지구에 대해서 알아볼게요 2부

2부 지구의 구조

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1.지구의 내부 구조

지구의 대부분은 수성, 금성, 화성, 달과 마찬가지로 암석과 금속으로 이루어져 있다. 지구를 포함한 이들 다섯 천체 중에서 지구는 가장 무거우며 또한 크다. 밀도 역시 가장 높으며, 표면 중력, 자기장, 자전 각속도가 가장 큰 천체이다.

지구의 내부구조는 대체로 층상 구조를 이루고 있다. 지구의 최외각 부분은 주로 유체로 되어 있는데, 구성 물질에 따라서 대기권, 수권으로 구분한다. 생물권은 그 양이 매우 작고, 대부분의 경우 지구의 물리적 층으로는 인정하지 않고 있다.

지구 물리적인 관점에서는 지구 내부를 물성에 따라서 분류하는데, 다음과 같은 층상 구조로 구분된다.

●0 - 약 60 km 암석권
●약 60 km - 약 200 km 연약권
●약 200 km - 2890 km 중간권 (맨틀)
●2890 km - 5100 km 외핵 (온도는 섭씨 3000~5500도)
●5100 km - 6378 km 내핵 (온도는 섭씨 5500도 이상)

판구조론에서 구별하는 암석권과 연약권은 물질의 성질에 따라 분류한 것으로 지질학적인 시간 동안 탄성체로 간주할 수 있는 부분을 암석권, 점성을 가진 물체처럼 행동하는 부분을 연약권이라고 한다. 연약권을 암류권이라고 부르는 사람도 있다.

전통적 방법으로 구분한 지구의 층상 구조는 가장 바깥 부분부터 지각, 맨틀, 핵 (핵은 다시 외핵과 내핵으로 나뉜다. 이것은 화학적 구성 성분의 변화를 기준으로 구분한 것이다. 가장 바깥 부분을 이루고 있는 층인 지각은 그 두께가 지구 반지름에 비하여 매우 얇고 지역에 따른 구조 및 성분의 변화가 심한 특징이 있다. 지각은 다시 밀도에 따라 크게 두 종류로 나뉘는데, 대륙지각(약 2.7g/cm3)과 해양지각(약 3.0g/cm3)이 바로 그것이다. 대륙지각은 주로 알루미늄, 나트륨, 칼륨과 같이 상대적으로 가벼운 원소와 결합한 규산염 화합물이 주성분인 광물로 이루어져 있지만, 해양지각은 철, 마그네슘같이 무거운 원소를 양이온으로 가지는 규산염 광물 화합물이 주성분이다. 지각에서의 밀도 차이가 대륙지각이 상부에 있고, 해양지각이 하부에 있는 구조를 나타내지는 않는다. 지각 평형설에 따르면, 대륙지각은 낮은 밀도를 보상하기 위해서 두꺼워야 하고, 해양지각은 얇아야 한다. 이러한 까닭에 대륙지각의 두께는 30에서 70km에 달하지만, 해양지각의 두께는 10km도 채 되지 않는다. 대륙지각은 오랫동안 풍화의 산물들이 모여 생긴 것이기 때문에 그 구조와 성분이 지역에 따라 판이하게 달라지는 데 반하여, 해양지각은 온 지구에 걸쳐서 거의 동일한 기작을 통하여 형성되기 때문에 매우 균질한 양상을 보인다.

지각의 맨 아래의 부분은 모호로비치치 불연속면(짧게 모호면)이라고 하며, 이 면을 경계로 하여 지진파의 속도가 상당히 빨라진다. 지진파의 속도는 물성과 관계가 깊기 때문에 모호면 상하로 구성 물질의 변화가 있을 것으로 생각하며, 그 아래 부분을 맨틀이라고 한다. 맨틀은 모호면 바로 아래에서부터 시작하여 깊이 2900km에 이르는 구역을 가리킨다. 따라서 맨틀의 주요 구성 성분인 규산염 광물 역시 깊이에 따라서 매우 광범위한 변화를 보인다. 최상부에서 맨틀을 이루는 감람석의 밀도는 약 3.3g/cm3인 반면, 가장 하부의 맨틀은 그 밀도가 약 5.5g/cm3에 달할 것으로 추정하고 있다. 맨틀의 최상부는 주로 감람석으로 구성되어 있고 깊이 420km까지를 차지한다. 그 이하의 깊이에서 감람석은 높은 압력으로 인하여 스피넬 구조로 상변이를 일으킨다. 깊이가 660km에 이르면 높은 압력으로 인해 감람석은 페롭스카이트로 상전이를 일으키며 마그네슘 산화물과 공존한다. 이 깊이 이하를 하부맨틀이라고 하여 상부 맨틀과 구분한다. 맨틀은 단단한 암석으로 이루어져 있지만 매우 오랫동안에는 유체처럼 행동하여 대류를 일으킨다. 최근의 연구 중에는 핵과 맨틀의 경계에 가까운 맨틀에서는 매우 높은 압력으로 인해 페롭스카이트가 또다시 상전이를 일으켜 이방성 광물로 변화하며, 이 상전이는 온도에 상당히 민감한 변화이기 때문에 지역마다 존재 여부가 달라진다는 견해가 있다.

핵은 맨틀이나 지각과는 달리 철과 니켈이 주성분인 금속으로 되어 있다. 핵은 지구 형성 초기에 밀도에 따른 중력 분화 과정에서 무거운 원소가 중력 포텐셜이 낮은 중심으로 모이면서 생겼다. 이러한 갑작스러운 물질 조성의 변화 때문에 핵과 맨틀의 경계는 뚜렷한 구분을 보이는데, 이 면을 구텐베르크면이라고 한다. 핵은 깊이 5100km를 경계로 또다시 두 층으로 나뉘는데, 외핵과 내핵이 그것이다. 외핵은 S파가 전달되지 못하는 것으로 보아 액체 상태로 되어 있다고 추정하고 있으며, 내핵은 고체 상태로 여겨진다. 내핵과 외핵의 경계면은 레만면이라고 한다. 외핵은 액체 상태로 지구의 공전과 열역학의 영향을 받으며 대류하고 있다고 추정하고 있으며, 외핵의 전도성 유체 운동에 의해 지구의 강력한 자기장이 유지되고 있다고 생각되고 있다. 그리고 최근 연구 결과에 따르면 외핵 내부에 반지름 약 650 km 정도의 고체로 된 심핵이 존재한다고 한다. 외핵과 내핵의 경계면을 유로면 이라고 한다.

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2.자전과 공전

지구는 23시간 56분 4.091초 주기로 자전하며, 그 축은 북극과 남극을 잇는 선이다. 그 방향은 지구의 북극에서 보았을 때 시계 반대 방향이다. 그 결과 지구에서 천체들이 한 시간에 15도씩 동에서 서로 이동하는 것처럼 보이는 일주운동을 관찰할 수 있다.

지구는 태양을 365.2564태양일 주기로 공전하고 있다. 이 때문에 지구에서 보았을 때 태양이 다른 천체들을 배경으로 하여 하루에 1도씩 서에서 동으로 이동하는 현상을 볼 수 있다.

지구의 궤도 속도는 평균 초속 30 km 정도인데, 이 속도는 지구의 지름은 7분 만에, 달까지의 거리는 4시간 만에 통과할 수 있는 속도이다.

지구는 하나의 위성, 달을 거느리고 있다. 달과 지구는 공동 질량중심을 27.32일의 주기로 회전하고 있으며 이를 항성월이라고 한다. 한편, 지구와 달의 회전이 일어나는 동안 지구 역시 태양 주위를 공전하고 있기 때문에 태양과 달의 상대적인 위치가 되풀이되는 데에는 항성월 보다 조금 더 긴 29.53일이 걸리며 이 기간을 삭망월이라고 지칭한다.

공전 궤도면에 수직인 방향과 자전축은 서로 일치하지 않고 23.5도나 차이가 난다. 이 기울기 때문에 공전궤도 상의 지구의 위치에 따라 태양 입사의 각도가 달라지고 계절의 변화를 일으키게 된다. 한편 달의 궤도면은 지구의 공전궤도면과 또다시 5도의 차이가 있다. 따라서 삭망마다 일식과 월식이 반복되지 않는다.

관성좌표계(지구의 자전, 공전과 관계없이 태양에 고정된 좌표계)에서 지구는 세차운동을 한다. 세차운동이란 지구의 자전축이 긴 시간을 주기로 원뿔 모양을 그리면서 회전하는 것을 일컫는데, 그 주기는 25,800년 (258세기)이다. 세차운동은 태양의 중력이 지구의 볼록 타원체에 차등적으로 가해져서 생기는 현상인데, 비슷하게 달에 의해서도 자전축이 흔들리며 그 주기는 18.6년이고 장동이라고 부른다.

지구와 함께 회전하는 좌표계에서도 지구의 자전은 약간의 불안정함을 보이는데, 이것을 극운동이라고 한다. 극운동은 준주기적인 운동이며, 연주기성분과 챈들러 운동이라고 하는 14개월 성분으로 이루어져 있다. 극운동과 함께 지구의 자전 속도 역시 일정하지 않으므로 하루의 길이 역시 달라진다. 때때로 윤초가 삽입되는 것은 이러한 영향을 보상하기 위해서이다.

달과의 인력과 바다의 밀물과 썰물의 상호관계 때문에 지구의 자전 속도는 느려지는데 매년 0.000017초 정도가 느려지고 달과의 거리는 매년 4cm씩 멀어지고 있다.

현재 지구 공전 궤도의 근일점은 1월 3일 부근에 있으며 원일점은 7월 4일 부근에 있다. 세차운동과 밀란코비치 주기로 알려진 현상에 의해서 지구의 공전 궤도는 달라진다.

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3.표면

지구의 표면은 대륙과 해양의 두 부분으로 나뉜다. 육지의 평균 높이는 840m인데, 해안평야·구릉·대지(臺地)·산맥 따위의 복잡한 기복을 가지고 있다. 산맥이 되어 있는 지역은 면적은 크지 않으나, 그 대부분은 대륙의 내부보다 바다에 가까운 곳에 있어서 조산대(造山帶)라고 일컬어지는 특별한 지역으로 되어 있다. 고산(高山)의 사면(斜面)에는 많은 골짜기가 패어 있고, 이들 골짜기를 흘러내리는 물은 하천이 되어 바다로 들어간다. 하천의 유수는 지표의 암석을 침식하고 대소의 암설(岩屑)을 운반하여 하류 유역이나 해저에 이들 물질을 퇴적한다. 지표는 지각의 내부 마그마(magma)의 작용 등에 의하여 끊임없이 융기와 침강을 일으킨다. 또한 대기나 물의 작용으로 풍화·침식을 받고 있다. 말하자면 지표는 지각의 운동과 대기나 물에 의한 풍화·침식 작용의 복합으로 인하여 복잡한 기복이 만들어지고, 그 형태가 끊임없이 바뀌고 있다고 할 수 있다.