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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 형성과 진화 보충 학습 참고문헌 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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1-2. 태양계 1-2-1. 태양계의 구성과 특징  그림 1-2-1. 태양계를 구성하는 태양, 행성 및 왜행성의 모습. 상대적 크기는 실제와 같으나 거리는 실제와 다르다. 출처: http://sse.jpl.nasa.gov/planets/index.cfm 태양계는 태양(Sun)을 중심으로, 그 주위를 도는 8개의 행성(planets)과 수많은 소행성(asteroids)들, 좀 더 멀리 있는 왜행성(dwarf planets), 행성 주의를 도는 위성(satelites), 혜성(comets), 그리고 운석(meteorites) 등으로 이루어져 있다. 그림 1-2-1은 태양계 내 행성들과 왜행성들을 나타낸 것인데, 상대적 크기나 모양은 실제와 비슷하지만 상호간의 거리는 실제대로 표현하지 않은 것이다. 태양계 내 행성은 태양에서 가까운 것부터 수성(Mercury), 금성(Venus), 지구(Earth), 화성(Mars), 목성(Jupiter), 토성(Saturn), 천왕성(Uranus), 해왕성(Neptune)이 있다. 우리가 흔히 소행성이라 부르는 천체들은 화성과 목성 사이에 특히 모여 있으며, 한때 행성에 포함되었으나 지금은 퇴출된 명왕성 및 다른 왜행성들은 이들 바깥에 있다.
이들의 크기를 살펴보면, 태양이 행성들에 비해 압도적으로 크고, 소행성대를 중심으로 그 안쪽의 행성, 수성, 금성, 지구 화성과 바깥쪽의 행성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 크기가 확연히 차이가 남을 알 수 있다. 이들 안쪽의 행성을 내행성(inner planets 또는 지구형행성 terrestrial planets) 바깥쪽 행성을 외행성(outer planets, 주행성 major planets, 거대가스행성 gas giants, 또는 목성형행성)이라 부르며 따로 구분하는데, 이 내행성과 외행성은 구성 물질에 있어서도 큰 차이가 난다. 내행성은 암석 및 금속 물질로 되어 있는 반면 외행성은 가스 및 얼음으로 구성되어 있다. 그림 1-2-1을 통해 또한 상대적으로 크기가 큰 외행성들도 태양에 비할 수 없이 작은 것을 볼 수 있는데, 이를 좀 더 자세히 살펴보자.  그림 1-2-5. 태양과 행성들의 특징 비교. http://nineplanets.org/thesun.html 그림 1-2-5는 우리 태양계의 유일한 항성 태양을 그 주의의 다른 행성들과 비교한 것이다. 태양과 지구를 비교하면, 태양은 그 안에 지구 130만개를 넣을 수 있을 정도로 크다. 태양은 태양계 질량의 99.8%를 차지하고 있으니, 태양은 다른 행성들과 크기 비교 자체가 안 된다. 태양은 주로 수소로 구성되어 있지만 헬륨 및 다른 무거운 원소들의 양도 꽤 많다(태양이 수소, 핼륨 이외의 다른 무거운 원소를 갖는다는 것은 매우 중요한 사실인데, 이는 태양이 소위 제 1세대 별이 아니라는 증거이다. 즉, 빅뱅이 시작되고 처음 만들어진 별이 아니라는 증거이며, 이에 대해서는 곰곰이 생각하고 관련 참고 문헌을 찾아보기 바란다. 태양 중심의 밀도는 물의 밀도보다 150배 높다.  그림 1-2-6. 태양계 행성들의 위치와 공전 궤도. http://lunaf.com/english/live-data/solar-system-planets-orbits/ 그림 1-2-6은 태양 주변의 행성들의 공전 궤도를 나타내는 것으로, 태양에서 멀어질수록 공전 궤도 간격도 커짐을 알 수 있다. 그림의 가운데 네모 상자를 확대하여 보면 그 안에 내행성들의 궤도를 좀 더 자세히 볼 수 있으며, 전체적으로 태양과 내행들과의 거리에 비해 외행성과의 거리가 훨씬 긴 것을 알 수가 있다. 한편, 태양과 행성 공전 궤도 간의 거리는 일정한 규칙에 따라 늘어난다는 것이 발견되었는데, 이를 이 규칙을 발견한 사람의 이름을 따서 티티우스-보데 법칙(Titius-Bode law)라고 한다. 이 티티우스-보데 법칙은 아래와 같이 나타낼 수 있다: a(AU)=0.4+0.3*2n 위 식에서 a는 태양과 행성간의 천문단위 거리(AU; astronomical unit)이며, n은 태양으로부터 가까운 순서로 행성들이 갖는 숫자로 수성부터 해왕성까지 -∞, 0, 1, 2, ....의 값을 갖는다. 이 식을 이용해 계산한 거리(표 1-2-1)가 실제 측정 거리와 놀랍도록 일치하는 것을 볼 수 있으며, 또한 이 법칙을 이용해 소행성대의 위치를 정확히 예측할 수 있다. 표 1-2-1. 태양과 행성들 간의 거리; 티티우스-보데 법칙에 의한 거리와 실제 거리의 비교 (태양과 지구의 거리=1AU).
이 법칙이 어떻게 적용되는지 예를 들어 살펴 보도록 하자. 화성은 태양으로부터 네 번째 행성이므로, n 값은 –∞, 0, 1, 2,...의 네 번째 값 2가 된다. 티티우수 보데 식에 n=2를 대입하면 a=0.4+0.3*22=0.4+0.3*4=1.6이 된다. 이 값은 태양과 화성 간의 실제 거리 값 1.52AU와 매우 근사한 값이다 우리 태양계에는 수없이 많은 소행성들이 있는데, 특히 화성과 목성 사이에 집중되어 있다. 이를 소행성대(asteroid belt)라고 하는데, 티티우스-보데 법칙에 의해 그 위치가 예측된다(표 1-2-1). 소행성대 이외에도 목성 궤도 상에 토로얀(Trojans)들, 그리고 그 안쪽에 힐다스(Hildas)라고 불리는 소행성 그룹이 있다(그림 1-2-7).  그림 1-2-7. 내행성계의 소행성들. 소행성대(흰색)), 힐다스(주황색 ), 목성 트로얀(녹색)등이 보인다. http://en.wikipedia.org/wiki/Asteroid_belt  그림 1-2-8. 소행성들의 다양한 모습. 출처: http://www.lpl.arizona.edu/undergrad/classes/spring2009/Hubbard_206-2/Lectures4/asteroid_folder_DMinton/Apr21.htm 혜성들의 운동은 행성들과는 많이 다르다. 그림 1-2-9는 핼리 혜성의 모습을 찍은 것인데, 이 혜성의 궤도는 훨씬 길죽한 타원을 이룬다. 이러한 혜성들은 보통 태양계 끝자락의 오어트 구름이라는 곳에서 기원할 것이라 추측하고 있다.
지금까지 살펴본 바를 바탕으로 태양계의 특징을 정리하면 다음과 같다:
1-2-2. 태양계의 형성 위에서 살펴본 바와 같은 특징을 갖는 태양계는 어떻게 형성된 것일까? 지금까지 제안된 태양계의 형성 가설은 매우 많다. 성운설, 미행성설, 조석설, 응축설, 원시행성설, 포획설 등이 있고, 이외에도 몇 개의 가설이 더 있다. 이 중에 아마도 가장 일찍 제안되었고, 또 가장 유명한 것은 성운설일 것이다. 성운설은 가스 상태의 성운이 응축하여 태양과 행성들을 만들었다는 가설로, 처음에는 태양의 질량과 각운동량의 차이를 설명하지 못하면서 외면 받았었지만, 후에 많은 별의 탄생과정을 지켜보면서 성운설의 기본적인 뼈대대로 작동된다는 것을 관찰하고 나서 다시 널리 받아들여지게 된 가설이다. 태양계의 형성 가설에 대해서는 http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_system_formation의 문서를 참조하고, 태양계 형성 과정에 대한 영상 클립은 http://www.youtube.com/watch?v=RT4OO0TFLHw의 동영상을 관람하길 추천한다. 현재 널리 받아들여지는 태양계 형성 과정을 간략하게 요약하면 그림 1-2-10에 나타낸 것과 같다. 지금으로부터 약 46억년 전 성긴 가스 먼지 덩어리로부터 태양계의 형성이 시작되었다. 이 덩어리는 좀 더 큰 규모의 집합체의 일부였었다. 어느 순간 주변의 초신성 폭발과 같은 충격파에 의해 응축이 시작되었고, 이 응축으로 인해 회전하면서 원반 모양이 되었다. 그 결과 중앙에 충분한 물질이 모이면서 핵융합 반응이 시작되고 여기서 태양이 탄생하였다. 태양은 전체 물질의 99.8%를 모아 응축되었다. 응축되고 남은 물질들은 다시 모여 점점 덩치를 키우고 이것이 행성, 소행성, 왜행성 등으로 성장하였다. 행성들이 만들어질 때 태양 가까운 곳에는 너무 뜨거워 암석 금속 등 무거운 물질들만 남아 행성을 이루었다, 가스 아이스 등은 먼 곳에서 행성을 이뤄 현재의 태양계 모습을 갖추었다.  그림 1-16. 태양계 형성 과정의 모식도. 지금까지 태양계의 형성에 대해 간단히 알아보았습니다. 이 것은 우리 지구가 어떻게 형성되었고, 그로부터 지구의 진화 및 자원의 형성을 이해하는데 기초가 되는 내용이기 때문에 소개하였습니다. 다음 시간부터 본격적으로 지구에 대해 이야기 할 수 있겠습니다. 우리는 이미 이 우주에 얼마나 많은 별이 존재하는지 살펴보았다. '태양계(Solar system)'은 그러한 수 많은 항성계(star system) 중 하나에 지나지 않지만, 우리가 살고 있는 곳이라는 점에서 우리에겐 무엇보다도 소중하다. 태양계는 태양(Sun)과 태양의 중력에 붙잡혀 그 주변을 돌고 있는 행성(Planet), 이 행성들의 위성(Satellite), 왜행성(dwarf planet 또는 plutoid) 및 소행성(asteroid), 혜성(Comet), 그리고 운석, 먼지 및 기타 물질로 이루어진 것들을 통칭해서 부르는 말이다.  그림 1-11. 플라스마를 내 뿜는 태양. 출처: http://sse.jpl.nasa.gov/planets/index.cfm 행성이란 구형을 이루며, 공전궤도를 돌면서 그 주변의 작은 천체들을 모두 흡수할 정도로 질량이 큰 천체를 말한다. 태양계에는 총 8개의 행성이 존재한다. 태양에서 가까운 것부터 바깥쪽으로 순서대로 수성(Mercury), 금성(Venus), 지구(Earth, Gaia), 화성(Mars), 목성(Jupiter), 토성(Saturn), 천황성(Uranus), 그리고 해왕성(Neptune)이라 불린다. 처음 네 개의 행성 즉, 수성부터 화성까지의 행성들은 주로 금속과 암석질로 되어 있으며 크기가 상대적으로 작다. 이 행성들을 함께 내행성(Inner planets) 또는 지구형행성(terrestrial planets)라 부른다.
나머지 바깥쪽의 네 개의 행성들은 상대적으로 크기가 매우 크며, 주로 수소와 헬륨 그리고 얼음으로 구성되어 있다., 이들 바깥쪽 행성들을 함께 묶어 주행성(Major planets), 외행성(Outer planets), 거대가스행성(Gas giants), 또는 목성형행성이라 부른다.
위성은 행성의 주변을 돌고 있는 천체인데, 우리가 매일 보는 달이 바로 위성의 좋은 예라 할 수 있다. 태양계 내 모든 행성이 위성을 갖는 것은 아닐뿐만 아니라, 위성이 있어도 그 수가 일정치 않다. 우리 지구에는 위성이 달 하나 밖에 없지만, 토성의 경우에는 관찰된 것만 62개에 이른다. 이 중 어떤 위성은 내행성보다 큰 것들도 있다. 왜행성이란 구형을 이루기는 하나 그 자신의 공전궤도 주변 작은 천체들을 모두 흡수하지는 못하는 덩치를 가진 천체를 말한다. 이에 따르면 태양계에는 1 세레스(Ceres), 명왕성(Pluto), 하우메아(Haumea), 마케마케(Makemake), 136199 에리스(Eris) 등 5개의 왜행성이 있다. 이 중 세레스를 제외한 나머지 4개의 왜행성들은 해왕성 궤도 밖에 존재하는데, 이들을 모아 명왕성류 왜행성(Plutoids)이라 부른다.
소행성은 왜행성보다 더 작은 천체들로서, 불규칙한 모양을 가지며, 주로 목성 궤도 안쪽의 내행성계에서 발견되는 공전 천체들을 지칭하는 것이다. 이 소행성들은 화성과 목성 사이에 타원형의 띠를 이루며 분포한다.
그림 1-15. 소행성들의 다양한 모습. 출처: http://www.lpl.arizona.edu/undergrad/classes/spring2009/Hubbard_206-2/Lectures4/asteroid_folder_DMinton/Apr21.htm 혜성은 수킬로미터 크기를 갖는 (물, 메탄, 암모니아, 황화수소, 이산화탄소 등으로 구성된) 휘발성 얼음으로 이루어진 것으로, 이심율이 매우 큰 티원형 궤도를 갖는 천체를 부르는 말이다. 이 혜성이 내행성 권역에 진입하면 늘어난 일조량으로 얼음들이 증발하며 궤적을 따라 소위 이온화된 코마(Coma)들을 만들게 되는데, 이것이 혜성에 마치 긴 꼬리가 있는 것처럼 보이게 되는 것이다.
이 밖에 태양계에는 소천체들(목성과 행왕성 사이의 켄타우루스족 천체들, 해왕성 바깥의 카이퍼대에 존재하는(Kuiper belt) 소천체들 포함), 운석(meteorite), 먼지(dust), 및 가스(gas)들이 존재한다. 태양계의 바깥쪽은 아직 우리에게 잘 알려져 있지 않으며, 앞으로 우주탐사가 거듭될수록 우리에게 더 많은 새로운 사실들이 알려질 것으로 생각된다. 아래 그림은 태양계를 구성하는 행성들과 혜성들의 퀘도를 표시한 것으로, 내행성들의 궤도는 너무 작아 잘 보이지 않는다.  그림 1-15. 태양계 내 행성들과 혜성들의 공전 궤도. 출처: http://deepimpact.umd.edu/gallery/orbits3.html 1-2-2. 태양계의 형성 이와 같이 구성된 태양계의 형성에 대해 이해하기 위해서는 먼저 태양계는가 현재 어떠한 특징을 갖고 있는지 알아야 할 것이다. 태양계의 탄생 이론은 그 동안 여러 가지가 있었지만, 이 이론들중 현재 태양계의 특징들을 가장 훌륭하게 설명하는 것이 옳은 이론일 가능성이 크기 때문이다. 태양계의 특징 중 중요한 것들 만 몇 가지 적어 보면 아래와 같다:
태양계의 탄생 이론의 대표적인 것은 성운설(neubla theory)와 외력설(external force theory)이다. 성운설은 칸트(Kant)와 라플라스(Laplace) 등이 주장하였는데, 원시 성운으로부터 수축하여 태양과 행성이 만들어졌다는 가설이다. 즉 원반 모양의 성운에서 가운데는 태양으로, 그리고 밖의 성운은 고리 모양으로 갈라져 행성이 되었다는 가설이다. 그러나, 이 가설은 위 태양계 특징중 첫 번째 및 여섯 번째를 설명하지 못한다. 이러한 성운설의 실패로 한 때 외력설이 각광 받았다. 외력설은 부퐁(Buffon), 챔벌린(Chamberline), 몰튼(Moulton)등에 의해 주장된 이론으로, 원시 태양에 외부 천체가 충돌하거나 지나가면서 그 일부를 뜯어 내 이 것이 행성과 위성들을 만들었다는 가설이다. 그러나, 이 가설은 뜯겨 나온 성운들은 행성을 이루기보단 우주 공간으로 흩어진다는 계산이 나옴에 따라 더 이상 주목 받지 못하게 되었다. 요즈음에는 부가설, 솜뭉치이론 등 여러 가지 새로운 학설들이 나오고 있으나, 바이젝커(Weizsa:cker), 앤더스(Anders), 오웬(Owen)등이 제시한 변형된 성운설이 가장 설득력을 갖는데, 이러한 변형된 성운설을 간략히 소개하면 다음과 같다. 태양계의 탄생은 전세대 별의 폭발 후 남은 성운으로부터 시작되었다. 이 성운은 개스와 고체 물질들(먼지)로 구성되었다. 이 성운이 수축하면서 내부 온도는 증가하게 되었고, 그에 따라 일부 먼지들은 기화되며 외곽으로 날려가게 되었다. 성운을 구성하고 있던 개스들도 일부 외부로 날려 갔으며, 중심부에는 보다 안정한 (고체) 물질들이 자리잡게 되었다. 성운의 계속된 수축은 온도를 더욱 증가시키며 불투명한 원시 태양을 만들었다. 이 원시 태양은 불투명해서 방사 에너지를 대부분 그 안에 가둘 수 있었는데, 이 것이 원시 태양의 온도 증가에 더욱 기여하였다. 한편, 원시 태양 주변의 고체 먼지들과 외부의 개스들은 서로 엉겨 각각 내행성 및 외행성의 초기 씨앗을 만들기 시작하였는데, 이를 "미소행성(微小行星; planetesimal)"이라 부른다. 이 미소행성에 계속 주변 물질이 더해져 그 덩치를 키웠다. 원시 태양은 온도가 높아짐에 따라 수소 융합 반응을 시작하였고, 이 때 수축으로 인해 집적된 과도한 에너지는 양성자와 전자의 프라즈마로 구성된 태양풍 형태로 발산되었다(T-Tauri stage). 이 태양풍은 그 주위에 있던 휘발성 개스들을 날려버렸고, 크기가 작은 미소행성도 소멸시켜버렸다. 그 후, 태양은 현재 우리가 보고 있는 것과 같은 수소 융합 반응을 안정적으로 진행하였고, 미소행성으로부터 시작한 행성들은 완전히 성장하여 위성을 거느리고 태양 주위를 거의 일정하게 공전하게 되었다.  그림 1-16. 태양계 형성 과정의 모식도. 출처: http://zebu.uoregon.edu/~imamura/121/lecture-5/lecture-5.html | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1-3. 지구의 형성과 진화에 계속
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