지구
지구(Earth)는 태양계의 세 번째 행성이다.
목차
개요
지구는 태양으로부터 세 번째 행성이며 45억 6700만 년 전 형성되었다. 용암 활동이 활발했던 지구와 행성 테이아의 격렬한 충돌로 생성되었다고 추측되는 달을 위성으로 가지고 있다. 지구의 중력은 태양과 상호 작용하고, 유일한 자연위성인 달과도 상호작용한다. 지구와 달 사이의 중력 작용으로 조석 현상이 발생한다.
지구의 역사
원시 태양계의 형성
태양계는 우리은하의 나선팔에 있던 거대한 성운에서 초신성이 폭발하면서 시작되었다. 이 성운의 99% 이상은 수소와 헬륨으로 이루어졌으며 나머지는 매우 작은 알갱이였던 것으로 추정된다. 이때 발생한 충격파로 성운에서 수축이 일어나며 태양계를 만들 수 있는 원시 태양계 성운이 만들어졌다. 이후 원시 태양계 성운이 수축하면서 회전하기 시작했고, 시간이 지날수록 물질들이 저점 중심으로 모이면서 성운의 회전 속도가 빨라졌다. 이때 수축이 강하게 일어나는 중심부에서는 성운 질량의 대부분을 차지하는 원시 태양이 형성되었다. 그리고 원시 태양 주변에는 성운을 이루는 기체와 먼지가 성운의 회전축과 수직인 평면으로 모여 회전하는 납작한 원반이 만들어졌다. 성운의 온도가 서서히 내려가면서 회전하는 원반에서는 수많은 고리가 만들어졌고, 각 고리에서 먼지와 얼음 알갱이 같은 고체 입자들이 충돌하고 합쳐지며 수많은 미행성체가 형성되었다.[1] 태양이 막 별로 탄생하였던 당시에는 태양의 높은 온도 때문에 주변의 먼지들이 처음에는 모두 기체로 변했지만 이 기체들은 곧 냉각되어 작은 광물 알갱이를 이루었다.이 알갱이들은 서로 충돌하여 합쳐져 커다란 미행성으로 자라게 된다.[2] 원시 태양 부근의 원반 안쪽은 온도가 매우 높았기 때문에 가벼운 성분은 대부분 날아갔으며 철, 니켈 등과 같은 금속이나 규선염 물질 등 무거운 성분이 남아 밀도가 높고 암석으로 이루어진 지구형 행성이 형성되었다. 반대로, 원반 바깥쪽은 상대적으로 온도가 낮았기 때문에 가벼운 성분이 얼음 상태의 입자로 남았다. 얼음 상태의 입자는 암석 성분의 먼지와 합쳐져 미행성체가 되었으며 미행성체가 성장하면서 가벼운 기체 성분을 끌어모아 밀도가 작고 질량이 큰 목성형 행성이 형성되었다.[1]
달과 원시 지구의 형성
지구는 약 45억 6700만 년 전에 형성되었으며, 태양계가 형성 될 때와 같다고 본다. 원시 태양계 원반의 태양에 가까운 부근에서는 막 방출되기 시작한 태양 복사에너지 때문에 휘발성 성분이 날아갔고 그 때문에 규소를 주성분으로 하는 암석류와 니켈, 철 같은 금속 성분이 남았다. 원시 지구는 무거운 성분이 풍부한 미행성체들이 충돌하고 결합하는 과정에서 형성되었다. 따라서 지구는 주로 철, 니켈 등의 금속과 규산염 물질로 이루어져 있다. 원시 지구는 미행성체와 충돌하면서 크기가 성장하였는데, 미행성의 크기가 커지면 성장속도는 가속도가 붙었다.[3] 한편 지구에는 달이라고 하는 큰 위성이 있는데, 달의 기원을 가장 잘 설명하는 이론으로는 거대충돌설이다. 이 가설에 따르면 지구 궤도의 미행성들이 모여 어느 정도 크기의 원시 지구가 만들어졌을 무렵인 가스 원반 형성 후 약 5천만 년이 지났을 때, 화성 크기의 미행성이 원시 지구와 충돌했는데 이 때 충돌한 원시 지구와 미행성의 중심에 있던 무거운 물질이 합쳐져 지구의 모태를 이루게 되었다. 충돌 후 부서진 덩어리들의 대부분은 지구로 낙하했지만 지구로부터 멀리 떨어져 있던 덩어리들은 자기들끼리 모여 달의 씨앗을 만들었다. 지구와 달이 탄생한 후에도 지구와 달에는 한동안 미행성들의 충돌이 이어졌다. 이 미행성들의 충돌 에너지에 의해 지구와 달의 겉부분은 대부분 녹아 마그마 바다를 이루었다. 이 마그마 바다는 지구와 달이 충돌한 후 약 5천만 년에서 1억 년 동안 존재했으며 이 기간에 지각과 맨틀 그리고 핵의 분화가 일어났다.[2]
마그마 바다
원시 지구는 바깥층이 거의 녹은 상태를 겪으면서 성장했다. 원시 지구의 열원은 크게 3가지로 나뉘는데 첫번째로는 소행성의 충돌이다. 소행성이 충돌하면서 생기는 운동에너지가 열에너지로 바뀌면서 원시 지구는 뜨겁게 달아올랐다. 두 번째는 중력에너지이다. 원시지구가 가열되면서 조금씩 녹기 시작하자 그 안에 섞여있던 규소와 철분뢰되기 시작했다. 상대적으로 무거운 철이 중력에너지가 낮은 지구 중심으로 쏠리면서 엄청난 중력에너지를 열에너지의 형태로 방출하게 된다. 세 번째 열원은 원시 태양계에 있던 방사성 동위원소 붕괴열이다. 지구의 바깥층이 완전히 녹은 상태를 마그마 바다라고 하는데, 그 깊이는 수백 km에 달했다고 추측된다. 중력분화가 끝나고 소행성의 낙하도 사그러들자 지구가 식기 시작했다. 마그마 바다가 식으면서 최초의 지각이 형성되었다.[3]
원시 지각과 원시 바다
원시 지구가 어느 정도 커진 다음에는 충돌하는 미행성의 수가 줄었으며 맨틀에서의 활발한 대류에 의해 지구의 겉부분이 빠르게 식으면서 지각이 형성되었다. 현재, 최초의 지각은 현무암질이었으리라고 추정하는데그 이유는 최초의 지각이 마그마 바다가 굳어 만들어졌다면 그 성분은 현재의 지각과 상부 맨틀을 섞어 놓은 것과 비슷할 것이기 때문이다. 원시지구의 마그마 바다는 화산활동이 활발하게 일어나는 곳이었다. 화산이 폭발할 때는 용암이나 암석 부스러기가 분출되기도 하지만 동시에 엄청난 양의 휘발성분도 방출된다. 이 때 방출되는 휘발성분 중 약 80%는 수증기이며 12%는 이산화탄소 그리고 나머지를 유황가스, 질소 및 수소 등이 차지했던 것으로 추정된다. 유황가스는 다른 원소와 결합해 퇴적물 속으로 들어갔으며 그 결과 원시대기는 주로 이산화탄소가 80%, 질소 15%, 수소 5% 등으로 이루어지게 되었다.[2] 더불어 충돌로 인해 방출되어 나간 열에너지에 의한 가열과 원시대기의 보온 효과에 의해 지표의 온도가 올라가고 암석이 녹아 마그마의 바다가 형성되었다. 수증기의 일부는 마그마에 녹고 나머지는 원시대기를 형성해 고도 300km 지점에 구름이 생겼다. 원시지구가 현재의 크기에 가까워졌을 때 미행성의 충돌은 적어져서 대기의 온도가 급격히 내려가 구름이 두터워지고 구름의 밑바닥이 지표에까지 이르게 됐다. 지구의 온도가 낮아지고 액체 상태의 지각이 굳어지면서 고체가 되었으며 공기 중의 수증기가 물방울로 변하면서 구름을 만들었고 하늘을 뒤덮은 두꺼운 구름에서 마침내 비가 내리기 시작했다. 지구 최초의 이 비는 300도씨 정도의 뜨거운 비였다. 장마비처럼 쏟아진 이 비는 1300도 정도로 펄펄 끓는 땅 표면을 빠른 속도로 식혀주었다. 땅 표면이 식으면서 공기 중의 수증기가 물방울로 바뀌었고 또 비가 내렸는데 얼마간 이런 일이 일어났는지 아무도 모르지만 원시대기의 약 80%에 이르는 수증기가 비가 되어 1000년이나 계속해 내렸고 연간 10m가 넘는 강우량을 보인걸로 추측된다. 대기 중의 염산가스와 황산가스에 의해 비는 강산성이었으리라 추측되고 그렇게 약 45억 년 전에 바다가 탄생했다.[4]
생명의 탄생
지구의 독특한 점 중 하나는 생명의 존재이다. 하지만 생명이 언제 어디에서 어떻게 만들어졌는가 하는 질문에 대해선 우리는 아직도 명확하게 답하지 못하고 있다. 분명 지구 탄생 이후 처음 수 억 년 동안은 미행성들의 충돌과 마그마바다의 존재 때문에 생명이 존재하기는 어려웠을 것이다. 과학자들은 38억 년 전 원시 지구에 처음 생명체가 탄생했다고 말한다. 그런데 당시 지구는 지금과는 전혀 다르게 산소가 없었고 바다는 뜨거웠으며 운석과 혜성이 끊임없이 충돌하는 곳이었다. 무기물만 있던 지구에서 어떻게 유기물이 생겼고 생명체가 탄생했는지에 대해 과학자들은 3가지 가설을 내놓았다.
- 원시 대기에서 유기물 합성 : 1920년대 러시아의 생화학자 알렉산드르 오파린(Oparin, Aleksandr Ivanovich)은 원ㅅ ㅣ지구가 목성과 비슷한 상태의 대기를 가졌다고 생각했다. 그래서 오파린은 목성의 대기 상태를 기초로 원시 지구의 대기가 메탄, 암모니아, 수소, 수증기로 이루어졌다고 추측했다. 오파린은 이 성분들이 반응해 유기물이 합성되었고, 이 유기물들이 바다에 축적되는 과정에서 코아세르베이트라는 유기물 복합체가 생겼으며 이것으로부터 생명체가 탄생했다는 이론을 제시했다. 1953년 미국의 화학자 스탠리 밀러(Stanley Miller)는 스승인 해럴드 유리(Harold Urey)와 함께 오파린의 이론을 확인할 수 있는 실험을 하였다. 두 사람은 용기에 메탄, 암모니아, 수소 혼합기체를 넣고 이 용기에 끓는 물에서 올라오는 수증기를 집어넣어 바닷물이 순환하는 원시 지구의 대기와 비슷한 구조를 만들었다. 그리고 원시 지구에서 자주 일어났으리라 추측되는 번개를 대신해 용기 안에 전기 방전을 일으켰다. 이 실험은 일주일 동안 계속되었는데, 일주일 후에 단백질의 구성성분인 아미노산과 같은 유기물이 생성되었다. 이 실험은 오파린의 가설에 힘을 보태주었다. 하지만 이와 비슷한 다른 실험에서 실험자가 원시 지구의 대기를 어떻게 정하느냐에 따라 실험 결과가 달라졌다.
- 유기물 외계 유입설 : 별과 별 사이의 우주 공간에 존재하는 분자인 성간 분자는 지금까지 발견된 것만 140여 종에 달하는데, 여기에는 혜성의 꼬리에서 발견된 글리신과 같은 간단한 아미노산이 포함된다. 성간 구름의 표면에서 화학반응이 일어나 글리신과 같은 간단한 아미놋나이 생성될 가능성은 얼마든지 있다. 또한 지구에 떨어진 운석에서 아미노산과 같은 유기물들이 발견되었다. 심지어는 DNA의 기본 단위인 뉴클레오티드의 구성 성분이 발견된 사례도 있다. 이렇게 유기물이 성간 분자로 발견되고 생명의 기본단위들이 운석에 들어 있다면, 지구 생명의 씨앗도 외계에서 오지 않았을지 생각하는 가설 또한 존재한다. 원시 지구는 수많은 운석들이 쏟아져 들어와 충돌했다고 한다. 이 시기를 재현한 최근 실험에 의하면, 원시 지구에 존재하던 물질에 운석 충돌을 대신해 강력한 레이저로 충격을 가하자 DNA 구성 성분이 만들어졌다고 한다. 이 실험 결과는 운석들이 충돌한 충격으로 발생한 에너지가 원시 지구 물질의 화학 반응을 촉발해 DNA 구성 성분을 만들었고 여기에서 생명이 시작되었음을 시사한다.
- 열수분출공 생명 기원설 : 수심이 아주 깊은 해저에서는 바닷물이 지각 틈 사이로 스며들어갈 수 있는데, 스며들어간 바닷물은 뜨거운 마그마에 의해 460도까지 데워진다. 그러면 주변 암석에 들어있던 일부 금속 성분들이 뜨거운 물에 녹아 들어간다. 뜨거운 바닷물은 지각의 갈라진 틈을 통해 다시 분출되는데, 수심 2000~3000m 깊이에서는 압력이 대기압의 200~200배이기 때문에 물이 수백 ℃라고 해도 수증기로 변하지 않는다. 뜨거운 물이 주변의 차가운 바닷물과 만나면 뜨거운 물에 녹아 있던 물질들이 식어 침전되면서 굴뚝을 만든다. 굴뚝은 시간이 흐르면서 점점 자라게 되는데 이것을 열수분출공이라고 한다. 해저를 직접 탐험할 수 없어떤 과거에는 햇빛이 도달하지 못하는 깊은 해저에 사는 생물들이 매우 드물 것으로 생각했다. 그런데 기술이 발달하여 깊은 해저를 직접 탐험하면서 과학자들은 열수분출공 주변에 사는 많은 동물들을 발견했다. 열수분출공에서 뿜어 나오는 뜨거운 바닷물에는 황화수소가 많이 들어있었는데, 이 황화수소를 소화시켜 태양빛 없이도 유기물을 합성하는 화학합성 박테리아들이 있기 때문이다. 이 박테리아들이 다른 생물의 먹이가 되면서 열수분출공 주변에 생태계가 형성된다. 일부 과학자들은 해저의 열수분출공처럼 척박한 환경이 원시 지구의 환경과 비슷했을 것이라고 주장하면서 생명의 기원을 열수분출공에서 찾는다. 그들은 열수분출공이 생명 탄생에 적절한 물리-화학적 환경과 에너지를 제공했다고 생각한다.[5]
구조
자전, 공전
아날로그 지구와 디지털 지구
각주
- ↑ 1.0 1.1 〈지구의 형성과 역장〉, 《미래엔》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 최덕근, 〈지구 46억 년의 역사〉, 《사이언스온》, 2003-06
- ↑ 3.0 3.1 슈퍼키덜트 슈퍼키덜트, 〈지구의 정의와 대기와 바다의 형성 그리고 생명체〉, 《개인 블로그》, 2020-03-30
- ↑ 김동성, 〈지구와 바다 그리고 생명의 탄생①〉, 《헬로디디》, 2021-06-07
- ↑ 윤상석 프리랜서 작가, 〈생명은 어디에서 왔을까?〉, 《사이언스타임즈》, 2020-01-10
참고자료
- 최덕근, 〈지구 46억 년의 역사〉, 《사이언스온》, 2003-06
- 슈퍼키덜트 슈퍼키덜트, 〈지구의 정의와 대기와 바다의 형성 그리고 생명체〉, 《개인 블로그》, 2020-03-30
- 〈지구의 형성과 역장〉, 《미래엔》
- 김동성, 〈지구와 바다 그리고 생명의 탄생①〉, 《헬로디디》, 2021-06-07
- 윤상석 프리랜서 작가, 〈생명은 어디에서 왔을까?〉, 《사이언스타임즈》, 2020-01-10
같이 보기
