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지진, 화산폭발, 온천 등의 현상을 보면서 지구 내부가 수천℃로 뜨겁다는 것을 알고 있다. 지구 중심부에 열이 발생하는 이유는 무엇인가? 지구 탄생 초기부터 뜨거웠을까? 그곳의 고온은 언제까지 계속될 것인가? 지구 내부가 완전히 식어버리면 어떤 현상이 일어날까?
지구는 우주의 패러다이스 – 10
인간이 가장 살기 좋은 행성이 지구이다. 그러나 사람들은 지구에 대한 고마움이나 지구의 상황을 잘 모르고 산다. 생명의 파라다이스인 지구를 소개하는 시리즈–10이다.
현재로서는 어떤 관측장비도 지구 중심부에 접근할 수 없다. 그러므로 과학자들은 지진파와 지구 자기장을 조사하여 내부의 상태를 추정한다. ‘내핵’이라 불리는 지구 중심부의 직경은 약 1,220km(지구 직경의 5분의 1)이고, 온도는 태양 표면과 비슷한 약 5,400℃이며, 주성분은 철과 니켈의 합금이다.
내핵은 고체 상태이고 외핵은 액체 상태이다. 큰 지진이 발생했을 때, 지진파를 측정하면 각 층에서 반사하는 상태가 달라진다. 이런 차이가 지구 내부의 깊이를 측정하고 구조를 짐작하는 단서가 된다.
내핵을 구성하는 물질은 고온 조건에 있지만, 수백만 기압이라는 초고압 중력이 작용하기 때문에 고체 상태로 존재한다. 하지만 내핵 바깥의 외핵 부분은 압력이 다소 낮아져 액체 상태가 되어 있다. 외핵의 두께는 약 2,270km이므로 내핵과 외핵 전체의 직경은 약 3,500km이다.
지구 내부 구조와 각 부분의 온도를 나타낸다. 1은 대륙의 지각, 2는 해양의 지각, 3은 맨틀 상층, 4는 맨틀 하층, 5는 외핵이며, 붉게 그려진 6은 내핵을 나타낸다. 각 부분의 두께는 km로 나타내고 있다. 아래의 A,B,C는 각 부분의 온도(℃)이다.
내핵 물질은 왜 고체 상태일까?
과학자들의 추정에 의하면, 내핵에는 약 3,300,000-3,600,000기압의 초고압이 작용하며, 이곳의 물질은 1리터의 무게가 약 13kg(지구 표면이라면 1리터 무게는 약 3.4kg)이라고 한다.
일반적으로 고체 상태의 철이 액체로 되는 온도(녹는 점)는 1,535℃인데, 이것은 1기압 조건일 때이다. 그러나 기압이 높아지면 모든 물질의 녹는 점은 극적으로 높아진다. 지구 내핵의 압력은 3,300,000 기압을 넘기 때문에 이곳의 철은 6,000℃가 넘어야 액체로 된다. 그러므로 내핵의 철과 니켈 화합물은 고온 조건이지만 고체로 존재한다.
앞 시리즈에서 지자기의 중요성을 수차례 설명했다. 지구의 내핵은 고체 상태이므로 이곳에서는 철의 대류가 일어나지 않는다. 그러나 외핵의 철은 액체 상태이므로 이곳에서는 철과 니켈의 왕성한 흐름이 발생하여 강력한 지자기를 형성하게 된다. mantle: 맨틀, inner core: 내핵, outer core: 외핵, 나선형은 대류, 화살표는 지자기 방향을 나타낸다.
내핵을 고온으로 만드는 3가지 이유
내핵이 왜 5,400℃나 되는 고온을 유지하고 있는지 그 이유는 지금까지 정확하게 밝히지 못하고 있다. 그러나 과학자들은 다음 3가지 이유를 이론적으로 설명하고 있다.
1. 지구가 탄생했을 때의 뜨거운 열이 지금까지 완전히 식지 않았다.
2. 내핵을 구성하는 물질들이 고압의 영향으로 서로 심하게 마찰하여 열이 생긴다.
3. 핵에 포함된 4가지 방사성물질(U235, U238, Th232, K40)의 핵이 붕괴되면서 열이 발생한다. 내핵이 가진 열의 50%는 방사성물질의 핵붕괴에 의해 발생한다. 내핵을 구성하는 물질은 대부분 철이고, 여기에 10% 정도의 니켈과 2-3%의 방사성물질과 기타 물질이 포함되어 있다.
지구 내부가 고온이 아니라면?
내핵과 외핵의 고열 때문에 지구 표면에서는 화산 활동과 지진이 발생하여 큰 피해를 주기도 한다. 그러나 지구 내부가 뜨겁지 않다면, 외핵에 포함된 액체 상태의 철이 대류 현상을 일으키지 않기 때문에 지자기가 형성되지 않는다. 지자기가 없으면 우주로부터 오는 강력한 우주 방사선이 지구 표면까지 침투하여 인간을 비롯하여 지상의 동식물 생존을 불가능하게 할 것이다. 또한 내부의 지열이 없으면 지구는 지금보다 훨씬 추운 혹한의 행성이 될 것이다.
지구의 내부 온도는 차츰 냉각되고 있지 않을까? 과학자들의 설명에 의하면, 지구 중심부의 온도가 내려가고 있지만, 냉각 정도는 10억 년마다 약 100℃ 정도 낮아질 것이라고 한다. 그러므로 지구의 내핵 온도가 지금보다 500℃ 내려가려면 50억 년이 걸리는 샘이다. 지구는 어디를 보더라도 인류가 지극히 사랑해야 할 참으로 훌륭한 패러다이스라는 생각을 하게 된다. - YS
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