태양계의 구성원 - 지구

지구는 태양계의 내행성으로 분류되며, 태양을 중심으로 세 번째에 위치한 행성입니다. 지구는 태양 주변을 공전하며 생명체들이 서식하는 태양계 유일의 행성으로 태양으로부터 약 1 AU (지구와 태양 사이의 평균거리) 떨어진 곳에 위치해 있습니다.

 

아폴로 17호가 촬영한 지구 (출처 : Wikipedia)

 

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목차

1. 지구의 특징

2. 지구의 구조

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1. 지구의 특징

지구의 가장 큰 특징은 대기와 물의 존재를 꼽을 수 있습니다. 이 지구의 대기와 물의 존재는 지구의 형성과정과 밀접한 관계가 있으며, 이러한 원시 대기와 바다의 형성을 바탕으로 최초의 생명체의 탄생했습니다. 이 최초의 생명체는 약 36억 년 전 탄생했으며, 오늘날까지 진화해 온 것으로 보고 있습니다.

 

• 지구의 형성

태양계가 형성되는 약 45억 년 전 지구도 그와 함께 형성되었을 것으로 추측하고 있습니다. 원시 태양계는 갓 방출하기 시작한 태양의 복사에너지에 의해 태양 가까운 부분에 존재한 휘발성 성분들이 제거되고, 규소 성분을 주로 한 암석과 철, 니켈과 같은 무거운 금속 원소만 남게 됩니다. 이런 무거운 성분들은 태양의 중력에 이끌려 그 주위를 공정하고 서로 뭉치고 합쳐져 그 크기를 점차 불려 가게 되는데, 이러한 행성 초기의 모습을 미행성(현재 행성 형성론에 따른 태양계 형성 시 존재했던 작은 천체)이라 부르며, 이 미행성들은 어느 정도의 크기와 중력을 지니고 있기에 소행성이나 성간 물질을 유인하고, 그것들을 흡수하여 성장했을 것으로 여겨지고 있습니다. 이 미행성의 크기가 커질수록 그 성장속도는 가속화되며, 지금의 행성의 모습을 갖추게 됐습니다.

 

원시 지구 또한 이와 같은 과정을 거쳤을 것이며, 소행성의 충돌로 인한 운동에너지는 열에너지로 전환되어 지구를 뜨겁게 가열했을 것입니다. 뜨겁게 가열된 지구는 그때까지 뒤섞여있던 철과 규소와 같은 성분의 분리를 일으키게 되고, 분리된 성분들은 중력에 의해 더 무거운 것은 지구의 중심부로 쏠려 내려가는 과정을 거쳐 굉장한 중력에너지가 발생하여 곧 열에너지로 방출했을 것입니다. 그 결과 지구의 외곽은 완전히 녹은 상태인 마그마 바다가 형성됐을 것입니다. 이 마그마 바다는 표면에서부터 수백 km의 깊이를 가졌을 것으로 여겨지며, 이 마그마 바다가 식으면서 현재의 지각이 형성된 것으로 많은 과학자들은 추정하고 있습니다.

 

• 원시대기와 원시바다의 형성

현재 존재하는 대기와 바다는 원시 지구 형성 시 발생됐던 마그마 바다와 깊은 연관이 있습니다. 마그마 바다로부터 방출된 기체들이 지구의 중력에 의해 묶이고, 여기에 지구가 성장하기 위해 끌어들였던 소행성과 혜성에 포함된 각종 휘발성 물질들까지 포함되면서 원시 대기가 형성됐을 것으로 보고 있습니다. 

 

마그마 바다가 서서히 식어 감에 따라 고체로 이뤄진 지각과 같은 바닥이 형성되었으며, 많은 혜성이 지구로 떨어짐에 따라 혜성에 포함된 미량의 물 성분이 지구 자체에 물이 축적되기 시작하고, 이 축적된 물 성분은 응결하여 최초의 비가 내리기 시작했을 것입니다. 이 비를 통해 원시 바다가 형성되었고, 대기와 땅에 포함된 염분들이 비를 통해 바다로 녹아들어 가 지금의 바다를 형성했을 것으로 추측하고 있습니다.

 

• 최초의 생명 탄생과 그 진화

아마 최초의 생명은 약 36억 년 전 원시 바다 해저에 열수분출공 근처에서 고에너지와 화학반응을 이용하는 특수 유기물(탄소기반의 화합물)이 생겨나 진화하면서 탄생했을 것으로 보고 있습니다. 최초의 생명 탄생 이후 광합성을 할 수 있는 생명체들이 발생했으며, 광합성을 통해 생성된 산소는 바다로 녹아들어 가 바다를 산소로 포화시키는 한편 대기 중으로 산소를 계속해서 발생시켰습니다. 이에 따라 바다에는 엄청난 양의 산화철이 만들어져 퇴적되고, 대기에는 성층권과 오존층이 형성됐습니다. 이 처럼 고등 생명체가 살아남기 적합한 환경이 점차 만들어 짐에 따라 단세포 생물에서 한층 더 복잡한 형태인 진핵 생물로 진화했습니다. 이 진핵생물들은 또 시간이 지남에 따라 다세포 생물로 진화한 것으로 여겨지고 있습니다.

 

다양한 종의 발현의 정확한 원인은 아직 밝혀지지 않았지만, 5억 4200만 년 전의 캄브리아기 대폭발(캄브리아기 시절의 다양한 종류의 동물화석이 갑작스럽게 출현한 사건) 이후로 지구상에서는 다양한 종의 발현이 이뤄졌던 것으로 보고 있습니다. 이 캄브리아기 대폭발 이후  지구에는 생물종을 거의 모두 없어지게 만드는 대량멸종 사건이 다섯 차례 있었던 것으로 확인됐습니다. 이를 통해 기존에 번성하던 생물종들 대부분이 지구상에서 사라지지만 살아남은 종들은 다시 번성하기 때문에, 이와 같은 과정이 반복되면서 생물의 진화를 견인하는데 결정적인 요인이 됐습니다. 이와 같은 대량 멸종사건은 우리가 흔히 알고 있는 공룡의 멸종도 관련돼 있습니다. 고생대의 공룡이 번성하던 시대에 전 세계에 존재하는 핵폭탄을 모두 한꺼번에 터트린 것보다 1만 배 이상 강한 위력의 운석 충돌로 인해 기존의 지구 생태계를 지배하고 있던 공룡이 모두 멸종하고, 이 사건 이후 약 6400만 년 전부터 지구상에서는 포유류가 등장하여 번성하게 됐으며, 약 200만 년 전 현재 포유류 가운데 원시인이 처음 생기고, 원시인이 진화하여 현대의 인간이 된 것으로 추정하고 있습니다.

 

 

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2. 지구의 구조

지구는 수성, 금성, 화성과 같이 대부분 암석과 금속으로 이루어져 있습니다. 지구의 내부구조는 층상 구조로 나누어 불리고 있으며, 그 화학적 구성 성분의 변화를 기준으로 구분됩니다. 그 구분되는 명칭은 다른 지구형 행성과 마찬가지로 가장 바깥쪽부터 지각, 맨틀, 핵으로 구분하고 있습니다.

 

• 핵 : 지구의 핵은 철, 니켈과 같은 금속 성분으로 주로 이루어져 있습니다. 지구 형성 초기에 밀도에 따른 중력 분화 과정에서 무거운 금속원소가 중심으로 모이면서 생긴 것으로 이와 같은 핵이 만들어진 것으로 여겨지고 있습니다. 핵은 맨틀과 그 구성 성분이 다르기 때문에 그 경계면을 뚜렷하게 확인할 수 있으며, 이 경계면을 구텐베르크면이라 부르고 있습니다. 핵은 맨틀과의 경계로부터 5100 km 지점을 경계로 외핵과 내핵으로 나뉘는데, 내핵과 외핵의 경계면은 레만면이라고 불립니다. 외핵은 액체 상태로 지구의 공전과 열역학의 영향을 받으며 대류하고 있는 것으로 여겨지고 있고, 내핵의 전도성의 유체 운동에 의해 지구의 강력한 자기장이 유지되고 있다고 보고 있습니다. 하지만 외핵 내부에 반지름 약 650 km 정도의 고체로 된 심핵이 존재한다는 연구가 있는 등 아직 지구의 내부 구조에 대한 연구와 분석은 계속되고 있습니다.

 

• 지각 : 지구의 지각은 그 두께가 암석권과 연약권을 모두 합쳐 약 200 km의 깊이를 가지고 있습니다. 이 두께는 지구 반지름에 비해 매우 얇으며, 지역에 따라 구조와 구성 성분의 변화가 다양한 특징이 있습니다. 지구의 지각은 특이하게 그 밀도에 따라 대륙지각과 해양지각으로 나뉘게 됩니다. 대륙지각은 주로 알루미늄, 나트륨, 칼륨과 같은 상대적으로 가벼운 원소로 결합한 규산염 화합물이 주성분으로 이루어진 광물로 구성된 있으며, 해양지각은 철, 마그네슘과 같이 무거운 원소를 가지는 규산염 광물화합물이 주성분인 광물로 이루어져 있습니다.

 

• 맨틀 : 지구의 지각 아래 부분은 맨틀과 지각의 경계인 깊이 약 200 km 지점에서 모호 로비치치 불연속면이라 불리는 지진파의 속도가 빨라지는 경계가 존재합니다. 지진파의 속도가 변화된다는 것은 그 물질의 물성이 서로 다르다는 것을 의미하기 때문에 그 경계면을 기준으로 지각과 맨틀로 구분되고 있습니다. 이 맨틀은 이 모호면을 기준으로 2900 km에 이르는 구역으로 현재 밝혀져있으며, 그 광범위한 구역을 차지하는 맨틀자체만 놓고 보았을 때도 위치에 따라 구성물질의 차이가 있습니다. 상부와 하부로 나뉘며 깊이 약 660 km 정도에서 그 구분경계를 나뉘고 있으며, 상부는 주로 감람석으로 구성되고 그 감람석(마그네슘-철 성분의 규산염 광물)으로 주로 이루어져 있는데,  높은 압력에 의해 다양한 산화물로 변성되어 존재합니다. 하부의 구성성분 분석은 현재까지 명확하게 알려진 바는 없지만 최근 국제해양탐사프로그램(IODP)에서는 대서양 바닥에서 지구의 맨틀 덩어리를 수집하는 데 성공하는 등 많은 연구와 발견을 위한 노력이 계속되고 있습니다. 

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