태양계 - 지구

  행성 중에서 우리가 가장 많은 정보를 가지고 있는 것은 물론 지구이다. 우리는 지구의 대기, 해양, 그리고 지질학적인 활동을 상세하게 조사해 왔다. 우리는 지구상의 광범위한 생물을 미생물부터 거대한 식물과 동물에 이르기까지 자세하게 조사하였으며 현재와 같이 지구상의 생물다양성을 이룬 진화 과정을 연구해 왔다. 또한 우리는 이전의 연구에서 얻은 정보를 바탕으로 후속 실험을 통하여 지식을 넓힐 수 있었다. 그러므로 현재 태양계의 다른 천체에 대한 연구에 비하여 우리 지구를 연구하는 일은 훨씬 더 그 기반이 확고하여 활성화되어 있다. 

 

• 지구의 대기

  지구 역사는 초기부터 물이 대부분 응축되어 바다가 되었다. 그러나 금성과 달리 지구는 태양에서 조금 더 먼 거리에 있으므로 물의 대부분이 증발할 정도로 온도가 높아지지 않았다. 그 대신 대기 중의 이산화탄소는 물에 용해되어 화학적인 결합을 거쳐 석회암 등의 탄산염암이 되었다. 현재 암석 속에 갇혀 있는 이산화탄소가 모두 대기 중으로 방출된다면 그 양은 현재 금성의 대기에 있는 것과 비슷할 것이다.

  그러나 초기 태양계에서 태양의 광도는 보다 훨씬 낮았다는 것을 고려할 필요가 있다. 이것은 과거에 지구의 표면온도가 지금보다 더 낮았을 것이며, 지표의 물은 20억 년 전까지도 얼음의 형태로 존재하였다는 것을 의미한다. 그러나 화석기록을 포함하여 지질학적인 증거를 보면 지구의 바다는 38억 년 전부터 액체 상태였던 것으로 보인다. 이 문제는 '희미한 고대 태양 역설'이라 부르는 것이다. 이 역설의 핻바은 온실효과에 대한 자세한 연구와 현재와는 달랐던 대기 성분 조성에서 찾을 수 있을 것이다.

  현재 지구의 대기는 78%의 질소 분자, 21%의 산소 분자, 1%의 물 분자, 그리고 미량의 아르곤, 이산화탄소 등으로 조성되어 있다. 이러한 조성을 가지게 된 원인 중 일부는 지구상의 생물 때문이다. 예를 들어 식물은 광합성 작용에서 이산화탄소를 산소로 바꾼다. 

 

• 온실효과와 지구온난화

  산업화에 따라 이산화탄소와 여타 온실가스가 인위적으로 지구 대기에 방됨에 따라 그 영향에 지대한 관심이 집중되고 있다. 이 문제는 아마존 열대우림과 같이 이산화탄소를 순환시키는 광대한 면적의 식생이 파괴됨으로 인하여 더욱 가중되고 있다. 그 뿐만 아니라 흔히 이용되고 있는 벌채-소각 방법에 의한 열대우림의 벌목으로 막대한 양의 이산화탄소가 대기 중으로 방출되고 다.

  온실 효과의 비선형적인 움직과 관련되는 물리학, 화학, 기상학 등의 복잡성으로 인하여 정확한 컴퓨터 모델의 개발이 지연되고 있다. 그러나 이러한 모델의 예측력은 앚기 미흡하지만, 온실가스의 기본적인 영향은 파악되고 있다. 금성에 관한 검토에서 보았듯이, 대기 중의 온실가스는 대기의 평균 온도를 높인다. 문제는 온도를 얼마나 많이, 얼마나 빠르게 높이는가 하는 점이다.

  1970년부터 평균 온도가 지속적으로 상승하고 있다는 점은 분명하다. 이러한 상승 경향이 장기간에 걸친 지속적인 상승이 시작되고 있음을 의미하는 것인지 또는 비교적 단기간의 변화인지 이에 대해 논란이 계속되어 왔다. 그러나 현재 상당한 수준의 상승 경향이 지속되고 있다는 사실은 분명하다. 실제로 20세기에 가장 더웠던 10년 중 7년은 1990년대에 속해 있다. 

  지구온난화 효과와 함께 지구 전체에서 빙하가 감소고 있다는 증거가 있다. 그 뿐만 아니라 1970년 이후 북극의 빙관이 크게 얇아졌으며 대양의 수면이 높아지고 있다. 인위적인 원인에 의하여 지구온난화가 진행되고 있다는 또 다른 증거로서 1960년대 이후 해수면 평균 온도가 약 0.5도 상승하였으며 수심 수백 미터 깊이까지 온도가 상승하고 있다. 대기의 ㅊ과 열량 중에서 약 84%는 최종적으로 바다에 흡수되므로 이와 같은 온도 상승은 중대한 의미가 있는 것이다. 또한 해수의 온도 상승은 온실가스 배출 증가의 영향을 고려한 지구 기후 변화의 컴퓨터 모델과도 일치하고 있다. 인간의 활동이 환경에 미치는 다른 문제로는 염화불화탄소의 대기 방출이 있다. 염화불화탄소 분자는 북극과 남극의 대기 상층부로 상승하여 오존을 파괴한다. 오존은 자외선을 흡수하는 중요한 물질로서 지구상의 생물을 자외선으로부터 보호해준다.

  인간의 활동이 지구 환경에 미치는 영향의 정도를 파악하기 위해서 더 많은 연구가 필요하다. 그러나 불행하게도 정확한 예측이 가능하게 되는 시점에는 그 진행을 되돌리기에 너무 늦을 수도 있다.

  지구 온난화가 지구 물에 미치는 영향의 중요성을 고려하여 1992년 처음으로 세계 대부분의 국가가 참여하여 "지구 정상회담"이 개최되었다. 그 정식명칭이 유엔 환경개발회의인 이 회의의 목적은 지구 환경 문제를 논의하는 것이었다. 이 회의에서 기후변화협약이 채택되었다. 그 후 1997년 12월, 160개 이상의 국가 일본 교토에 모여 선진국의 온실가스 배출 규제 문제를 협의하였다. 많은 논쟁과 절을 거쳐 온실가스 배출 등에 대한 결론이 났다. 여기서 채택된 교토의정서는 157개 국가의 비준을 받아 2005년 2월 16일부터 발효되었다. 그러나 교토의정서가 발효되던 시점에 세계에서 가장 많은 온실가스를 배출하고 있던 국가인 미국은 국내 경제에 미치는 영향을 이유로 그 협약을 비준하지 않았다.

 

• 지진학과 지구의 내부

  지진 때 발생하는 지진파를 분석하면 지구 내부의 구조를 추정할 수 있다. 지진이 발생하면 두 종류의 파동이 발생하는데, P파는 액체와 고체를 통과할 수 있는 종파이며, S파는 횡파로서 고체만 통과할 수 있다. P파와 S파의 소도는 그 전달 매질의 물성에 의존하므로 세계 각지에서 이 파동들을 측정하면 지구 내부의 구조를 추정할 수 있다. 예를 들어 P파만 측정되는 지역에서 S파가 측정되지 않는다면 지진파의 전달 경로에 액체가 있다는 것을 의미한다. 또한 경계면에서 발생하는 굴절에 의하여 두 가지 파동 모두 측정되지 않는 암영대가 생기게 된다. 따라서 P파와 S파의 관측 데이터로 지질학자는 행성 내부의 지도를 만들 수 있는 것이다. 이렇게 작성된 지도는 지표 지각의 깊이에 대한 정보를 제공하며 고체 내핵, 용융 상태의 외핵, 그리고 두꺼운 맨틀의 존재를 알려줄 수 있다.

  외핵 영역에서 P파의 움직임을 보면 외핵의 주성분은 철과 니켈임을 알 수 있다. 이것은 지구의 평균 밀도가 5515kg/m3로서 지표 암석의 밀도와 물의 밀도보다 높다는 사실과 일치한다. 외핵이 액체 상태인 것은 그 높은 온도와 조성 물질의 특성 때문이다. 내핵이 다시 고체 상태가 되는 이유는 극단적으로 높은 압력 때문이다.

 

• 판구조론

  화산이 있다는 것은 지구, 금성, 화성의 공통적인 특성이지만, 지구의 현재와 같은 지각변동 활동은 지구형 행성 중에서 고유한 특성으로 보인다. 이러한 활동은 지구 내부의 동적인 특성에 의한 것이다. 지구 표면의 암석권은 대양과 육지의 지각 및 맨틀의 외부를 포함하고 있다. 이 암석권은 지각판으로 구성되어 있으며, 맨틀의 일부를 이루고 대류작용을 하는 암류권 위에 있다. 지각판들은 대륙을 싣고 지구 표면을 움직이며 서로 충돌하거나 마찰을 일으킨다. 이와 같은 움직임에 의하여 대서양은 남북 방향으로 뻗어 있는 해저산맥을 중심으로 매년 약 3cm씩 넓어지고 있다. 이 중앙대서양해령은 대륙의 틈새가 벌어짐에 따라 지구 내부의 물질이 상승하여 새로운 해저를 형성하고 있는 위치에 있다.

  지각판의 이동을 과거로 외삽 추정하여, 지질학자들은 옛날에 판게아라는 하나의 거대한 대륙이 있었으며, 판게아는 약 2억년 전에 로라시아와 곤드와나라는 두 개의 큰 대륙으로 갈려졌다고 믿고 있다. 곤드와나는 다시 남아메리카와 아프리카로 나누어졌으며 로라시아는 유라시아와 북아메리카로 나누어졌다.

  지구 판의 경계면에는 보통 화산 활동과 조산 운동이 활발하며 지진이 자주 발생한다. 예를 들어 두 개의 지각판이 서로 충돌하면 가벼운 대륙의 지각이 무거운 해양 지각 위로 올라오게 되며 섭입대가 생긴다. 일본 연안을 따라 이와 같은 섭입대가 위치하고 있으며, 해양지각이 지구 내부로 들어가면서 그 마찰에 의하여 발생하는 열로 화산섬이 생기고 있는 지역이다. 또한 섭입대에는 깊은 해구도 형성된다. 대륙 지각을 가지는 두 개의 지각판이 충돌하면 서로 겹지 못하므로 습곡이 발생하여 히말라야와 같은 산맥이 만들어지게 된다.

 

• 내부 열의 원천

  이러한 모든 움직임은 그 원동력이 되는 에너지가 필요하다. 지구 내부의 에너지원이 거의 46억년 전 형성기에서 남은 열이라면 판구조론에 의한 활동은 이미 오래 전에 완료되었을 것이다. 그러므로 지구의 에너지 수지를 맞추기 위해서는 다른 에너지원이 필하다. 그 중 하나로 지구 자전 운동에너지로 인한 조석력 소산, 중력에 의한 분리, 그리고 불안정한 동위원소의 지속적인 방사성 붕괴 등을 생각할 수 있다. 이러한 에너지로 지구 내부는 어떠한 형태로도 변할 수 있는 유연성을 가져, 거대하면서 완만한 운동을 하는 대류 세포가 지각판을 움직인다.

 

• 변화하는 지구의 자기장

  지구의 외핵은 철, 니켈이 녹은 용융 상태이고, 지구가 비교적 빠른 자전을 하므로 이것은 지구 내부가 발전기 역할을 한다고 생각할 수 있다. 이러한 가정은 지구에 자기장이 있다는 관측 결과와 일치한다. 지구 자기장은 태양풍의 이온 입자와 다른 이온화된 우주선으로부터 지구를 보호해 준다. 이러한 입자들은 자기장에 의하여 지면에 충돌하지 못하고 쌍극자 자기장 내에 갇혀서 남극과 북극 사이를 왕복하게 된다. 입자가 갇혀 있는 세 개의 영역이 발견되었으며 이들을 밴 앨런 복사대라 한다. 가장 안쪽에 있는 복사대는 양성자로 구성되어 있으며 지구 표면에서 고도 약 400km에 있다. 둘째 복사대는 이 첫째 복사대와 약간 겹쳐 있으며 원래는 성간물질의 일부였던 원자핵으로 구성되어 있다. 가장 바깥에 있는 복사대는 전자로 구성되어 있으며 고도는 약 16,000km이다. 밴 앨런 복사대 내에 있는 입자들은 에너지가 높아서 극지방에서 지구 대기로 진입하여 상층부에 있는 원자 및 분자와 충돌하여 충돌에 의한 들뜸, 이온화 및 해리된다. 이 원자들과 분자들이 재결합될 때 또는 전자가 낮은 에너지 준위로 내려올 때 빛이 방출되며 이 빛을 북극광 및 남극광이라 한다.

  흥미로운 것은 지질학적 증거에 의하면 지구 자기장은 대략 105년의 불규칙한 주기로 약해졌다가, 극성이 반전되었다가, 다시 복구된다는 사실이다. 이것은 자기 광물질이 용융된 암석에 포획되어 식어 있는 암석에서 그 자기장의 방향을 관측하면 알 수 있다. 예를 들어 대서양중앙해령 양쪽의 암석 샘플에서 이것을 측정할 수 있다.

  이 방법으로 국지적인 자기장의 화석 기록이 만들어지는 것이다. 지구 자기장의 움직임은 태양 활동 주기, 즉 태양의 자기장이 대략 11년 주기로 반전되는 것과 다르지 않다. 현재 지구 자기장은 약해지고 있는 것으로 알려져 있다.