는 약 78%의 질소분자와 21%의 산소분자, 1%의 물 분자, 그리고 미량의 아르곤, 이산화탄소 등으로 이루어져 있다. 대기의 대부분이 이산화탄소로 이루어진 금성과는 다른 구성의 대기를 가지게 된 것은 금성보다 태양에 멀리 떨어져 있어서 온도가 급상승하지 않았기 때문이다. 따라서 물의 증발에 따른 온실효과의 폭주현상이 일어나지 않았다. 대기 중의 이산화탄소는 물에 융해되어 암석에 갇히거나, 식물의 광합성 작용으로 인해 산소로 바뀌게 되었다. 이로써 현재의 대기분포를 이루게 된 것이다. 

지구의 대기는 질소, 산소, 물, 아르곤, 이산화탄소 등으로 이루어져있다. 이산화탄소가 주를 이루는 금성의 대기와 다른 구성을 가지게 된 것은 금성보다 태양에 멀리 떨어져 있어서 온도가 급상승하지 않았기 때문이다.

저녁 하늘이 붉게 보이는 이유는 단파장의 푸른색 가시광선들은 산란되어 흩어지고 붉은 계열의 장파장들이 우리의 눈에 도달하기 때문이다.

지구의 평균온도는 약 290K이며, 수성이나 달처럼 온도 변화가 심하지 않다. 그 이유는 여러 가지가 있겠지만 대기에 의한 효과를 빼놓을 수 없다. 대기는 태양의 빛을 어느 정도 줄여주며, 지표에서 빠져나가는 열을 잡아주기도 한다. 그렇게 하여 낮과 밤의 온도격차를 줄여주어 생명체가 살기 적당한 온도를 유지시켜 준다. 

하지만 산업화가 진행됨에 따라 이산화탄소를 비롯한 온실가스가 인위적으로 지구대기에 방출되고 있고, 이는 지구의 온난화를 초래하고 있다. 대기 중의 온실가스비율이 증가함에 따라 평균온도는 상승하고, 실제로 1970년도부터 평균온도는 지속적으로 상승하고 있다.

하나의 커다란 자석, 지구

지구자기장은 지구로 향하는 대전된 입자들을 밀어내는 지구보호막 역할을 한다.

지구는 매우 커다란 자석으로 볼 수 있다. 막대자석의 자기력선이 철가루를 그림과 같은 형태로 만들어내는 것처럼, 지구의 자기력선도 비슷한 형태로 나타난다. 이것이 나침반의 바늘이 항상 북극을 가리키는 이유이다. 자기장은 또한 정전기에 의해 대전된 물체들을 밀어낸다. 만약에 이러한 대전 된 물체들이 자기장에서 움직인다면, 그것들은 자기장에 의해서 밀려날 것이다. 실제로도 지구로 향하는 대전 된 입자들(이온과 전자)은 지구자기장에 의해 밀려나고 있다. 지구는 약 23시간 56분을 주기로 자전을 한다. 하루의 시간이 24시간인데 비하여 약 4분이 짧은 이유는 지구가 자전을 하는 동안 공전을 하기 때문이다. 즉 하루란 태양이 남중한 시간부터 다음날 남중할 때까지의 기간을 말하는데, 지구가 자전을 하는 동안 공전을 함으로써 4분 정도 더 돌아야 태양이 남중하게 되는 것이다. 그리고 지구는 약 23.5° 기울어져서 자전을 한다.

지구는 태양으로부터 평균 1억 5천만km 떨어져서 1년을 주기로 공전한다. 이심률은 대략 0.017로 타원 형태로 공전을 하며, 태양과 가장 가까울 때는 1억 4,700만km까지 다가간다. 공전 속도는 약 29.8km/s로 아주 빠르며, 자전축이 기울어져 공전하기 때문에 계절의 변화가 생긴다.

고도에 따라 구분되는 지구 대기의 특징

지구의 대기는 고도가 증가함에 따라 밀도와 구성성분이 다양하다. 대기의 가장 낮은 부분은 대류권이라고 불리며, 이것은 지표면에서 약 10km까지 뻗어 있다. 대류권의 기체들은 주로 산소 분자와 질소 분자이며, 밀도가 높아 지구 대기의 90%와 수증기의 99%를 포함한다. 가장 높은 산들도 대류권 안에 머무르며 우리의 일상적인 하루하루의 모든 활동도 이곳에서 이루어진다. 10km 위 부분의 대기는 성층권이라고 불린다. 기체는 여전히 밀도가 높아서 뜨거운 공기의 기구는 15∼20km의 고도까지, 헬륨 기구는 거의 35km까지 올라갈 수 있다. 그러나 이곳에서는 공기층이 빠르게 얇아지고, 기체 구성 성분은 고도가 높아짐에 따라 약간 변한다. 성층권 내에서, 240nm 아래의 파장에서 들어오는 태양 복사는 산소 분자를 각각의 산소 원자들로 쪼갤 수 있으며 각각의 원자들은 산소분자와 다시 결합하게 되어 세 개의 산소 원자로 되어 있는 오존을 형성한다. 이 기체는 약 25km의 고도에서 최고 밀도에 이르게 된다. 대기는 높은 고도로 갈수록 희박해진다. 80km 높이에서의 기체는 너무 희박해서 자유 전자가 주변의 양성이온에 의해 포착되기 전의 짧은 시간 동안만 존재할 수 있다. 이러한 고도 이상에서 대전 된 입자들의 존재는 이온층의 시작을 나타낸다. 이온층은 전리층 또는 열권이라 불린다.

지구의 대기는 고도가 증가함에 따라 다양한 밀도와 구성성분을 가진다.

지구 속은 어떤 모습일까? 

지구의 구조는 지표에서의 거리에 따라 나눌 수 있다. 지구 내부의 구조는 지표면에서의 관측으로 얻을 수 있다. 그중에서 가장 좋은 방법은 지진파의 분석이다. 지진파는 P파와 S파로 나눌 수 있는데 P파는 액체와 고체를 통과하는 종파이며, S파는 고체만 통과할 수 있는 횡파이다. 이것을 바탕으로 지진파 해석에 의하면 지구는 외측부터 암석질의 지각, 암설질의 점탄성 체인 맨틀, 금속질 유체인 외핵, 금속질 고체인 내핵이라는 구조로 나뉜다.

지구의 내부구조.

지각의 구성.

핵은 외핵과 내핵으로 나뉘는데, 유동적인 외핵은 반경 약 3,480km, 고체인 내핵은 반경 약 1,220km이다. 외핵은 철과 니켈이 주성분으로 추정되나 수소나 탄소 등의 경원소가 10% 이상 포함되어 있다고 가정하고 있다. 그래야 지진파의 속도와 밀도를 설명할 수 있기 때문이다. 내핵은 지구 내부가 차가워질 때 외핵의 철과 니켈이 침강되어 생긴 것으로 보며, 현재에도 계속 성장하고 있다. 대류와 지구 자전의 원인으로 여겨지는 외핵의 유동적인 특성에 의해 전류가 발생하고, 이 전류에 의해 자기장이 생기는데 이것이 지구자기장이다. 이처럼 지구자기장의 발생은 역학적 운동과 관련이 있고, 이것의 유지구조를 다이너모 구조라고 한다.

맨틀은 지각 아래 있으면서 내부의 핵을 둘러 존재하는 두꺼운 암석층이다. 이것은 깊이 약 2,900km까지 존재하며 지구 부피의 약 83%, 질량의 약 67%를 차지하고 있다. 맨틀 전체의 화학조성은 직접적으로 알 수 없으나 감람석과 휘석 등의 물질들이 주로 구성되어 있고, 지각에 비하여 철과 마그네슘의 함량이 높다고 알려져 있다. 맨틀대류의 양상도 포함하여 맨틀은 화학적, 역학적 연구대상인 영역이다. 지각과의 경계에는 지진파 속도가 불연속으로 변화하는 층이 있는데 이것을 모호로비치치불연속면(모호면)이라고 한다.

지각은 대륙지각과 해양지각으로 나눌 수 있다. 대륙지각은 현무암질의 하부지각과 화강암질의 상부지각으로 이루어져 있다. 두께(모호면까지의 깊이)는 지역에 의한 차가 커서 대략 30~60km로 알려져 있고, 평균밀도는 약 2,650kg/m³이다. 그리고 해양지각에 비해 알루미늄이 많으며 철과 마그네슘의 양이 적다. 해양지각은 대부분 현무암질로, 두께의 대략적인 평균은 6~7km이고 평균밀도는 약 2,950kg/m³이다.

지구의 미래는?

우리 인간은 지구의 자원을 이용하여 현재까지 살아왔다. 하지만 지구를 생각하지 않는 무분별한 산업화는 몇몇의 문제(이산화탄소 증가로 인한 온실효과, 염화플루오린화탄소(CFC)의 오존층파괴 등)를 발생시켜 인류에 위협을 가하고 있다. 또한, 앞으로 수십억 년 사이에 거대운석의 충돌, 혹은 대륙이동에 따른 화산활동이나 기후변동 등에 의해 멸망할 가능성도 있다.

또한 미래에는 판 운동이 정지하고 바다는 맨틀에 흡수되어 없어져 가며, 언젠가는 현재의 화성과 같은 모습이 될 것이라 예상할 수도 있다. 그리고 대략 50억 년 후에는 태양이 주계열성 단계를 마치고 거성 단계에 접어들어 지구의 공전궤도에 가까운 크기까지 팽창할 것이다. 지구 자체는 태양에 흡수되거나 표면이 융해되고 탄생할 때와 같은 마그마로 뒤덮일 것이다. 만약 태양의 진화가 끝날 때까지 지구가 남아 있다면 그대로 백색왜성이 된 태양과 함께 식어 갈 것이다.

공상과학소설의 선구자인 쥘 베른(Jule Verne)이 1864년에 발표하고 그 후 영화나 TV 만화시리즈로도 여러 번 제작된 [지구 속 여행 Voyage au centre de la Terre]은 지구 내부에 대한 인간의 호기심과 과학적 상상력이 만들어낸 소설이다. 우리는 지구 표면이 바다와 육지로 이루어져 있으며 이를 대기가 둘러싸고 있다는 것을 잘 알고 있다. 그렇다면 과연 지구의 내부는 어떤 물질로 이루어져 있고 그 모습은 어떠할까? 이번 시간에는 지구의 내부구조에 대해 알아보도록 하자.

공상과학소설의 선구자인 쥘 베른(Jule Verne)이 1864년에 발표하고 그 후 영화나 TV 만화시리즈로도 여러 번 제작된 [지구 속 여행 Voyage au centre de la Terre]은 지구 내부에 대한 인간의 호기심과 과학적 상상력이 만들어낸 소설이다. 우리는 지구 표면이 바다와 육지로 이루어져 있으며 이를 대기가 둘러싸고 있다는 것을 잘 알고 있다. 그렇다면 과연 지구의 내부는 어떤 물질로 이루어져 있고 그 모습은 어떠할까? 이번 시간에는 지구의 내부구조에 대해 알아보도록 하자.

공상과학소설의 선구자인 쥘 베른(Jule Verne)이 1864년에 발표하고 그 후 영화나 TV 만화시리즈로도 여러 번 제작된 [지구 속 여행 Voyage au centre de la Terre]은 지구 내부에 대한 인간의 호기심과 과학적 상상력이 만들어낸 소설이다. 우리는 지구 표면이 바다와 육지로 이루어져 있으며 이를 대기가 둘러싸고 있다는 것을 잘 알고 있다. 그렇다면 과연 지구의 내부는 어떤 물질로 이루어져 있고 그 모습은 어떠할까? 이번 시간에는 지구의 내부구조에 대해 알아보도록 하자.

지구의 내부의 상상도  <출처: UK Space Agency>	지구의 내부구조 <출처: (cc) Dake at Wikipedia>

지구의 내부구조

지진이 일어날 때 생기는 지진파는 매질이 다르면 서로 다른 속도로 전파되는 특성을 갖고 있다. CT나 MRI를 이용하여 사람 몸속의 상태를 알아볼 수 있는 것처럼, 지구물리학자들은 지구를 통과하는 지진파를 측정하거나 자기장 등을 연구하여 지구의 내부구조를 알아내고 있다. 지진에 의해 발생하는 지진파는 단단하고 밀도가 큰 암석에서는 빨리 전파되며 부드러운 암석에서는 속도가 느려지고, 물질의 상태가 바뀌면 반사하거나 굴절하기도 한다. 이처럼 지구내부를 통과한 지진파 자료들을 분석한 결과 지구는 바깥에서부터 지각, 맨틀, 외핵, 내핵으로 이루어져 있음이 밝혀졌다.

지각

지구의 가장 바깥에 위치한 암석층으로 지구 전체 표면의 1/3을 차지하는 대륙지각과 2/3를 차지하는 해양지각으로 이루어진다. 대륙지각은 약 30~65km의 두께를 가지며 주로 화강암, 퇴적암 및 변성암으로 이루어지는 반면, 해양지각은 약 5~10km의 두께를 가지며 주로 현무암으로 이루어진다. 지구 전체 부피의 1%이하를 차지한다. 온도는 깊어질수록 증가하는데 맨틀 부근에서는 200~400°에 이른다.

대륙지각의 평균 나이는 약 20억년으로 추정되는데, 가장 오래된 대륙지각의 나이는 약 40억3천만년으로 캐나다에서 발견된 아카스타 편마암이다. 반면 가장 오래된 해양지각의 나이는 2억년을 넘지 않는데, 이것은 새로 생성된 해양지각은 서서히 해령의 양쪽으로 이동하여 마침내는 대륙연변부에서 지구 내부로 다시 들어가기 때문이다.

대륙지각과 해양지각의 분포.

맨틀

지각과 외핵 사이의 구간으로, 10~65km부터 2,885km까지 깊이에 해당하며 지구 전체 부피의 84%를 차지한다. 온도는 깊어질수록 증가하는데 지각 부근에서는 500~900° 그리고 외핵 부근에서는 4,000°에 이른다. 맨틀은 고체의 암석으로 이루어져 있는데, 깊이 및 장소에 따라 맨틀을 구성하는 암석의 성질 및 상태는 서로 다르다. 즉, 400km 깊이까지는 감람암(peridotite)으로 이루어지지만, 깊이가 더욱 증가하고 압력이 높아지면서 점차 감람암이 바뀐 스피넬(spinel)이나 페로브스카이트 (Perovskite) 같은 광물로 이루어져 있을 것으로 추정된다.

맨틀은 지구 내부의 열에 의해 대류하고 있다. 즉, 맨틀로부터 뜨거운 암석이 올라오기도 하고 차갑게 식어 다시 맨틀로 돌아가기도 한다. 맨틀은 윗 부분과 아랫 부분을 상부맨틀과 하부맨틀로 나누기도 하는데, 그 경계가 명확한 것은 아니지만, 보통 700km를 그 경계로 추정한다. 700km를 경계로 상부맨틀을 구성하는 스피넬이 하부맨틀을 구성하는 페브로스카이트로 바뀌게 된다. 그러나 이러한 변화는 어느 한 깊이에서 일시에 이루어지지 않고 점이적으로 이루어지게된다.

외핵

맨틀과 내핵 사이의 구간으로, 2,885km부터 5,155km 깊이에 해당하며, 두께는 2,270km이다. 온도는 깊어질수록 증가하는데 맨틀 부근에서는 4,400° 그리고 내핵 부근에서는 6,100°에 이른다. 외핵은 주로 철과 니켈 등으로 이루어져 있는데 산소나 황, 규소 같은 원소도 조금 섞여 있을 것으로 여겨진다.

외핵은 액체 상태로 존재하는데, 지구의 자전이나 방사성동위원소의 붕괴에 의한 열, 그리고 외핵에 녹아 있는 철 성분이 굳으면서 발생하는 열 등에 의해 외핵은 레미콘 차에 담긴 시멘트 반죽처럼 1초에 수 밀리미터씩 천천히 돌고 있다. 회전하는 외핵의 액체금속에 전류가 발생하면서 지구 자기장이 만들어 진다.

지구 자기장은 지구 전체를 에워싸는 큰 자기권으로 지구 바깥 수천 km까지 뻗어 있어 태양풍이나 우주방사선으로부터 지구를 보호하고 있다.

지구 자기장. 지구자기장은 액체금속으로 된 외핵이 회전하여 발생하는 전류가 만들어낸다.

내핵

외핵과 지구 중심 사이의 구간으로, 5,155km부터 6,371km 깊이에 해당하며, 두께는 1,216km이다. 온도는 5,500°로 태양의 온도와 비슷하다. 내핵은 달 정도의 크기로, 주로 철과 니켈 등으로 이루어지며 산소나 황, 규소 같은 원소와 화합물을 이루고 있을 것으로 여겨진다. 내핵은 고체 상태로 존재하는데, 외핵에 녹아 있는 철 성분이 1초에 1,000톤 정도의 규모로 천천히 굳으면서, 내핵의 크기는 점점 커지고 있다.

지구 내부구조의 과거와 미래

원시지구의 내부구조는 현재와는 사뭇 달랐을 것이다. 크고 작은 소행성들의 충돌에 의해 합쳐지고 부서지는 과정을 반복하면서 형성된 지구는 초기에는 소행성들의 충돌열, 지구가 수축하면서 내보낸 열 그리고 방사성 동위원소의 붕괴열 등에 의해 지구의 깊은 곳까지 마그마가 녹은 상태를 이루고 있었을 것으로 여겨진다. 그 후 밀도가 높은 철과 니켈 등은 점차 지구 중심부로 내려가 핵을 만들고 상대적으로 가벼운 규산염 광물은 맨틀을 만들었다. 지표면에서는 충돌하는 소행성의 수가 감소하고 원시지구의 표면이 식으면서, 현무암질의 원시지각과 원시해양이 만들어졌다.

외핵을 이루고 있는 액체금속 성분은 지구형성 초기부터 지금까지 조금씩 굳고 있으며 이로 인해 내핵의 크기는 점점 커지고 있다. 지난 46억년 동안 고체로 변한 외핵의 양은 전체의 5% 미만에 불과하지만, 만약 지구의 미래에 영향을 미칠 수 있는 다른 요인들을 모두 제거하고 오로지 외핵에 의한 지구내부의 변화만을 고려한다면, 아마도 먼 미래에 지구의 내부는 지각, 맨틀 그리고 핵으로 이루어지게 될 것이다.