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 원시 지구
대기의 형성 |
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| 자, 우리의 열차는 운석-달-행성계-달-행성계로
이어지는 여러 정거장들을 차례로 통과했다. 이제는 지구로
돌아가서 우리의 푸른 행성에 대기가 만들어지고 바다가
만들어지는 과정들을 살피 기로 하자. 원시 지구가 현재 크기의 행성으로 성장하는 데에는 1억년도 채 걸리지 않았을 것으로 추정되고 있다. 그러나 이 1억년 이내의 시간에 일어난 사건들은 원시 지구에 대기와 바다를 만드는데 매우 중요한 역할을 하게 된다. 반경이 현재의 1/2 정도에 달한 원시 지구에는 평균하여 1년에 1,000개 이상의 미행성이 충돌했으리라 생각된다. 그러면서 지구의 부피가 커졌으며, 지구의 중력도 점점 더 강해지게 되어 미행성을 잡아당기는 힘도 증가했을 것이다. 그 결과 더 많은 미행성의 충돌이 일어났을 것이다. 더욱이 충돌하는 미행성의 속도는 매초 수 km에서 수십 km라는 상당히 빠른 속도이다. 이에 따른 충돌이 일어날 때 미행성 및 원시 지구의 지표에 포함되어 있던 휘발 성분은 순간적으로 증발해 버린다(충돌 탈가스 현상). 이러한 일이 하루에도 몇 차례씩 반복되고, 증발한 가스는 끊임없이 지표 위를 떠다니고 그 농도는 점차 증가한다. 결과적으로 어떤 시기에 원시 지구는 현재의 금성과 같이 그 표면이 두껍고 농도가 진한 가스로 덮이게 된다. 휘발성 성분 중에서도 특히 많은 양을 차지하는 것은 물과 이산화탄소이다, 그 중 물이 80% 이상이기 때문에 원시 지구의 대기는 수증기로 되어 있었다고 생각해도 좋다. 한편, 미행성의 충돌은 수증기와 이산화탄소를 방출시켜 원시 대기를 형성하는 것뿐만 아니라 다량의 충돌 에너지를 지표에 발산시키고, 이 에너지는 열 에너지로 전환된다. 원시 지구의 형성시, 방출되는 에너지의 총량은 지구가 46억년 동안 내부에서 발생시킨 열 에너지(주로 방사성 에너지)의 10배 이상에 달하는데, 그 원천은 거의가 미행성의 충돌 에너지이다. 이 정도의 막대한 에너지가 전부 열로 저장된다고 하면, 원시 지구의 온도는 10,000℃를 훨씬 넘게 되고 물질이 전부 가스로 변하여 거대한 가스 성운이 되어 버렸을지도 모른다. 한편 만일 원시 지구에 대기가 없었다고 한다면, 이들 열 에너지는 전부 우주 공간으로 도망가게 된다. 결국 미행성의 충돌 에너지가 어느 정도 원시 지구에 저장되는지 그 저장 방법에 따라 지구의 운명은 변하고, 진화의 과정도 달라질 것이다. 여기서 원시 대기의 존재가 지표 온도의 결정 에 중요한 역할을 하게 되었다. |
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온실
효과와 보온 효과  |
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그림 1. 온실효과. 태양으로부터 받은 빛은 지표에서 반사되면 적외선이 되어 다시 온실에 흡수되어 저장된다. |
대기에는 열을 받아들이려는 성질이
있다. 만약 현재의 지구에 대기가 없다면 그 지표 온도는 영하가 될
것이다. 그런데 현재 지표 대기의 온도가 20℃ 부근에서 안정한 것은
수증기와 이산화탄소를 포함하는 대기가 열을 저장하는 온실 효과 (그림 1)때문이다. 온실 효과(greenhouse effect)라고 하면 이산화탄소를 생각하는 사람이 많다. 특히 대기 중의 이산화탄소의 농도가 최근에는 자주 거론이 되고 있다. 산업 혁명 이후 인류는 석탄과 석유등의 화석 연료를 다량 소비해 왔고, 이 때문에 대기 중의 이산화탄소의 농도가 증가하는 추세이다. 계속 이산화탄소의 농도가 증가한다면, 21세기까지에 지표 온도는 수 ℃ 정도 상승하고 남극 등지의 빙하가 녹아 해수면이 높아져 해안 지대가 수몰할 지도 모른다. 확실히 이산화탄소는 상당한 정도의 온실 효과를 유발시키지만, 실은 수증기 쪽이 적외선 방사역에 매우 강력한 흡수대를 가지는 훨씬 강한 온실 효과 기체이다. 그런데 지구의 원시 대기의 형성에 있어서는 이 온실 효과 이외에 보온 효과라는 새로운 개념이 도입되어야 한다. 우선 온실 효과와 보온 효과의 차이에 대해 알아보자. 간단히 말하자면 열원이 태양 방사인 경우, 즉 대기권밖에 열원이 있는 경우가 온실 효과, 열원이 대기권 내부 즉, 지표에 있는 경우가 보온 효과이다. 두 효과는 현재의 대기처럼 대기의 두께가 얇은 경우에는 거의 차이가 없는데, 그 이유는 태양광이 대기 중을 통과하여 그대로 지표에 도달하기 때문이다. 그러나 대기가 두꺼워지면 지표에 도달하는 태양광이 줄어들어 온실 효과는 감소하게 된다. 결국 지구의 원시 대기의 진화 과정에서는 보온 효과가 중대한 역할을 하게 된다. 격렬한 미행성의 충돌로 에너지가 발산되고 원시 지구의 지표는 데워진다. 일단 데워진 지표는 그 열을 우주 공간으로 방출시키려 하지만 물과 이산화탄소로 된 원시 대기는 지표로부터의 열의 방사를 방해한다. 따라서 지표가 열을 잃어버리는 데에는 상당한 시간이 소요되어 그 동안 지표 온도는 상승하고 휘발성 가스의 증발은 더욱 활발해진다. 대기의 양이 증가하면 지표 온도는 더욱 상승하여 결국에는 암석이 녹을 정도의 고온에 도달하게 되는데, 이윽고 지표에 마그마의 바다가 형성되기 시작한다. 이 마그마의 바다와 원시 대기 사이에 불가사의한 관계가 성립하는 것이다. |
| 용해
평형 |
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| 원시 대기의 형성 메커니즘은 충돌
탈가스 과정에만 의존하는 것은 아니다. 여러 작은 과정들이
복잡하게 관여하고, 결과적으로는 지표의 온도 변화에 기인한다.
지표의 온도가 낮은 경우(900K이하)에는 충돌에 의한 고온·고압
상태가 이루어진 결과, 함수 광물의 탈수 반응이 진행된다. 그러나
탈수 반응으로 생긴 수증기의 전부가 대기 속으로 들어가는 것은
아니다. 일부의 수증기는 휘석, 감람석 등의 광물과 가수 반응을
일으켜 다시 지표로 환원된다. 충돌 탈수 반응에 의해 방출된 수증기 중 일부만이 대기에 부가(附加)되는 것인데, 그 비율은 지표 온도에 의해 변하게 된다. 그러나 지표 온도가 900K를 넘으면 가수 반응은 일어나지 않게 되고 충돌 탈가스로 생긴 수증기는 전부 대기로 변한다. 지표 온도가 더욱 상승하여 암석의 융점(약 1,500K 정도)을 넘어 마그마의 바다가 지표를 덮게 되면 흥미로운 현상이 일어난다. 그 때까지 증가해 온 원시 대기의 양과 지표 온도가 일정하게 유지되는데, 이는 대기 중의 수증기의 분압과 마그마 중의 수증기 농도 사이에 용해 평형이 성립하기 때문이다. 용해 평형이라 하면 어려운 것 같지만 간단히 말해 수증기의 분압에 따라 마그마가 수증기를 마시기도 하고 내뱉기도 한다고 이해하면 된다. 대기 중의 수증기의 양이 증가하면 마그마에 녹아 들어가는 수증기의 양도 증가한다. 반대로 수증기가 마그마 속으로 너무 많이 녹아 들어가면 대기 중의 수증기의 양이 감소하여(즉 대기가 얇아져), 지구로부터의 열 방사 효율이 좋아지고 지표 온도는 내려가서 지표는 굳어지기 시작한다. 마그마의 바다가 굳어지게 되면 이번에는 다시 충돌 탈수 반응이 활발해지고 대기 중에 수증기가 다시 축적된다. |
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| 원시 대기의
양 |
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| 지금까지의 과정을 간단히 요약해 보자.
원시 지구의 반경이 현재의 20%에 달하면 미행성의 충돌 탈가스에
의한 수증기 대기의 형성이 시작되고, 원시 대기의 양은 금방
증가한다. 반경이 현재의 35% 정도가 되면 대기의 증가율은 급격히
커지는데, 이것은 지표 온도가 900K를 넘기 때문으로
탈가스의 비율이 증가하는데 기인한다. 다시 원시 지구가 성장을
계속하여 현재 반경의 45% 정도가 되면 대기량의 증가는 절정에
이른다. 이것은 지표 온도가 암석이 녹기 시작하는 온도에 도달하기
때문이다. 암석이 녹아서 지표에 일단 마그마의 바다가 형성되고 나면, 그 압력에 따라 수증기가 마그마에 흡수된다. 따라서 대기 중의 수증기의 양은 일정 수준 이상 증가하지 않는다. 대기량이 일정하게 되면 지표 온도도 일정하게 되어 거의 변하지 않는다. 원시 지구의 반경이 현재 반경에 가까워지면 지구의 성장률은 극히 저하된다. 단위 시간당 지표에서 방출되는 충돌 에너지가 감소하기 때문이다. 결국 지표 온도는 하강하고 마그마의 바다 역시 점차 굳어진다. 현재 알려진 이러한 원시 대기 형성의 모델로 계산할 때, 그 최종적인 수증기 대기의 양은 1.9x1021kg이며 대기압은 약 100기압 정도나 된다. 모델 계산에서 여러 변수를 바꾸더라도 이 양은 별로 변하지 않는다. 그런데 현재 지구의 표층 부근의 물(대부분이 바다)의 총량은 1.5x1021kg이다. 원시 대기의 수증기량과 현재의 지구 표층의 물의 양이 거의 일치하는 것은 무엇을 의미하는가? 바로 태양계의 세 번째 행성에 바다가 보이게 된 것이다. |
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| 비가 내리다!
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| 형성기의 지구를 외부에서
바라다보았다면, 지구는 두꺼운 원시 수증기 대기의 구름으로 둘러
싸여 한층 밝게 빛났을 것이다. 구름이라 해도 그것은 대기의
최상부층에 존재하는 것으로, 그 내부는 80%에 가까운 수증기의
대기가 있음에도 매우 건조하다. 왜냐하면 대기층의 온도가 물이
액체로 존재하는 임계 온도보다 높기 때문이다. 원시 지구의 형성이 거의 끝날 무렵이 되면, 격렬한 미행성의 충돌도 종료하게 되고 지표에서의 충돌 에너지의 방출도 줄어든다. 원시 대기와 지표는 서서히 냉각하기 시작하는데, 그 냉각 방법은 태양으로부터의 입사광이 어느 정도 대기의 하층까지 도달하는가에 달려 있다. 예를 들어, 태양광이 100% 지표에 도달한다면 지표 온도는 결코 내려가지 않고 대기의 대부분은 고온의 건조 상태를 유지한다. 이런 경우 수증기는 비로 되어 지표에 내리는 것이 불가능하고 따라서 바다의 형성도 없었을 것이다. 다시 말해서 원시 지구를 덮고 있던 두꺼운 수증기의 구름은 지상으로부터 수백 km 상공에 위치해 있었으며, 지표의 마그마의 바다가 고온이기 때문에 쉽게 지표 가까이 내려올 수 없었다. 그 높이는 약 400km 정도였을 것이다. 그 원시 대기의 구름으로부터 지표에 이르는 내부의 대기층은 뜨겁고 건조하다. 혹 대기의 최상층에서 비가 내렸을지도 모르나 도중의 건조한 대기로 인해 지표까지 도달할 수는 없었을 것이다. 두꺼운 구름의 표면은 태양으로부터의 강한 자외선에 노출되고 수증기는 점차 수소와 산소로 분해된다. 분해된 수소는 가볍기 때문에 우주 공간으로 도망가게 된다. 만일 이러한 상태가 오랜 기간 계속된다면, 수증기는 언젠가는 완전히 분해되어 버리고 지구에 비가 내리는 일은 영원히 없었을 것이다. 그러나 이때 기적이 일어난 것이다. 광분해에 의한 막대한 수증기의 손실이 있기 이전에 지구가 냉각하기 시작한 것이다. 미행성의 충돌이 거의 끝이 나고, 따라서 충돌 에너지에 의한 지표에서의 열 방출도 종국을 맞게 된다. 지표를 덮고 있던 마그마의 바다는 딱딱하게 굳기 시작했고 지표 온도는 점차 내려갔다. 지표가 식어 감에 따라 400km 상공에 위치하던 구름도 식게 되고 따라서 무거워져서 하강을 시작한다. 그렇게 하강하던 구름이 어느 시점에서 극적인 변화가 일어나는데 돌연 대기의 아래쪽에 비구름이 생기고 소나기가 내린다. 바로 지구 최초의 비인 것이다. 비라고 해도 300℃에 가까운 고온의 비다. 비가 폭포처럼 쏟아지면서 지표의 온도는 급속히 낮아 지고 다시 대기의 온도 또한 더욱 낮아지면서 더 많은 새로운 비가 계속 내리게 된다. 말 그대로 하늘에 구멍이 난 것이다. 비가 비를 부르고, 매일 끊임없이 호우가 계속된다. 약 1021kg이라는 방대한 양의 비가 퍼붓는 광경을 상상해 보라. 지상에서는 대홍수가 일어나고, 지표 위로 격류가 흐른다. 암석을 부수고, 지표를 찢고, 폭포가 되어 떨어지고 오로지 낮은 곳을 향하여 폭주하였을 것이며 그로부터 순식간에 바다가 생성된 것이다. 얼마 동안 지속되었는지는 모르지만, 지구의 오랜 역사로부터 본다면 아주 짧은 시간에 일어났음이 틀림없다. |
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| 원시 바다의
탄생 |
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그림 2. 원시지구에서 마그마의 바다를 거쳐 대기와 해양이 형성되는 과정 |
바다가 언제부터 존재했는지에 대해서는
정확히 알 수는 없지만, 적어도 38억년 이전에는 현재와 비슷한
바다가 존재했음을 우리는 그린랜드 이수아 지방의 암석으로부터
유추할 수 있다. 탄생 당시의 바다는 150℃ 정도의 고온으로
추정된다. 더욱이 최초에 내린 비는 대기 중의 염소 가스를
포함하기 때문에 강한 산성이었을 것이다. 이 산성비는 지표의
암석을 녹이면서 바로 중화된 다. 지표를 구성하던 규산염의
암석으로부터 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na) 등의 양이온이 녹아
나온다. 한편, 대기는 수증기의 양이 감소함에 따라 남은
이산화탄소를 주성분으로 하게 된다. 수증기는 비로 변했지만, 이산화탄소를 주성분으로 하는 대기가 그대로 존속한다면 지표 온도는 150℃ 이하로 내려가지 않는다. 그러나 염려할 필요가 없는 것은 중화된 바다가 이산화탄소를 흡수해 주기 때문이다. 대기 중의 이산화탄소가 바다에 녹아 들어가면 대기량은 점차 줄어들고, 지표 온도는 한층 내려간다. 그리고 하늘은 점차 맑아질 것이다. 바다는 안정을 찾고 구름의 터진 틈으로 얼굴을 내미는 원시 태양이 반짝 반짝 빛나고 되었을 것이다. 이와 같이 태양계 세 번째 행성은 바다의 탄생이라는 최초의 기적을 이룬 것이다. 이산화탄소가 더욱 감소하는 것은 대륙이 만들어지기 때문이다. 바다에 녹아 들어간 이산화탄소는 석회암이라 부르는 탄산염 암석의 형태로 대륙에 고정되게 되고, 대기 중의 이산화탄소의 압력은 60기압에서 점차 10기압 정도로 내려가게 된다. 대륙이 성장하면서 이산화탄소는 계속 감소하게 되고, 결국 원시 지구의 대기는 그 주성분을 질소로 하면서 계속 진화하게 된다. 아래 그림은 지금까지의 과정을 간단하게 모식적으로 나타낸 것이다. |
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