01 지구의 형성과 역장

지구의 탄생과 진화

(1) 태양계의 형성

① 성운의 형성: 우주는 약 138억 년 전의 빅뱅으로 탄생하였다. 빅뱅으로부터 수소와 헬륨이만들어지고, 이보다 무거운 원소는 별 내부의 핵융합과 초신성의 폭발 과정에서 만들어졌다. 이들 원소가 모인 성운이 현재 태양계 영역보다 더 큰 영역에 퍼져 있었다.

② 태양계 성운의 수축과 회전

• 약 50억 년 전 태양계 성운 근처에서 초신성 폭발이 일어나 안정적이던 성운에 충격파가 전달되어 밀도 차이가 생겼다.
• 밀도가 높은 부분이 자체 중력으로 수축하면서 회전하기 시작하였고, 물질들이 중심으로 모이면서 회전 속도가 점점 빨라져 납작한 원반 모양을 이루었다.

③ 원시 태양의 형성

• 성운의 중심부는 기체와 티끌을 끌어들이면서 밀도가 큰 핵이 성장하여 원시 태양이 되었다.
• 원시 태양은 계속된 중력 수축으로 온도와 압력이 높아졌고 핵융합 반응을 할 수 있는 온도에 도달하였다.

④ 원시 행성의 형성

• 회전 원반 내에서는 성운이 식으며 수많은 미행성체가 생겨났다. 미행성체들은 원시 태양 둘레를 공전하며 서로 충돌하고 뭉치면서 원시 행성을 형성하였다.
• 원시 태양 부근에서는 온도가 매우 높아 응결 온도가 높은 물질들이 응축하여 규소, 철, 니켈 등으로 이루어진 지구형 행성으로 진화하였다. 반면, 원시 태양에서 먼 영역에서는 온도가 낮아 응결 온도가 높은 물질과 낮은 물질들이 모두 응축하여 얼음 상태의 입자, 수소, 헬륨 등으로 이루어진 목성형 행성으로 진화하였다.

(2) 지구의 탄생과 진화

① 마그마 바다 형성

• 원시 지구는 약 46억 년 전 수많은 미행성체들의 충돌로 형성되었고 이 과정에서 원시 지구의 크기가 커졌다.
• 미행성체가 충돌할 때 발생한 열과 원시 지구 내부 방사성 원소의 붕괴로 발생한 열에 의하여 원시 지구에는 지표와 지구 내부의 상당 부분이 녹아 있는 액체 상태의 마그마 바다가 형성되었다.

② 맨틀과 핵의 분리

• 마그마 바다 상태에서 중력의 작용으로 철과 니켈 등 밀도가 큰 금속 성분들은 지구 중심부로 가라앉아 핵을 형성하였다.
• 밀도가 작은 규산염 물질은 지구 표면 쪽으로 떠올라 맨틀을 형성하면서 층의 분화가 진행되었다.

③ 원시 지각과 원시 바다의 형성

• 미행성체들의 충돌이 감소하면서 지구의 온도는 점점 낮아졌고, 지표가 식으면서 단단한 원시 지각이 형성되었다.
• 화산 활동 등으로 원시 대기에 공급된 수증기가 응결하여 많은 비가 내렸고, 낮은 곳으로 모인 물이 원시 바다를 형성하였다.
• 원시 바다가 형성된 이후에 대기 중의 이산화 탄소가 바다에 용해되었고, 이후 탄산염의 형태로 퇴적되어 지권에 고정되었다.

④ 지구 대기의 형성

• 지구 최초의 생명체는 바다에서 탄생하였을 것으로 추정된다.

• 광합성을 하는 남세균이 등장하여 바다에 산소를 공급하기 시작했고, 이후 대기에도 산소가 축적되기 시작하였다.
• 약 4억 년 전에는 오존층이 형성될 수 있을 만큼 대기 중의 산소가 증가하였다. 오존층이 자외선을 차단함에 따라 육지에 생명체가 출현하였다.

 

지구 내부 에너지

(1) 지구 내부 에너지: 지구 내부 에너지는 지구 내부에 저장되어 있는 열에너지로, 판의 운동, 화산 활동, 지진 등을 일으키는 근원 에너지이다. 지구 내부 에너지원에는 지구 형성 초기에일어난 미행성체 충돌에 의한 열, 중력 수축에 의한 열, 방사성 원소의 붕괴열이 있다.

① 방사성 원소의 분포: 방사성 원소는 규산염 마그마에 농집되는 성질이 있으므로 핵에는 거의 없으며, 대부분 지각과 맨틀에 존재한다.

② 방사성 원소의 붕괴열: 단위 질량당 방사성 원소의 질량비는 지각이 맨틀보다 크며, 특히 대륙 지각에서 크므로 대륙 지각에서는 방사성 원소의 붕괴열이 많이 방출된다.

 

(2) 지각 열류량

① 지각 열류량: 지구 내부 에너지가 지표로 방출되는 열량을 지각 열류량이라고 하며, 단위로는 mW/m³를 사용한다. ⇨ 구성 암석의 방사성 원소의 함량은 대륙 지각이 많지만, 해양 지각이 대륙 지각보다 맨틀 대류에 의한 열 공급량이 더 많다.

② 지구 내부에서의 열에너지 이동: 암석권 아래 맨틀에서는 주로 대류에 의해, 암석권에서는 주로 전도에 의해 열에너지가 이동한다.

③ 지각 열류량의 분포

• 화산 활동이나 조산 운동이 활발한 지역에서는 지각 열류량이 많고, 오래된 지각이나 안정한 대륙의 중앙부에서는 지각 열류량이 적다.

• 해령, 호상 열도 부근에서는 지각 열류량이 많고, 해구나 순상지 부근에서는 지각 열류량이 적다.

 

지구 내부 탐사

(1) 지구 내부 연구 방법

① 직접적인 방법

• 시추: 내부 시료를 직접 채취하는 것으로, 현재 시추 가능한 깊이는 15 km 정도에 불과하다.
• 포획암 분석(화산 분출물 연구): 포획암은 마그마에 포획되어 올라온 지하 물질로, 맨틀 포획암을 분석하여 상부 맨틀 물질을 알 수 있다.

② 간접적인 방법: 지진파 분석, 지각 열류량 측정과 같이 내부에서 전달되는 정보를 분석하는 방법, 운석 연구를 통한 지구 내부 물질의 평균 조성 추정, 고온·고압 조건에서의 실험을 통한 연구 등이 있다.

• 지진파 분석: 지구 내부를 통과하는 지진파를 연구하여 지구 내부 불연속면의 깊이 및 지구 내부를 구성하는 물질의 물리적 성질을 알 수 있다.
• 지각 열류량 측정: 내부 물질의 열적 성질과 에너지원의 분포를 알 수 있다.

③ 종합: 지진파 분석 등에서 얻어진 물리적 정보와 운석 연구 등을 통해 추정한 지구 내부 물질의 평균 조성, 고온·고압 조건에서의 실험 및 이론적 연구 등을 종합하여 지구 내부 물질의 분포를 파악한다.

 

(2) 지진파에 의한 지구 내부의 탐사

① 지진파: 암석에 힘이 가해져 탄성 한계를 넘으면 암석이 급격한 변형을 일으키면서 깨지는데, 이때 암석에 응축된 에너지가 파동의 형태로 사방으로 전달되는 현상을 지진이라 하고, 이때 전달되는 파동을 지진파라고 한다. 한편, 지진이 발생한 위치를 진원이라고 하며, 진원의 연직 방향에 위치한 지표상의 지점을 진앙이라고 한다.

② 지진파의 성질: 지진파는 성질이 다른 매질의 경계면에서 반사 또는 굴절하며, 같은 종류의 지진파라도 매질의 밀도와 상태에 따라 속도가 달라진다.

③ 지진파의 종류와 특징

(3) 지진 기록: 지진계에는 P파, S파, 표면파의 모습이 차례대로 기록되며, 지진 기록에서 P파가 도달한 후 S파가 도달할 때까지의 시간 차를 PS시라고 한다. PS시는 진원으로부터의 거리가 멀수록 길게 나타난다.

(4) 진앙 및 진원의 결정

① 진앙의 위치: A, B, C 각 관측소에서 진원 거리(R_A, R_B, R_C)를 반지름으로 하는 원을 그렸을 때 각 원들의 교점을 연결하면 3개의 현이 교차하는 하나의 점 O가 나타나는데, 이곳이 진앙이다.

② 진원의 깊이: 세 관측소 중 임의의 관측소 A점과 진앙의 위치 O점을 연결하는 선분 AO를 긋고, O점에서 선분 AO에 직교하는 현 PP’를 그으면 현 PP’의 절반인 선분 OP 또는 OP’가 진원의 깊이가 된다.

 

지구 내부의 구조

(1) 지구 내부의 구조: 지구 내부를 통과하는 지진파가 굴절되거나 반사되는 성질을 이용하여 지구 내부가 지각, 맨틀, 외핵, 내핵의 층상 구조를 이루고 있음을 알아내었다.

(2) 불연속면

① 모호로비치치 불연속면(모호면): 지각과 맨틀의 경계면이다.

② 구텐베르크 불연속면(구텐베르크면): 맨틀과 외핵의 경계면이다.

③ 레만 불연속면(레만면): 외핵과 내핵의 경계면이다.

(3) 지진파 암영대

① 핵의 발견

• S파의 암영대: 진앙으로부터의 각거리가 약 103°~180°인 지역으로, S파가 도달하지 않는다.
• P파의 암영대: 진앙으로부터의 각거리가 약 103°~142°인 지역으로, P파가 도달하지 않는다.

② 내핵의 발견: 진앙으로부터의 각거리 약 110°에 약한 P파가 도달한다는 사실로부터 내핵을 발견하였다.

(4) 지구 내부의 구성 물질과 물리량

① 지각과 맨틀

② 핵: 지진파의 속도 분포로부터 외핵은 액체 상태이고 내핵은 고체 상태일 것으로 추정되며, 내핵은 외핵보다 평균 밀도가 크다. 핵은 철이 가장 많고, 그 밖에 니켈, 황 등으로 이루어졌을 것으로 추정된다.

③ 지구 내부의 물리량

• 밀도: 불연속면에서 급격히 증가하는 계단 모양의 분포를 이룬다.
• 압력: 중심으로 갈수록 증가하며, 깊이에 따른 증가율은 외핵에서 가장 크다.

 

지각 평형설

(1) 지각 평형설: 밀도가 작은 나무토막이 밀도가 큰 물 위에 떠서 평형을 이루는 것과 같이, 밀도가 작은 지각이 밀도가 큰 맨틀 위에 떠서 평형을 이룬다는 이론이다.

① 프래트의 지각 평형설: 밀도가 서로 다른 지각이 맨틀 위에 떠 있으며, 밀도가 작은 지각일수록 지각의 해발 고도가 높으나, 밀도에 관계 없이 해수면을 기준으로 한 모호면의 깊이는 같다.

② 에어리의 지각 평형설: 밀도가 서로 같은 지각이 맨틀 위에 떠 있으며, 지각의 해발 고도가 높을수록 해수면을 기준으로 한 모호면의 깊이가 깊다.

(2) 두 지각 평형설의 비교: 대륙 지각이 해양 지각보다 밀도가 작다는 점에서는 프래트의 지각 평형설이 타당하지만, 해수면을 기준으로 한 모호면의 깊이가 대륙 지각이 해양 지각보다 깊다는 점에서는 에어리의 지각 평형설이 타당하다.

 

지구의 중력장

(1) 중력장

① 중력과 중력장: 지구상의 물체에 작용하는 만유인력과 지구 자전에 의한 원심력의 합력을 중력이라 하고, 중력이 작용하는 지구 주위의 공간을 중력장이라고 한다.

• 만유인력: 지구 중심을 향하며, 지구 중심과 물체 사이의 거리 제곱에 반비례한다.
• 원심력: 지구 자전 때문에 생긴 힘으로 자전축에 수직인 지구의 바깥쪽으로 작용하며, 크기는 자전축으로부터의 수직 거리에 비례한다.

② 표준 중력: 지구 타원체 내부의 밀도가 균일하다고 가정할 때 위도에 따라 달라지는 이론적인 중력값이다.

• 표준 중력값은 고위도로 갈수록 증가한다.
• 극지방에서는 지구 자전에 의한 원심력이 0이므로 만유인력=표준 중력이다.

(2) 중력(중력 가속도)의 측정: 단진자를 이용하여 절대 중력을 측정하고, 중력계를 이용하여 상대 중력을 측정한다.

① 단진자 이용: 단진자의 길이를 l이라고 하면, 단진자의 주기(T)는 T=2π√ㅣ/√g 이므로 중력 가속도(g)는 g=4π²l/T²이다.

② 중력계 이용: 추가 달린 용수철이 중력의 크기에 따라 늘어나는 길이가 달라지는 원리를 이용하여 중력 가속도 크기의 상대적 차이를 구할 수 있다.

(3) 중력 이상: 중력은 측정 지점의 해발 고도, 지형의 기복, 지하 물질의 밀도 등에 따라 달라지는데, 관측된 실측 중력에서 이론적으로 구한 표준 중력을 뺀 값을 중력 이상이라고 한다. 해발 고도와 지형의 기복 등의 영향을 보정한 중력 이상으로 지하 물질의 밀도와 분포를 알 수 있다.

• 중력 이상=실측 중력-표준 중력

(4) 중력 탐사: 중력 이상을 이용하여 지하 물질의 밀도 분포를 알아내는 탐사 방법이다. 지하에 철광석과 같은 밀도가 큰 물질이 매장되어 있으면 밀도 차이에 의한 중력 이상은 (+), 석유나 암염 같은 밀도가 작은 물질이 매장되어 있으면 (-)로 나타난다. 또한 대륙과 해양의 중력 이상은 밀도 차이에 의해 대륙에서는 (-)로, 해양에서는 (+)로 나타난다.

 

지구의 자기장

(1) 지구 자기장의 형성

① 지구 자기장: 지구의 자기력이 미치는 공간을 지구 자기장이라고 한다.

② 다이너모 이론: 외핵은 액체 상태의 철과 니켈로 이루어져 있으며, 외핵에서는 지구 자전, 핵 내부의 온도 차와 밀도 차 등으로 열대류가 일어나면서 자기장이 생성된다. 이 지구 자기장의 영향으로 유도 전류가 발생하고, 이 전류의 작용으로 다시 자기장이 발생하여 지구 자기장이 지속적으로 유지된다.

(2) 지구 자기 3요소

① 편각: 어느 지점에서 진북 방향과 지구 자기장의 수평 성분 방향이 이루는 각으로, 자침이 진북에 대해 서쪽으로 치우치면 W 또는 (-)로, 동쪽으로 치우치면 E 또는 (+)로 표시한다.

② 복각: 지구 자기장의 방향이 수평면에 대하여 기울어진 각으로, 자침의 N극이 아래로 향하면 (+), 위로 향하면 (-)로 표시한다. 복각은 자기 적도에서 0°이고, 자북극에서 +90°, 자남극에서 -90°이다.

③ 수평 자기력: 어느 지점에서 지구 자기장의 세기를 전 자기력이라 하며, 지구 자기장의 수평성분의 세기를 수평 자기력, 연직 성분의 세기를 연직 자기력이라고 한다. 수평 자기력은 자극에서 0이고, 자기 적도에서 최대이다.

(3) 지구 자기장의 변화

① 일변화: 태양의 영향으로 하루를 주기로 일어나는 지구 자기장의 변화로, 일변화의 변화 폭은 밤보다 낮에, 겨울보다 여름에 더 크다.

② 자기 폭풍: 태양의 흑점 주변에서 플레어가 활발해질 때 방출되는 많은 양의 대전 입자가 지구의 전리층을 교란시켜 수 시간에서 수일 동안에 지구 자기장이 불규칙하고 급격하게 변하는 현상이다. ⇨ 자기 폭풍이 발생하면 델린저 현상이나 오로라가 자주 나타난다.

③ 영년 변화: 지구 내부의 변화 때문에 지구 자기의 방향과 세기가 긴 기간에 걸쳐 서서히 변하는 현상이다.

(4) 자기권과 밴앨런대

① 자기권: 지구 자기장의 영향이 미치는 기권 밖의 영역

② 밴앨런대: 태양에서 오는 대전 입자가 지구 자기장에 붙잡혀 특히 밀집되어 있는 도넛 모양의 방사선대이다. 내대는 주로 양성자, 외대는 주로 전자로 이루어져 있다.

참고자료 EBS 수능 특강 지구과학2