차시명: 2주차 제1강

주제: 행성 지구 3부 – 지구의 탄생과 진화 1

동기 유발: 태양계 내 다른 행성들과는 완전히 다른 지구. 오직 지구만이 물의 바다가 있고, 생명체가 활동하며, 자유 산소가 존재합니다. 우리에겐 오직 하나 뿐인 대체 불가능한 소중한 보금자리입니다. 이러한 지구는 어떻게 만들어지고, 진화해서 현재와 같은 모습을 갖게 되었을까요?

학습 목표: 지구의 구조와 물리화학적 특징을 파악하자

강의 타이틀: 1. 행성 지구 – 1-3. 지구의 탄생과 진화(1)

[slide #1]

안녕하세요. 오늘은 지구의 형성과 진화에 대해 알아보겠습니다.

지구는 태양계가 형성될 때 다른 행성들과 함께 만들어졌습니다. 하지만 지구는 다른 행성들과는 다른 지구만이 갖는 독특한 특징이 있습니다. 우리는 지구가 어떻게 탄생되었으며 어떻게 그와 같은 독특한 특징을 갖게 되었는지를 살펴보려고 합니다. 이를 위해서는 먼저 지구가 갖는 특징들에 대해 살펴보는 것이 좋겠습니다. 현재 지구의 특징을 주의해서 살피면 과거 지구가 어떤 일을 겪었는지 판단하는데 도움이 될테니까요.

[slide #2]

(설명할 때 해당 내용 강조)

지구는 행성들 중에서 태양으로부터 세 번째에 위치한 행성입니다. 태양과의 거리는 약 일억사천구백육십만 km 정도됩니다. 이 거리를 1 AU라고 하는데, 1 AU는 정확하게는 149,597,870.7 km입니다. AU는 astronomical unit라는 말에서 온 단위로 우리말로는 ‘천문단위’라고 합니다.

(지구의 반지름과 둘레를 나타내는 애니메이션 추가 필요)

지구의 평균 반지름은 6371km입니다. 지구는 완전한 구체가 아니라 약간 찌그러진 타원체입니다. 그래서 적도를 따라서는 6378km, 극을 따라서는 6357km의 반지름을 갖습니다. 지구 둘레는 적도를 따라서는 40075km, 경도를 따라서는 40005km입니다(반지름으로부터 계산한 원의 둘레 값과 측정된 둘레 값을 비교해보면 지구가 적도를 따라서는 거의 원형을 이룬다는 것을 알 수 있습니다).

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(아래는 지구 둘레 측정과 관련된 일화: 강의에 포함할 경우 에라스토테네스의 사진 및 그의 측정 방식을 나타내는 일러스트레이션 필요)

지구의 둘레와 관련하여 재미 있는 역사 한토막을 들려 드리겠습니다.  지금으로부터 약 2250년전 그리스의 학자 에라토스테네스가 지구의 둘레의 길이를 처음으로 재었습니다.  알렉산드리아의 도서관장이었던 에라토스테네스는 문헌을 뒤지다가 시에네 마을에서는 하짓날 정오가 되면 햇빛이 깊은 우물 속까지 비춘다는 사실에 주목했습니다. 그것은 하짓날 정오에는 해가 머리 바로 위에 수직으로 떠있는 것을 의미했습니다. 그래서 땅에 막대를 수직으로 세우면 그림자가 생기지 않았습니다. 그러나 하짓날 정오 같은 시각에 시에네에서 약 925km 떨어져 있는 알렉산드리아에서 땅에 수직으로 막대를 세웠을 때는 막대의 그림자가 생겼습니다. 막대와 그림자의 끝이 이루는 각의 크기를 재었더니 약 7°12′이었습니다.  이 두 도시는 거의 같은 자오선 위에 있으므로  막대와 그림자가 이루는 각은 두 도시 사이의 거리에 대한 지구의 중심각과 같습니다 (태양 광선은 평행하므로 두 각은 동위각입니다). 따라서, 지구의 둘레의 길이를 x(km)라 하면,

x(km)*(7°12′/360°)=925km

와 같은 식이 성립하고, 이 식을 풀면 x=46250 km를 얻는다.

이 값은 오늘날의 측정값인 약 40005Km에 놀랄 만큼 가까운 값입니다.

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지구의 질량은 6 곱하기 10의 24제곱 kg 정도되며, 지구전체의 밀도는 입방센티미터 당 5.52그람입니다, 하지만 지각의 암석들의 밀도를 측정해보면 불과 2.5-3 g/cc에 불과합니다. 이로부터 지구 내부에는 훨씬 무거운 물질들이 존재함을 추측해 볼 수 있으며, 또한 지구가 전혀 균질하지 않다는 것을 알 수 있습니다.  지각보다 훨씬 무거운 물질은 지구 내부의 핵을 이루는 철일 것으로 생각됩니다.

[slide #3]

과학자들의 연구에 의하면 지구는 동심원상의 내부 구조를 갖고 있다고 합니다, 이에 대한 매우 중요한 증거는 지진파 기록인데, 지진파를 이용해서 어떻게 지구 내부 구조를 짐작할 수 있는지는 여러분 각자가 한 번 찾아보시기 바랍니다.  지구는 안쪽에서 바깥쪽으로 차례로 내핵, 외핵, 맨틀, 그리고 지각으로 되어 있습니다.  이 중에 내핵과 외핵은 철 니켈 등의 무거운 금속 물질로 되어 있는데, 내핵은 고체상태, 외핵은 액체상태라고 알려져 있습니다. 이러한 외핵의 상태는 지구의 환경, 특히 지구 자기장의 발생, 그로 인한 태양으로부터의 우주선의 차단, 그리고 결국 생명의 탄생과 발달에 매우 중요한 영향을 미쳤는데, 이는 나중에 기회가 되면 좀 더 살펴보도록 하겠습니다.

(해당 설명 부분 진하게)

지구가 어떤 동심원상 내부 구조를 갖고 있는지를 이 그림이 모식적으로 보여줍니다.  이미 앞에서 살펴본 것처럼 지구는 안에서부터 내핵, 외핵, 맨틀, 그리고 지각으로 구성되어 있습니다.  지구의 반지름이 대략 6370km인데, 내핵과 외핵의 반지름은 각각 1200, 2300km, 맨틀의 두꼐는 약 2800km 정도 됩니다.  우리가 살고 있는 지각은 매우 얇아서, 지구를 사과로 생각하면 지각은 껍질쯤 된다고 생각하시면 됩니다.

지구가 다른 행성과 비교해서 갖는 가장 두드러진 특징은 아마도 생명체 및 바다(물)의 존재일 것입니다. 지금까지 알려진 범위 내에서는 오직 지구만이 바다와 같은 다량의 물을 갖고 있고, 우리 인간을 포함한 다양한 생명체를 갖고 있습니다.  이것만 봐도 지구의 환경은 다른 행성에 비해서 정말 독특하다고 할 수 밖에 없습니다.

[slide #4]

지구의 화학 조성을 살펴보면, 각 부분마다 그 조성이 다 다릅니다. 지구 전체로 보면 철이 가장 많고 그 다음으로 산소 규소가 많습니다.

[slide #5]

그러나 지각에서는 산소가 가장 많고 그 다음으로 규소 알루미늄 순으로 많습니다.  지구가 처음부터 이와 같이 화학 조성이 부위에 따라 다르게 형성되지는 않았을 것입니다.  아마도 지구가 탄생한 이후에 화학 성분의 이동이 생긴 것이라 생각합니다.  이 것을 전문 용어로 화학적 분화(chemical differentiation)이라고 하는데, 이 화학적 분화 현상과 지구가 가진 동심원 상의 내부 구조는 지구가 만들어지고 난 후 다양한 과정을 거쳐 진화(변화)했다는 것을 의미합니다.

이와 같은 지구의 변화, 즉 물질의 이동과 재분배는 이 강의의 주요 주제인 자원의 형성에 매우 중요한 역할을 하였습니다.  곰곰이 살펴보면 우리가 흔히 지하자원이라 부르는 것들은 어떤 성분이 특별히 모여 있는 곳에서 채취합니다.  예를 들어 철을 생각해보도록 하겠습니다. 철은 우리 주변 어디에서나 찾아볼 수 있습니다. 매우 흔한 흙(토양)에도 철이 포함되어 있습니다. 하지만 우리는 매우 평범한 토양 내의 철을 자원으로 채취하지는 않습니다. 토양 내 철의 양이 많지 않기 때문에, 이 철을 추출해 사용하는 것이 비효율적이기(돈이 너무 많이 들어 배보다 배꼽이 더 크기) 때문입니다.  철광으로 개발하여 자원으로 쓰기 위해서는 철이 특별히 많이 모여 있어야 합니다. 지구에서 가장 많은 원소가 철인데도 우리 주변에서 철광으로 쓸만한 덩어리를 찾아보긴 힘들죠.  우리가 사용하는 철광은 바로 성분의 이동 재분배에 의해 특별히 철이 모여있는 곳(것)입니다.  다른 자원에 대해서도 이와 같은 방식의 이해가 그대로 적용됩니다. 이와 같은 물질의 이동 재분배는 앞으로 자원과 환경을 이해하는 매우 중요한 개념이므로 이 시간을 통해 다시 한 번 곰곰이 생각해보시기 바랍니다.

[slide #6]

지구의 대기 조성 또한 매우 독특합니다.  우리 대기 중에 가장 많은 원소는 질소이고 그 다음이 산소, 아르곤 순으로 많습니다. 태양은 물론이고 태양계의 어느 행성도 이와 같은 조성을 갖고 있지 않습니다.  아주 흥미로운 것은 여러분들이 잘 알고 있는 지구온난화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소의 양은 질서와 산소의 양에 비하면 그 천분의 일도 되지 않는다는 것입니다.  이렇게 작은 양의 대기 가스가 지구의 기후를 그렇게 바꿀 수 있다니 놀랍지 않습니까? 어쨌든 지구온난화 등의 환경 문제에 대해서는 나중에 좀 더 자세히 얘기하도록 하고, 우선 지금의 대기 조성에 대해 생각해보면 가른 행성들과는 매우 다른 것을 알 수 있는데, 이 또한 지구가 만들어 지고 난 후 그 뒤에 어떤 일어난 변화 때문이 아닐까요?

[slide #7]

이와 같은 특징을 갖는 지구는 어떻게 형성되고 진화했을까요? 분명한 것은 지구가 처음부터 이렇지는 않았을 것이고, 형성된 이후 현재와 같은 모습을 갖도록 진화, 즉 변해왔다는 것입니다.

지구의 생성과 진화를 논의할 때 다음과 같은 점들을 반드시 생각해봐야겠습니다.

(설명에 해당하는 부분 강조)

우선 첫 번째로, 지구가 태양계에서 처음 만들어질 때 물질들이 어떻게 모였느냐(응축하였느냐) 하는 것입니다.

지구는 태어난 이래 꾸준히 변해온 것은 확실해 보입니다.  지구 내부의 동심원상 구조와 각 부분의 화학 조성의 차이만 보아도 그렇습니다.  이것은 지구 물질의 이동과 분배가 필요한데, 이것이 가능하기 위해서는 많은 열에너지가 필요합니다.  두 번째로 생각해보아야 할 것은 이와 같은 열에너지원은 무엇이었는가 하는 점입니다.

세 번째는 다른 행성들과 너무도 다른 대기와 대양이 어떻게 만들어졌나 하는 점입니다,  이 둘 모두 생명체의 탄생과 매우 밀접한 연관이 있는데, 마지막으로 생각해볼 것은 바로 이 생명체의 탄생이 어떻게 이루어졌는지, 그리고 그로 인한 어떻게 지구 환경이 변화했는가 하는 점입니다.

여러분들도 이러한 점들을 곰곰이 생각해보시기 바랍니다.  그럼 다음 시간에는 이러한 사항들을 염두에 두고 지구가 어떻게 만들어지고 진화했는지 논의해보도록 하겠습니다.

[끝]

심화 토론:

금성과 화성의 대기에는 이산화탄소가 96%가량 있습니다. 이와 비교하면 지구 대기 중에는 이산화탄소의 양이 매우 적습니다(0.04%).   주변 행성의 대기를 볼 때, 지구 대기도 원래 꽤 많은 이산화탄소가 있지 않았을까요? 그렇다면, 그 많던 이산화탄소는 어떻게 지구 대기로부터 제거되었을까요?  만일 지구 대기로부터 이산화탄소가 지금처럼 제거되지 않았다면 지구 환경이 지금과는 어떻게 달라졌을까요?