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차례 |
제 1장 |
제 2장 |
제 3장 |
제 4장 |
제 5장 |
제 6장 |
제 7장 | |
| 자원과 환경: 지구의 선물, 그 빛과 그림자 - 제 1장 행성 지구 |
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1-1. 우주의 기원 1-2. 태양계 1-3. 지구의 특징 1-4. 지구의 탄생과 진화 1-보충 학습 1-참고문헌 |
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1-4. 지구의 탄생과 진화 1-4-1. 먼저 생각해야 할 것들 Ch. 1-3에서 살펴본 바와 같은 특징을 갖는 지구는 어떻게 탄생하고 진화했을까? 분명한 것은 지구가 처음부터 이렇지는 않았을 것이고, 탄생한 이후 어떠한 과정을 통해 현재와 같은 모습을 갖도록 진화, 즉 변해왔을 것이다. 지구의 탄생과 진화를 논의할 때, 우리는 반드시 다음과 같은 점들을 생각하여야 한다.
1-4-2. 지구의 탄생과 진화 지구는 우리가 이미 잘 알 고 있듯이 태양과 다른 행성들이 만들어질 때 같은 성운으로부터 만들어졌다. 초기에는 먼지와 암석 조각들이 모여 점점 커다란 덩어리를 만들고 이 덩어리들이 모여 행성 조각이라 부를만한 것들이 생겨났을 것이다.. 이것들이 점점 커지면서 더욱 큰 중력을 작용하여 주변 것들을 더욱 끌어모으면서 행성고리를 만들고, 이 고리 내 미소 행성 및 운석들이 모여 원시 지구를 만들었을 것이다(그림 1-4-1). 원시 지구를 만드는 과정에서 물질의 응집이 어떠한 식으로 이루어졌는가에 대해서는 두 가지 주장이 있는데, 그 첫 번째 주장은 미소 행성 및 운석 조각들이 무작위로 뭉쳤다고 보는 것이며, 다른 하나는 더 무거운 금속 성분(특히 철) 물질들이 먼저 응집되고 비교적 가벼운 물질들이 나중에 순차적으로 집적되었다는 주장이다. 첫 번째 방식으로 원시 지구가 형성되었다면, 지금의 지구 내부 구조를 만들기 위해 물질들의 이동 및 재분배가 매우 활발하게 이루어져야 한다. 두 번째 방식으로 원시지구가 만들어졌다면, 전격적인 물질의 재분배가 필요 없을 수도 있다. 과학적인 견지에서 생각해보면 초기에 무거운 것들이 먼저 응집됐을 수도 있지만, 밀도별로 완전 분리돼 순차적으로 응집(sequential accretion)되어 원래 처음부터 지금과 같은 내부 구조를 갖도록 응집되는 것은 불가능하다. 따라서, 지구가 형성되고 전지구적인 물질의 분화가 수반되는 과정은 반드시 있었다고 생각된다. 지구가 만들어지고 진화하는 동안지구 전체에 걸친 물질의 분화가 진행되었다면, 즉 물질의 밀도와 친화력 같은 물리화학적 성질에 따라 전체적인 이동이 있었다면, 그 정도의 이동이 가능하도록 물질의 유동성이 확보되어야 한다. 이를 위해서 지구는 충분히 높은 온도에 도달하여야 하는데, 그러자면 온도를 높이기 위한 열에너지가 필요하다. 지구 전체를 덥히자면 막대한 양의 열에너지가 필요하였을 텐데, 지구는 어떻게 그렇게 많은 열에너지를 얻었을까? 현재 지질학자들이 생각하는 열에너지원은 세 개가 있다. 그것은 바로 주변의 운석 및 행성 조각(심지어는 작은 규모의 행성)들이 지구의 중력에 끌려오다 부딪히면서 집적된 충돌(운동)에너지(그림 1-4-2), 이렇게 모인 물질들이 서로 좀 더 단단히 뭉치도록 한 한 중력에너지, 그리고 지구 탄생 초기에 구성 물질에 잔뜩 포함되었던 방사능 원소의 붕괴로부터 발생한 방사선 에너지이다.  그림 1-4-2. 원시 지구의 중력에 수 많은 주변의 행성 및 운석 조각들이 끌려와 충돌했을 것으로 생각된다. http://sciexplorer.blogspot.kr/2011/03/earth.html. 원시 지구 생성 초기에는 지구 주변으로 수많은 운석과 행성 조각들이 있었을 것으로 생각된다. 그 중에는 이미 행성으로의 모습을 갖추고 태양 주위를 운동하던 것도 있었을 것이다. 이러한 것들이 지구와 충돌하면서 그 에너지를 상당 부분 열에너지로 집적하였을 것으로 추측된다. 그림 1-4-3은 과거 지구 생성 초기에 테이아(theia)라고 불리는 화성만한 크기의 천체가 지구와 충돌하는 모습을 그린 상상도이다. 이러한 충돌은 지구에게는 그야말로 전지구적인 재앙이 되었을 것이며, 과학자들은 이와 같은 충돌 결과로 지구의 유일한 위성인 달이 만들어졌다고 믿는다. 앞서 언급하였던 세 가지 열에너지의 집적에 따라 지구의 내부 온도는 점점 상승하게되었다. 온도가 충분히 상승하면서, 몇몇 물질의 용융점에 도달하여 지구 내부에서 부분 용융이 시작되었다. 아마도 용융은 용융점이 낮은 물질부터 시작되었을 것이다. 이미 잘 알려진 것처럼, 대개 (철과 같은)금속 물질이 암석과 같은 비금속 물질보다 더 낮은 온도에서 녹는다. 그래서 지구의 내부 온도가 올라가면서 먼저 이곳 저곳에서 철 성분의 용융이 시작되는 시기가 도래하게 되었을 것이다. 녹은 철은 친화도(affinity) 때문에 같이 모이게 되고, 이 철 덩어리 들은 밀도가 높아 지구 중심부를 향해 중력의 힘으로 모여 지구의 핵을 형성하게 되었다(그림 1-4-4). 이 사건을 지구에서 일어난 ‘철격변(iron catastroph)’라고 한다. 철격변기에 용융된 철이 지구 중심 방향으로 모인 건 중력이 일을 한 것이다. 지구 내부에서 이 중력이 한 일이 다시 열 에너지로 전환되어 지구 내부 온도는 더욱 상승하게 되고, 이로 인해 비교적 용융점이 높았던 암석질 부분 용융되었다. 이렇게 용융된 암석 성분(마그마)는 상대적으로 밀도가 낮기 때문에 지구 표면쪽으로 이동하게 되고, 결국 이러한 용융 암석 성분이 굳어 지각을 형성하게 되었다(그림 1-4-4).  그림 1-4-4. 부분 용융 물질의 중력에 의한 이동. https://nau.edu/cefns/labs/meteorite/about/chondrules-and-the-origin-of-meteorites/. 지구 생성 초기에는 부분 용융에 의한 마그마의 분출이 지구전체에 걸쳐 활발하게 일어났을 것이고, 그림 1-4-5와 같이 지구 표면에 마그마의 바다를 이루었을 수도 있다. 지금까지 원시 지구가 어떻게 응집되어 형성되었는지, 그리고 열에너지의 집적과 내부 온도 상승에 따라 어떻게 부분 용융이 일어났는지, 용융된 물질의 밀도에 따라 어떻게 핵이 형성되고 지각이 형성되었으며 그리하여 결국에는 동심원상 내부구조를 갖게되었는지를 살펴보았다. 이제 지구 바깥으로 눈을 돌려 지구의 대기와 대양이 어떻게 만들어지게 되었는지, 또 어떻게 생물이 출현하고 그로 인해 지구 환경에 어떤 변화가 일어났는지를 생각해보자. 대기는 지구가 만들어질 때부터 있었다. 이를 최초의 대기라고 하는데, 아마도 태양계를 만든 성운 구성 (가스) 물질이 지구의 중력에 붙잡혀 지구 대기를 구성하였을 것이다. 이 때의 대기는 주로 수소가 대부분이었고, 이 밖에 헬륨과 약간의 물, 메탄 및 암모니아 등이 있었을 것이다. 하지만 이 대기는 태양풍등에 의해 날려지거나 지구 중력권 밖으로 흩어져 금방 사라지게 되었을 것이다. 앞서 살펴본 것처럼 원시 지구가 응집하고 진화하는 동안 지구 전반에 걸쳐 마그마 분출이 활발하게 일어났으며, 이 마그마의 분출 때 다양한 가스 성분이 함께 분출하여 지구의 대기로 편입되었다. 또한 이 당시 수많은 운석과 행성 조각, 심지어는 소행성 크기 것들까지도 끊임 없이 지구와 충돌하였는데, 이 충돌시 발생한 가스도 대기를 구성하는데 기여하였을 것dl다. 이렇게 만들어진 대기를 두 번째 대기라고 하는데, 질소와 이산화탄소가 주를 이루었을 것이고 이 밖에도 불활성기체가 더해졌을 것으로 짐작된다. 이 중 이산화탄소는 바로 물에 녹아 암석에 고정되면서 대기로부터 빠르게 제거되었다. 만일 이산화탄소가 제거되지 않았다면, 지구 기온은 말할 수 없이 높았을 것이고, 이로 인해 생명의 탄생이 이루어지지 않았을 수도 있었다. 지구 대기 조성은 지구에 생명체가 탄생되면서 또 한 번 큰 변화를 맞이하게 된다. 이 큰 변화는 바로 생물의 동화작용에 의해 발생하는 산소 때문에 일어났다. 처음에 산소가 만들어졌을 때는, 지구 환경 온 사방에 존재하는 환원 상태의 물질들을 산화시키는데 산소가 소모되었다. 시간이 지나 어느 정도 산화될 만한 것들이 모두 산화된 다음에 자유 산소가 대기에 집적되기 시작했다. 한편으로는 판구조 운동을 통해 대기를 포함한 지구 구성 물질들이 순환하고, 이산화탄소는 암석에 계속 고정되며, 자유 산소의 양은 점점 늘어났다. 선캠브리아기 이전까지는 대기 중 자유 산소의 양의 변화 폭이 상당히 컸지만, 그 이후에 어느 정도 일정한 수준을 유지하기 시작했다(그림 1-4-7). 이 대기가 지구의 세 번째 대기이며, 현재의 대기의 모태라고 할 수 있다. 현재의 대기는 질소가 80%정도 산소가 20% 정도있고, 이 두 기체에 비해 다른 기체의 양은 매우 적다.  그림 1-4-7. 지질시대에 따른 대기 중 산소 함량의 변화. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oxygen_atmosphere.png 과거 지질시대를 통해 대기 중의 산소가 얼마나 되었는지 그림 1-4-7을 통해 살펴볼 수 있다. 산소는 초기에 매우 낮은 함량을 보이며 출발해서 점점 증가해 현재와 같은 20% 수준에 이른 것을 볼 수가 있다. 여기서 한 가지 우리가 생각해보야 할 점은 대기에 자유산소가 집적되고 나서 육상 생물이 출현할 수 있었다는 사실이다. 그 이유가 무엇인지 곰곰이 생각해보자. 자유산소가 존재하는 지구 대기는 다른 어떤 행성에서도 찾아볼 수 없는 지구만의 독특한 특징이다. 다른 행성들과 구분되는 지구의 또 다른 특징 하나는 바로 대양의 존재이다. 지구상의 물은 지구 대기에 존재하던 수증기가 지구가 식어감에 따라 응결되면서, 화산 분출 등에 의해 지구 내부의 물이 방출되어서, 그리고 운석, 행성조각 및 혜성 등에 포함되어 있는 물이 지구와 충돌할 때 지구중력에 붙잡히면서 모인 것이다. 이 물은 지구 진화와 환경 조절에 있어 매우 중요한 역할을 하여왔다. 앞서 이미 대기 중의 이산화탄소가 물에 녹은 후 탄산염암에 고정되면서 제거되었음을 설명하였다. 이외에도 물은 많은 역할을 하였는데, 이에 대해서는 나중에 수자원에 대해 공부할 때 좀 더 자세히 살펴보도록 하자.  그림 1-4-8. 콩고민주공화국 비룽가(Virunga) 국립공원에 있는 나이이라공고(Nyiragongo) 화산의 용암호수. Copyright: C.T. Willink https://en.wikipedia.org/wiki/Volcano#/media/File:Lava_Lake_Nyiragongo_2.jpg 무엇보다 지구를 지구답게 하는 가장 큰 특징은 아무래도 생명체의 존재일 것이다. 지구 상에 어떻게 생명체가 생겨났는지에 대해서는 많은 가설들이 있는데, 그 중에서 현재 가장 널리 받아들이는 가설이 무생물기원설이다. 이 가설은 생명체가 무기물의 화학적인 반응으로부터 탄생하였다는 가설이다. 많은 사람들이 이 무생물기원설을 자연발생설과 혼동하는데, 자연발생설은 생명체가 부모 없이 자연적으로 생겨난다는 가설로 이미 사실이 아님이 증명된 가설이다. 또 하나의 주목할 만한 가설은 생명의 외래기원설인데, 이는 외부로부터의 운석이나 우주선이 채취한 시료에서 유기물을 발견하면서 더 큰 힘을 얻게된 가설이다. 아직까지 (지구)과학자들은 무생물기원설을 좀 더 가능성이 큰 가설로 받아들이고 있다.< 이미 앞서 살펴보았듯이 생명체의 존재 이전과 이후의 지구는 완전히 다르다. 그림 1-4-9는 최초의 생명체를 탄생시킨 후보 중 하나로 꼽히는 심해 열수 분출 모습이며, 그 옆에는 초기 생명체 중의 하나일 것으로 생각되는 시안박테리아가 만든 스트로마토라이트 사진이다.  그림 1-4-8. 왼쪽; 심해 열수 분출 “black smoke”Copyright: P. Rona https://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis#/media/File:Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg. 오른쪽; 호주 서부 테티스 호수의 석화된 스트로마토라이트 Copyright: R. Ellison http://www.flickr.com/photos/laruth/153584043/ 1-보충 학습에 계속 |
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