과학적 방법 과학으로서의 지질학 지구의 모양과 표면 양파껍질 벗기기 : 층상 지구의 발견 상호작용하는 구성요소들로 이루어진 시스템으로 서의 지구 지질시간의 개요 1972년 12월 7일에 아폴로 17호의 우주비행사가 찍은 남극대륙과 아프리카대륙을 보여주는 최초의 지구 전 체 영상. [NASA.] 지구의 이해_01.indd 20 18. 2. 26. 오후 5:29
지구시스템 1 지구는우리인간을포함하여수백만종의생물들이살고있는유일한공간이다. 우리는아직까지지구처럼생명을유지하는데필수적인미세한균형을가진행성을발견하지못하였다. 지질학 (geology) 은지구를연구하는과학으로서지구가어떻게태어났고, 어떻게진화하였으며, 어떻게작용하 고, 어떻게하면우리가이생명의서식처를유지할수있을지에대하여연구한다. 지질학자들은많은기 본적인질문들에대한해답을찾기위해노력한다. 이행성은어떤물질들로이루어져있을까? 대륙과해 양은왜존재하는것일까? 히말라야, 알프스, 그리고로키산맥은어떻게그렇게높이융기하게되었을까? 왜어떤지역에는지진이나화산폭발이일어나고다른지역들은그렇지않을까? 지표의환경과그위에서 살아가는생명체들은수십억년동안어떻게진화해왔을까? 우리는여러분이이러한흥미로운질문들에 대한답을찾게될것이라고생각한다. 지질학에입문한것을환영한다! 이책의지질학적논의들은거의모든장에서나오는다음세가지기본개념을중심으로구성되었다. (1) 상호작용하는요소들로이루어진시스템으로서지구, (2) 지질학의통합이론으로서판구조론, (3) 지질 학적시간동안지구시스템내의변화. 이장에서는지질학자들이생각하는방법에대해대략적으로서술하고있다. 이는과학적인방법, 즉 모든과학적의문에있어기본이되는우주의모습에대한관찰적접근으로부터시작할것이다. 이책을 통하여실제로지구과학자들이우리의행성에대한정보를어떻게수집하고해석하는지를알게됨으로써 과학적인방법에대해이해하게될것이다. 첫번째장에서는지구의형태와내부의층상구조와같은기 본적특징들을발견하는데과학적방법을어떻게적용시키는지에대해설명할것이다. 수백만년또는수십억년된특징들을설명하기위해서지구과학자들은현재지구상에서어떤일이일 어나고있는지를살펴보아야한다. 우리는복잡한자연세계에대한연구를서로관련되어있는많은구성 요소들로이루어진지구시스템 (Earth system) 으로소개할것이다. 대기및해양과같은이러한구성요소들중 1
2 j 제 1 장지구시스템 일부는지구의고체표면위에서명확하게볼수있지만, 다른요소들은지구내부깊은곳에숨겨져있다. 이러한구성요소들이상호작용하는방법을관찰하면서, 과학자들은지구시스템이지질학적시간동안어떻게변해왔는지에대한이해를축적해왔다. 또한시간에대한지질학자의관점을소개할것이다. 지질학적역사의방대한기간을이해하기시작하면서여러분은시간에대해달리생각하게될것이다. 우리태양계내에서지구를비롯한여러행성들은약 45억년전에형성되었다. 30억년이상전에살아있는세포들이지구표면에출현하였으며, 생명체는그이후에진화하였다. 우리인간의기원은단지몇백만년전으로거슬러올라가는데, 이는지구나이의 0.1% 이하에불과하다. 따라서수십년에불과한개인의수명 ( 삶 ) 또는수천년에걸친인류의역사기록조차도지구의기나긴역사를연구하기에는적당하지않다. 과학적방법 지질학 (geology) 이라는용어 ( 지구 와 지식 을뜻하는그리스어단어에서유래 ) 는암층과화석에대한연구를서술하기위해 200년이상전의과학철학자들에의해만들어졌다. 이들의후계자들은관찰과추론을통해이책의주요주제인생물학적진화, 대륙이동, 그리고판구조론에대한이론들을발달시켰다. 오늘날지질학 (geology) 은이행성의모든측면에대해연구하는지구과학의한분과로자리잡았다. 즉, 지구의역사, 지구의조성과내부구조, 그리고지구의표면특징들을연구한다. 지질학의목표 일반적으로모든과학의목표 는물리적인우주를설명하는것이다. 비록어떠한물리적사건들이현재우리의이해능력을넘어선다할지라도, 과학자들은모든물리적인 사건들은물리적으로설명될수있다고믿는다. 모든과학자들이의존하는과학적방법 (scientific method) 은체계적인관찰과실험을통해우주가어떻게작용하는지를알아내기위한일반적인절차를말한다. 과학적방법을사용하여새로운발견을하고이전의발견을확인하는것은과학적연구의과정이다 ( 그림 1.1). 과학자들이가설 (hypothesis) 관찰과실험을통해수집된자료에기초한잠정적인설명 을제안할때, 그들은그가설을학계에발표하여비평과반복적인검증이이루어지도록한다. 만약이러한가설이새로운자료들을설명하거나새로운실험의결과를예측한다면, 그가설은지지를받게된다. 다른과학자들에의해검증된가설은신뢰를얻게된다. 여기에우리가이책에서만나게될 4개의흥미로운과학적가설들이있다. 그림 1.1 과학적연구는실제세계에대한관찰을통해발견하고확인하는과정이다. 이지질학자들은미네소타의한호수근처에서채취한토양표본을연구하고있다. [USGS.] 지구의나이는수십억년이다. 석탄은죽은식물로부터형성된암석이다. 지진은단층을따라암석이파괴되면서발생한다. 화석연료의연소는지구온난화를일으킨다. 첫번째가설은정교한실험장비들로측정된수천개고대의 암석들의나이와일치하며, 다음 2 개의가설들은많은독립적인 관찰들을통해역시입증되었다. 네번째가설은많은새로운데 이터들이이가설을지지하고있어오늘날대부분의과학자들은 이것을사실로받아들이고는있지만많은논란의여지가있어왔
과학으로서의지질학 j 3 다 ( 제15 장과제23 장을보라 ). 자연의어떤측면을설명하는일련의일관성있는가설들은이론 (theory) 을구성하게된다. 좋은이론들은상당량의데이터에의해뒷받침되며반복되는도전에서살아남았다. 그들은보통뉴턴의중력법칙과같이거의모든상황에서적용될수있는우주의작동방법에대한일반원리인물리적법칙 (physical laws) 을따른다. 일부가설과이론들은너무광범위하게검증되어서거의모든과학자들이그것을사실또는사실에거의근접한것으로받아들인다. 예를들어뉴턴의중력법칙에서나온지구가거의구형이라는이론은많은경험과직접적인증거 ( 우주비행사에물어보라 ) 에의해지지되고있어서우리는그것을사실로받아들인다. 어떤이론이모든과학적도전을이겨내고오래견디면견딜수록그이론에대한확신은더욱높아지게된다. 그러나이론들은결코완전하게입증되었다고간주될수없다. 설명이아무리믿을수있고호소력이있다고할지라도미심쩍어하는질문에는반드시답을해야한다는데과학의본질이있다. 새로운증거가나와어떤이론이잘못된것임이밝혀진다면, 과학자들은그이론을폐기하거나그자료를설명할수있도록수정해야할것이다. 이론은가설처럼항상검증가능해야한다 따라서자연계를관찰해서평가할수없는우주에관한모든제안은과학적인이론이라고불릴수없다. 연구에종사하는과학자들에게가장흥미로운가설은가장널리받아들여지는가설들이아니라논쟁의여지가많은가설들이다. 화석연료를태우는것이지구온난화의원인이라는가설은널리논의되어왔다. 이가설에대한장기적인예측이매우중요하기때문에많은지구과학자들은지금이를적극적으로테스트하고있다. 많은가설과이론에근거한지식은과학적모델 (scientific model) 자연과정들이어떻게작동하고, 자연시스템이어떻게행동하는지에대해정확하게나타내는것 을만드는데이용될수있다. 모델은관련아이디어들과결합되어예측에활용되며, 과학자들은이모델을활용하여어떤지식의일관성을시험하기도한다. 좋은가설이나이론처럼좋은모델은관측에잘부합하는예측을한다. 과학적모델은흔히수치계산을이용하여자연시스템의동작을모사하는데쓰이는컴퓨터프로그램으로만들어진다. 오늘밤 TV에서볼수있는비또는일조에관한예보는날씨의컴퓨 터모델에서나온다. 컴퓨터는실험실에서모사하기에너무크거 나사람이관찰하기에너무긴시간동안진행되는지질학적현 상들을재현할수있게프로그래밍될수있다. 예를들어날씨를 예측하는데쓰이는모델들은수십년후의기후변화를예측하도 록확장되어왔다. 과학자들은아이디어에대한토론을장려하기위하여그들의 의견과이에기반이되는데이터를서로공유한다. 또한그들이 발견한것들을전문적인회의에서발표하거나, 전문저널에투고 하거나, 동료에게비공식적인대화로설명하기도한다. 과학자들 은과거의발견으로부터배울뿐만아니라서로의연구로부터도 배운다. 위대한과학적개념들의대부분은갑작스러운통찰력에 의한것이든오랜기간에걸친힘든연구의산물이든지간에셀 수없는이러한상호작용의결과인것이다. 알버트아인슈타인 (Albert Einstein) 은다음과같이표현하였다. 과학에서 개인의 연구는그의과학적선배및동시대인들의연구와밀접하게연관 되어있으므로그연구는거의그시대의특정개인의산물이라 고볼수없다. 한편이러한자유로운지적교환은남용의대상이될수도있 기때문에, 과학자들사이에서는윤리강령이진화해왔다. 과학 자들은다른과학자들이자신의연구에공헌하였음을인정해야 한다. 데이터를위조해서는안되며, 다른사람의연구를허락없 이사용해서도안되고, 그들의연구를속여서도안된다. 과학 자들은또한차세대연구자와교사를양성하는것에대한책임 도받아들여야한다. 이러한원칙들은과학적협력의기본가치 에의해보장되는데, 미국국립과학아카데미 (National Academy of Sciences) 의원장 Bruce Alberts는이를적절하게 정직, 관대함, 증거존중, 모든생각과의견에대한개방성. 으로표현하였다. 과학으로서의지질학 과학자들은인기있는대중매체에서보통흰옷을입고실험을하 는사람들로묘사된다. 많은과학적인문제들이실험실에서가장 잘규명되기때문에그런고정관념이부적절하지는않다. 어떠한 힘이원자들을하나로묶어주는가? 어떻게화학물질들이서로 반응하는가? 바이러스가암을발생시킬수있는가? 이러한질문 들에답하기위해과학자들이관찰하는현상들은실험실환경에 서연구되기에충분히작으며, 빠르게발생한다. 그러나지질학의주요질문들은훨씬더크고긴스케일에서
4 j 제 1 장지구시스템 그림 1.2 지질학은주로야외에서연구하는과학이다. 여기에서 Peter Gray 는세인트헬렌스산의측면에설치한 5 개의위성위치확인시스템 (GPS) 기지들중의하나를용접하고있다. 이기지들은녹은암석이화산내부에서위로이동할때지표면의형태가변화하는것을감시할것이다. [USGS/Lyn Topinka.] 일어나는과정들을포함한다. 세심하게관리된실험실에서측정 된결과들은지질학적인가설과이론들을시험하는데대단히중 요한자료들 예를들면, 암석의연대와성질 을주지만중대한 지질학적문제를해결하기에는대부분충분하지않다. 이책에서 묘사된위대한발견들은거의모두통제되지않은, 자연환경에서 의지구과정 (Earth processes) 들을관찰함으로써만들어졌다. 이러한이유때문에, 지질학은그자신만의독특한스타일과 관점을갖고있는야외과학이다. 지질학자들은자연을직접관찰 하기위해 야외로나간다 ( 그림 1.2). 그들은가파른경사를오르 고드러난암석들을확인하면서산이어떻게형성되었는지를배 우고, 지진, 화산이나고체지구에서일어나는다른활동들에대 한자료를모으기위해정밀한기기를설치한다. 또한그들은거 친바다를항해하며해저지도를만들어해저분지가어떻게발달 했는지알아낸다 ( 그림 1.3). 지질학은바다를연구하는해양학 (oceanography), 대기를연 구하는기상학 (meteorology), 그리고생물들의번성과분포에대 해연구하는생태학 (ecology) 과같은지구과학의다른분야들 과밀접하게연관되어있다. 지구물리학 (geophysics), 지구화학 (geochemistry), 그리고지구생물학 (geobiology) 은지질학적인문제 들을해결하기위하여물리학, 화학, 그리고생물학의연구방법 을적용한지질학의하위분야들이다 ( 그림 1.4). 지질학은지구궤도우주선에설치된장비와같은원격감 지장치를사용하여지구전체를조사하는행성과학 (planetary science) 이다 ( 그림 1.5). 지질학자들은위성으로수집한방대한자 그림 1.3 쇄빙연구선루이생로랑호 (Louis S. StLaurent) 의연구원이대양저로부터진흙과퇴적물을채집할시료채취기인코아러 (corer) 를내린다. [AP Photo/The Canadian Press, Jonathan Hayward.] 료들을분석하여대륙의지도를만들고, 대기와해양의움직임을 기록하고, 우리의환경이어떻게바뀌고있는지를감시할수있 는컴퓨터모델을개발한다. 지질학의특별한면은 암석속에쓰여진 기록을읽어서지구 의긴역사를알아내는능력에있다. 지질기록 (geologic record) 은 지구역사의다양한시기에만들어진암석들내에보관되어있는 정보이다 ( 그림 1.6). 지질학자들은다양한연구에서나온정보들 을종합하여지질기록을해석한다 야외에서의암석조사, 오래 된암층및젊은암층과관련된층서적인상대위치에대한조사, 대표적인표본수집, 정밀한실험장비를이용한암석의절대연대 측정 ( 그림 1.4b). 지질학자들의다채로운이야기를기록한개요서인과거세계 의연대기 (Annals of the Former World) 에서, 인기작가인존맥피 (John McPhee) 는지질학자들이현장과실험실에서의관찰을어 떻게통합하여큰그림으로시각화하는지에대한자신의견해를 제시했다. 그들은진흙을보며산을보고, 산에서바다를, 바다에서산을본다. 그들은어떤바위에올라가서하나의이야기를찾아내고, 다른바위 에서는다른이야기를찾아내고는, 이야기들을시간순서로엮는다 그리고해석된증거들의패턴을통해긴역사를구성하고기록한다. 이것은유명한셜록홈즈를제외하고는대부분의탐정들은상상할수 도없는수준의추리이다. 지질기록은우리가관찰하는현재지구에서일어나고있는 과정들이지질학적인과거에도거의비슷한방법으로이루어졌 을것이라는것을보여준다. 이개념은동일과정의원리 (principle
과학으로서의지질학 j 5 그림 1.4 많은하위연구분야들이지질학연구에기여한다. (a) 지구물리학자들이화산의지하활동을측정하기위하여기기들을배치하고있다. (b) 지구화학자가질량분석기로분석할암석시료를준비하고있다. (c) 지구생물학자들이뉴멕시코주의칼즈배드동굴국립공원 (Carlsbad Caverns) 의스파이더동굴 (Spider Cave) 안에서사는지하생물들을조사하고있다. [(a) Hawaiian Volcano Observatory/USGS; (b) John McLean/Science Source; (c) AP Photo/ Val HildrethWerker.] (a) of uniformitarianism) 로알려지게되었다. 이것은 18세기스코틀랜드의물리학자이자지질학자인제임스허턴 (James Hutton) 에의해과학적가설로제시되었다. 1830년에영국의지질학자찰스라이엘 (Charles Lyell) 은기억할만한명언으로그개념을요약하였다. 현재는과거의열쇠이다 (The present is the key to the past). 동일과정의원리는모든지질학적현상들이느리게일어난다는것을의미하는것은아니다. 일부매우중요한과정들은갑작스런사건으로발생한다. 거대한운석은수초내로지구표면에구멍을만들수도있다. 화산폭발과지진으로유발된단층이지표를교란시키는과정도대부분빠르게발생한다. 그밖의과정들은훨씬천천히일어난다. 대륙이서로점점멀어지고, 산맥이융기, 침식되고, 하천시스템에의해두꺼운퇴적층이쌓이는등의과정들이일어나려면수백만년의시간이필요하다. 지질학적 (b) (c) 그림 1.5 우주비행사가지구표면을관찰하는기기장치를점검하고있다. [StockTrek/SuperStock.]
6 j 제 1 장지구시스템 를초래했던극단적인사건들에의해때때로중단되었다. 지질학은점진적인변화뿐만아니라극단적인사건들을연구하는학문이다. 허턴의시대이후로지질학자들은자연을관찰해왔고, 오래된암석층에서발견되는특징들을해석하는데있어동일과정의원리를적용해왔다. 이러한접근은매우성공적이었다. 그러나허턴의원리는지질과학을현재행해지고있는것으로너무제한하고있다. 현대지질학에서는지구역사의전범위를다루어야하며, 이는 45억년전으로부터시작된다. 제9장에서보게될것처럼, 지구의초기역사는격렬한과정에의해형성되었으며, 이는오늘날진행중인과정들과는분명히다르다. 이러한역사를이해하기위해서는지구의내부깊은곳뿐만아니라지구의모양과표면에대한정보가필요할것이다. 지구의모양과표면 과학적방법은지구의모양과표면을연구하는매우오래된지구과학의한갈래인측지학 (geodesy) 에그뿌리를두고있다. 지구가평평하지않고둥글다는개념은기원전 6세기경그리스와인도의철학자들에의해발전되었고, 그것은기원전 330년경에쓰인아리스토텔레스의유명한논문인기상론 (Meteorologica, 최초의지구과학교재 ) 에쓰인지구에관한이론의기초가되었다. 기원전 3세기에에라토스테네스 (Eratosthenes) 는지구의반지름을구 그림 1.6 지질기록은지구의긴역사에대한증거를보존한다. 콜로라도국립천연기념물공원 (Colorado National Monument) 에있는여러가지색깔의모래층은미국서부의이지역이사하라사막과같은방대한사막지역이었던 2억년이상전에퇴적되었다. 이지층들은나중에다른암석들에의해덮였고, 압력에의해사암으로굳어졌고, 조산운동에의해융기되었으며, 바람과물에의해풍화되어현재의눈부신지형을이루었다. [Mark Newman/Lonely Planet Images/Getty Images, Inc.] 하기위해영리한실험을하였고, 지구의반지름은 6,370km로측정되었다 ( 이장끝에있는지질학실습참조 ). 훨씬더정확한측정들은지구가완벽한구가아님을보여주었다. 지구는자전때문에적도에서약간불룩해지고극에서는납작해진다. 또한산과계곡및기타지표면의고도변화에의 해지표면의부드러운곡률은깨진다. 이지형 (topography) 은해 과정들은시간과공간에서거대한규모로발생한다 ( 그림 1.7). 동일과정의원리는그것이오늘날지구시스템에있어중요하다는것을알기위하여우리가지질학적사건들을관찰해야한다는것을의미하지않는다. 인간은거대한운석의영향을직접관찰한적은없지만, 기록된역사를통해이러한운석의영향이과거에도수차례존재하였으며앞으로도또다시발생할것이라는사실을알고있다. 같은예로, 텍사스보다넓은지역이용암에의해뒤덮였고화산가스로말미암아대기가유독해졌던거대한화산분출을들수있다. 지구의오랜역사는드물지만급격한변화 수면을기준으로측정되며, 해수면은회전하는지구에서예상되는납작해진구형태와가장일치하는해수면의평균높이로설정된매끄러운면이다. 지질학적으로중요한많은특징들은지구의지형에서두드러지게나타난다 ( 그림 1.8). 지구지형의가장큰두특징은해발고도 0~1km 인대륙과해수면아래수심 4~5km 의해양분지이다. 지구표면의고도는가장높은지점 ( 해수면위 8,850m인히말라야의에베레스트산 ) 으로부터가장낮은지점 ( 해수면아래수심 1만 1,030m인태평양의마리아나해구에있는챌린저해연 ) 까지거의 20km 범위에서변한다. 히말라야산맥
양파껍질벗기기 : 층상지구의발견 j 7 수억년에걸쳐퇴적층들이가장오래된암층위에쌓였다. 가장최근의지층 꼭대기층 은 2 억 5,000 만년전에퇴적되었다. 약 5 만년전에운석 ( 아마 30 만 t 의무게 ) 의폭발적인충격이단몇초만에이처럼직경 1.2km 인크레이터를만들었다. (a) 그랜드캐니언밑바닥의암석은 17~20 억년의나이를가진다. (b) 그림 1.7 어떤지질학적과정들은수십만년에걸쳐일어나는데반하여, 다른과정들은눈부시게빠른속도로일어난다. (a) 애리조나주의그랜드캐니언. (b) 애리조나주의미티오크레이터 (Meteor Crater, 운석충돌구 ). [(a) John Wang/PhotoDisc/Getty Images; (b) John Sanford/Science Source.] 이우리에게는커보이지만, 그고도는지구직경의약 1/1,000 에 불과할정도로매우작은부분일뿐이다. 이로인해지구는우주 공간에서보았을때매끄러운구처럼보인다. 양파껍질벗기기 : 층상지구의발견 고대의철학자들은우주를위는천국, 아래는지옥이라는두부 분으로나누었다. 하늘은투명하고빛으로가득하였으며, 하늘의 별과그주위의행성이움직이는경로를직접관찰할수있었다. 그러나지구내부는어둡고인간이볼수없는세계였다. 또한어 떤지역들에서는땅이흔들리고뜨거운용암이분출하였다. 확실 히지구아래에서는어떤무서운일들이벌어지고있었다! 약한세기전까지도이러한의문은그대로남아있었는데, 이 무렵지질학자들은광파가아닌 ( 광파는암석을뚫고지나갈수없다.) 지진에의해발생된파를이용하여지구내부를들여다보게되었다. 지질학적힘으로말미암아강성체인암석에균열이생길때, 강의얼음에균열이생길때방출되는경우와같이진동이방출되면서지진이발생한다. 지진계 (seismometer) 라고불리는민감한장치에기록되는이러한지진파 (seismic wave, 그리스어로 지진 이란뜻의 seismos 로부터기원 ) 는지질학자들에게지진의발생위치를알려주며, 지구내부모습에대한정보를제공해주는데, 이는의사가초음파와 CAT 영상을이용하여우리몸내부의이미지를얻는것과같다. 19세기말에최초의지진계네트워크가전세계에설치되었을무렵, 지질학자들은지구내부가구성성분이다른여러개의동심원상층들과명확한구형의경계로나누어져있음을알게되었다 ( 그림 1.9).
8 j 제 1 장지구시스템 에베레스트산 육지의평균고도는 0~1km 임 깊이 (km) 6 8 10 2 4 +2 0 +6 +4 +10 +8 해수면 고도 (km) 마리아나제도 히말라야산맥 마리아나해구 챌린저해연 그림 1.8 지구의지형은해수면을기준으로측정된다. 그림의고도는크게확대되어있다. 바다의평균깊이는 4~5km 임 지각 (0~40km) 지구질량의 0.4% 맨틀 (40~2,890km) 지구질량의 67.1% 액체철로된외핵 (2,890~5,150km) 지구질량의 30.8% 고체철로된내핵 (5,150~6,370km) 지구질량의 1.7% 그림 1.9 지구의전체질량에대한퍼센트와깊이로나타낸지구의주요층상구조. 지구의밀도지구의내부가층상으로이루어졌다는것은많은지진데이터를이용할수있기전인 19세기말에독일의물리학자인에밀비헤르트 (Emil Wiechert) 에의해처음으로제안되었다. 그는우리의행성이왜이렇게무거운지, 더정확하게말하면왜이토록밀도가높은지그이유를알고싶어했다. 물질의밀도는계산하기쉬우며, 일정한규모의질량을측정하여그것의부피로나누어주면된다. 묘비를만드는데사용되는화강암같은일반적인암석은약 2.7g/cm 3 의밀도를가진다. 행성전체의밀도를측정하는것은약간더어렵지만그렇게어렵지는않다. 에라토스테네스는기원전 250년에지구의부피를어떻게측정할수있는지보여주었으며, 1680년경영국의위대한과학자아이작뉴턴 (Isaac Newton) 은지표로물체를끌어당기는중력을이용하여지구의질량을계산하는방법을설명하였다. 뉴턴의중력법칙을보정하기위한구체적인실험이또다른영국인헨리캐번디시 (Henry Cavendish) 에의해수행되었다. 1798년그는지구의평균밀도를묘비의화강암밀도의 2배인약 5.5g/cm 3 정도로계산하였다. 비헤르트는의아해했다. 그는일반적인암석으로만구성되어
양파껍질벗기기 : 층상지구의발견 j 9 있는행성은그렇게높은밀도를가질수없다는것을알았다. 화강암같은가장일반적인암석들은높은함량의실리카 ( 규소 + 산소, SiO 2 ) 를포함하고있으며, 3g/cm 3 이하의비교적낮은밀도를갖는다. 화산작용에의해지표로나온일부철이풍부한암석들은 3.5g/cm 3 정도의밀도를가지고는있지만, 일반적인암석들중캐번디시의추정값에도달하는암석은아무것도없었다. 그는지구내부로들어갈수록암석에미치는압력은그위에있는물질들의무게에비례하여증가한다는사실도알고있었다. 압력은암석을압착하여부피를감소시키며, 따라서암석의밀도를증가시키게된다. 그러나비헤르트는압력의효과가너무작아캐번디시가계산한밀도를설명할수없다는것을발견하였다. 맨틀과핵지표면아래에무엇이있는지에대한생각을하면서비헤르트는태양계, 특히태양계의일부분이면서지구에떨어진운석으로관심을돌리게되었다. 그는일부운석들은 2개의무거운금속인철과니켈의합금 ( 혼합물 ) 으로구성되어있어 8g/cm 3 에이르는높은밀도를갖고있다는것도알고있었다 ( 그림 1.10). 또한그는이러한원소들이태양계에비교적풍부하게존재한다는사실도알고있었다. 그래서 1896년에그는위대한가설을발표하였다 지구의과거언젠가에지구의철과니켈은중력에의해대부분지구중심부로가라앉았다. 이러한이동이고밀도의핵 (core) 을형성하였으며, 핵은규산염이풍부한암석층, 즉비헤르트가맨틀 (mantle, 독일어로 외투 를의미 ) 이라부른층으로둘러싸였다. 이러한가설로부터그는캐번디시의지구평균밀도값에부합하는 2층지구모델을제안할수있었다. 그는철니켈운석의존재도설명할수있었다 이들운석은지구와유사한행성 ( 또는행성들 ) 이다른행성들과충돌하여부서질때그행성의핵에서떨어져나온덩어리들이다. 비헤르트는전세계에설치된지진계에기록된지진파를이용하여그의가설을검증하는일에착수하였다. 첫번째결과에서핵이라고생각한희미한지구내부물질을보여주었으나, 지진파의일부를확인하는데에는어려움이있었다. 이러한지진파는기본적인두유형으로전달된다 압축파 (compressional waves) 는통과하는물질을압축및팽창하면서이동하는파로서고체, 액체, 기체를통과할수있다. 전단파 (shear waves) 는물질을상하로움직이며이동하는파이다. 전단파는오직전단력에대해저항하는고체만을통과할수있으며, 공기와물처럼이러한유형의운동에저항성이없는유체 ( 액체또는기체 ) 는통과할수없다. 1906년, 영국의지진학자로버트올드햄 (Robert Oldham) 은여러형태의지진파가지나가는경로를구별해냈고, 전단파가핵을통과하지못한다는사실을밝혀냈다. 따라서핵, 적어도핵의외곽부는액체였다! 이는그리놀라운사실이아니다. 철은규산염에비해낮은온도에서용융되는데, 이것이바로야금학자들이용융된철을담을때세라믹 ( 규산염형태 ) 으로만들어진용기를사용하는이유이다. 지구내부의깊은곳은철과니켈합금을용융시킬정도로매우뜨겁지만규산염암석을용융시킬수는없다. 비헤르트의학생이었던베노구텐베르크 (Beno Gutenberg) 는 (a) (b) 그림 1.10 두가지일반적인종류의운석. (a) 이석질운석은지구의규산염맨틀과조성이비슷하며, 3g/cm 3 정도의밀도를가진다. (b) 이철니켈운석은지구의핵과조성이비슷하며, 8g/cm 3 정도의밀도를가진다. [John Grotzinger/Ramón RiveraMoret/Harvard Mineralogical Museum.]
10 j 제 1 장지구시스템 1914년에핵의외곽부분이액체라는올드햄의관찰결과를확인하였고, 핵과맨틀의경계 (coremantle boundary) 가약 2,890km 의깊이에존재한다는것을밝혀내었다 ( 그림 1.9 참조 ). 지각이보다 5년전, 한크로아티아의과학자는유럽대륙아래 40km 의상대적으로얕은깊이에또다른경계가존재함을발견하였다. 발견자의이름을따서모호로비치치불연속면 [Mohorovičić discontinuity, 짧게 모호 (moho) 라고도함 ] 이라불리는이경계는알루미늄과칼륨이풍부한저밀도규산염으로구성된지각 (crust) 과마그네슘과철의함량이높은고밀도규산염으로구성된맨틀을구분하는경계이다. 핵맨틀의경계와같이모호면도전세계적으로분포한다. 하지만실제로는대륙하부에비해해양하부에서그깊이가더얕다. 지구규모에서보면해양지각의평균두께는대륙의평균두께 40km와비교했을때약 7km에지나지않는다. 게다가해양지각의암석은철을더많이포함하므로대륙의암석에비해밀도가높다. 대륙지각은해양지각에비해더두껍긴하지만밀도가낮기때문에, 대륙은빙산이해양에떠있는것처럼밀도가높은맨틀위에부력으로떠있는뗏목처럼높이부유하게된다 ( 그림 1.11). 대륙의부력으로부터지표면의두드러진특징들이설명될수있다. < 그림 1.8> 에나타나듯이지표면의고도가두그룹, 즉, 해수면으로부터 0 1km 위에위치하는대부분의육지표면과해수면으로부터 4 5km 아래에위치하는대부분의심해로나뉘는이유를설명할수있다. 전단파는맨틀과지각을따라잘통과하기때문에, 이두부분모두단단한암석으로되어있음을알수있다. 어떻게대륙이고체의암석위에떠있을수있을까? 암석은짧은기간 ( 수초 에서수년 ) 에는단단하고강할수있지만오랜기간 ( 수천년에서수백만년 ) 에는약해질수있다. 매우긴시간규모에서보면약 100km 깊이아래의맨틀은약한강도를지니며, 대륙과산맥의무게를지탱해야할경우유동성을지니게된다. 내핵맨틀은고체이고외핵은액체이기때문에핵맨틀의경계에서는마치거울이광파를반사하는것처럼지진파를반사한다. 1936 년덴마크의지진학자잉게레만 (Inge Lehmann) 은 5,150km 깊이에서는액체상태의외핵과고밀도의고체상물질의경계가존재함을발견하였다. 그녀의선구적인연구이후의연구결과들은이단단한내핵이전단파와압축파모두를전달시킬수있음을보여주었다. 따라서내핵 (inner core) 은고체의금속구이며, 액체외핵 (outer core) 내에매달려있는 행성내의행성 이다. 이러한내핵의직경은달크기의약 2/3인 1,220km 이다. 지질학자들은이 얼어붙은 내핵의존재로말미암아혼란스러워졌다. 그들은지구내부의온도가깊이가증가함에따라증가한다는사실을알고있었다. 가장최근의추정치에따르면, 핵맨틀의경계에서는약 3,500 이며, 지구중심에서는거의 5,000 까지상승한다. 만약내핵이더뜨겁다면, 외핵이용융상태임에도불구하고어떻게내핵이고체상태로있을수있을까? 이러한수수께끼는결국철니켈합금에대한실내실험을통하여해결되었다. 얼어있는것 은지구중심에서낮은온도보다는높은압력때문이었다. 지구주요층의화학조성 20세기중반까지지질학자들은지구의모든주요층들 지각, 맨틀, 외핵, 그리고내핵 과더불어지구내부의많은미세한특징들을발견했다. 예를들어, 맨틀은암석밀도가일련의단계 밀도가낮은대륙지각이밀도가높은맨틀위에떠있다. 대륙지각은해양지각보다밀도가낮고더두꺼워서더높이떠있다. 0 (km) 10 20 30 40 50 맨틀 (3.4g/cm 3 ) 수평거리는비례축척이아니다. 대륙지각 (2.8g/cm 3 ) 모호 해양지각 (3.0g/cm 3 ) 그림 1.11 지각을이루는암석들이맨틀의암석들보다밀도가낮기때문에지구의지각은맨틀위에떠있다. 대륙지각은해양지각보다더두껍고, 밀도가낮기때문에, 더높이떠있다. 그래서대륙과깊은해저사이의고도차이가나타난다.
양파껍질벗기기 : 층상지구의발견 j 11 를따라증가하는전이대 (transition zone) 에의해상부맨틀 (upper mantle) 과하부맨틀 (lower mantle) 로구분됨을발견하였다. 이러한밀도의변화단계는구성암석의화학조성변화에기인한다기보다는깊이에따른압력증가로구성물질들이압축되는것에의해야기되는것이다. 전이대에서가장큰폭의밀도변화는약 410km와 660km의두깊이에위치한다. 그러나이곳에서의밀도증가는화학조성의변화로인해생기는모호면과핵맨틀의경 14 12 10 밀도 (g/cm) 8 6 4 계를지날때의경우에비해크지않다 ( 그림 1.12). 이와함께지질학자들은외핵이순수한철니켈합금만으로는이루어질수없음을제시하게되었는데, 이는철니켈금속의밀도가외핵의밀도에비해높았기때문이었다. 즉, 외핵질량의약 10% 는산소나황과같은보다가벼운원소로구성되어있어야만설명이가능했다. 이와반대로, 내핵의밀도는외핵의밀도에비해조금높고거의순수한철니켈합금과거의일치했다. 지질학자들은많은증거들을종합하여지구의조성과다양한층에대한모델을구성하였다. 이러한모델에는지구가처음만들어졌을때의우주물질샘플로여겨지는운석에대한조성뿐만아니라지각과맨틀암석의조성에대한데이터가포함된다. 100개이상의원소중단지 8개원소만이지구질량의 99% 를구성한다 ( 그림 1.12 참조 ). 실제로지구의약 90% 는 4개의원소로이루어져있다 철, 산소, 규소, 마그네슘. 앞의두원소는가장풍부한원소로, 각각행성전체질량의거의 1/3을구성하지만, 그분포는서로매우다르다. 이일반적인원소들중밀도가가장높은철은핵에집중되어있는반면, 가장가벼운원소인산소는지각과맨틀에집중적으로분포한다. 지각은맨틀보다더많은실리카 (SiO 2 ) 를포함하며, 핵은실리카를거의포함하지않 2 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 깊이 (km) 철 (94%) 내핵 니켈 (6%) 외핵 철 (85%) 산소 (5%) 황 (5%) 니켈 (5%) 맨틀 산소 (44%) 마그네슘 (22.8%) 규소 (21%) 지각 칼슘 (2.5%) 알루미늄 (2.4%) 철 (6.3%) 산소 (46%) 규소 (28%) 그림 1.12 지구의주요층들사이에서밀도가급증하는것은주로그들의화학조성차이때문에발생하며, 각층들은서로다른색으로표시되어있다. 주요원소들의상대량은오른쪽의막대도표에나타나있다. 칼슘 (2.4%) 마그네슘 (4%) 알루미늄 (8%) 철 (6%) 기타 (6%)
12 j 제 1 장지구시스템 는다. 이러한관계는층간의다른화학조성이주로중력작용에 의한결과라는비헤르트의가설을뒷받침해준다. < 그림 1.12> 에 서볼수있듯이, 우리가서있는지각의암석은거의 50% 가산소 이다! 상호작용하는구성요소들로이루어진시스템으로서의지구 지구는지진, 화산, 빙하작용과같은여러지질활동에의해끊임 없이변화하는불안정한행성이다. 이러한활동은 2 개의열엔진 에의해작동된다 하나는내부엔진, 다른하나는외부엔진이 다 ( 그림 1.13). 열엔진 (heat engine) 예를들면, 자동차의휘발유 엔진 은열을기계적인운동또는일로변환시킨다. 지구의내부열엔진은격렬한지구생성초기단계에내부깊숙한곳에갇힌열 에너지와방사능에의해행성내부에서발생하는열에너지에의 해움직인다. 이러한내부열은맨틀과핵에서의운동을일으키 고, 암석의용융, 대륙의이동, 산맥의융기등에필요한에너지 를공급해준다. 지구의외부열엔진은태양에너지에의해움직인 다 태양에의해지구표면에공급된열. 태양으로부터온열은 대기와해양에에너지를공급하여기후와날씨를조절한다. 비, 바람, 그리고얼음은산을침식시켜자연경관을만들며, 차례로자연경관의모습은기후를변화시킨다. 우리행성의모든부분들과그들간의상호작용은모두합쳐서지구시스템 (Earth system) 을구성하고있다. 지구과학자들이자연계에관하여오랫동안생각해왔지만, 20세기말에와서야비로소지구시스템이실제로어떻게작용하는지를연구할도구를갖게되었다. 이제는장비와지구궤도위성의망은전지구적인규모로지구시스템에대한정보를수집하고있고, 컴퓨터의발달로지구시스템내에서의질량과에너지의이동에관한복잡한계산을하기에충분한능력을갖게되었다. 지구시스템의주요요소들은한세트를이루는영역또는 권역 (spheres) 들로나타낼수있다 ( 그림 1.14). 우리는이들중일부에대해서는이미논의하였으며, 지금부터는그외의다른것들에대해간략히정의하고자한다. 우리는이책전체를통해지구시스템에대해이야기할것이다. 지구시스템의기본적인특징들중몇가지를살펴보면서시작해보자. 지구는우주와물질과에너지를교환한다는관점에서보면개방계 (open system) 이다 ( 그림 1.14 참조 ). 태양으로부터오는복사에너지는모든생명체들의먹이가되는식물을성장시키는데필요한에너지가될뿐아니라, 지구표면에서일어나는풍 태양은지구의외부열엔진을움직인다. 태양에너지는기후와날씨를관장한다. 지구의내부열엔진은지구생성초기에붙잡힌열과 지구내부의방사능에의해움직인다. 태양 그림 1.13 지구시스템은주변과에너지와질량을교환하는개방계이다. 지구로부터방출되는열은태양에너지와지구내부열사이의균형을맞추어준다. 운석은우주에서지구로물질을이동시킨다.
상호작용하는구성요소들로이루어진시스템으로서의지구 j 13 기후계대기권, 수권, 생물권, 빙권, 암석권사이의상호작용을포함 판구조시스템암석권, 연약권, 심부맨틀사이의상호작용을포함 대기권지표에서고도약 100km 의고도까지를포함하는가스덮개 빙권극지방의빙모, 빙하, 그외지표의얼음과눈 암석권지각과최상부맨틀을포함하는고체지구의강한암석질외각이며, 평균깊이는약 100km 임. 판구조운동을일으키는지판을형성함 연약권판구조의수평운동과수직운동을수용하며변형되는암석권아래의약한연성의맨틀층 수권모든대양, 호수, 하천, 지하수를포함하는지구표면의물 심부맨틀심도약 400km 에서핵 맨틀경계 ( 심도약 2,900km) 까지를포함하는연약권아래의맨틀 생물권지표근처의생물과관련된모든유기물 이들지오시스템은지구내부열로부터에너지를얻음 이지오시스템은태양복사로부터에너지를얻음 지오다이너모시스템내핵과외핵사이의상호작용을포함 그림 1.14 지구시스템은우리행성의모든부분과그들의상호작용을아우른다. 내핵심도약 5,150km 에서지구중심인 6,370km 까지를포함하는주로고체철로이루어진내측구체 외핵심도약 2,900km 에서지구중심인 5,150km 까지를포함하는주로용융된철로이루어진액체층 화와침식에필요한에너지를제공해준다. 기후는지구시스템에유입되는태양에너지와우주로방출되는지구복사에너지간의균형에의해조절된다. 태양계생성초기에, 지구와다른고체들과의충돌은행성의질량을증가시키고위성을만드는매우중요한과정이었다. 오늘날지구와우주사이의물질교환은상대적으로적다. 한변의크기가약 24m 정도육면체의크기에해당하는 4만t이운석또는유성으로매년지구에떨어질뿐이다. 우리가하늘에서관찰하는유성은질량이몇그램정도로매우작지만가끔씩지구는위험한결과를야기하는커다란덩어리의유성을마주하게된다 ( 그림 1.15). 우리가지구를단일계로생각할지라도, 한꺼번에모든부분을공부하는것은매우힘들다. 대신우리의관심을우리가이해하고자하는시스템의특정요소들 ( 즉, 하위시스템들 ) 에맞출것이다. 예를들어, 전지구적인기후변화에대한논의에서우리는태양에너지에의해움직이는대기와여러다른요소들사이의상호작용을주로고려할것이다 수권 (hydrosphere, 지표의물과지하수 ), 빙권 (cryosphere, 지구의빙모, 빙하, 설원 ), 생물권 (biosphere, 지구의생명체 ). 대륙이변형되어어떻게산맥을형성하게되는지에대한우리들의범위는지구내부에너지에기인하는지각과
14 j 제 1 장지구시스템 그림 1.15 2013년 2월 15일에중앙러시아상공에서첼랴빈스크 (Chelyabinsk) 운석의폭발은히로시마원자폭탄의 20~30배이상의에너지를방출하였고, 그충격파로 1,500명이상의사람들이다쳤다. 이작은소행성은직경이약 20m이고무게는약 1만 1,000t이었다. 이사건은지구가태양계와질량과에너지를끊임없이교환하는개방계라는사실을일깨워준다. [Camera Press/Ria Novosti//Redux.] 심부맨틀간의상호작용에초점을맞추게될것이다. 기후변화나조산운동과같은특정형태의지각운동을묘사하는보다전문화된하위시스템을지오시스템 (geosystems) 이라한다. 지구시스템은많은개방된, 상호작용하는 ( 그리고종종서로겹치는 ) 지오시스템들의집합체로생각할수있다. 이절에서는전지구적규모로작동하는 3개의중요한지오시스템에대하여소개할것이다 즉, 기후시스템, 판구조시스템, 지오다이너모. 이책의뒷부분에서우리는뜨거운용암을분출하는화산 ( 제12 장 ), 우리에게먹는물을제공하는수리시스템 ( 제17 장 ), 기름과가스를생산하는석유저류층 ( 제23 장 ) 과같은수많은소규모지오시스템에대해논의할것이다. 기후시스템날씨 (weather) 는특정지점에서특정시간에관찰되는온도, 강수량, 구름양, 바람을나타내는데쓰이는용어이다. 폭풍시스템의이동, 한랭전선과온난전선, 그밖의다른대기교란등에따라날씨가얼마나다양할수있는지를우리는잘알고있다. 대기는정말복잡해서최고의일기예보자조차도 4 5일전에날씨를미리예측하기가어렵다. 그렇지만더먼미래에는날씨가어떻게될지어림잡아예측할수는있는데, 이는날씨가주로계절별, 일별순환에따른태양에너지유입량의변화에따라조절되기때문 이다. 즉, 여름은덥고겨울은추우며, 낮에는상대적으로따뜻하고밤에는춥다. 기후 (climate) 는수년동안관찰한온도와기타변수들을평균하여얻어진날씨순환을말한다. 기후에대한완전한설명에는특정한날에기록된최고기온과최저기온등과같이날씨가얼마나다양했는지를측정하는것도포함된다. 기후시스템 (climate system) 에는전지구규모에서기후를조절하는지구시스템의구성요소는물론시간에따라기후가어떻게변화하는지도포함된다. 달리말하면, 기후시스템은대기권의움직임뿐만아니라대기권과수권, 빙권, 생물권, 그리고암석권과의상호작용도포함한다 ( 그림 1.14 참조 ). 태양이지표를데우면열의일부는대기중의수증기, 이산화탄소, 기타기체들에포획되며이는마치온실에서서리에덮인유리에의해갇히게되는것과마찬가지이다. 이러한온실효과 (greenhouse effect) 는지구가생명체가살아갈수있는적절한기후를가지는이유를설명해준다. 만약지구대기에온실가스가전혀포함되어있지않다면, 지구표면은얼어붙은고체로변할것이다! 따라서온실가스, 특히이산화탄소는기후를조절하는데매우중요한역할을한다. 이후의장에서논의되겠지만, 대기중이산화탄소농도는화산폭발로인해지구내부로부터분출된양과규산염광물의풍화과정중에소모되는양사이의균형에의해조절된다. 이러한방식으로대기권의움직임은암석권과의상호
상호작용하는구성요소들로이루어진시스템으로서의지구 j 15 작용에의해조절된다. 이러한상호작용을이해하기위하여, 과학자들은대용량컴퓨터에수학적모델 가상기후시스템 을만들었고, 이를이용한컴퓨터시뮬레이션결과와실제관찰된데이터를비교한다. 그들은또한추가적인관찰결과에대해모델결과를테스트함으로써모델을더욱발전시키고자하며, 이로써미래에기후가어떻게변화할것인가를정확하게예측할수있다. 이모델이적용되고있는아주시급한문제는인류가발생시킨 (anthropogenic) 이산화탄소및기타온실가스들의배출에의해일어나고있는지구온난화이다. 지구온난화에대한대중적인논쟁중의일부는컴퓨터모델에의한예측의정확성에집중되어있다. 회의론자들은매우정교한컴퓨터모델이라도실제지구시스템의여러특징을나타내기에는부족하기때문에믿을수없다고주장한다. 제15장에서는기후시스템이어떻게작용하는지에대하여살펴볼것이며, 제23장에서는인간활동에의해야기되는기후변화의실제적인문제에대해논의할것이다. 판구조시스템지구에서일어나는매우극적인지질학적사건들중일부 예를들면, 화산폭발과지진 는지구내부에서의상호작용의결과이다. 이들현상은지구맨틀내에서의물질순환을통해상부로방출되는지구내부의열에기인한다. 우리는이미지구가화학적으로층상분포하는것을알고있다 지구의지각, 맨틀, 핵은화학적으로구별되는층들이다. 지구는또한구성물질이변형에대해얼마나저항할수있는지를측정하는성질인강도 (strength) 에의해서도나뉠수있다. 물질의 강도는화학성분 ( 예 : 벽돌은강하고, 비누는약함 ) 과온도 ( 예 : 차가운왁스는강하고, 뜨거운왁스는약함 ) 에따라변한다. 어떤면에서, 고체지구의바깥부분은마치뜨거운왁스로된공처럼움직인다. 지구표면이식으면서강한바깥껍질또는암석권 (lithosphere, 그리스어로 돌 을뜻하는 lithos로부터기원 ) 이약한연약권 (asthenosphere, 그리스어로 약함 을의미하는 asthenes 로부터기원 ) 을감싸면서형성되었다. 암석권은지각및맨틀상부의평균약 100km 깊이까지를포함한다. 연약권은암석권아래약 300km 되는영역으로맨틀의일부에속한다. 힘이가해지면암석권은딱딱하고깨지기쉬운껍질처럼반응하지만, 그아래의연약권은연성 (ductile) 을띠는고체처럼흐른다. 놀랄만한판구조론에따르면, 암석권은연속적으로이어진껍질이아니다. 암석권은 1년에수센티미터의속도로지구표면위에서움직이는약 12개의큰판으로나뉜다. 개개의판은역시움직이고있는연약권상부에떠있는단단한단위체들이다. 판을형성하는암석권은화산활동지역에서는단지수킬로미터의두께를갖는반면, 아주오래되고찬대륙부의하부에서는 200km 또는그이상의두께를가진다. 1960년대판구조론의발견으로전세계에분포하는지진, 화산, 대륙이동, 산맥형성등과같은여러지질현상을통합적으로설명할수있는기틀이마련되었다. 제2장에서우리는판구조론에대해더자세히논의할것이다. 판은왜매우단단한하나의껍질로존재하지않고지표면을가로질러이동할까? 판을밀고당기는힘은맨틀로부터기인한다. 지구의내부열엔진에의해움직이는뜨거운맨틀물질은판이분리되는곳에서상승하며새로운암석권을형성한다. 이경계로부터멀리이동하면서암석권은식으면서더단단해지며, 결 1 대류는뜨거운물을바닥에서맨위로이동시킨다 2 물이식으면, 옆으로이동하며가라앉는다 1 맨틀에서뜨거운물질이상승한다 2 판이형성되고발산한다. 판 판 3 판들이수렴하는곳에서냉각된판은인접판아래로끌려내려간다 3 데워지면, 다시상승한다. 4 판이가라앉고, 데워지면다시상승한다. 그림 1.16 지구맨틀에서의대류는냄비에서끓고있는물의운동패턴과비교될수있다. 두과정은모두물질의이동을통해열을위쪽으로운반한다.
16 j 제 1 장지구시스템 국은판들이수렴하는경계부에서중력작용에의해맨틀속으로가라앉는다. 이와같이뜨거운물질이상승하고차가워진물질이가라앉는일반적인과정을대류 (convection) 라고부른다 ( 그림 1.16). 맨틀에서의대류는냄비에서끓고있는물의이동패턴과비교할수있다. 두과정은모두질량의움직임을통해열을전달하지만맨틀대류는고체맨틀암석들이물과같은일반적인유체에비해변형에대한저항성이크기때문에훨씬느리다. 판구조시스템 (plate tectonic system) 은대류하는맨틀과그위에놓인암석권판들의조각들로구성된다. 기후시스템 ( 대기와해양내에서의광범위한대류과정을포함 ) 에서처럼, 과학자들은판구조론을연구하기위해컴퓨터시뮬레이션을이용하며, 관찰한사실과그들이만든모델이얼마나일치하는지를테스트한다. 지오다이너모세번째전지구적지오시스템은바로지구내부의깊은곳인액체상의외핵에서자기장 (magnetic field) 을생성하는상호작용을포함한다. 이자기장은지구외부공간멀리까지도달하는데, 나침반이북쪽을향하게하는원인이되며, 태양의유해한복사선으로부터생물권을보호해준다. 암석이형성될때암석들은이자기장에의해미약하게자화되며, 이를이용하여지질학자들은과거에자기장이어떻게작용했는지를연구할수있으며, 또한지질기록을규명하는데이용할수있다. 지구는북극과남극을관통하는축을중심으로회전한다. 지구의자기장은마치강력한막대자석이지구중심에놓여있고자 전축으로부터약 118 기울어진것처럼작동한다. 자기력은북자극에서는지구내부쪽으로향하고, 남자극에서는지구외부쪽으로향한다 ( 그림 1.17). 지구의어떤곳에있든지 ( 자극주변을제외하면 ) 자기장의영향아래에서자유롭게움직이는나침반바늘은그지역의자기력선의방향, 즉대략남북방향으로회전할것이다. 지구중심에있는영구자석을가지고관찰된자기장의쌍극성 (2개의극 ) 을설명할수는있지만, 이가설은쉽게거부될수있다. 실험에의하면영구자석의자기장은자석에약 500 이상의고열이가해질경우파괴된다는것을보여준다. 우리는지구내부깊은곳의온도가이보다높다 지구중심에서는수천도 는사실을알고있다. 따라서자성은지속적으로재생되지않는한유지될수가없을것이다. 과학자들은핵으로부터흘러나오는열이자기장을생성하고유지하는대류의원인이된다고이론화하였다. 왜자기장은맨틀내에서의대류가아니라외핵에서의대류에의해만들어졌을까? 우선, 맨틀은전기전도도가매우낮은규산염암석으로구성되어있는반면, 외핵은주로전기에대해매우좋은전기전도체인철로구성되어있기때문이다. 둘째, 대류운동이고체맨틀에서보다는액체의외핵에서 100만배나빠르게일어나기때문이다. 이렇게빠른대류는철니켈합금에전기적흐름을유도한다. 따라서지오다이너모 (geodynamo) 는막대자석보다전자석에가깝다 ( 그림 1.17 참조 ). 지리적북극 자북극 + 전류 (a) 막대자석 (b) 전자석 (c) 지오다이너모 그림 1.17 (a) 막대자석은북극과남극을갖는쌍극자기장을만든다. (b) 쌍극자기장은금속전선코일을통해흐르는전류로도만들수있는데, 그림에서는배터리로작동되는전자석을보여주고있다. (c) 지구의자기장은지구표면위에서는대개쌍극을가지는데, 그것은대류로인해액체금속으로된외핵에서흐르는전류때문에만들어진것이다. 11
지질시간의개관 j 17 그림 1.18 지구의자기장은해로운태양복사로부터지구표면을막아주어생명체들을보호한다. 이태양풍은태양에서방출된고에너지하전입자들을포함하며, 여기에서연한푸른색으로보이는지구의자기력선을왜곡시킨다. 이그림에서거리는비례축척이아니다. [SOHO (ESA and NASA).] 약 400 년동안과학자들은지구자기장때문에나침반바늘이 북쪽을가리킨다는것을알고있었다. 자기장이스스로완벽하 게역전될수있다는증거, 즉자기장의북극과남극이뒤집힐수 있음을발견한수십년전에과학자들이얼마나놀랐을지상상해 보라. 지질학적시간의약절반에걸쳐나침반의바늘은남쪽을 가리킬것이다! 이러한자기역전 (magnetic reversals) 은수천만년에 서수십억년에이르는불규칙한시간간격으로나타난다. 그원 인이되는과정에대해서는아직잘모르지만지오다이너모에대 한컴퓨터모델링결과는외부요인없이, 즉순수하게지구핵내 부에서의상호작용을통해산발적인역전이일어남을보여준다. 다음장에서살펴보겠지만, 지질기록에남아있는자기역전의흔 적을이용하여판의움직임을알수있기때문에지질학자에게 있어자기역전은매우중요하다는것을깨닫게되었다. 지오시스템간의상호작용이생명체를살수있게한다 삶의터전이되는자연환경은기후시스템에의해크게좌우된다. 생물권은이지오시스템 ( 기후시스템 ) 의활동적인요소로서참여 하고있으며, 예를들면이산화탄소, 메탄, 그리고다른대기중 의온실가스의양을조절하여행성의표면온도를결정할수있 다. 제 11 장에서보게될것처럼, 생물권과대기권의진화는지난 36 억년동안의기후시스템역사를통해서로밀접하게연관되어 왔다. 아마도자연환경과다른두범지구적지오시스템과의결합은 덜분명하다. 판구조론은화산활동을통해지구내부깊은곳의 물과가스들을대기와바다에재공급시켜주며, 또한산을만드는 지각변동과정들을담당한다. 대기권, 수권그리고빙권과지표 지형과의상호작용은생물권을풍부하게하는다양한서식지를 만들고, 암석의풍화와광물들의용해를통해생명체들에게중요 한영양소를공급해준다. 판구조론의대류운동과달리, 지구외핵의소용돌이는지각을 변형시키거나화학적인조성을변화시키기에는너무깊은곳에 서일어난다. 하지만외핵의지오다이너모로인해발생하는자기 장은지구대기를넘어우주멀리까지영향을준다 ( 그림 1.17 참 조 ). 거기에서자기장은 400km/s 이상의속도로태양으로부터날 아오는고에너지입자들인태양풍 (solar wind, 그림 1.18) 을막아주 는방어벽을형성한다. 이방어벽이없다면, 지구표면은해로운 태양복사의공격을받을것이고, 이는현재지구의생물권에서 번성하고있는많은생물체들을죽일것이다. 지질시간의개관 지금까지지구의크기와모양, 지구내부의층과구성성분, 그리 고세가지중요한지오시스템의작동에대해살펴보았다. 어떻 게지구가층상구조를가지게되었을까? 전지구적지오시스템 은지질학적시간동안어떻게진화해왔을까? 이러한질문들에 답하기위해서, 지구생성으로부터현재까지의지질시간에대하 여간단히소개하고자한다. 뒷장에서이에대하여더자세하게 살펴볼것이다. 거대한지질시간을이해한다는것은하나의도전이다. 유명 작가존맥피는천문학자들이외부우주의 깊은공간 ( 수십억광 년으로측정 ) 을연구하는것처럼지질학자들은지구초기역사 의 깊은시간 ( 수십억년으로측정 ) 을탐구한다고말하였다. 그림 1.19 는몇몇주요사건들과변천과정을나타내는 지질시간의화 살 을보여준다. 지구와지오시스템의기원 지질학자들은운석연구로부터지구및기타행성들은약 45 억 6,000 만년전에원시태양주위를돌던먼지구름이빠르게응
18 j 제 1 장지구시스템 4,560Ma 지구와행성들의형성 4,510Ma 달의형성 4,470Ma 가장오래된월석 4,000Ma 가장오래된대륙암석 3,000Ma 물에의한침식의증거 3,500Ma 자기장의기록원시박테리아화석 2,700Ma 대기중산소증가시작 2,500Ma 대륙형성의주요단계가완료됨 명왕누대 4,000Ma 시생누대 3,000Ma 그림 1.19 이지질연대선은지구가형성된이후지질기록에서관찰된주요사건들의일부를보여준다 (Ma : 100 만년전 ). 결되면서형성되었음을알게되었다. 점차더큰물질덩어리로의응집과충돌을수반하는격렬한과정에대해서는제9장에서더자세히다룰것이다. 단 1억년 ( 지질학적으로는비교적짧은시간 ) 만에달이형성되었고, 지구의핵은맨틀로부터분리되었다. 그다음수억년동안무슨일이일어났는지는정확히알수없다. 끊임없이지구로돌진하는커다란운석들의폭격으로인해암석기록의대부분은살아남지못했다. 이러한지구역사의초기는대개지질학적 암흑시대 라불린다. 오늘날지구표면에서발견된가장오래된암석의연령은약 40 억년이다. 약 38억년전의암석은물에의한침식의증거를보여주는데, 이는그당시에수권이존재했으며현재와다르지않은기후시스템이작용했음을지시한다. 약간더젊은약 35억년전의암석에는오늘날우리가관찰하는것만큼강한자기장이기록되어있는데, 이시기에지오다이너모가작동하고있었음을보여준다. 25억년전무렵에는밀도가충분히낮은지각들이서로모여큰대륙덩어리를형성하였다. 그때이들대륙을변형시킨지질학적과정들은우리가보고있는오늘날작동하는것과매우유사했다. 생물의진화생명체역시지구역사의아주초기부터시작되었는데, 이는지질기록에보존된생물의흔적인화석 (fossils) 연구를통해알수있다. 원시박테리아화석은 35억년전암석에서발견되었다. 중요한사건은대기와해양으로산소를방출한생물의진화였다. 대기중산소의축적은 27억년전에이미진행중이었다. 대기중의산소농도는아마 20억년동안일련의단계를거치면서현대 수준으로까지증가한것으로생각된다. 초기지구의생명체는단순했으며, 대부분이해수면근처에서부유하거나해저위에서서식하는작은단세포생물들로이루어져있었다. 10억년전에서 20억년전사이에조류와해초같은좀더복잡한생명체가진화하였다. 최초의동물은약 6억년전에출현하였으며, 일련의파도처럼진화하였다. 5억 4,200만년전에시작되어 1,000만년도안되게지속된기간에동물계의 8 개새로운분파가모두출현하였으며, 여기에는오늘날지구상에서살고있는거의모든동물들의선조들이포함된다. 껍데기를가진동물이지질기록에그들의껍데기화석을처음으로남긴것은때때로생물학의 빅뱅 이라불리는진화폭발동안이었다. 비록생물진화가대개매우느린과정으로보일지라도, 짧은기간의급격한변화로끝이난다. 극적인예는대량멸종 ( 대량전멸 ) 인데, 이기간동안많은종류의생물들이갑자기지질기록에서사라졌다. 다섯번의이러한큰전환이 < 그림 1.19> 의지질연대선위에표시되어있다. 가장최근의대량멸종은 6,500 만년전에거대한운석충돌로야기되었다. 직경이 10km 정도인운석이모든공룡을비롯한지구상에살던종들의절반을멸종으로이끌었다. 그밖의다른대량멸종의원인은여전히논쟁거리이다. 운석충돌말고도과학자들은빙하작용과화산물질의대량분출에의해야기된급격한기후변화와같은다른형태의극적사건들을제안해왔다. 그러나증거는흔히불분명하거나일관성이없다. 예를들면, 전지질시대에서가장큰대량멸종은약 2억 5,100 만년전에발생하였으며, 이때모든종의거의 95% 가사라졌다. 일
구글어스에오신것을환영합니다 j 19 542Ma 진화의 빅뱅 420Ma 최초의육상동물 125Ma 최초의현화식물 0.2Ma 우리의종인호모사피엔스의출현 5Ma 최초의인류조상 대량멸종 443 359 251 200 65 미래 2,000Ma 원생누대 1,000Ma 현생누대 0Ma 부연구자들은그원인으로운석충돌을제안하였지만, 지질기록은이시기에대륙빙하가팽창하였고해수의화학적성질이변화하였다는것을보여주는데, 이는주요기후변화와일치하는발견이다. 동시에거대한화산분출이시베리아의광대한지역 ( 미국의거의절반크기 ) 을 200만 300만km 3 의용암으로뒤덮었다. 이대량멸종은용의자들이너무많아 오리엔트특급살인 이라불린다. 대량멸종은생물권내에서공간을차지하기위해경쟁하는종의수를감소시킨다. 이러한극단적사건들은 생물집단을솎아냄 으로써새로운종의진화를촉진시킬수있다. 6,500 만년전공룡의종말이후에포유류는지배적인동물그룹이되었다. 포유동물이더큰두뇌와손재주가있는종으로급속히진화함에따라약 500만년전에인간과유사한종 [ 호미니드 (hominids), 사람과의동물 ( 현대인간과모든원시인류 )] 이출현했으며, 약 20 만년전에우리자신의종인호모사피엔스 (Homo sapiens, 라틴어로 지혜가있는사람 ) 가출현하게되었다. 생물권에새로출현한신참자로서우리는지질기록에우리의흔적을이제막남기기시작하고있다. 사실한종으로서우리의짧은역사는지질연대표에서선하나의두께도되지않는기간에불과하다는것을주목하면이해할수있다 ( 그림 1.19 참조 ). 구글어스에오신것을환영합니다 구글어스 (GE) 는무료로다운로드받을수있는인터넷검색엔 진구글 (Google) 을통해제공되는공간데이터집합인터페이스 이다. 이인터페이스는사진들에 3 차원적인품질을제공하기위 해디지털고도모델데이터집합위에겹쳐놓은다양한공간적 해상도를갖는항공및위성사진들을사용한다. 데이터들은모 두 3 차원좌표계로위치가표시되어있기때문에구글어스의 도 구 (tools) 눈금자 (ruler) 의 경로 (path) 와 선 (line) 측정도구 를사용해서거리를측정하는데사용할수있다. 고도, 위도, 그 리고경도는커서를움직일때마다연속적으로추적되어스크 린하단에표시된다. 구글어스는또한스크린오른쪽위에항법 (navigation) 도구를제공하여확대, 축소하거나또는방위각과보 는방향을바꿀수도있다. 구글어스의최신기능중하나는이미완성된공간데이터세 트에접속하여특정장소에서시간을거슬러이동하는능력이다. 모든인터넷검색엔진처럼, 구글역시특정가상위치로여러분 을데려다주는데사용할수있는 검색 (search) 창을제공한다. 가 장좋아하는장소를즐겨찾기 (bookmark) 해둘수도있고, 그장 소에서찍은지리좌표가표시되어있는디지털이미지들과연결 해놓을수도있다. 이인터페이스에익숙해지도록이기능들을 전부혹은일부라도사용해보면서즐기길바란다!
20 j 제 1 장지구시스템 구글어스과제 지구는상호연관된구성요소들의역동적이고복잡한시스템이다. 지구의표면을형성하기위해많은요인들이작용하며, 대단히중요한판구조론의이론에의해함께결합된다. 첫번째실습에서는우리행성의지형극단을탐구하기위해구글어스를사용할것이다. 또한이러한특징들의기원을탐색하기위해이후의단원에서후속연습을사용할것이다. 세계의지붕히말라야에서시작해보자. 위치중앙아시아의히말라야에서태평양의괌남부해안챌린저해연 (Challenger Deep) 에이르는지형탐사목표우리행성의지형변화를보여주고구글어스의도구를소개참고그림 1.8 Data SIO, NOAA, U.S. Navy, NGA, GEBCO Image 2009 TerraMetrics Data @ MIRC/JHA Image 2009 DigitalGlobe 요약 지질학이란무엇인가? 지질학은지구를연구하는학문이다 지구의역사, 구성성분, 내부구조, 지표특징. 지질학자들은어떻게지구를연구하는가? 다른분야의과학자들처럼지질학자들은과학적방법을사용한다. 그들은관측과실험에기초한자연현상에대한잠정적인설명인가설을세우고검증한다. 그들은데이터를공유하고서로의가설을검증한다. 반복 되는도전에서살아남은일련의일관된가설들은이론으로승격된다. 가설과이론은하나의자연계나과정을나타내는과학적모델로결합될수있다. 반복적인검증과정을견뎌내고, 새로운관측또는실험의결과를예측할수있는가설, 이론, 그리고모델들은더많은신뢰를받게된다. 지구의크기와모양은어떠한가? 지구는전반적으로평균직경이
구글어스에오신것을환영합니다 j 21 1. Mt. Everest 를구글어스검색창에입력하고커서를사용하여가장높은지점을찾아보라. 에베레스트산의대략적인해발고도 ( 평균해수면위, 또는 amsl) 는얼마인가? 가장높은지점을찾기위해시야틀을북쪽으로기울이면도움이된다. a. 1만 400m amsl b. 7,380m amsl c. 8,850m amsl d. 9,230m amsl 2. 에베레스트산을축소한다음, 히말라야전체를살펴보라. 내려다보는높이 (eye altitude) 를 4,400km로유지하라. 다음기술중여러분이보는것을가장잘담아내는설명은어느것인가? a. 하나의높은봉우리로구성된삼각형산맥 b. 높은고원의남쪽가장자리를따라수십개의높은봉우리들로구성된동서방향의산맥 c. 중앙부의높은봉우리들과가장자리주변의낮은봉우리들로구성된남북방향의산맥 d. 중앙의넓은돔을중심으로폐쇄된원형산맥 3. 검색창에 Challenger Deep 을입력하고, 히말라야에서벗어나지구표면에서가장깊은곳중의하나로이동하라. 구글어스는즉시여러분을필리핀연안의바다로데려다줄것이다. 구글어스의 도구 (tools) 눈금자 (ruler) 선 ( line) 측정도구를사용하여두위치사이의대략적인수평표면거리를측정하라. 그거리는얼마인가? a. 6,300km b. 2,200km c. 18만 5,000km d. 7만 5,500km 4. 챌린저해연에서 내려다보는높이 를 4,200km까지높여축소하라. 챌린저해연과대양의깊은지역을연결하는독특한표면특징에주목하라. 이대규모의특징을어떻게설명할수있는가? a. 챌린저해연은대략적으로남북방향으로발달한해저산맥의일부이다. b. 챌린저해연은태평양에있는아치형심해해구의일부로서, 이지역에서거의동서방향으로뻗어있다. c. 챌린저해연은태평양한가운데있는넓고거의평평한해저평원의가장깊은부분이다. d. 챌린저해연은태평양해저위에돌출해있는해저화산의정상부에있다. 선택도전문제 5. 질문 1의답과커서를사용하여챌린저해연의평균해수면아래최저깊이를기록한뒤, 두위치의대략적인총고도차이를계산하라. 다음의숫자중어느것이그차이값에가장가까운가? a. 1만 4,000m b. 2만m c. 1만 8,000m d. 2만 6,000m 6,370km인구형태이며, 자전의영향으로적도에서는약간부풀고극에서는약간압축된모양을가진다. 지형은지표가장높은지점에서가장낮은지점까지약 20km의범위에서변화한다. 고도는두그룹으로분류할수있다 대륙의대부분은해수면위 0 1km에있고, 대양분지의대부분은해수면아래 4 5km에있다. 지구의주요층은무엇인가? 지구내부는성분이다른동심원상 의층들로분류된다. 외부층은다양한두께를가지는지각으로서, 대륙하부에서는 40km의두께를, 해양하부에서는 7km의두께를가진다. 지각아래로부터핵맨틀의경계인 2,890km에이르는구간에는맨틀이있는데, 고밀도의암석으로이루어진두꺼운껍질을이룬다. 중심의핵은주로철과니켈로구성되어있으며, 2개의층 ( 액체상태의외핵과고체상태의내핵 ) 으로구분되는데, 그경계는 5,150km 깊이에서나타난다. 각층들사이의밀도변화는기본적으로각각의화학조성이다르기때문이다.
22 j 제 1 장지구시스템 상호작용하는구성요소들로이루어진시스템으로서의지구를어떻게연구할수있는가? 지구와같은복잡한시스템을이해하려할때, 우리는흔히지오시스템이라고부르는그하위시스템들에집중하는것이더쉽다는것을발견한다. 이책에서는세가지주요지오시스템에초점을맞출것이다 기권 수권 빙권 생물권 암석권간의상호작용을포함하는기후시스템, 지구의고체구성요소들간의상호작용을포함하는판구조시스템, 지구의핵내에서의상호작용을포함하는지오다이너모. 기후시스템은태양으로부터의열에의해작동되는반면, 판구조시스템과지오다이너모시스템은지구내부의열에의해움직인다. 판구조론을구성하는기본요소는무엇인가? 암석권은 12개의큰판으로나뉘어있다. 판들은맨틀대류에의해지구표면을따라 1년에수센티미터씩이동한다. 개개의판은움직이고있는연성의연약권위에올라타고하나의딱딱한단위체처럼행동한다. 뜨거운맨틀물질은판이형성되고분리되는경계부에서는상승하며, 판들이서로멀어지면냉각되어더단단해진다. 결국대부 분의맨틀물질은판이수렴하는경계에서섭입하며가라앉아맨틀속으로되돌아간다. 지구역사상중요한사건들은무엇인가? 지구는 45억 6,000 만년전에형성되었다. 약 43억년의연령을가지는암석이지각에남아있다. 액체상태의물은 38억년전부터지표면에존재해왔고, 지오다이너모는약 35억년전에자기장을형성하였다. 생명체의존재에대한최초의증거는 35억년전의암석에서발견된다. 약 27억년전, 초기식물이산소를생산하면서대기의산소함량이증가하였으며, 약 25억년전, 큰대륙덩어리들이형성되었다. 동물은약 6억년전갑자기출현하였으며, 대규모폭발적인진화를겪으면서빠르게다양화되었다. 이후의생명체진화는일련의대량멸종으로특징지어지는데, 최후의대량멸종은공룡이사라진 6,500 만년전거대한운석충돌에의한것이었다. 우리인간의종인호모사피엔스 (Homo sapiens) 는 20만년전에처음으로출현하였다. 주요용어 과학적방법 맨틀 지구시스템 지형 기후 암석권 지오다이너모 측지학 기후시스템 연약권 지오시스템 판구조시스템 내핵 외핵 지진파 핵 대류 자기장 지질기록 화석 동일과정의원리 지각 지질학 지질학실습 지구는얼마나큰가? 지구가약 4만km의둘레를가진둥근형태라는것은언제발견되었을까? 1960년대초이전까지는우주에서지구를내려다본사람이아무도없었지만, 그형태와크기를오래전부터알고있었다. 콜럼버스는그리스철학자들이지지하던측지학이론 ( 우리는구위에서살고있다 ) 을믿었기에 1492년에인도를향한서쪽으로의항해를시작하였다. 그러나그는부족한수학능력탓에지구의원주를정확하게이해하지못했다. 그결과, 그는짧은경로대신에빙돌아긴경로로항해하여, 결국은향신료섬 (Spice Island) 대신에신세계를발견하게되었다. 콜럼버스가고대그리스인들을정확히이해하고있었다면, 아마이와같은행운의실 수를저지르지않았을것이다. 왜냐하면그리스인들은 1,700년전에이미지구의크기를정확하게측정했기때문이다. 지구의크기측정에대한영예는이집트알렉산드리아의대도서관 (Great Library) 관장이었던그리스인에라토스테네스에게돌아간다. 기원전 250년경한여행자가그에게한가지흥미로운관찰에대해이야기하였다. 하지 (6월 21일 ) 정오에알렉산드리아에서남쪽으로약 800km 떨어진시에네의깊은우물속은햇빛으로완전히훤하게밝혀졌는데, 태양이바로머리위일직선상에위치해있었기때문이다. 직감적으로에라토스테네스는실험을수행하였다. 그는알렉산드리아에수직기둥을세웠고, 하지
구글어스에오신것을지질학환영합니다실습 j 23 7 7 N 800km 에라토스테네스는지구둘레를어떻게측정했는가. 정오에기둥은그림자를만들어냈다. 에라토스테네스는태양은아주멀리있기때문에두도시에도달하는빛은평행하게도달된다고가정했다. 태양이알렉산드리아에서는그림자를드리우지만같은시간에시에네에서는바로머리위에있다는것을알게되면서, 에라토스테네스는지표가곡면이어야만한다는것을간단한기하학적원리를이용하여입증할수있었다. 가장완벽한곡선으로이루어진표면은구이므로, 그는지구가구형이라고가정하였다 ( 그리스인들은기하학적완벽함을동경하였다 ). 알렉산드리아에있는기둥의그림자길이를측정하고, 에라토스테네스는두도시를통과하는수직선을지구의중심까지연장한다면, 이선들은원 (3608) 의약 1/50 인약 78의각도로교차할것이라고계산하였다. 두도시사이의거리는오늘날의측정단위로약 800km라고알려져있었다. 이수치들로부터에라토스테네스는현대의측정값에매우근접한지구의둘레값을계산해냈다. 지구의둘레 5 50 3 시에네에서알렉산드리아까지의거리 5 50 3 800km 5 4만km 지구의둘레값으로지구의반지름을계산하는것은쉬운문제였다. 에라토스테네스는원의둘레는반지름에 2p( 파이 ) 를곱한 것과같고, p 는약 3.14 의값을가진다는사실을알고있었다. 따 라서그는그가추정한지구의둘레값을 2p 로나누어서반지름 을구했다. 반지름 5 둘레값 2p 4 만 km 6.28 5 6,370km 이러한계산으로부터에라토스테네스는간단하고우아한과 학적인모델에도달하였다 지구는약 6,370km 의반지름을가지 는구이다. 과학적방법에대한이러한강력한예시에서, 에라토스테네스 는관찰 ( 그림자의길이 ) 하고, 가설 ( 구형의지구 ) 을세우고, 그리 고수학적이론 ( 구면기하학 ) 을적용하여지구의물리적형태에 대한놀랄만큼정확한모델을제안하였다. 그의모델은배의긴 돛대가지평선상에서사라지는거리와같은여러다른유형의측 정을정확하게예측하였다. 게다가지구의모양과크기를아는 것은그리스천문학자들로하여금달과태양의크기와이천체들 이지구로부터떨어진거리도계산할수있게해주었다. 이사례 는잘설계된실험과정확한측정이과학적방법의핵심이되는
24 j 제 1 장지구시스템 이유를명확하게보여주고있다 이러한실험과측정은우리에 게자연세계에대한새로운정보를제공해준다. 추가문제 : 구의부피는다음과같이주어진다. 부피 5 4p 3 ( 반지름 )3 위식을이용해서지구의부피를단위로계산하라. 연습문제 1. 가설, 이론, 모델간의차이점을이장에제시된어떤예들을사용하여설명하라. 2. 에라토스테네스가개발한지구의구형형태모델이어떻게실험적으로검증될수있는지에대해예를들어설명하라. 3. 지구의형태가완벽한구가아닌이유를두가지제시하라. 4. 만약반경이 10cm인지구모형을만든다면, 에베레스트산은해수면위로얼마나높이솟아있는가? 5. 6,500 만년전의거대한운석충돌은모든공룡을포함하여지구상의생물종의절반을멸종시키는원인이되었다고생각된다. 이사건은동일과정의원리가틀렸음을증명하는 가? 여러분의답을제시하고설명하라. 6. 지각의화학적조성은맨틀의화학적조성과어떻게다른가? 또한지구핵의화학적조성과는어떻게다른가? 7. 지구의맨틀이고체임에도불구하고외핵은액체인이유를설명하라. 8. 날씨와기후의차이점은무엇인가? 여러분의경험을예로들어기후와날씨와의관계를설명하라. 9. 지구의맨틀은고체이지만판구조시스템의일부로서대류를한다. 왜이러한사실이모순되지않는지설명하라. 생각해볼문제 1. 세계를이해하는방법에있어과학과종교는어떻게다른가? 2. 여러분이지구표면에서부터중심까지의여행을돕는가이드라고가정하자. 관광객들이지구내부로내려가면서만나는물질을여러분은어떻게설명하겠는가? 깊이내려갈수록물질의밀도는왜항상증가하는가? 3. 지구를상호작용하는구성요소들로이루어진시스템으로보는견해는우리가지구를이해하는데어떠한도움을주는가? 지질기록에영향을줄수있는둘이상의지오시스템들간의상호작용의예를제시하라. 4. 기후시스템, 판구조시스템, 지오다이너모시스템은어떤면에서비슷한가? 그리고어떤면에서서로다른가? 5. 모든행성이지오다이너모를갖고있는것은아니다. 왜그런가? 만약지구가자기장을가지고있지않았다면지구는어떻게달라졌겠는가? 6. 이장에서제시된자료들에근거하면, 세가지주요지오시스템은얼마나오래전부터작동하기시작하였는지에대해우리는무엇이라고말할수있는가? 7. 이론이완전하게입증되지못했음에도불구하고, 왜거의모든지질학자들은다윈의진화론을강하게믿고있는가? 매체지원 11 애니메이션 : 지구의주요층