세계 여기저기서 화산폭발과 지진이 이어지고 있다. 거리를 다니면서, 산길을 걸으면서 자기 발 아래에서 화산이 터져 나올지 모른다고 염려하는 사람이 다행히 우리나라에는 거의 없다. 땅 밑 깊은 곳에는 모든 것이 초고열에 녹아 있다. 지구 내부를 직접 확인할 수는 없지만, 오늘의 과학자들은 4층 구조로 이루어진 지구에 대해 많은 것을 알고 있다. 지구는 왜 수십억 년을 두고 변함없이 뜨거울까?
지구의 내부는 크게 4개의 층으로 나누고 있다.
지각(地殼) – 모든 생명이 사는 지표면 부분을 지각(outer crust)이라 한다. 지각은 지구 전체 부피의 1%(질량은 0.5%) 정도를 차지한다.
맨틀(mantle) – 지구 표면으로부터 2,890km까지의 층이다. 이곳 상부 맨틀의 온도는 500-900℃이고, 외핵에 가까운 하부 맨틀은 4,000℃에 이른다. 맨틀은 깊은 곳(열과 압력이 강한 곳)일수록 점성(粘性)이 약해져 고체이지만 조금씩 흐를 수 있는 상태가 된다. 맨틀은 지구 전체 부피의 84%(질량의 70%)를 차지한다.
외핵(外核) – 고열 때문에 전체가 액체 상태이다.
내핵(內核) – 가장 중심부(inner core)를 말하며, 초고압 조건이기 때문에 고체상태로 있다.
얇은 지각
지구를 덮고 있는 지각의 두께는 바다에서는 평균 5-10km이고, 육지에서는 30-50km이다. 바다 밑의 지각은 육지보다 더 단단하다. 지구 중심(핵) 쪽으로 들어간다면 깊어질수록 온도가 높아진다. 870℃ 이상이 되면 지각은 유동성(流動性)이 있는 맨틀이 된다.
단단한 지각과 맨틀이 만나는 경계를 모호로비치치 불연속면(Mohorovicic Discontinuity), 줄여서 모호(Moho)라 한다. 이 경계면(모호) 위층에서는 지진파의 속도가 초속 5-6km이지만, 그 아래에서는 속도가 8km 이상으로 빨라진다. 이 사실은 유고슬라비아의 과학자 모호로비치치(A. Mohorovicic 1857-1936)가 처음 발견했다.
지구의 전체 지각은 여러 조각으로 나뉘어 있으며, 유동성이 있는 상부 맨틀 위에서 서로 떨어지거나 부딪히거나 하고 있다. 이를 대륙이동이라고 하는데, 왜 이런 현상이 일어나는지 그 이유를 정화하게는 알지 못하고 있다.
지구 중심까지의 깊이는 6,378km이다. 가장 외부인 지각(crust)은 바다와 육지가 덮고 있으며 두께는 최대 100km 정도이다. 그 아래 맨틀은 다시 3개 층으로 구분한다. 그중에 고체처럼 단단한 위층은 암석권(lithosphere)이라 하고, 그 아래 층은 연약권(軟弱圈) 또는 약권(asthenosphere)이라 한다. 약권은 유동하기 때문에 암석권과 함께 지각이 움직이도록 한다. 약권보다 더 아래는 중간권(mesosphere)이라 한다. 맨틀 아래에 있는 외핵(外核)은 두께가 2,900km이고 액체 상태이다. 외핵 아래의 가장 중심부(내핵) 두께는 5,100km이며, 압력이 너무 높기 때문에 고체상태로 존재한다.
맨틀은 암석(mantle rock)이 녹아 있는 곳이 많은데, 녹은 상태의 바위를 매그머(magma 마그마)라 한다. 매그머는 고열이기 때문에 밀도가 낮아져 가벼우므로, 화산이 폭발할 때 분화구를 통해 지표면으로 분출한다. 이 매그머가 화산의 경사(傾斜)를 따라 흘러내리면 이를 용암(鎔巖 lava)이라 한다.
태평양을 둘러싼 화산이 많은 지대를 불의 고리(Ring of Fire)라 한다. 불의 고리에는 약 1,500개의 활화산이 있다. 활화산은 화산 연기를 뿜어내고 있거나 잦은 지진, 산울림 등의 현상을 보이면서 폭발할 가능성이 있는 화산을 말한다.
맨틀에 있던 매그머가 분화구를 통해 지상으로 쏟아져나온 것을 용암이라 한다.
지구 표면(지각)은 그림처럼 조각난 상태로 상부 맨틀 위에 떠 있다. 이런 지각의 조각들(tectonic plates)이 서로 마주치거나 떨어지는 곳에서 화산과 지진 활동이 주로 발생한다.
초고온의 외핵
지구의 외핵(깊이 2,300-3,400km)을 구성하는 물질은 80%가 철이고, 그 외에 니켈과 다른 금속이 소량 포함되어 있다. 지구가 거대한 자석이 된 것은 외핵의 철 성분 때문이다. 외핵에 철이 많은 이유는 45억 년 전 지구가 처음 생겨났을 때 무거운 원소들이 중심 쪽으로 모인 결과이다.
외핵의 온도는 4,030-5,730℃ 정도로 추정되고 있다. 그런데 과학자들은 액체 상태의 외핵이 지구 자체보다 매우 조금이지만 더 빨리 회전하기 때문에 내부에서 대류현상이 일어난다고 믿고 있다. 이런 현상은 지구의 자력장이 소규모로 흔들리는 사실로부터 짐작한다.
지구 내핵의 구성물질은 외핵과 비슷하고 온도는 태양 표면과 비슷하게 5,400℃ 정도이다. 그러나 이곳은 초고압 조건이기 때문에 밀도가 높아져 모두가 고체상태로 존재한다. 과학자들은 내핵에 금, 은, 백금, 팔라듐, 텅스텐 같은 중금속이 많이 있을 것이라고 예측한다.
지구 내부가 항상 뜨거운 이유
지구의 외핵과 내핵에는 무거운 원소들이 다량 모여 있다. 그들 중에 K-40, U-238, U-235, Th-232와 같은 반감기가 긴 방사성물질은 지구 탄생 이후 지금까지 계속 핵분열을 계속하고 있다. 지구 내부의 고열은 바로 이들의 핵분열에 의해 발생한다고 믿고 있다.
과학자들은 직접 접근해볼 수 없지만 화산활동, 용암, 화산 연기, 지진, 지구자장 등의 변화를 분석하면서, 물질의 변화(변형)와 유동(流動)에 대한 과학(유동학 rheology) 지식을 통해 가장 깊은 부분까지 상황을 짐작하고 있다.
지구의 내부가 이처럼 뜨거운 상황이 아니라면 우리의 생존이 가능할까? 천만의 말이다. 지열이 없다면 이 땅은 인간이 살 수 없도록 추운 행성으로 변해버릴 것이다. 그뿐이 아니다. 내부가 뜨겁고 화산이 터지고 지각변동이 크게 일어나지 않았다면, 인류가 사용하는 석탄이나 석유(화석연료)가 생겨나지 않았다. 화석연료 없이 인류는 어떻게 여유롭게 살아갈까? 어느 날에 이르면, 인류는 지하 깊은 지점까지 파들어가 그곳의 무한한 열을 이용하여 전력을 생산하거나 난방에 이용하는 방법을 찾아낼지도 모른다. 인류가 생존하기에 참으로 멋진 곳이 지구이다. – YS
강영호 기자 (문의 및 제휴 : hello@sciencewave.kr)
Science Wave에서 더 알아보기
구독을 신청하면 최신 게시물을 이메일로 받아볼 수 있습니다.