지구의 핵에는 무엇이 들어있나요?

(댄 트리) - 지구의 단단한 핵은 철뿐만 아니라 탄소, 산소, 규소로 이루어져 있습니다. 이 발견은 핵이 어떻게 형성되고 생명을 보호하는 자기장을 유지하는지에 대한 수 세기 동안의 미스터리에 대한 해답을 제시합니다.

지구의 핵은 철만으로 이루어져 있지 않을 수 있지만, 탄소도 포함하고 있는 것으로 보입니다. 새로운 연구에 따르면 산소와 규소도 포함되어 있는 것으로 나타났습니다(사진: 게티 이미지).

지구 중심부에 있는 철이 풍부한 핵은 지구 진화에 핵심적인 역할을 합니다. 지구 핵은 대기와 바다를 태양 복사로부터 보호하는 방패 역할을 하는 자기장을 만들어낼 뿐만 아니라, 판 구조론을 촉진하여 대륙의 모양을 끊임없이 변화시킵니다.

그 중요성에도 불구하고, 핵의 많은 근본적인 속성들은 여전히 ​​미스터리로 남아 있습니다. 얼마나 뜨거운지, 무엇으로 만들어졌는지, 언제부터 얼기 시작했는지 등 말입니다. 최근 발견으로 과학자들은 이 세 가지 질문에 대한 해답에 한 걸음 더 다가섰습니다.

내핵의 온도는 약 5,000켈빈(4,727°C)으로 추정됩니다. 처음에는 액체 상태였던 내핵은 시간이 지남에 따라 식으면서 고체 내부가 결정화되고 바깥쪽으로 팽창합니다. 이러한 열 방출은 판구조 해류를 생성합니다.

냉각은 지구 자기장의 원천이기도 합니다. 오늘날 자기 에너지의 상당 부분은 고체 중심핵에 에너지를 공급하는 액체 외핵의 동결에 의해 유지됩니다.

그러나 직접적인 접근이 불가능하기 때문에 과학자들은 핵의 냉각 메커니즘과 특성을 이해하기 위해 추정치에 의존할 수밖에 없습니다. 이를 명확히 하기 위해 가장 중요한 요소는 핵의 녹는점을 결정하는 것입니다.

지진파를 연구하는 지진학 덕분에 우리는 고체 핵과 액체 핵의 경계가 정확히 어디에 있는지 알고 있습니다. 이 경계의 온도는 녹는점, 즉 어는점이 시작되는 지점이기도 합니다.

따라서 녹는점을 정확하게 결정할 수 있다면 사람들은 핵의 실제 온도와 그 내부의 화학 성분을 더 잘 이해할 수 있을 것입니다.

신비한 화학

지구 핵의 구성을 이해하는 데는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다. 운석을 연구하는 것과 지진 데이터를 분석하는 것입니다.

운석은 아직 형성되지 않은 행성의 "잔해"이거나 파괴된 행성의 핵에서 나온 파편으로 여겨집니다. 운석의 화학적 조성을 보면 지구 핵은 주로 철과 니켈로 이루어져 있으며, 아마도 몇 퍼센트의 규소나 황이 혼합되어 있을 것으로 추정됩니다. 그러나 이러한 데이터는 예비적인 자료일 뿐이며, 확정적인 결론을 내리기에는 상세하지 않습니다.

반면 지진학은 훨씬 더 자세한 관점을 제공합니다. 지진으로 인한 지진파는 통과하는 물질에 따라 다른 속도로 지구를 통과합니다. 과학자들은 관측소에 도달하는 지진파의 시간과 광물 및 금속의 이동 속도에 대한 실험 결과를 비교함으로써 지구 내부 모델을 구축할 수 있습니다.

연구 결과, 지구 핵은 순수한 철보다 약 10% 가볍다는 것이 밝혀졌습니다. 특히 액체 상태의 외핵은 고체 상태의 내핵보다 밀도가 더 높습니다. 이는 몇 가지 미량 원소의 존재로만 설명될 수 있는 역설입니다.

하지만 가능한 조성의 범위가 좁혀졌음에도 불구하고, 퍼즐은 여전히 ​​풀리지 않았습니다. 다양한 시나리오에서 녹는점이 섭씨 수백 도씩 차이가 나기 때문에, 핵심 물질의 정확한 특성을 파악하기 어렵습니다.

새로운 제한

새로운 연구에서 과학자들은 지구 핵이 어떻게 얼기 시작했는지 이해하기 위해 광물물리학을 사용했습니다. 이는 기상학과 지진학보다 더 구체적인 접근 방식입니다.

시뮬레이션에 따르면 액체 금속의 원자가 고체로 결정화될 때, 각 합금은 서로 다른 수준의 "과냉각", 즉 녹는점 아래로 냉각되어야 합니다. 과냉각 과정이 강할수록 액체가 얼 가능성이 높아집니다.

예를 들어, 냉동고에 있는 물은 얼기 전 몇 시간 동안 -5°C까지 과냉각될 수 있고, 구름 속의 물방울은 -30°C에서 불과 몇 분 만에 우박으로 변할 수 있습니다.

계산에 따르면 핵의 최대 과냉각 온도는 녹는점보다 약 420°C 낮습니다. 만약 이 온도를 초과한다면, 내핵은 지진 관측 자료에 비해 비정상적으로 커질 것입니다. 한편, 순수한 철은 결정화되려면 1,000°C가 필요한데, 핵 전체가 이미 응고되어 있기 때문에 이는 불가능합니다.

실리콘이나 유황을 첨가해도 도움이 되지 않으며, 오히려 핵을 더욱 과냉각시킬 수도 있습니다.

탄소를 고려할 때만 이 그림이 이해됩니다. 핵 질량의 2.4%가 탄소라면 내핵을 얼리려면 약 420°C가 필요하고, 3.8%의 탄소라면 266°C로 떨어집니다. 훨씬 더 그럴듯한 수치입니다. 이는 탄소가 핵 결정화에 중요한 역할을 한다는 최초의 증거입니다.

그러나 핵은 철과 탄소만으로 구성될 수 없습니다. 지진파 자료에는 적어도 한 가지 다른 원소가 포함되어야 하기 때문입니다. 연구에 따르면 핵에는 산소, 심지어 규소도 포함되어 있을 수 있습니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/loi-trai-dat-chua-dung-nhung-gi-20250923025913011.htm