지구의 구조

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1. 개요
2. 지구의 층상 구조
- 2.1. 화학적 조성에 따른 분류
- 2.2. 물리적 특성에 따른 분류
3. 지구 구조 연구 방법
참조

1. 개요

지구의 구조는 역학적 특성이나 화학적 조성에 따라 여러 층으로 구분된다. 역학적으로는 암석권, 연약권, 중간권 맨틀, 외핵, 내핵으로 나뉘며, 화학적으로는 지각, 상부 맨틀, 하부 맨틀, 외핵 및 내핵으로 구분된다. 이러한 층상 구조는 지진파의 이동 시간 분석, 운석 연구, 고온 고압 실험 등을 통해 연구된다.

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지구의 구조 - 대륙 지각
대륙 지각은 해양 지각보다 두껍고 밀도가 낮은 지구 지각의 일부로, 지구 표면적의 약 41%를 차지하며, 맨틀 유래 용융체의 분별 결정 작용과 기존 지각의 재용융을 통해 형성되어 육지 환경과 생물 진화에 필수적인 역할을 하였다.
지구의 구조 - 맨틀
맨틀은 지구 내부의 지각과 핵 사이에 위치하며, 온도와 압력에 따라 물리적 성질이 변하고 맨틀 대류를 통해 판 이동을 일으키는 층상 구조를 이룬다.

지구의 구조

2. 지구의 층상 구조

지구의 내부는 직접 탐사하기 어렵기 때문에, 그 구조는 주로 간접적인 방법을 통해 밝혀졌다. 지구 내부 구조를 이해하는 데는 크게 두 가지 기준이 사용되는데, 하나는 물질의 화학적 조성이고 다른 하나는 유변학적 특성과 같은 기계적(물리적) 성질이다.^[6]

화학적 조성을 기준으로 할 때, 지구는 바깥쪽부터 지각, 맨틀(상부 맨틀과 하부 맨틀), 그리고 핵(외핵과 내핵)으로 나뉜다. 각 층은 구성하는 암석과 광물의 종류가 다르다. 이에 대한 자세한 내용은 아래 문단에서 다룬다.

기계적 성질, 즉 물질의 강도나 변형에 대한 반응을 기준으로 할 때는 암석권, 연약권, 중간권 맨틀, 외핵, 내핵으로 구분한다. 암석권은 단단한 고체 층이며, 그 아래 연약권은 부분적으로 녹아있거나 유동성을 가져 맨틀 대류와 판의 이동에 중요한 역할을 한다. 외핵은 액체 상태이며, 내핵은 고체 상태이다. 이 분류에 대한 자세한 내용은 아래 문단에서 설명한다.

이러한 지구 내부의 층상 구조는 주로 지진 발생 시 지구 내부를 통과하는 지진파를 분석하여 알아낸다. 지진파는 서로 다른 밀도와 상태를 가진 물질층을 통과할 때 속도가 변하며, 마치 빛이 다른 매질을 통과할 때 굴절하는 것처럼 스넬의 법칙에 따라 경로가 휜다. 또한, 서로 다른 층의 경계면에서는 지진파의 일부가 거울에 빛이 반사되듯 반사되기도 한다. 특히, S파(횡파)는 액체 상태의 물질을 통과하지 못하는데, 이 성질을 이용하여 외핵이 액체 상태라는 사실을 밝혀냈다.

아래 표는 화학적 분류와 기계적 분류에 따른 지구 내부 구조와 각 층의 대략적인 깊이를 보여준다.

화학적 및 기계적 특성에 따른 지구 내부 구조 분류^[76]
깊이 (km)	화학적 계층	기계적 계층
0–35^†	지각	암석권 (Lithosphere)
35–80^*	지각
80–670	상부 맨틀
	상부 맨틀	연약권 (Asthenosphere)
670–2,890	하부 맨틀	중간권 맨틀 (Mesospheric mantle)
2,890–5,150	외핵	외핵
5,150–6,370	내핵	내핵
^* 암석권의 깊이는 지역적으로 5km에서 200km까지 변한다.

2. 1. 화학적 조성에 따른 분류

지구의 내부는 구성 물질의 화학적 성질에 따라 크게 세 개의 층으로 구분할 수 있다. 이는 지진파 분석 등 간접적인 방법을 통해 밝혀진 구조이다.^[49] 지구 표면에서부터 중심으로 가면서 지각, 맨틀, 핵 순서로 배열된다.

지각: 지구의 가장 바깥쪽 고체 껍질 부분이다. 상대적으로 가벼운 규산염 암석으로 이루어져 있으며, 두께는 지역에 따라 5km에서 70km까지 다양하다.^[7] 지각에 대한 자세한 내용은 아래 문단에서 다룬다.
맨틀: 지각 아래에 위치하며, 지구 전체 부피의 대부분(약 84%)을 차지하는 가장 두꺼운 층이다. 지각보다 철과 마그네슘 함량이 높은 무거운 규산염 암석으로 구성되어 있다.^[25] 맨틀은 다시 상부 맨틀과 하부 맨틀로 나뉘며,^[21] 자세한 내용은 아래 문단에서 설명한다.
핵: 지구 중심부에 위치하며, 주로 철과 니켈과 같은 무거운 금속으로 이루어져 있다. 핵은 액체 상태의 외핵과 고체 상태의 내핵으로 구분되며,^[58] 아래 문단에서 더 자세히 알아본다.

아래 표는 화학적 조성에 따른 지구 내부 구조와 각 층의 대략적인 깊이를 보여준다.

화학적 조성에 따른 지구 내부 구조^[49]^[76]
층	깊이 (km)
지각	0 ~ 35 (지역에 따라 5 ~ 70)
맨틀	35 ~ 2,890
상부 맨틀	35 ~ 670
하부 맨틀	670 ~ 2,890
핵	2,890 ~ 6,370
외핵	2,890 ~ 5,150
내핵	5,150 ~ 6,370

각 층 사이의 경계면은 지진파 속도가 급격히 변하는 불연속면으로 나타나는데, 대표적으로 지각과 맨틀 사이의 모호로비치치 불연속면, 맨틀과 외핵 사이의 구텐베르크 불연속면, 외핵과 내핵 사이의 레만 불연속면이 있다. 이러한 구조는 지구 내부 물질의 밀도와 상태 변화를 반영한다.

2. 1. 1. 지각

지각은 지구의 가장 바깥쪽에 있는 고체 껍질로, 지표면으로부터의 깊이는 위치에 따라 5km에서 70km까지 다양하다.^[7]^[8] 지각은 크게 두 종류로 나뉜다.

해양 지각: 두께가 5km에서 10km 정도로 얇으며, 주로 해양 분지 아래에 분포한다.^[9] 밀도가 높고, 현무암과 같이 철과 마그네슘이 풍부한(고철질) 규산염 화성암으로 구성되어 있다.^[10]
대륙 지각: 두께가 상대적으로 두꺼우며, 밀도가 낮다.^[11] 화강암과 같이 나트륨, 칼륨, 알루미늄 등(장석질)이 풍부한 규산염 암석으로 이루어져 있다.^[12]

지각을 구성하는 암석은 화학적 조성에 따라 크게 시알(SiAl, 규소-알루미늄)과 시마(SiMa, 규소-마그네슘)로 분류하기도 한다.^[13] 과거에는 대륙 지각(시알) 아래 약 11km 깊이에 콘래드 불연속면이 존재하고 그 아래가 시마층이라고 여겨졌으나,^[14] 이 불연속면은 모든 지역에서 뚜렷하게 나타나지는 않으며, 일부 대륙 지역에서는 존재하지 않을 수도 있다.^[15]

지각 바로 아래에는 맨틀이 존재하며, 지각과 맨틀의 경계는 모호로비치치 불연속면(모호면)이라고 불린다. 이 경계면에서는 지진파의 속도가 급격하게 변하는데, 이는 암석의 밀도^[17] 및 구성 성분의 변화 때문으로 해석된다. 모호면 바로 위 지각 하부 암석(주로 장석 포함)을 통과하는 P파(1차 지진파)의 속도는 6.7–7.2 km/s 정도인 반면, 모호면 아래 맨틀 상부 암석(주로 감람암이나 둔암과 같이 장석 미포함)을 통과하는 P파 속도는 7.6–8.6 km/s로 더 빠르다.^[18] 해양 지각의 경우, 초고철질 암석과 구조적으로 변형된 할즈버자이트 사이의 화학적 불연속면이 관찰되기도 한다. 이러한 구조는 과거 해양 지각이 대륙 지각 위로 올라온(오브덕션) 오피올라이트에서 확인될 수 있다.

현재 지구 지각을 이루는 암석 대부분은 약 1억 년 전에 형성되었지만, 발견된 가장 오래된 광물 입자의 연대는 약 44억 년 전으로 측정되었다. 이는 지구가 최소 44억 년 동안 고체 상태의 지각을 가지고 있었음을 시사한다.^[19]^[51]

2. 1. 2. 맨틀

지구의 지각과 맨틀, 지각 하단과 고체 최상부 맨틀 사이의 모호로비치치 불연속면

지구의 맨틀은 지각과 핵 사이에 위치하며, 깊이 약 35km에서 2890km까지^[20] (지역에 따라 시작 깊이는 5km에서 70km까지 다양함^[76]) 뻗어 있는 지구에서 가장 두꺼운 층이다.^[20] 이는 지구 전체 부피의 약 84%를 차지한다.

맨틀은 크게 상부 맨틀과 하부 맨틀로 나뉘며,^[21] 그 사이에는 전이대가 존재한다.^[22] 지각과 맨틀의 경계는 모호로비치치 불연속면이라 불리며, 맨틀과 외핵의 경계는 구텐베르크 불연속면이라고 한다. 핵-맨틀 경계에 인접한 맨틀의 가장 낮은 부분은 D″(D-더블-프라임) 층이라고 불린다.^[23]^[52] 맨틀 바닥의 압력은 약 140 GPa (140만 기압)에 달한다.^[24]

맨틀은 상부 지각보다 철과 마그네슘이 풍부한 규산염 암석으로 구성되어 있다.^[25] 아래 표는 상부 맨틀의 화학적 조성을 보여준다.

지구 상부 내부 구조의 화학적 조성^[1]
화학 원소	대륙 지각 (%)	상부 맨틀 (%)	파이롤라이트 모델 (%)	운석 모델 (1) (%)	운석 모델 (2) (%)
MgO	4.4	36.6	38.1	26.3	38.1
Al₂O₃	15.8	4.6	4.6	2.7	3.9
SiO₂	59.1	45.4	45.1	29.8	43.2
CaO	6.4	3.7	3.1	2.6	3.9
FeO	6.6	8.1	7.9	6.4	9.3
기타 산화물	7.7	1.4	1.2	해당 없음	5.5
Fe	해당 없음	해당 없음	해당 없음	25.8	해당 없음
Ni	해당 없음	해당 없음	해당 없음	1.7	해당 없음
Si	해당 없음	해당 없음	해당 없음	3.5	해당 없음

참고: 운석 모델 (1)에서 핵 속의 경원소는 Si로 가정한다. 운석 모델 (2)는 운석 모델 (1)에 표시된 핵 모델에 해당하는 맨틀의 화학적 조성 모델이다.^[1]

맨틀은 기본적으로 고체 상태이지만, 내부의 높은 온도로 인해 규산염 물질은 매우 긴 시간 규모에 걸쳐 유동성을 가진다.^[26] 맨틀의 점성은 깊이에 따라 10²¹에서 10²⁴ Pa·s 사이로 매우 높다.^[28]^[53] 깊이가 깊어질수록 압력이 증가하여 유동성이 감소하는 경향이 있지만,^[53] 맨틀 내 화학적 변화 역시 유동성에 영향을 미칠 수 있다.

맨틀 대류는 지각판의 움직임을 일으키는 주요 원동력으로, 판 구조론의 핵심적인 부분이다.^[27] 이러한 대류를 일으키는 열원은 크게 두 가지이다. 첫째는 행성 형성 과정에서 남은 초기 열이며, 둘째는 맨틀과 지각에 포함된 우라늄, 토륨, 칼륨과 같은 방사성 동위원소가 방사성 붕괴하면서 지속적으로 발생하는 열이다.^[27]^[54] 맨틀 대류에 의한 판의 이동은 한반도를 포함한 전 세계의 지진 및 화산 활동에 직접적인 영향을 미친다.

아래 표는 지구 내부 구조의 깊이에 따른 화학적 및 기계적 분류를 보여준다.

지구 내부 구조 분류 및 깊이^[76]
깊이 (km)	화학적 계층	깊이 (km)	기계적 계층	깊이 (km)	PREM
0–35^†	지각	0–80^*	암석권	0–80^*	암석권
35–670	상부 맨틀	80–220	암류권 (부분적으로 상부 맨틀)	80–220	암류권
		220–2,890	중간권 맨틀 (Mesospheric mantle)	220–670	상부 맨틀 (전이대 포함)
670–2,890	하부 맨틀			670–2,890	하부 맨틀 (D″층 포함)
2,890–5,150	외핵	2,890–5,150	외핵	2,890–5,150	외핵
5,150–6,370	내핵	5,150–6,370	내핵	5,150–6,370	내핵
^* 깊이는 지역적으로 5km에서 200km까지 변한다.

2. 1. 3. 핵

지구의 핵은 지구 중심부에 위치하며, 크게 액체 상태의 외핵(Outer core)과 고체 상태의 내핵(Inner core)으로 나뉜다.^[58] 지구 전체 반지름의 약 절반(약 3480km)을 차지하며, 주로 철과 니켈로 구성되어 있다.

핵의 존재와 상태는 지구의 평균 밀도 측정과 지진파 분석을 통해 밝혀졌다. 지구의 평균 밀도는 5.515g/cm³인데^[55] 비해 지표면 암석의 평균 밀도는 약 3.0g/cm³에 불과하다. 이는 지구 내부에 훨씬 밀도가 높은 물질이 존재함을 시사한다. 1770년대 셰할리온 실험과 1798년 캐번디시 실험 등은 지구 내부에 고밀도 핵이 있음을 증명했다.^[56]^[57] 지진파 중 S파(전단파)는 액체를 통과하지 못하는데, 핵의 특정 깊이에서 S파가 전달되지 않는다는 관측을 통해 외핵이 액체 상태임을 알게 되었다. 반면, 더 깊은 곳에서는 S파가 다시 전달되어 내핵은 고체 상태임이 밝혀졌다. 내핵의 존재는 1936년 덴마크의 지진학자 잉게 레만에 의해 발견되었다.^[32]
외핵은 맨틀 아래, 지구 표면으로부터 약 2890km 깊이에서 시작하여 약 5150km 깊이까지 분포하는 두께 약 2260km의 층이다.^[31] 주성분은 액체 상태의 철과 니켈이며, 약간의 경원소가 포함된 것으로 추정된다. 외핵의 밀도는 9900kg/m³에서 12200kg/m³에 이른다.^[59] 외핵의 유체 운동은 다이너모 이론에 따라 지구 자기장을 생성하는 주된 원인으로 여겨진다. 외핵에서의 대류 운동이 코리올리 효과와 결합하여 전류를 발생시키고, 이 전류가 강력한 자기장을 만들어내는 것이다. 외핵의 평균 자기장 세기는 약 2.5mT(25가우스)로 추정되며, 이는 지표면 자기장의 약 50배에 달하는 강도이다.^[44]^[68]^[69] 이 자기장은 우주 방사선과 태양풍으로부터 지구 생명체를 보호하는 중요한 역할을 한다.

외핵의 대류 운동과 코리올리 효과에 의해 지구 자기장이 생성되는 과정을 나타내는 다이너모 이론 모식도.

내핵은 지구 가장 중심부에 위치하며, 반지름 약 1220km의 고체 덩어리이다.^[32]^[33] 이는 지구 반지름의 약 19%에 해당한다. 내핵의 밀도는 12600kg/m³에서 13000kg/m³으로 지구 내부에서 가장 높다.^[59] 주성분은 철과 일부 니켈로 이루어져 있으며, S파를 통과시키는 것으로 보아 고체 상태임이 확인되었다. 일부 연구에서는 내핵 전체가 하나의 거대한 철 결정일 수 있다는 주장이 제기되었으며,^[38]^[65] 다이아몬드 앤빌 셀을 이용한 고압 실험 결과는 이 가설을 뒷받침한다.^[66]^[67] 내핵은 퀴리 온도 이상으로 매우 뜨겁기 때문에 영구적인 자성을 띨 수는 없지만, 외핵에서 생성된 자기장을 안정시키는 역할을 하는 것으로 생각된다. 2005년에는 내핵이 지표면보다 연간 약 0.3~0.5도 더 빠르게 회전한다는 연구 결과가 발표되기도 했다.^[70]^[71]

핵은 약 46억 년 전 지구가 형성되던 초기, 행성 분화 과정(철 재앙 포함)을 통해 형성된 것으로 여겨진다. 당시 용융 상태였던 지구에서 밀도가 높은 철과 니켈이 중심으로 가라앉아 핵을 이루고, 상대적으로 가벼운 규산염 물질들이 상승하여 맨틀과 지각을 형성했다. 핵의 정확한 상태(완전한 고체인지, 고밀도 플라스마 상태인지)에 대해서는 고압, 고온 환경에서의 실험 결과 해석 차이로 인해 여전히 연구가 진행 중이다.^[35]^[36]^[63] 최근에는 핵 가장 안쪽 부분이 금, 백금 등 친철원소가 풍부할 수 있다는 가설도 제기되었다.^[72]

2. 2. 물리적 특성에 따른 분류

지구의 내부 구조는 크게 두 가지 기준, 즉 물질의 기계적(물리적) 특성과 화학적 구성에 따라 분류할 수 있다. 이 섹션에서는 주로 기계적 특성에 따른 분류를 다룬다.

물리적 특성, 특히 물질의 강도나 변형에 대한 반응(유변학)을 기준으로 할 때, 지구는 다음과 같은 층으로 나뉜다.

암석권: 지표면에서 시작하는 가장 바깥쪽의 단단한 층. 지각과 맨틀 최상부를 포함한다.
연약권: 암석권 아래에 위치하며, 부분적으로 용융되어 있거나 유동성을 가지는 층. 판 운동의 원동력이 되는 맨틀 대류가 일어나는 곳으로 여겨진다.
중간권 맨틀: 연약권 아래부터 외핵 경계까지 이어지는 맨틀 부분. 연약권보다 더 단단하다.
외핵: 중간권 맨틀 아래에 위치한 액체 상태의 층. 주로 철과 니켈로 이루어져 있으며, 지구 자기장을 생성하는 역할을 한다.
내핵: 지구 중심부에 위치한 고체 상태의 층. 역시 주로 철과 니켈로 구성되어 있다.

화학적 조성을 기준으로 하면 지구는 지각, 상부 맨틀, 하부 맨틀, 외핵, 내핵으로 나뉜다. 이 두 분류 방식은 완전히 일치하지는 않지만, 외핵과 내핵은 두 기준 모두에서 동일하게 구분된다.

지구 내부의 이러한 층상 구조는 직접 관찰할 수 없기 때문에, 주로 지진 발생 시 생성되는 지진파를 분석하여 간접적으로 알아낸다. 지진파는 지구 내부를 통과하면서 각기 다른 물질과 상태의 층을 만날 때 속도가 변하거나(스넬의 법칙에 따른 굴절), 경계면에서 반사되는 특성을 보인다. 예를 들어, S파(횡파)는 액체를 통과하지 못하는데, 이 성질을 이용하여 외핵이 액체 상태임을 밝혀냈다.

아래 표는 지구 내부 구조를 화학적 분류와 기계적(물리적) 분류에 따라 깊이별로 정리한 것이다.^[76]

깊이 (km)	화학적 계층	깊이 (km)	기계적 계층
0–35^†	지각	0–80^*	암석권
35–670	상부 맨틀	80–220	연약권
670–2,890	하부 맨틀	220–2,890	중간권 맨틀
2,890–5,150	외핵	2,890–5,150	외핵
5,150–6,370	내핵	5,150–6,370	내핵
^*깊이는 지역적으로 5km에서 200km까지 변한다. ^†깊이는 지역적으로 5km에서 70km까지 변한다.

2. 2. 1. 암석권

지구의 판 지도 — 지구의 주요 판: 태평양판, 아프리카판, 북아메리카판, 유라시아판, 남극판, 인도-오스트레일리아판, 남아메리카판.

지구의 구조는 기계적 특성에 따라 암석권, 암류권, 중간권 맨틀, 외핵, 내핵으로 나눌 수 있다. 암석권은 이 중 가장 바깥쪽을 차지하는 단단한 층으로, 지각과 맨틀의 최상부를 포함한다.^[16] 암석권의 깊이는 지역에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 지표면 아래 약 5km에서 200km 범위에 해당한다.

깊이		층
킬로미터	마일	층
0–60	0–37	암석권 (지역적으로는 5 ~ 200 km로 다양하다)
0–35	0–22	… 지각 (지역적으로는 5 ~ 70 km로 다양하다)
35–60	22–37	… 맨틀의 최상부

암석권은 여러 개의 판으로 나뉘어 있으며, 이 판들은 끊임없이 움직이며 상호작용한다.

암석권의 아래 경계, 즉 지각과 맨틀의 경계는 모호로비치치 불연속면(모호면)으로 알려진 물리적 현상으로 나타난다. 이곳에서는 지진파의 속도가 뚜렷하게 변하는데, 이는 암석의 밀도와 구성이 달라지기 때문이다.^[17] 모호면 바로 위 지각 암석(주로 현무암)을 통과할 때 P파의 속도는 6.7–7.2 km/s인 반면, 모호면 아래 맨틀 암석(주로 감람암 또는 둔암)을 통과할 때는 7.6–8.6 km/s로 빨라진다.^[18] 해양 지각에서는 초고철질 암석과 변형된 할즈버자이트(사방휘석 감람암) 사이의 화학적 불연속면도 관찰되는데, 이는 해양 지각이 대륙 지각 위로 올라온 오피올라이트에서 확인된다.

현재 지구 지각을 구성하는 암석 대부분은 약 1억 년 전에 형성되었지만, 가장 오래된 것으로 알려진 광물 입자는 약 44억 년 전의 것이다. 이는 지구가 최소 44억 년 동안 고체 상태의 지각을 가지고 있었음을 시사한다.^[19]^[51]

2. 2. 2. 연약권

연약권(암류권, Asthenosphere^영어)은 지구 내부 구조를 기계적 성질에 따라 구분할 때 암석권 바로 아래에 위치하는 층이다.^[76] 상부 맨틀의 일부에 해당하며, 깊이는 대략 80km에서 220km 사이에 분포한다.^[76]

연약권은 높은 온도와 압력의 영향으로 암석이 부분적으로 용융되어 있거나, 고체 상태임에도 불구하고 지질학적으로 긴 시간 규모에서는 유동성을 가지는 층으로 여겨진다. 이러한 높은 연성(ductility)은 연약권의 특징적인 성질이다.^[52] 맨틀 전체의 점성은 깊이에 따라 10²¹에서 10²⁴ Pa·s 범위로 매우 높지만^[53], 연약권은 상부의 암석권이나 하부의 다른 맨틀 부분에 비해 상대적으로 점성이 낮아 유동하기 쉬운 특성을 가진다.

이 유동성으로 인해 연약권은 맨틀 대류가 일어나는 중요한 부분이다. 맨틀 대류는 지구 내부의 열을 표면으로 전달하는 과정이며, 이 대류 운동은 연약권 위에 놓인 단단한 암석권 판들을 움직이는 주된 원동력으로 작용한다.^[54] 따라서 연약권은 판 구조론에서 지각판의 이동을 가능하게 하는 핵심적인 역할을 수행한다.

2. 2. 3. 중간권

지구의 구조를 유변학과 같은 기계적 특성에 따라 나눌 때, 암석권, 암류권, 중간권 맨틀, 외핵, 내핵으로 구분할 수 있다.^[75] 중간권 맨틀(Mesospheric mantle)은 암류권 아래부터 외핵과의 경계면까지에 해당하며, 깊이로는 대략 220km에서 2890km 사이의 영역을 차지한다.^[76] 이 층은 고체 상태로 존재하며, 위에 있는 암류권보다 더 단단하고 밀도가 높은 특성을 가진다. 지구 내부의 이러한 층 구조는 지진 발생 시 생성되는 지진파가 지구 내부를 통과하면서 속도가 변하고 굴절 및 반사되는 현상을 분석하여 간접적으로 파악되었다.^[75]

2. 2. 4. 외핵

지구의 외핵은 지구 내핵을 둘러싸고 맨틀 아래에 위치하는 액체 상태의 층이다.^[31] 지구 표면으로부터의 깊이는 약 2890km에서 시작하여 5150km까지 이어진다. 즉, 내핵과의 경계는 약 5150km 깊이에 위치한다. 외핵의 두께는 약 2260km에 달하며^[31], 이는 지구 반지름의 약 36%, 지구 전체 부피의 약 15.6%를 차지한다.

외핵은 주로 철(약 80%)과 니켈로 구성되어 있으며, 약간의 경원소가 포함된 것으로 여겨진다.^[31]^[42]^[43] 외핵이 액체 상태라는 사실은 지진파 연구를 통해 밝혀졌는데, 고체만 통과할 수 있는 S파(전단파)가 외핵을 통과하지 못하기 때문이다.

외핵의 가장 중요한 역할 중 하나는 지구 자기장을 생성하는 것이다. 다이너모 이론에 따르면, 액체 상태인 외핵 내부의 대류 현상과 지구 자전에 의한 코리올리 효과가 결합하여 마치 거대한 발전기처럼 작용하여 자기장을 만들어낸다. 외핵에서 생성된 평균 자기장의 세기는 약 2.5mT(25가우스)로 추정되며, 이는 지표면 자기장보다 약 50배 더 강력하다.^[44]^[68]^[69] 이 자기장은 지구를 태양풍이나 우주 방사선과 같은 외부 위협으로부터 보호하는 중요한 방패 역할을 하며, 대기가 우주 공간으로 날아가는 것을 막아준다.^[45]

고체 상태의 지구 내핵은 퀴리 온도 이상으로 너무 뜨거워 영구 자석이 될 수는 없지만, 외핵에서 생성된 자기장을 안정시키는 역할을 하는 것으로 생각된다. 외핵의 냉각 속도와 미래에 대한 예측은 불확실하지만, 일부 연구에서는 외핵이 완전히 얼어붙기까지 약 910억 년이 걸릴 것으로 추정하기도 한다.^[46]

2. 2. 5. 내핵

지구의 가장 안쪽 지질층으로, 지구 반지름의 약 19%에 해당하는 약 1220km의 반지름을 가진 고체 덩어리이다.^[32]^[33] 이는 달 반지름의 약 70%에 해당한다. 내핵과 외핵 사이의 경계는 지구 표면 아래 약 5150km 깊이에 위치한다.

내핵은 1936년 잉게 레만에 의해 발견되었으며, 주로 철(약 80%)과 약간의 니켈로 구성되어 있다고 여겨진다.^[64] 내핵이 고체 상태라는 것은 지진파 중 S파(횡파)를 통과시킨다는 관측 결과로부터 확인되었다(동시에, 핵에는 S파를 통과시키지 않는 특징이 있기 때문에 외핵은 액체 상태로 판명되었다).^[60]

내핵의 밀도는 12,600~13,000 kg/m³ (12.6~13.0 g/cm³) 범위로 추정된다.^[59] 이는 지구 전체 평균 밀도(5.515 g/cm³)나 지표면 평균 밀도(약 3.0 g/cm³)보다 훨씬 높아, 지구 중심부에 고밀도 물질이 존재함을 시사한다.^[55] 이러한 사실은 1770년대에 실시된 셰할리온 실험 등을 통해 알려지게 되었다. 찰스 허턴은 1778년 보고서에서 지구 내부에 금속 부분이 존재하며 지구 직경의 약 65%를 차지할 것으로 추정했다.^[56] 이후 캐번디시 실험(1798년)에서 더 정확한 지구 평균 밀도가 측정되었다.^[57]

약 46억 년 전 지구 형성 초기, 행성 분화 (철 재앙 포함) 과정에서 밀도가 높은 철과 니켈 등이 중심으로 가라앉아 핵을 형성한 것으로 생각된다. 반면, 납이나 우라늄과 같은 다른 무거운 원소들은 상대적으로 희귀하거나 다른 가벼운 원소와 결합하는 경향이 있어 지각에 주로 남아있게 되었다.

내핵의 극한 환경(고압, 고온)에 대한 연구는 활발히 진행 중이다. 다이아몬드 앤빌 셀을 이용한 정적 고압 실험과 레이저 충격 실험 결과 간에 용융 온도 추정치에 차이가 나타나는 등^[61]^[62], 내핵이 완전한 고체인지, 아니면 고체 밀도를 가진 플라스마 상태인지에 대한 논의가 있다.^[63]

일부 연구에서는 내핵 전체가 하나의 거대한 철 결정일 수 있다는 주장이 제기되었다.^[64]^[65] 다이아몬드 앤빌 셀과 X선을 이용한 실험 결과는 내핵이 남북 방향으로 정렬된 거대 결정 구조를 가질 수 있다는 이론을 뒷받침한다.^[66]^[67]

내핵 자체는 퀴리 온도 이상으로 매우 뜨거워 영구적인 자기장을 가질 수 없지만, 액체 상태인 외핵에서 다이너모 이론에 의해 생성되는 지구 자기장을 안정시키는 역할을 하는 것으로 추정된다.

2005년 Science지에 발표된 연구에 따르면, 내핵은 지구 표면보다 연간 약 0.3~0.5도 더 빠르게 회전하는 것으로 추정된다.^[70]^[71] 최근에는 핵의 가장 안쪽 부분에 금, 백금 및 다른 친철원소(siderophile element)가 풍부할 수 있다는 가설도 제기되었다.^[72]

3. 지구 구조 연구 방법

지구 내부는 직접 땅을 파서 조사하기 어렵기 때문에, 간접적인 방법을 통해 그 구조를 알아낸다. 가장 중요한 방법은 지진 발생 시 생기는 지진파를 분석하는 것이다.^[48] 지진파는 지구 내부의 서로 다른 물질 층을 통과하면서 속도가 변하는데, 이러한 속도 변화는 스넬의 법칙에 따라 파동의 굴절을 일으킨다. 또한, 속도가 크게 다른 경계면에서는 파동의 일부가 반사되기도 한다. 마치 빛이 프리즘을 통과하며 꺾이거나 거울에 반사되는 것과 유사하다. 이러한 지진파의 굴절과 반사 현상을 관측하고 분석하여 지구 내부가 여러 층으로 이루어져 있음을 밝혀냈다.^[49] 지진파 분석 외에도 운석 연구나 고온 고압 실험 등 다양한 방법이 지구 내부 구조를 이해하는 데 활용된다.

3. 1. 지진파 분석

지구 내부는 직접 탐사하기 어렵기 때문에, 지진 발생 시 생성되는 지진파의 특성을 분석하여 그 구조를 간접적으로 추론한다.^[75]^[48] 지진파가 지구 내부를 통과하면서 굴절하거나 반사되는 현상을 관측하고, 그 이동 시간을 측정하여 내부 구조를 파악하는 방식이다.

지진파에는 크게 P파(종파)와 S파(횡파)가 있다. P파는 고체, 액체, 기체 상태의 물질을 모두 통과할 수 있는 반면, S파는 고체 상태의 물질만 통과할 수 있고 액체나 기체 상태에서는 전달되지 않는다. 이러한 특성 차이는 지구 내부 물질의 상태를 알아내는 데 중요한 단서가 된다. 예를 들어, 지구의 핵 중 외핵 부분은 S파가 통과하지 못하는 것으로 관측되는데, 이를 통해 외핵이 액체 상태임을 알 수 있다. 반면, 내핵은 S파가 전달되는 것으로 보아 고체 상태로 추정된다.

지구 내부는 균일한 물질로 이루어져 있지 않고 여러 층으로 나뉘어 있으며, 각 층마다 밀도와 구성 물질이 달라 지진파의 전달 속도(지진 속도)가 다르다.^[75]^[48] 지진파가 속도가 다른 경계면을 통과할 때에는 스넬의 법칙에 따라 진행 방향이 꺾이는 굴절 현상이 일어난다. 이는 빛이 공기 중에서 물이나 프리즘으로 들어갈 때 굴절하는 것과 유사하다. 또한, 지진 속도가 급격하게 변하는 경계면에서는 지진파의 일부가 거울에 빛이 반사되듯 반사되기도 한다. 이러한 굴절과 반사 현상을 분석하여 지구 내부의 주요 경계면(모호로비치치 불연속면, 구텐베르크 불연속면, 레만 불연속면 등)의 위치와 각 층의 물리적 상태를 파악할 수 있다.^[75]^[48]

3. 2. 운석 연구

지구 상부 내부 구조의 화학적 조성^[1]
화학 원소	대륙 지각 (%)	상부 맨틀 (%)	파이롤라이트 모델 (%)	운석 모델 (1) (%)	운석 모델 (2) (%)
MgO	4.4	36.6	38.1	26.3	38.1
Al₂O₃	15.8	4.6	4.6	2.7	3.9
SiO₂	59.1	45.4	45.1	29.8	43.2
CaO	6.4	3.7	3.1	2.6	3.9
FeO	6.6	8.1	7.9	6.4	9.3
기타 산화물	7.7	1.4	1.2	해당 없음	5.5
Fe	해당 없음	해당 없음	해당 없음	25.8	해당 없음
Ni	해당 없음	해당 없음	해당 없음	1.7	해당 없음
Si	해당 없음	해당 없음	해당 없음	3.5	해당 없음

참고: 운석 모델 (1)에서 핵 속의 경원소는 Si로 가정한다. 운석 모델 (2)는 운석 모델 (1)에 표시된 핵 모델에 해당하는 맨틀의 화학적 조성 모델이다.^[1]

지구는 우주에 있는 천체 중 하나이므로, 지구를 구성하는 물질은 일종의 콘드라이트 운석이나 태양 바깥쪽 물질과 기본적으로 관련이 있다^[73]^[74]。 중력에 의해 크고 작은 운석 충돌이 반복되어 지구가 형성되었다고 가정하면, 지구가 주로 콘드라이트 운석과 유사한 조성을 가질 것이라고 생각하는 것은 합리적이다.

1940년대 초부터 프랜시스 버치를 포함한 과학자들은 지구를 일반적인 콘드라이트(지구에 떨어지는 가장 흔한 유형의 운석)와 유사하다고 보고 지구물리학 연구를 진행했다. 하지만 엔스터타이트 콘드라이트와 같이 상대적으로 드문 종류의 운석은 오랫동안 주목받지 못했다. 이 두 운석 유형의 주요 차이점은 엔스터타이트 콘드라이트가 극히 제한된 산소 조건 하에서 형성되었다는 점이다. 이 때문에 엔스터타이트 콘드라이트는 지구의 핵과 유사한 합금 부분에 친산소 원소를 포함하고 있을 가능성이 제기된다. 이러한 운석 연구는 지구 내부의 구성 물질을 추정하는 데 중요한 단서를 제공한다.

3. 3. 고온 고압 실험

지구 내부, 특히 핵과 같이 직접 접근하기 어려운 영역의 물질 상태와 특성을 이해하기 위해 실험실에서 고온 고압 조건을 재현하는 연구가 수행된다. 대표적인 실험 장비로는 다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell, DAC)이 있다. 이 장치는 두 개의 다이아몬드 팁 사이에 연구하려는 물질(예: 철-니켈 합금) 샘플을 넣고 강한 압력을 가하여 지구 핵 내부와 유사한 초고압 상태를 만든다.^[40]^[41]^[66]^[67]

고압 상태를 만든 후에는 레이저를 이용하여 샘플을 수천 켈빈(K)에 달하는 고온으로 가열한다. 예를 들어, 철-니켈 합금 샘플을 핵과 유사한 압력 하에서 약 4,000,000까지 가열하는 실험이 진행되었다.^[40]^[41]^[66]^[67] 이렇게 극한 조건에 놓인 샘플의 변화는 X선 회절 등의 방법을 통해 실시간으로 관찰하여 물질의 결정 구조나 상태 변화를 분석한다.^[40]^[41]^[66]^[67]

이러한 고온 고압 실험은 지구 내핵이 주로 철과 니켈로 이루어진 고체 상태라는 잉게 레만의 발견을 뒷받침하는 중요한 증거들을 제공했다.^[34]^[60] 특히, 특정 실험 결과는 내핵이 남북 방향으로 정렬된 거대한 단일 결정일 수 있다는 가설을 지지하기도 한다.^[38]^[39]^[40]^[41]^[64]^[65]^[66]^[67]

하지만 모든 실험 결과가 일치하는 것은 아니다. 다이아몬드 앤빌 셀을 이용한 정적 고압 연구와 레이저 충격을 이용한 동적 고압 연구 사이에 내핵 물질의 녹는점 측정값이 약 2,000,000 정도 차이가 나는 불일치가 보고되었다.^[35]^[36]^[61]^[62] 또한, 일부 레이저 충격 실험에서는 고온 고압 상태의 물질이 플라스마와 유사한 상태를 보일 수 있다는 결과가 나와, 내핵이 고체가 아닌 고밀도 플라스마 상태일 가능성도 제기되는 등^[37]^[63], 지구 심부 물질의 정확한 상태에 대한 연구는 현재도 활발히 진행 중이다.

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