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지구
푸른 행성
우리가 살고 있는 푸른 행성이 바로 지구이다. 우주에서 봤을 때 푸른색의 바다, 녹색의 산과 갈색의 흙에 흰색의 구름이 조화를 이루고 있는 아름다운 행성이다.
지구의 나이는 약 46억 년이라고 알려져 있다. 원시 지구는 태양 주위의 미행성들이 뭉쳐져서탄생한 것으로추측하고 있다. 탄생 직후의 지구는 고온의 마그마 바다였으나 미행성의 충돌이 잠잠해지면서 냉각하기 시작하여 얇은 지각이 형성된다. 이산화탄소가 주성분이었던 원시 대기에 비가 내림으로써 바다가 형성되고, 이산화탄소가 바다에 녹아 하늘이 맑아진다.약 35억 년에서 25억 년 전쯤에는 지표의 온도가 현재 온도와 가까워졌고 지구 환경도 안정기에 접어든다. 그리고 35억 년 전 비로소 지구에 원시 생명이 탄생한다. 이것이 과학자들이 추측하는 지구 탄생의 이야기다. 태양계의 세 번째 행성, 우리가 살고 있는 푸른 행성, 지구.
푸른 행성 지구는 어떤 모습일까?
하늘이 파란 이유는 지구의 대기가 태양 빛 중에서 단파장인 푸른빛을 산란시키기 때문이다. 태양 빛은 여러 파장으로 나눌 수 있는데 그 중 한 부분이 우리가 볼 수 있는 가시광선이다. 가시광선은 빨주노초파남보 색깔로 나뉘게 된다. 빨간색은 상대적으로 파장이 길고, 파란색, 남색, 보라색으로 갈수록 파장이 짧다. 대기는 상대적으로 짧은 푸른색의 빛들을 많이 산란시키게 되고 이에 따라 우리의 눈에는 푸른색이 비쳐 하늘이 파랗게 보이는 것이다.태양이 수평선 방향에 있다면 더욱 많은 대기들을 지나야만 우리 눈에 도달할 수 있는데, 푸른색의 단파장들은 산란되어 여러 방향으로 흩어지고 붉은 계열의 장파장들이 우리의 눈에 도달하기 때문에 저녁 하늘의 노을은 붉고 노란 계열로 보이는 것이다.
현재 지구의 대기는 약 78%의 질소분자와 21%의 산소분자, 1%의 물 분자, 그리고 미량의 아르곤, 이산화탄소 등으로 이루어져 있다. 대기의 대부분이 이산화탄소로 이루어진금성과는 다른 구성의 대기를 가지게 된 것은금성보다 태양에 멀리 떨어져 있어서 온도가 급상승하지 않았기 때문이다. 따라서 물의 증발에 따른 온실효과의 폭주현상이 일어나지 않았다.대기 중의 이산화탄소는 물에 융해되어 암석에 갇히거나, 식물의광합성 작용으로 인해산소로 바뀌게 되었다. 이로써 현재의 대기분포를 이루게 된 것이다.
지구의 대기는 질소, 산소, 물, 아르곤, 이산화탄소 등으로 이루어져있다. 이산화탄소가 주를 이루는금성의 대기와다른 구성을 가지게 된것은 금성보다 태양에 멀리 떨어져 있어서 온도가 급상승하지 않았기 때문이다.
저녁 하늘이 붉게 보이는이유는 단파장의 푸른색 가시광선들은 산란되어 흩어지고 붉은 계열의 장파장들이 우리의 눈에 도달하기 때문이다. 지구의 평균온도는 약 290K이며, 수성이나 달처럼 온도 변화가 심하지 않다. 그 이유는 여러 가지가 있겠지만 대기에 의한 효과를 빼놓을 수 없다. 대기는 태양의 빛을 어느 정도 줄여주며, 지표에서 빠져나가는 열을 잡아주기도 한다. 그렇게 하여 낮과 밤의 온도격차를 줄여주어 생명체가 살기 적당한 온도를 유지시켜 준다.
하지만 산업화가 진행됨에 따라 이산화탄소를 비롯한 온실가스가 인위적으로 지구대기에 방출되고 있고, 이는 지구의 온난화를 초래하고 있다. 대기 중의 온실가스비율이 증가함에 따라 평균온도는 상승하고, 실제로 1970년도부터 평균온도는 지속적으로 상승하고 있다.
하나의 커다란 자석, 지구 지구자기장은 지구로 향하는 대전된 입자들을밀어내는 지구보호막 역할을 한다.
지구는 매우 커다란 자석으로 볼 수 있다. 막대자석의 자기력선이 철가루를 그림과 같은 형태로 만들어내는 것처럼, 지구의 자기력선도 비슷한 형태로 나타난다. 이것이 나침반의 바늘이 항상 북극을 가리키는 이유이다. 자기장은 또한 정전기에 의해 대전된 물체들을 밀어낸다. 만약에 이러한 대전 된 물체들이 자기장에서 움직인다면, 그것들은 자기장에 의해서 밀려날 것이다. 실제로도 지구로 향하는 대전 된 입자들(이온과 전자)은 지구자기장에 의해 밀려나고 있다.
지구는 약 23시간 56분을 주기로 자전을 한다. 하루의 시간이 24시간인데 비하여 약 4분이 짧은 이유는 지구가 자전을 하는 동안 공전을 하기 때문이다. 즉 하루란 태양이 남중한 시간부터 다음날 남중할 때까지의 기간을 말하는데, 지구가 자전을 하는 동안 공전을 함으로써 4분 정도 더 돌아야 태양이 남중하게 되는 것이다. 그리고 지구는 약 23.5° 기울어져서 자전을 한다.
지구는 태양으로부터 평균 1억 5천만km 떨어져서 1년을 주기로 공전한다. 이심률은 대략 0.017로 타원 형태로 공전을 하며, 태양과 가장 가까울 때는 1억 4,700만km까지 다가간다. 공전 속도는 약 29.8km/s로 아주 빠르며, 자전축이 기울어져 공전하기 때문에 계절의 변화가 생긴다.
고도에 따라 구분되는 지구 대기의 특징 지구의 대기는 고도가 증가함에 따라 다양한 밀도와 구성성분을 가진다.
지구의 대기는 고도가 증가함에 따라 밀도와 구성성분이 다양하다. 대기의 가장 낮은 부분은 대류권이라고 불리며, 이것은 지표면에서 약 10km까지 뻗어 있다. 대류권의 기체들은 주로 산소 분자와 질소 분자이며, 밀도가 높아 지구 대기의 90%와 수증기의 99%를 포함한다. 가장 높은 산들도 대류권 안에 머무르며 우리의 일상적인 하루하루의 모든 활동도 이곳에서 이루어진다.
10km 위 부분의 대기는 성층권이라고 불린다. 기체는 여전히 밀도가 높아서 뜨거운 공기의 기구는 15∼20km의 고도까지, 헬륨 기구는 거의 35km까지 올라갈 수 있다. 그러나 이곳에서는 공기층이 빠르게 얇아지고, 기체 구성 성분은 고도가 높아짐에 따라 약간 변한다. 성층권 내에서, 240nm 아래의 파장에서 들어오는 태양 복사는 산소 분자를 각각의 산소 원자들로 쪼갤 수 있으며 각각의 원자들은 산소분자와 다시 결합하게 되어 세 개의 산소 원자로 되어 있는 오존을 형성한다. 이 기체는 약 25km의 고도에서 최고 밀도에 이르게 된다.
대기는 높은 고도로 갈수록 희박해진다. 80km 높이에서의 기체는 너무 희박해서 자유 전자가 주변의 양성이온에 의해 포착되기 전의 짧은 시간 동안만 존재할 수 있다. 이러한 고도 이상에서 대전 된 입자들의 존재는 이온층의 시작을 나타낸다. 이온층은 전리층 또는 열권이라 불린다.
지구 속은 어떤 모습일까?
지구의 구조는 지표에서의 거리에 따라 나눌 수 있다. 지구 내부의 구조는 지표면에서의 관측으로 얻을 수 있다. 그중에서 가장 좋은 방법은 지진파의 분석이다. 지진파는 P파와 S파로 나눌 수 있는데 P파는 액체와 고체를 통과하는 종파이며, S파는 고체만 통과할 수 있는 횡파이다. 이것을 바탕으로 지진파 해석에 의하면 지구는 외측부터 암석질의 지각, 암설질의 점탄성 체인 맨틀, 금속질 유체인 외핵, 금속질 고체인 내핵이라는 구조로 나뉜다.
지구의 내부구조.
지각의 구성. 핵은 외핵과 내핵으로 나뉘는데, 유동적인 외핵은 반경 약 3,480km, 고체인 내핵은 반경 약 1,220km이다. 외핵은 철과 니켈이 주성분으로 추정되나 수소나 탄소 등의 경원소가 10% 이상 포함되어 있다고 가정하고 있다. 그래야 지진파의 속도와 밀도를 설명할 수 있기 때문이다. 내핵은 지구 내부가 차가워질 때 외핵의 철과 니켈이 침강되어 생긴 것으로 보며, 현재에도 계속 성장하고 있다. 대류와 지구 자전의 원인으로 여겨지는 외핵의 유동적인 특성에 의해 전류가 발생하고, 이 전류에 의해 자기장이 생기는데 이것이 지구자기장이다. 이처럼 지구자기장의 발생은 역학적 운동과 관련이 있고, 이것의 유지구조를 다이너모구조라고 한다.
맨틀은 지각 아래 있으면서 내부의 핵을 둘러 존재하는 두꺼운 암석층이다. 이것은 깊이 약 2,900km까지 존재하며 지구 부피의 약 83%, 질량의 약 67%를 차지하고 있다. 맨틀 전체의 화학조성은 직접적으로 알 수 없으나 감람석과 휘석 등의 물질들이 주로 구성되어 있고, 지각에 비하여 철과 마그네슘의 함량이 높다고 알려져 있다. 맨틀대류의 양상도 포함하여 맨틀은 화학적, 역학적 연구대상인 영역이다.지각과의 경계에는 지진파 속도가 불연속으로 변화하는 층이 있는데 이것을 모호로비치치불연속면(모호면)이라고 한다.
지각은 대륙지각과 해양지각으로 나눌 수 있다. 대륙지각은 현무암질의 하부지각과 화강암질의 상부지각으로 이루어져 있다. 두께(모호면까지의 깊이)는 지역에 의한 차가 커서 대략 30~60km로 알려져 있고, 평균밀도는 약 2,650kg/m³이다. 그리고 해양지각에 비해 알루미늄이 많으며 철과 마그네슘의 양이 적다. 해양지각은 대부분 현무암질로, 두께의 대략적인 평균은 6~7km이고 평균밀도는 약 2,950kg/m³이다.
지구의 미래는?
우리 인간은 지구의 자원을 이용하여 현재까지 살아왔다. 하지만 지구를 생각하지 않는 무분별한 산업화는 몇몇의 문제(이산화탄소 증가로 인한 온실효과, 염화플루오린화탄소(CFC)의 오존층파괴 등)를 발생시켜 인류에 위협을 가하고 있다. 또한, 앞으로 수십억 년 사이에 거대운석의 충돌, 혹은 대륙이동에 따른 화산활동이나 기후변동 등에 의해 멸망할 가능성도 있다.
또한 미래에는 판 운동이 정지하고 바다는 맨틀에 흡수되어 없어져 가며, 언젠가는 현재의 화성과 같은 모습이 될 것이라 예상할 수도 있다. 그리고 대략 50억 년 후에는 태양이 주계열성 단계를 마치고 거성 단계에 접어들어 지구의 공전궤도에 가까운 크기까지 팽창할 것이다. 지구 자체는 태양에 흡수되거나 표면이 융해되고 탄생할 때와 같은 마그마로 뒤덮일 것이다. 만약 태양의 진화가 끝날 때까지 지구가 남아 있다면 그대로 백색왜성이 된 태양과 함께 식어 갈 것이다.
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