Ch1 지권의 변화 Lesson 1 지구계와 지구 내부구조

 

1. 지권의 변화

이 부분의 과학 영역은 물리, 화학, 지구과학, 생명과학 분야로 크게 나눌 수 있는 과학에서 지구과학에 해당합니다. 지구과학은 지구 전체를 총 5개의 권역으로 나눈 다음 각 권역에서 일어나는 현상에 대해서 과학적으로 접근을 합니다. 이 단원에서는 지구계의 구성 요소를 우선적으로 본 다음에 우리가 밟고 살고 있는 땅에 대해서 공부해 보도록 하겠습니다.

 

1-1 지구계와 지구 내부구조

 

1) 계

일단 계(系, system) 라는 개념부터 우선 보겠습니다. 한자를 보시면 아시겠지만 ‘이을 계’ 자 입니다. 즉 계라는 것은 어떤 것의 구성요소들이 서로 복잡하게 이어져서 전체를 구성한다는 의미를 담고 있다고 할 수 있습니다. 우리가 익히 알고 있는 계에 대해서 예를 들어보면 다음과 같습니다.

 

a) 태양계

태양을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 소행성계, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등등이 서로 영향을 주고 받아가면서 태양계라는 전체를 이루고 있습니다.

 

b) 생태계

생물은 공기, 물, 햇빛 어느 하나만 없어도 살 수 없습니다. 즉 이러한 모든 요소들이 영향을 이루면서 생물이 살아가는 생태계를 이룹니다.

 

2) 지구계

그럼 이러한 예를 통해 지구계라는 것을 한번 생각해 보겠습니다. 지구를 구성하고 이 지구에 영향을 주는 요소들은 무엇이 있을까요? 다음의 5가지 요소로 나눕니다.

 

a) 지권 – 생물들이 밟고 사는 땅

주로 토양과 암석으로 이루어져 있습니다. 인간과 다른 생물이 살아가는 곳은 지구의 껍질과도 같은 지각과 그 지각 아래에 있는 지구 내부를 포함합니다. 뒤에 자세히 나오겠지만 맨틀과 외핵 내핵으로 구분합니다.

 

b) 수권 – 생물의 필수물질과 기상현상의 핵심

생명이 살아가는데 꼭 필요한 대체불가능한 물질이 바로 물입니다. 또한 대기 중으로 들어가서 기상현상의 원인이 됩니다. 물이 없으면 생명이 살아갈 수가 없습니다.

지구상의 물이 분포하는 부분으로 대다수가 해수 즉 바닷물입니다. 해수의 구성 비율은 97%이상입니다. 육지의 물은 2~3%정도 밖에 차지하지 않습니다. 그 중에서도 생물이 바로 이용할 수 있는 하천수는 0.03%정도 밖에 되진 않습니다. 다음 그림을 참조해 봅시다.

 

c) 기권 – 호흡하는데 필요한 산소와 지구 전체의 온도 유지

생명이 살아가는데 필수적인 호흡에 필수적인 산소와 지구 전체의 온도유지에 필요한 이산화 탄소가 포함되어 있는 영역입니다.

지구상의 공기는 굉장히 안전한 물질인 질소가 78% 정도를 차지하고 있고 21% 정도를 산소가 차지하고 있습니다. 그리고 나머지 아르곤이나 이산화탄소등이 나머지를 차지하고 있습니다.

 

d) 생물권 – 땅과 물과 공기중에 사는 생물들

지구상에서는 위에서 언급한 3권역에 고르게 분포하면서 살아가는 생물들이 존재합니다. 이러한 생물들도 지구를 구성하는 주된 요소입니다 하지만 지구과학에서 이 생물들에 대해서 자세히 다루지는 않습니다.

 

e) 외권 – 지구 바깥에서 지구에 영향을 주는 태양과 달 그리고 우주의 여러 현상

지구라는 행성은 태양계의 일원이자 태양계도 은하계의 일원이고 은하계도 광할한 우주의 하나의 별들의 모임일 뿐입니다. 즉 지구라는 행성은 좋든 싫든 우주 현상의 영향을 받을 수 밖에 없습니다. 이렇게 지구 바깥에서 지구에 영향을 주는 모든 요인을 외권이라고 합니다.

 

3) 지구계 구성 요소의 상호작용

 

핵심은 앞에서 언급한 지구계 구성요소들이 아주 긴밀한 연관관계를 이루고 있다는 것입니다. 즉 위에서 언급한 권역 중 하나가 큰 변화가 일어나면 다른 모든 영역에 영향을 미치게 됩니다. 이러한 부분을 지구계의 상호 작용이라고 합니다.

 

왠지 필이 오죠? 지구과학은 생물권을 제외한 나머지 권역을 하나하나 세부적으로 공부해 보는 학문입니다.  

그리고 지금 1학년 1학기 부분에서는 지권에 대해서 공부를하게 되는것이죠

1-2. 지권의 구조

그럼 우리가 딛고 사는 땅 즉 지권부터 공부해 보겠습니다. 당연히 우리가 배우는 것은 과학이니 이 땅에 대한 연구는 대체 어떤 방법으로 하는것일까요? 그 연구의 방법부터 우선 알아보겠습니다.

 

1) 탐사 및 연구방법

① 직접

a) 시추 – 아 모르겠다 직접 파보자

땅속으로 파 들어가보고 조사하는 아주 원시적인듯 하나 눈으로 확인할 수 있으니 가장 확실한 방법이긴 합니다. 하지만 지하 100m만 파고 들어가도 온도와 압력이 증가해서 사람이 버티기 힘들게 되고 안전상의 문제도 생기게 됩니다. 그래서 한계가 있습니다. 실제 막장급에 이르는 광산만 들어가도 한겨울에도 땀 뻘뻘 흘려가면서 광부들이 일한다고들 하죠

 

b) 화산 분출물 조사 – 지구가 토한 토사물을 보자

화산 활동이 일어날 때 지구 내부의 물질들이 지표로 나올경우가 있습니다. 그 물질들을 조사하면 지하의 물질을 연구할 수 있습니다. 하지만 진정한 내부물질을 나오지 않으므로 한계가 존재합니다. 사람이 토를 한다고 해서 내부 장기들을 다 알 수 없다는 점과 같습니다.

 

② 간접

c) 지진파 연구 – 파동으로 간접적으로 알아보자

자연적으로 발생한 지진이나 인공 지진으로 얻은 지진파 기록을 분석하여 지구 내부를 간접적으로 탐사하는 방법입니다. 지구내부의 층상 구조를 탐사하는데 활용이 됩니다.

 

d) 운석연구 – 지구의 구성과 비슷한 녀석을 연구하자

지금까지 이루어진 연구에 의하면 큰 폭발이후로 많은 작은 입자들이 뭉쳐서 지구와 그 태양계 행성들이 구성된 것으로 알려져 있습니다. 따라서 이보다 작은 크기긴 하지만 조그마한 소행성이나 운석의 구성 성분을 연구한다면 지구 내부 물질도 어떻게 되어 있는지 어느정도의 간접 정보는 얻을 수 있습니다.

 

e) 고온고압 실험

실험실에서 고온, 고압의 장비를 활용하여 물질이 어떻게 변화하는지 간접적으로 연구하여 지구 내부의 상태를 이해해 보려는 방법입니다. 하지만 실제 지구 내부의 온도와 압력을 구현하기에는 무리가 있습니다.

 

2) 지구 내부의 층상 구조

일단은 지진파로 인한 간접 연구의 결과로 밝혀진 지구 내부의 층상 구조는 다음과 같습니다.

 

① 지각 – 가장 바깥쪽의 지구의 겉껍질

위치는 지표면에서 모호로비치치 불연속면까지의 구간에 해당하며 다양한 암석으로 구성된 고체상태의 땅입니다.

 

a) 모호로비치치 불연속면(모호면) 

지각과 맨틀의 경계면으로서 암석의 밀도가 급격히 변하고 지진파의 전파 속도가 빨라지는 곳입니다.

 

b) 지각의 종류

- 대륙 지각 : 대륙을 이루는 지각입니다. 화강암질 암석으로 주로 구성이 되어 있고, 높이 솟아 있는 곳이 많은 만큼 아래로도 깊게 들어가 있어서 두께는 두껍습니다. 평균 두께는 35km이고, 밀도는 2.7g/㎤로 해양지각보다 가벼운 편입니다.

- 해양 지각 : 해양을 이루는 지각입니다. 현무암질 암석으로 주로 구성이 되어 있고 바다 밑에 있으므로 평평하게 뻗어 있습니다. 바닷물을 담아야 하므로 평균 밀도는 대륙 지각보다 큽니다. 그 크기는 평균적으로 3.0 g/㎤ 입니다.

 

c) 맨틀

모호면으로부터 지하 대략 2900km 깊이에 이르기 까지의 구간이고 고체상태의 암석으로 구성되어 있습니다. 음. 죽과 같은 상태라고 생각하면 이해하면 생각하기 쉬울것입니다. 지구 내부의 대다수를 차지합니다. 대략 부피의 80%를 차지합니다. 맨틀의 밀도는 지각들 보다 값이 큽니다. 당연한 얘기겠지만 밀도가 큰 물질들은 섞어놓으면 아래로 가라앉습니다. 당연한 얘기겠지만 지각과는 다른 암석으로 구성이 되어 있습니다. 맨틀의 밀도는 차이는 있으나 대략 3.3 g/㎤ 에서 6.0 g/㎤의 값을 가집니다.

 

d) 핵

지하 2900km부터 지구 중심까지의 구간을 핵이라고 합니다. 당연히 맨틀 보다 더 깊게 있기 때문에 밀도는 더 클 것입니다. 지하 약 5100km 깊이에서는 지진파의 변화가 나타납니다. 따라서 이 구간을 기준으로 외핵과 내핵으로 구분합니다.

-외핵 : 지하 2900~5100km 까지의 구간으로 액체로 추정합니다.

-내핵 : 지하 5100에서 중심까지의 구간으로 고체로 추정합니다.

 

당연히 지진파로 인한 간접 연구이므로 추정을 할 수 밖에 없습니다. 근데 왜 외핵은 액체인데 내핵은 고체일까요? 일반적으로 온도가 높으면 쇠도 쇳물로 만들어 버립니다만 하지만 엄청난 무게가 핵에 작용하고 있습니다. 따라서 압력이 우리가 상상하는 이상으로 높습니다. 그래서 액체 상태로 있지 못하고 고체상태로 존재하는 것이지요 쉽게 생각해서 액체를 엄청난 압력으로 누르고 눌러서 액체가 되지 못하게 해 버리는 상태란 뜻입니다.

 

- 추가 심화

아마 윗부분까지 까지 읽으신 분들이면 대체 지진파가 어떻기에?? 지구 내부를 조사한다는 것이지?? 라고 생각하시기 쉽습니다. 후에 다시 배울 내용이지만 살짝 맛만 보도록 하겠습니다.

 

1. 지진과 지진파

1) 지진

지진은 지구 내부에서 지각이 끊어지거나 화산이 폭발할 때 등의 충격으로 지표면에 흔들림이 전달되는 현상입니다. 그 충격은 파동의 형태로 전달이 됩니다. 그 파동을 지진파라고 합니다. 그 파동은 세가지 종류가 있습니다.

a) P파 – 가장 속도가 빠르고 고체, 액체, 기체를 모두 통과하는 성질을 가집니다. 이동방향과 진동방향이 같은 종파라고 합니다.

b) S파 – P파 다음으로 도착하는 파형이고 고체만 통과합니다. 이동방향과 진동방향이 수직인 횡파입니다.

c) L파 – S파 다음으로 표면을 흐르는 방향성이 없는 파동입니다. 가장 큰 피해를 끼치는 파동입니다. 표면파라고도 하며 리만파형과 레일리 파형으로 구분됩니다. 

다음 사진은 구글 이미지에서 찾은 사진입니다. 맨위가 P파이고 중간이 S파 아래가 표면을 따라 큰 피해를 주는 L파를 나타는 것입니다.

 

2) 지구내부를 관통하는 지진파

이러한 지진파의 성질을 이용해서 지구에서 발생한 지진파를 조사해 본 결과 지구가 균일한 물질로 이루어져 있다면 어디나 P파와 S파가 관측이 되어야 하나, S파가 도달하지 않은 영역이 존재하며 P파의 속도가 변화하는 구간이 존재하는 것을 보아 지구 내부가 여러 물질로 층층이 구성된 구체라는 점을 알 수 있습니다.

 

3) 지구 내부의 불연속면

또한 P파의 속도가 급격히 바뀌는 경계면이 세군데 있습니다. 이를 기준으로 지각과 맨틀, 맨틀과 외핵, 외핵과 내핵을 구분하는 경계면으로 삼습니다.

 

a) 모호면 – 지각과 맨틀의 경계면으로 P파와 S파의 속도가 크게 증가하는 구간입니다.

b) 구텐베르크 면 – 맨틀과 외핵의 경계면으로 P파의 속도가 크게 감소하고 S파가 전달되지 못하는 면입니다. 따라서 S파가 통과하지 못하는 이유를 외핵이 액체로 이루어졌기 때문입니다.

c) 레만면 – 깊이 약 5100km에서 P파의 속도가 다시 크게 증가합니다. 이를 기준으로 핵을 외핵과 내핵으로 구분합니다. 다시 속도가 크게 증가하는 이유는 내핵이 고체이기 때문입니다.