내부열
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1. 개요
내부열은 천체의 내부에서 발생하는 열을 의미하며, 천체의 종류에 따라 생성 원인과 그 영향이 다르다. 암석 행성은 방사성 붕괴와 잔열로 인해 내부열이 발생하며, 가스 행성은 암석 행성보다 더 많은 내부열을 가진다. 갈색 왜성은 가스 행성보다 높은 수준의 내부열을 보이며, 항성은 열핵 반응을 통해 헬륨을 생성하고 무거운 화학 원소를 만들 수 있을 정도로 강력한 내부열을 갖는다. 작은 천체는 방사성 붕괴에 의해 내부열이 발생한다.
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태양계는 태양을 중심으로 행성, 위성, 왜행성, 소행성, 혜성 등 다양한 천체들이 중력으로 묶여 있는 항성계로, 약 46억 년 전 분자운의 붕괴로 형성되었으며 지구형 행성, 목성형 행성, 카이퍼 대, 오르트 구름 등을 포함하고 탐사를 통해 구성과 역사가 밝혀지고 있다. - 행성과학 - 지구과학
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열기관은 고온 열원에서 열을 받아 일을 하고 나머지를 저온 열원으로 방출하는 장치이며, 증기 동력, 가스 동력, 내연기관 등으로 분류되어 화력 발전소, 자동차 등 다양한 분야에 활용된다.
| 내부열 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 행성, 위성, 또는 다른 천체 내부에서 발생하여 표면으로 방출되는 열 에너지. |
| 열원 | |
| 원시 열 | 천체 형성 시의 중력 에너지 변환 밀도에 따른 분화 과정에서 방출되는 열 |
| 방사성 붕괴열 | 천체 내 방사성 동위 원소 (우라늄, 토륨, 칼륨)의 붕괴로 인한 열 |
| 조석 가열 | 다른 천체의 조석력에 의해 발생하는 마찰열 특히 위성의 내부를 녹여 화산 활동을 유발 |
| 관련 현상 | |
| 행성 지질 활동 | 내부열은 맨틀 대류를 통해 표면으로 전달되어 화산 활동, 지진, 판 구조론 등 다양한 지질 활동을 유발. |
| 지하 바다 | 내부열은 얼음 위성 내부에 액체 상태의 물로 이루어진 지하 바다를 유지하는 데 중요한 역할. |
| 대기 유지 | 내부열은 일부 천체의 대기를 유지하는 데 기여 (예: 타이탄). |
| 주요 예시 | |
| 지구 | 맨틀 대류를 통한 열 전달 화산 활동 및 지진 발생 |
| 목성 위성 이오 | 강력한 조석 가열로 인한 활발한 화산 활동 |
| 토성 위성 엔셀라두스 | 지하 바다 존재 물기둥 분출 |
| 해왕성 위성 트리톤 | 간헐천 활동 가능성 |
| 연구 분야 | |
| 행성 과학 | 천체의 진화 과정 및 내부 구조 연구 |
| 외계 행성 연구 | 생명체 존재 가능성 평가 행성 거주 가능 영역 설정 |
| 추가 정보 | |
| 참고 문헌 | Schubert, G., Turcotte, D. L., & Olson, P. (2001). Mantle convection in the earth and planets. Cambridge University Press. Stevenson, D. J. (2003). Planetary magnetic fields. Earth and Planetary Science Letters, 208(1-2), 1-11. |
2. 행성
행성의 내부열은 그 크기와 구성 성분에 따라 다르며, 지질학적 활동과 대기 현상에 영향을 미친다. 행성은 크게 암석 행성과 가스 행성으로 나눌 수 있는데, 이들의 내부열은 그 특징에 따라 다른 양상을 보인다. 암석 행성의 내부열은 지각 운동과 화산 활동의 원동력이 되며, 가스 행성의 내부열은 날씨 및 바람을 생성시키는 원동력이 된다.
갈색 왜성은 가스 행성보다 더 많은 내부열을 가지고 있지만, 항성의 열에 비하면 적다. 갈색 왜성은 내부열로 인해 중수소를 헬륨으로 바꾸는 열핵반응을 일으킬 수 있으며, 가스 행성과 마찬가지로 날씨 및 바람을 발생시킨다.
2. 1. 암석 행성
지각 운동과 화산 활동의 원동력은 암석 행성의 내부열이다. 지구는 태양계의 행성들 중 가장 많은 내부열을 지니고 있는데, 그 이유는 지구의 질량이 태양계 암석 행성들 중 가장 크기 때문이다. 수성과 화성은 각각 지구 질량의 5%와 11%에 불과하여 내부열을 잃은 상태이며, 이들을 '지질학적으로 죽었다'라고 표현한다. 지구는 더 큰 질량을 가지고 있어, 내부열이 판 구조론과 화산 활동을 일으킬 수 있을 만큼 충분하다.2. 2. 가스 행성
가스 행성은 암석 행성보다 훨씬 더 많은 내부열을 지니고 있다. 목성은 중심핵 온도가 36000 켈빈으로 가장 많은 내부열을 가지고 있다. 태양계의 목성형 행성의 경우, 내부열은 지구형 행성이 햇빛에 의해 날씨 변화를 겪는 것과 달리, 햇빛 대신 해당 행성의 날씨 및 바람을 생성시키는 원동력이 된다. 내부열로 인해 가스 행성의 온도는 유효 온도보다 더 높이 올라가는데, 목성의 경우 내부열로 인해 실제 온도는 유효 온도보다 40 켈빈 더 높다. 최근 발견되고 있는 '뜨거운 목성'들은 내부열 때문에 대기가 팽창해 있다.거대 행성은 지구형 행성보다 훨씬 더 큰 내부 열을 가지고 있는데, 이는 질량이 더 크고 압축성이 더 커서 중력 수축으로 더 많은 에너지를 얻을 수 있기 때문이다. 목성은 태양계에서 가장 질량이 큰 행성으로, 가장 많은 내부 열을 가지고 있으며, 핵심 온도는 36,000 K로 추정된다. 태양계 외행성의 경우, 내부 열은 지구형 행성의 기상 현상을 지배하는 햇빛 대신 날씨와 바람의 원동력이 된다. 거대 행성 내부의 열은 유효 온도보다 더 높은 온도를 상승시키며, 목성의 경우 유효 온도보다 40 K 더 따뜻하게 만든다. 외부 열과 내부 열의 조합(조석 가열 및 전자기 가열의 조합일 수 있음)은 별에 매우 가까이 공전하는 거대 행성(뜨거운 목성)을 "부풀어 오른 행성"으로 만드는 것으로 생각된다(외부 열 자체로는 충분하지 않은 것으로 생각된다).
3. 왜성
왜성은 갈색 왜성과 같이 별이 되기에는 질량이 부족한 천체들을 포함한다. 갈색 왜성은 가스 행성보다 내부열이 높지만, 항성에 비하면 미미한 수준이다. 갈색 왜성은 중수소를 헬륨으로 바꾸는 열핵반응을 일으킬 수 있으며, 이 내부열로 인해 날씨와 바람이 발생한다.
3. 1. 갈색 왜성
갈색 왜성은 가스 행성보다 훨씬 더 높은 수준의 내부열을 지니고 있지만 항성이 가진 열에 비하면 보잘것없다. 갈색 왜성은 내부열로 인해 중수소를 헬륨으로 바꾸는 열핵반응을 일으킬 수 있다. 가스 행성과 마찬가지로 갈색 왜성은 내부열에 의해 날씨 및 바람을 발생시킨다.갈색 왜성은 주계열성처럼 핵에서 수소-1 융합 반응을 유지할 만큼 질량이 크지 않은 준항성 천체이다. 갈색 왜성은 가장 무거운 가스 행성과 가장 가벼운 별 사이의 질량 범위를 차지하며, 상한선은 약 75~80 목성 질량(MJ)이다. 약 13 MJ보다 무거운 갈색 왜성은 중수소를 융합하며, 약 65 MJ 이상은 리튬도 융합한다.
4. 항성
항성의 내부열은 매우 강해서 열핵 반응을 통해 수소를 태워 헬륨으로 바꾸며, 무거운 화학 원소들도 만들어 낼 수 있다. 예를 들어 태양의 중심핵 온도는 1360만 켈빈이다. 항성이 더 뜨겁고(푸른 색으로 빛나고) 질량이 커지고 유효 온도가 높아지고 늙을수록 내부열은 강해진다. 이들은 생애의 끝에 이르러 내부열을 중심핵의 압축을 통해 극히 높은 수준으로 증가시켜, 헬륨을 태워 탄소나 산소를 만들어낸다.
별 내부의 열은 매우 커서 (초기 중력 수축 단계를 거친 후) 수소의 열핵 반응을 점화하고 유지하여 헬륨을 형성하며, 더 무거운 화학 원소를 만들 수 있다(항성 핵합성 참조). 별의 질량이 크고 나이가 많을수록 더 많은 내부 열을 갖는다. 별의 생애가 끝나갈 무렵, 별의 내부 열은 핵융합을 위한 연쇄적인 연료가 소모됨에 따라 핵의 조성이 변화하고, 결과적으로 수축이 일어나면서 (남은 연료의 더 빠른 소모를 동반) 극적으로 증가한다. 별의 질량에 따라 핵은 헬륨을 융합하기에 충분히 뜨거워질 수 있으며 (탄소와 산소 및 소량의 더 무거운 원소 형성), 충분히 질량이 큰 별의 경우 더 많은 양의 더 무거운 원소를 융합할 수 있다. 철과 니켈보다 무거운 원소를 생성하는 핵융합은 더 이상 에너지를 생성하지 않으며, 이러한 원소를 생성하는 데 필요한 온도를 달성할 만큼 질량이 큰 별의 핵은 안정적인 백색 왜성을 형성하기에는 너무 질량이 크므로, 질량에 따라 핵붕괴 초신성이 발생하여 중성자별 또는 블랙홀을 생성한다. 붕괴에 의해 생성된 열은 중성자별 내부에 갇히고, 작은 표면적으로 인해 천천히 빠져나가며, 열은 블랙홀 밖으로 전혀 전달될 수 없다 (하지만 호킹 복사 참조).
5. 작은 천체
태양계 초창기에는 수백만 년 정도의 반감기를 가진 방사성 핵종(알루미늄-26, 철-60 등)이 충분히 풍부하여, 베스타와 같은 일부 위성과 소행성의 내부를 녹일 만큼 충분한 열을 발생시켰다. 이러한 방사성 동위 원소가 미미한 수준으로 붕괴된 후에는 칼륨-40, 토륨-232, 우라늄-235 및 우라늄-238과 같이 수명이 긴 방사성 동위 원소에서 발생하는 열만으로는 조석 가열과 같은 대체 내부 가열원이 없는 한 이러한 천체를 용융 상태로 유지하기에 충분하지 않았다. 따라서 대체 내부 가열원이 없는 지구의 달은 현재 지질학적으로 죽어있는 반면, 충분한 조석 가열(또는 적어도 최근에 그랬던)과 일부 남은 방사성 가열을 가진 엔켈라두스와 같은 작은 위성은 활발하고 직접 감지 가능한 냉각 화산 활동을 유지할 수 있다.
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