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지구 101 명왕누대·시생누대

지구의 나이는 46억 년

— 그걸 어떻게 알아냈나

지구의 나이는 지구 암석으로 잰 것이 아니다. 운석에 담긴 납 동위원소가 답을 줬다. 한 청년의 측정이 지구의 나이를 확정하고, 덤으로 세상에서 납을 몰아낸 이야기.

101 · 지구 101LESSON 001

지구 101 001

오늘의 질문

지구에서 가장 오래된 암석은 약 40억 년입니다. 그런데 우리는 지구가 45억 년이라고 말합니다. 지구에 없는 5억 년은 어디서 온 숫자일까요?

오늘의 수업

오늘의 학습 목표

간접 측정 설계 — 직접 잴 수 없는 것을 재는 우회로 찾기

전제 점검 — 답이 틀렸을 때 계산이 아니라 가정을 의심하기

측정 신뢰성 — 오차·오염·교차 검증의 의미

연구의 파급 — 기초 연구가 예상 밖의 곳에 닿는 경로

지구의 나이는 46억 년 — 그걸 어떻게 알아냈나

숫자로 보는 오늘

45억 4천만

년 현재 확정된 지구 나이

±5천만 년

오차 범위 (약 1%)

1953년

이 값이 확정된 해

44.7억 년

우라늄-238의 반감기

1. EARTH ERASES ITS OWN RECORD

암석이 기억을 지운다

지구는 자기 나이의 증거를 스스로 없앱니다.

가장 오래된 암석 — 캐나다 아카스타 편마암, 약 40억 년
가장 오래된 광물 알갱이 — 호주 잭힐스의 저어콘, 약 44억 년 (009에서 다룹니다)

2. HOW THE CLOCK WORKS

방사성 시계가 작동하는 원리

불안정한 원자핵은 일정한 확률로 스스로 붕괴해 다른 원소가 됩니다. 이 속도는 온도·압력·화학 반응에 영향받지 않습니다. 그래서 시계가 됩니다.

반감기 처음 양의 절반이 남는 데 걸리는 시간입니다. 우라늄-238이 납-206이 되는 데 44.7억 년, 우라늄-235가 납-207이 되는 데 7.04억 년이 걸립니다.
남은 양과 생긴 양을 잰다 암석 속 우라늄과 납의 비를 측정합니다. 납이 많이 쌓였을수록 오래된 것입니다.
두 시계를 동시에 쓴다 여기가 핵심입니다. 속도가 다른 두 개의 시계가 같은 답을 가리키면 그 값을 믿을 수 있습니다. 하나만 쓰면 초기 조건을 잘못 가정했을 때 알아챌 방법이 없습니다.
등시선 여러 시료를 함께 재서 그래프에 찍으면 직선이 나옵니다. 그 기울기가 나이입니다. 처음에 납이 얼마나 있었는지 몰라도 풀립니다.

3. WHY KELVIN WAS WRONG

켈빈 경이 틀린 이유

19세기 최고의 물리학자였던 켈빈 경은 지구의 나이를 계산했습니다. 방법은 합리적이었습니다 — 처음에 녹아 있던 지구가 지금 온도까지 식는 데 걸리는 시간을 구한 것입니다.

4. THE MAN WHO CHASED LEAD

납을 쫓다가 세상을 바꾼 사람

1948년, 대학원생 클레어 패터슨이 운석의 납 동위원소를 측정하는 일을 맡습니다. 간단할 줄 알았던 이 과제는 그의 인생을 통째로 바꿉니다.

지구 101 001

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확인 문제 1 / 6

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지구의 나이를 지구 암석이 아니라 운석으로 측정한 이유는?

①지구 암석에는 우라늄이 없기 때문
②판구조 운동으로 초기 지각이 재순환되어 남아 있지 않기 때문
③운석이 지구보다 오래됐기 때문
④지구 암석은 방사성 붕괴가 일어나지 않기 때문

정답 ② — 지구는 자기 나이의 증거를 스스로 지웁니다. 운석은 지질 활동이 없어 태양계 형성 당시 상태를 그대로 보존하고 있습니다.

확인 문제 2 / 6

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우라늄-납 연대측정에서 두 개의 붕괴 계열(U-238→Pb-206, U-235→Pb-207)을 함께 쓰는 이유는?

①측정 시간을 줄이기 위해
②속도가 다른 두 시계가 같은 답을 주는지 교차 검증하기 위해
③우라늄이 두 종류뿐이기 때문
④납의 양이 부족하기 때문

정답 ② — 하나만 쓰면 초기 조건을 잘못 가정해도 알아챌 수 없습니다. 반감기가 크게 다른 두 시계가 일치하면 그 값을 신뢰할 근거가 됩니다.

확인 문제 3 / 6

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켈빈 경의 지구 나이 계산이 실제보다 훨씬 짧게 나온 이유는?

①계산에 산술 오류가 있었기 때문
②지구 내부의 방사성 붕괴열을 몰랐기 때문
③지구의 크기를 잘못 알았기 때문
④태양의 나이를 기준으로 삼았기 때문

정답 ② — 그는 지구가 식기만 한다고 가정했지만, 내부에서는 방사성 붕괴가 계속 열을 공급하고 있었습니다. 방사능은 1896년에야 발견됩니다.

확인 문제 4 / 6

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납-206과 납-207의 '비율'을 재는 방식이 유리한 이유는?

①납이 우라늄보다 흔하기 때문
②둘 다 납이라 화학적으로 같이 움직여, 우라늄이 빠져나가도 비율이 유지되기 때문
③납은 방사성이 아니기 때문
④측정 장비가 납에만 반응하기 때문

정답 ② — 우라늄은 물에 녹아 씻겨 나갈 수 있어 시계가 어긋납니다. 같은 원소의 동위원소비는 그런 이동에 영향받지 않습니다.

확인 문제 5 / 6

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클레어 패터슨이 측정값의 불일치를 추적한 끝에 발견한 것은?

①운석이 위조품이었다
②실험실과 대기 자체가 납으로 오염돼 있었다
③우라늄의 반감기가 잘못 알려져 있었다
④운석마다 나이가 완전히 달랐다

정답 ② — 그는 시료가 아니라 환경을 의심했고, 초청정 실험실을 만들어 정확한 값을 얻었습니다. 이 발견은 훗날 유연휘발유 규제로 이어집니다.

확인 문제 6 / 6

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현재 확정된 지구의 나이와 오차로 옳은 것은?

①약 45억 4천만 년, 오차 약 1%
②약 40억 년, 오차 약 10%
③약 44억 년, 오차 약 5%
④약 50억 년, 오차 약 2%

정답 ① — 1953년 패터슨의 값에서 거의 변하지 않았습니다. 5천만 년이라는 오차는 절대값으로는 크지만 45억 년에 대해서는 약 1%에 불과합니다.

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오늘의 정리 — 생각해보기

켈빈은 계산을 정확히 하고도 틀렸습니다. 그의 실패에서 배울 점은 무엇일까요? 오늘날 우리가 하는 계산 중에도 "아직 발견되지 않은 무언가"가 빠져 있을 수 있다면, 그 가능성을 어떻게 다뤄야 할까요?

패터슨은 측정값이 자꾸 달라지자 시료가 아니라 실험실을 의심했습니다. 보통은 "실험을 잘못했나" 하고 다시 하기 마련입니다. 그가 다른 결론에 도달할 수 있었던 이유는 무엇이었을까요?

지구 나이 45억 4천만 년의 오차는 약 5천만 년입니다. 숫자만 보면 엄청나게 큰 오차 같습니다. 그런데 왜 과학자들은 이 값을 정밀하다고 할까요? 상대 오차를 직접 계산해 보고 판단해 보세요.

과제 · 활동지를 풀고 서술형 문항에 자기 생각을 정리해 오기 웹 레슨 · https://101scenes.com/ko/earth/001-age-of-earth/