지구의 핵은 무엇으로 이루어져 있을까요?

(댄 트리 신문) - 지구의 단단한 핵은 철뿐만 아니라 탄소, 산소, 규소도 함유하고 있습니다. 이 발견은 핵이 어떻게 형성되고 생명체를 보호하는 자기장을 어떻게 유지하는지에 대한 수백 년 묵은 미스터리를 풀 수 있는 길을 열어줍니다.

지구 핵은 철로만 이루어진 것이 아니라 탄소도 포함하고 있는 것으로 보입니다. 새로운 연구에 따르면 지구 핵에는 산소와 규소도 포함되어 있다고 합니다 (사진: 게티 이미지).

지구 중심부의 철이 풍부한 핵은 지구의 진화에 매우 중요한 역할을 합니다. 핵은 대기와 해양을 태양 복사로부터 보호하는 자기장을 생성할 뿐만 아니라, 대륙의 형태를 끊임없이 변화시키는 판 구조 운동을 일으킵니다.

그 중요성에도 불구하고, 태양 핵의 많은 기본적인 특성들은 여전히 ​​미스터리로 남아 있습니다. 핵의 실제 온도는 얼마나 되는지, 무엇으로 구성되어 있는지, 그리고 언제부터 얼기 시작하는지 등입니다. 최근의 발견은 과학자들이 이 세 가지 질문에 대한 해답에 한 걸음 더 다가서게 해 주었습니다.

내핵의 온도는 약 5,000켈빈(4,727°C)으로 추정됩니다. 초기에는 액체 상태였던 핵은 시간이 지남에 따라 점차 냉각되어 고체 성분으로 결정화되고 바깥쪽으로 팽창합니다. 이 과정에서 방출되는 열은 판의 움직임을 만들어냅니다.

냉각은 지구 자기장의 원천이기도 합니다. 오늘날 지구 자기 에너지의 상당 부분은 액체 상태의 외핵이 응고되면서 유지되며, 이 외핵은 중심부의 고체 핵에 에너지를 공급합니다.

하지만 직접 접근이 불가능하기 때문에 과학자들은 핵의 냉각 메커니즘과 특성을 이해하기 위해 추정에 의존할 수밖에 없습니다. 이를 명확히 하기 위해 가장 중요한 요소는 핵의 융점을 측정하는 것입니다.

지진파를 연구하는 지진학 덕분에 우리는 고체 핵과 액체 핵의 경계가 정확히 어디에 있는지 알 수 있습니다. 이 경계면의 온도는 녹는점이자 응고가 시작되는 지점이기도 합니다.

따라서 녹는점을 정확하게 측정할 수 있다면, 인류는 핵의 실제 온도와 내부 화학 조성에 대해 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

신비로운 화학

지구 핵의 구성을 이해하는 데에는 크게 두 가지 접근 방식이 있습니다. 하나는 운석을 연구하는 것이고, 다른 하나는 지진 데이터를 분석하는 것입니다.

운석은 아직 형성되지 않은 행성의 "잔해" 또는 이미 파괴된 행성 핵의 파편으로 여겨집니다. 운석의 화학적 조성은 지구 핵이 주로 철과 니켈로 구성되어 있으며, 소량의 규소나 황이 포함되어 있을 가능성을 시사합니다. 그러나 이러한 데이터는 아직 초기 단계이며, 어떤 것도 확정적으로 확인할 만큼 상세하지 않습니다.

한편, 지진학은 훨씬 더 구체적인 관점을 제공합니다. 지진으로 발생한 지진파는 지구를 통과하면서 통과하는 물질의 종류에 따라 속도가 달라집니다. 과학자들은 지진파가 관측소에 도달하는 데 걸리는 시간을 광물과 금속의 투과 속도에 대한 실험 결과와 비교함으로써 지구 내부 구조의 모델을 구축할 수 있습니다.

연구 결과에 따르면 지구 핵은 순수한 철보다 약 10% 가볍습니다. 특히 액체 상태인 외핵이 내핵보다 밀도가 높은 것은 역설적인 현상인데, 이는 외래 원소의 존재로만 설명될 수 있습니다.

하지만 가능한 구성 성분을 좁혀 나간다 하더라도 문제는 여전히 해결되지 않습니다. 서로 다른 시나리오에서 녹는점이 수백 도에 달하는 차이를 보이기 때문에 핵의 특성을 정확하게 파악하는 것이 어렵습니다.

새로운 제한

새로운 연구에서 과학자들은 광물학을 이용하여 지구 핵이 어떻게 얼어붙기 시작했는지 이해하려고 했습니다. 이는 기상학이나 지진학보다 더 구체적인 접근 방식입니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 액체 금속의 원자가 고체로 결정화될 때, 각 합금은 녹는점 이하로 온도를 낮추는 "과냉각" 정도가 다릅니다. 이 과정이 강할수록 액체가 더 쉽게 얼어붙습니다.

예를 들어, 냉동실의 물은 어기기 전까지 몇 시간 동안 -5°C의 매우 차가운 상태를 유지할 수 있는 반면, 구름 속의 물방울은 -30°C에서 단 몇 분 만에 우박으로 변합니다.

계산에 따르면 핵의 최대 과냉각 온도는 융점보다 약 420°C 낮습니다. 이 온도를 넘어서면 내핵의 크기가 지진 관측 자료와 비교했을 때 비정상적으로 커질 것입니다. 한편, 순수한 철이 결정화되려면 1,000°C가 필요한데, 핵 전체가 그 온도에 도달하기 전에 이미 응고되어 버리므로 이는 불가능합니다.

실리콘이나 황을 첨가해도 도움이 되지 않으며, 오히려 핵을 더욱 과냉각해야 할 수도 있습니다.

탄소를 고려해야만 비로소 상황이 이해됩니다. 핵 질량의 2.4%가 탄소라면 내핵을 응고시키는 데 약 420°C가 필요하지만, 3.8%라면 266°C로 낮아집니다. 훨씬 더 타당한 수치입니다. 이는 탄소가 핵 결정화 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 시사하는 최초의 증거입니다.

하지만 지진 데이터로 미루어 볼 때 핵이 철과 탄소로만 이루어져 있을 가능성은 없습니다. 적어도 한 가지 이상의 다른 원소가 존재함을 시사하기 때문입니다. 연구에 따르면 핵에는 산소나 심지어 규소도 포함되어 있을 가능성이 있습니다.

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