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생글생글 594호 2018년 5월 14일

재미있는 과학이야기

[강신종 쌤의 ''재미있는 과학이야기''(15)] 지구시스템


통합 과학에서는 “일정한 질서에 따라 끊임없이 변화하면서도 각 구성 요소들이 일정한 규 칙에 따라 상호 작용하면서 균형을 유지하는 집합”을 시스템이라 한다. 지구는 지권, 수권, 기권, 생물권, 외기권 등 다섯 가지의 구성 요소가 지속적으로 상호 작용하면서 균형을 유지 하고 있기에 지구 시스템이라 할 수 있다. 지구상에서 발생하는 여러 자연 현상들은 지구 시 스템 구성 요소 간의 상호 작용뿐만 아니라 외기권(Exosphere)과의 상호 작용을 통해 일어 나며 이 과정을 통해 생명체가 살아가고 있는 것이다.

지구 시스템

지구를 덮고 있는 대기층을 기권(Atmosphere)이라 하며, 기권은 높이에 따른 기온의 분포로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나눠진다.

지표면에서 약 10㎞ 높이까지는 위로 올라갈수록 기온은 점점 낮아지며 기상 현상이 나타나는 곳을 대류권(Troposphere)이라 한다. 대류권에서부터 위로 50㎞까지의 높이를 성층권(Stratosphere)이라 하며, 성층권의 큰 특징은 지표에서 약 15~30㎞ 높이에 오존(O3)층이 존재한다. 1990년대 남극의 오존층에 구멍이 생겼다는 사실이 큰 이슈가 되기도 하였다. 성층권에 있는 오존층은 우주에서 유입되는 강한 자외선 등을 차단하는 역할을 하고 있다. 만약 오존층이 사라져 해로운 자외선 등이 그대로 지표면에 도달한다면 인간에게는 피부암, 백내장, 면역결핍 등을 유발한다.

성층권이 뭐지?

중간권(Mesosphere)에서는 수증기가 없어 기상 현상이 나타나지 않는다. 중간권에서 위로 올라갈수록 기온은 점점 낮아진다. 또한 대류권, 성층권, 열권 중에서 기온이 가장 낮은 곳이다. 지표면에서 80㎞ 이상의 높이를 열권(Thermosphere)이라 하며, 오로라(aurora) 현상이 나타나는 곳이다.

산소(O)와 규소(Si)가 구성 원소의 73% 정도를 차지하는 지각(Earth crust)은 모호로비치치 불연속면부터 바깥쪽의 표면까지를 일컫는다. 대륙지각과 해양지각으로 나눌 수 있다. 대륙지각은 화강암질 암석으로 이뤄진 반면 해양지각의 밀도는 대륙지각에 비해 크며 현무암질 암석으로 이뤄져 있다.

모호로비치치 불연속면부터 구텐베르크 불연속면 사이를 맨틀(Mantle)이라 한다. 1912년 베게너(Alfred Lothar Wegener)는 “서로 멀리 떨어져 있어 환경이 서로 다른 남극 대륙과 남아프리카 등에서 같은 종류의 식물 화석이 발견된다” 등의 여러 가지 과학적인 근거를 바탕으로 ‘대륙 이동설’을 발표했다. 하지만 문제점은 대륙을 움직이게 하는 힘을 설명하지 못했다.

이후 1928년 영국의 홈스(Arthur Holmes)는 맨틀의 대류에 따라 대륙이 이동하게 된다는 ‘맨틀 대류설’을 발표하면서 대륙을 움직이게 하는 힘으로 맨틀을 생각해냈다. ‘글래스고 지질학회 보고서(Transactions of the Geological Society of Glasgow)’는 “대륙이 매년 약 5㎝씩 움직인다”고 발표했다. “극동지역과 유럽은 1년에 7㎝씩 가까워지고 있고, 유럽과 미주대륙은 2.1㎝씩 벌어지고 있다. (과학동아 1989년 5호)”

외핵은 액체 상태

이처럼 대륙은 매년 이동하고 있으며 그 힘은 맨틀의 대류에 기인(起因)한다. 지진파인 S파가 외핵에서는 전달되지 못하고, P파는 전달은 되지만 속도는 점점 감소하는 것을 근거로 외핵은 액체 상태이며, 또한 유체 속으로 빠른 속도로 전달되는 충격파(Shock wave) 실험에 의해 액체 금속들로 구성되었다는 것을 알아냈다. 내핵에서는 P파의 속도가 빨라진다는 사실을 바탕으로 고체 상태로 추정되고 있다.

지구시스템의 구성 요소인 기권과 지권의 특성을 이야기했다. 다음 시간에는 지구 시스템 구성 요소의 나머지 수권과 생물권에 대해 알아보자.

강신종 < 용화여고 교사 >

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