마그마 바다와 지구의 층 나누기— 지진파로 확인한 핵·맨틀·지각

원시 지구에는 넓은 마그마 바다가 있었다THE MAGMA OCEAN

지금 지구는 층이 뚜렷합니다. 그런데 처음부터 그랬던 것은 아닙니다. 지구의 재료가 모이는 동안 가열과 물질 분리가 함께 진행되었습니다. 재료 천체 가운데에는 이미 분화를 겪은 것도 있었습니다.

지구의 일부 또는 넓은 영역을 녹인 열원과 과정은 다음과 같습니다.

1. 충돌 미행성이 끊임없이 부딪혔습니다. 부딪힐 때마다 운동에너지가 열로 바뀝니다. 특히 달을 만든 거대 충돌(004)은 지구 표면을 통째로 녹일 만한 사건이었습니다.
2. 방사성 붕괴 지금보다 방사성 원소가 훨씬 많았습니다. 특히 반감기가 짧은 핵종이 초기에 몰아서 열을 냈습니다. 초기부터 있던 짧은 반감기의 핵종은 시간이 지나며 대부분 붕괴했습니다.
3. 압축 물질이 중심으로 몰리면 눌리면서 데워집니다.

그 결과 표면에서 상당한 깊이까지 녹은 마그마 바다가 생겼습니다.

무거운 것은 가라앉는다THE IRON SINKS

여기서 결정적인 일이 일어납니다. 물질이 이동할 수 있으면 밀도 차이가 분리를 돕습니다.

섞여 있던 물질이 액체가 되자 무거운 것은 아래로, 가벼운 것은 위로 움직일 수 있게 됐습니다. 용융은 이러한 분리를 촉진하지만, 지구 전체가 동시에 완전히 녹아야만 모든 분리가 가능했던 것은 아닙니다.

• 철과 니켈 — 무겁습니다. 마그마 바다를 뚫고 중심으로 가라앉아 핵이 됐습니다.
• 규산염(규소·산소와 금속의 결합) — 가볍습니다. 위에 떠서 맨틀이 됐고, 이후 규산염의 부분 용융과 결정화 등의 과정이 지각의 형성에도 기여했습니다.

이 과정을 분화라고 합니다.

분화는 지구만의 일이 아닙니다. 달·화성·수성도 모두 겪었습니다. 한편 충분한 가열과 분화를 겪지 않은 물질도 남았습니다. 작은 천체도 형성 시기와 방사성 열원에 따라 분화할 수 있으므로 크기만으로 분화 여부를 정하지 않습니다. 지구의 나이를 잰 그 운석들(001)이 바로 그런 원시 물질입니다.

그래서 지금 지구는 이렇게 생겼다THE LAYERS

내핵의 온도는 약 5,400℃로 추정됩니다. 태양 표면과 비슷한 온도입니다.

아무도 못 가 봤는데 어떻게 아나HOW WE KNOW

인류가 뚫은 가장 깊은 구멍은 러시아의 콜라 초심층 시추공입니다. 1989년에 12,262 m에 도달했고, 수직 시추 깊이의 대표적인 기록입니다.

지구 반지름의 0.2%입니다. 지각도 다 못 뚫었습니다.

그러니 지구 속은 파서 알아낸 것이 아닙니다. 답은 지진파입니다.

두 종류의 파, 그리고 결정적인 차이

• P파(종파) — 진행 방향으로 밀고 당깁니다. 소리와 같은 방식입니다. 고체·액체·기체를 모두 통과하고 가장 빠릅니다.
• S파(횡파) — 진행 방향과 수직으로 흔듭니다. 고체만 통과합니다. 액체는 지나가지 못합니다.

왜 S파는 액체를 못 지나갈까요? 횡파가 전달되려면 매질이 옆으로 밀렸을 때 되돌아오려는 힘이 있어야 합니다. 고체는 옆으로 밀면 버티다가 되돌아옵니다. 액체는 옆으로 밀면 그냥 흘러 버립니다. 되돌릴 힘이 없으니 파가 전달되지 않습니다.

그림자대가 답을 줬다

큰 지진이 나면 전 세계 관측소가 파를 받습니다. 그런데 어떤 위치에서는 와야 할 파가 오지 않습니다.

1. S파의 그림자 진앙에서 각거리 약 103°를 넘으면 직접 오는 S파가 아예 없습니다. S파는 액체를 못 지나가므로, 이것은 가는 길에 액체가 있다는 뜻입니다.
2. P파의 그림자 각거리 104°~140° 구간에는 직접 P파가 도착하지 않습니다. P파는 액체를 통과할 수 있지만, 성질이 다른 층에 들어가면서 크게 꺾입니다(굴절). 그 바람에 이 구간을 건너뛰고 지나가 버립니다.
3. 크기를 계산한다 그림자대가 어디서 시작해 어디서 끝나는지를 알면 역으로 핵의 크기와 깊이를 구할 수 있습니다. 그렇게 나온 값이 지표에서 약 2,900 km입니다.

지구를 자르지 않고 지구 안을 그린 것입니다. 016에서 지진의 진원 분포가 내려가는 판의 모양을 그려 준 것과 같은 방식입니다.

잉에 레만이 하나를 더 찾았다

1936년, 덴마크의 지진학자 잉에 레만이 이상한 것을 발견합니다.

P파 그림자대는 직접 P파가 도착하지 않는 구간입니다. 그런데 거기서 반사·굴절 경로를 검토해야 할 약한 신호가 잡혔습니다.

그는 이렇게 해석했습니다. 액체 핵 안쪽에 파가 더 빠르게 지나가는 무언가가 있고, 거기서 반사·굴절된 파가 그림자대까지 돌아 들어온 것이라고.

곧 액체 외핵 안에 고체 내핵이 따로 있다는 뜻이었습니다. 이후 관측과 모형이 정교해졌으며, 오늘날 내핵 반지름은 약 1,221 km로 설명합니다.

같은 지구를 두 가지로 자를 수 있다TWO WAYS TO SLICE

여기서 자주 헷갈리는 지점을 정리하겠습니다.

위의 표는 화학 조성으로 나눈 것입니다 — 규산염이냐 철이냐. 그런데 016에서 "판은 지각이 아니라 암석권"이라고 했습니다. 그때 쓴 구분은 단단한 정도로 나눈 것입니다.

암석권은 지각 + 상부 맨틀의 딱딱한 부분입니다. 즉 두 구분의 경계선이 같은 자리에 있지 않습니다.

지구가 무엇으로 되어 있는지를 물으면 앞의 구분을, 지구가 어떻게 움직이는지를 물으면 뒤의 구분을 씁니다. 하나의 대상을 질문에 따라 다르게 자르는 것은 과학에서 흔한 일입니다.

교육과정 연계CURRICULUM

심화 & 사고력 포인트GOING DEEPER

교과서를 넘어서는 지점

• 교과서는 지구의 층 구조를 결과로만 보여 줍니다. 여기서는 그 층이 언제 어떻게 생겼는지를 다룹니다.
• 철 재앙 — 분화가 스스로를 가속하는 되먹임이었다는 점.
• S파가 액체를 못 지나가는 이유 — "전단 탄성이 없어서"를 되돌릴 힘의 유무로 풀어 설명합니다.
• 내핵이 더 뜨거운데 고체인 이유 — 압력이 녹는점을 올린다는 것. 017의 감압 용융과 짝을 이룹니다.
• 화학적 구분과 역학적 구분 — 경계선이 서로 다르다는 것. 시험에서 자주 틀립니다.

이 회차가 길러 주는 사고력

• 간접 측정 — 갈 수 없는 곳을 파동으로 재구성하기
• 없음을 읽기 — 신호가 도착하지 않는 영역에서 정보를 뽑아내기
• 잡음과 신호의 구분 — 설명되지 않는 작은 값을 어떻게 다룰 것인가
• 분류 기준의 상대성 — 질문이 달라지면 자르는 방식도 달라진다

관련 영상VIDEO

117.53초 · 대성 Pro 한국어 음성 · 자막 포함. 이미지 6종은 자체 생성한 과학 재구성이며 실제 내부 촬영·관측소 사진이 아닙니다. 단면은 비축척 설명용입니다. 장면 3·5·7의 개념도는 직접 제작한 설명용 모형입니다. 음성: NAVER CLOVA Dubbing. 배경음악 없음.

생각해보기THINK ABOUT IT

정리 퀴즈QUIZ

참고 자료REFERENCES

• Kola 시추공 암석 연구 — 도달 깊이 12.262km의 연구 자료
• NASA Science — 지구 기본 정보 (적도 지름 12,756km, 지각 평균 약 30km, 맨틀 약 2,900km, 외핵 약 2,300km, 내핵 반지름 약 1,221km, 내핵 약 5,400℃)
• USGS — 지진파 그림자대 (P파 그림자대 각거리 104°~140°, S파는 액체 핵에서 완전히 멈추고 P파는 굴절)
• Scientific American — 세계에서 가장 깊은 구멍은 얼마나 깊은가 (콜라 초심층 시추공 12,262m, 1989년)
• AMNH — 레만의 내핵 발견과 지진파 해석
• Rubie 등 — Mechanisms and Geochemical Models of Core Formation (핵 형성의 기작과 모형)
• Rubie 등 — 다단계 행성 성장과 핵·맨틀 분화 모형
• USGS — 현재 맨틀의 고체 상태와 부분 용융
• 고압에서 철의 녹는점 변화와 내핵이 고체인 이유에 관한 고압물리 문헌

이 글은 위 자료들을 확인해 직접 작성한 것입니다. 특정 저작물의 문장을 옮기거나 요약하지 않았습니다. 링크가 걸린 항목은 작성 시점에 접속을 확인한 자료입니다. 사실 관계에 오류가 있다면 알려주세요.

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004 · 명왕누대·시생누대 달은 어떻게 생겼나 — 테이아 충돌설과 그 증거 001 · 명왕누대·시생누대 지구의 나이는 46억 년 — 그걸 어떻게 알아냈나 016 · 명왕누대·시생누대 판구조 운동은 언제 시작됐나 — 판 경계 세 종류와 지진

명왕누대·시생누대 시대는 현재 5편 공개돼 있습니다.