[ Robert M. Hazen (2012), The Story of Earth: The First 4.5 Billion Years, from Stardust to Living Planet (Penguin Books).
로버트 M. 헤이즌, 『지구 이야기 ― 광물과 생물의 공진화로 푸는 지구의 역사』, 김미선 옮김 (뿌리와이파리, 2014). ]
들어가며
1장. 탄생: 지구의 형성
2장. 대충돌: 달의 형성
3장. 검은 지구: 최초의 현무암 지각
4장. 파란 지구: 대양의 형성
5장. 잿빛 지구: 최초의 화강암 지각
6장. 살아 있는 지구: 생명의 기원
7장. 붉은 지구: 광합성과 산소급증사건
8장. ‘지루한’ 10억 년: 광물 혁명
9장. 하얀 지구: 눈덩이 지구와 온실 지구의 순환
10장. 푸른 지구: 육상 생물권의 탄생
11장. 미래: 변화하는 행성의 각본들
에필로그
들어가며
1장. 탄생: 지구의 형성
■ 빅뱅 [17-18쪽]
- 지구는 45억 6,700만 살
- 빅뱅은 약 137억 년 전
- 빅뱅 이전에는 부피도, 시간도 없었음.
• 우주는 원자핵 하나보다 부피가 작았음.
- 극도로 압축된 우주는 순수한 균질에너지로 시작했음.
• 뜨거운 에너지의 형태로 출현해 점점 커졌고, 팽창하면서 식어감.
- 빅뱅 이후 찰나에 최초의 아원자 입자가 나타남.
• 전자와 쿼크가 순수 에너지에서 물질화한 것
- 머지않아, 쿼크가 두세 개씩 짝을 지어 양성자와 중성자를 만듦.
- 약 50만 년 동안 뜨겁던 우주는 계속 팽창하여 수천 도까지 내려감.
• 수천 도는 전자가 핵에 달라붙어 최초의 원자를 형성하기에 충분히 차가운 온도임.
- 최초의 원자들 중 90% 이상이 수소, 헬륨 몇 퍼센트, 미량의 리튬
- 최초의 원자들이 섞여서 최초의 항성을 형성함.
1.1. 최초의 빛
■ 항성의 형성과 핵융합 반응 [18-19쪽]
- 수소 원자 하나의 중력에 10의 60승(1조×1조×1조×1조×1조)을 곱하면, 중력이 원자들의 공통의 중심을 향해 안쪽으로 끌어들여 항성(중심핵에 어마어마한 압력이 걸리는 거대한 기체 공)을 형성함.
- 막대한 수소 구름이 붕괴하는 동안, 항성을 형성하는 과정은 움직이는 원자들의 운동에너지를 원자들이 뭉쳐진 상태의 중력 위치에너지로 바꿈.
- 중력 위치에너지는 열로 바뀜.
- 수소 구의 중심핵은 수백만 도의 온도와 수백만 기압의 압력에 도달함.
- 그러한 온도와 압력은 핵융합반응을 촉발함.
• 수소의 원자핵은 양성자를 하나씩 가짐.
• 수소의 원자핵 두 개가 엄청나게 큰 힘으로 충돌하여 중성자가 한 핵에서 다른 핵으로 옮겨가 일부 수소 원자가 다른 원자보다 무거워짐.
• 그러한 충돌이 몇 번 거듭되면 양성자 두 개인 헬륨 핵이 형성됨.
• 헬륨 원자는 수소 원자보다 무게가 약 1% 덜 나감.
• 사라진 질량은 열에너지로 전환되어 더 많은 핵융합반응을 촉진함.
- 항성은 발화하여 주변을 복사에너지로 가득 채우는 한편, 수소를 잃는 만큼 헬륨이 늘어남.
19
- 항성의 중심 핵에 있던 막대한 양의 수소를 다 써버렸지만, 극한의 내부 압력과 열은 핵융합을 계속 촉진함.
- 항성의 중심핵에서 양성자 두 개를 가진 헬륨 원자들이 융합해 양성자 여섯 개를 가진 탄소가 됨.
- 새로운 핵에너지가 중심핵을 둘러싼 원자층에서 수소융합을 촉발함.
- 중심핵의 탄소가 융합하여 네온이 됨.
- 네온이 융합해 산소가 되고, 마그네슘, 규소, 황 등이 됨.
- 융합 반응의 층이 동심원을 그리며 한 층 한 층 올라가므로, 항성은 점점 양파 같은 구조를 띠게 됨.
- 이러한 반응은 점점 더 빨리 일어나다가, 철을 생성하는 최종 국면에 이르면 하루밖에 지속되지 않음.
- 빅뱅 이후 수백만 년이 지난 무렵에는 주기율표 첫머리에 오는 스물여섯 가지 원소 대부분이 핵융합에 의해 많은 개별 항성 안에 생겨남.
19-20
- 철은 핵융합 과정이 갈 수 있는 종착점
• 수소가 융합하여 헬륨을 생성하는 것을 포함하여 다른 모든 융합 단계가 진행되는 동안 풍부한 핵에너지가 방출되지만, 철은 다른 어떤 원자핵보다 낮은 에너지를 가짐.
• 철을 다른 것과 융합시키는 방법으로는 핵에너지를 추출할 수 없음.
• 최초의 거대 항성이 철질의 중심핵을 생성하는 순간 게임이 끝남.
- 철질의 중심핵을 생성하는 시점까지 내부의 거대한 두 힘이 균형을 이루어 항성이 평형을 유지함.
• 중력은 질량을 중심 쪽으로 끌어당김.
• 핵반응은 질량을 중심 밖으로 밀어냄.
- 중심핵이 핵으로 채워지면 안에서 밖으로 밀어내는 작용이 멈추고 중력이 작용함.
- 항성 전체가 순식간에 안쪽으로 무너지면서 저절로 다시 튀어나와 폭발하여 초신성이 됨.
- 항성이 갈기갈기 찢어지면서, 질량의 대부분을 밖으로 날려보냄.
1.2. 화학의 탄생
20
- 항성이 폭발하고 에너지가 남아도는 환경에서, 항성에 있던 원소들은 전에 없던 색다른 방식으로 융합하여 26번을 훌쩍 넘어가는 주기율표의 모든 원소를 만들어냄.
• 금, 은, 구리, 아연, 비소, 수은, 우라늄, 플루토늄 등이 처음으로 미량이 나타남.
- 모든 원소가 우주공간으로 내동댕이쳐졌으므로, 거기서 화학반응을 통해 새로운 방식으로 한데 뭉칠 수도 있었음.
20-21
전자들의 조합 중 전자가 두 개, 열 개, 열여덟 개 단위로 묶인 상태가 안정적임.
21
- 빅뱅에 뒤따른 최초의 화학반응들이 분자를 생성함.
• 수소 분자는 최초의 항성보다 먼저 등장했을 것임.
21-
- 최초의 초신성이 형성된 이후 여러 원소가 우주공간에 뿌려져 분자들이 많이 형성될 수 있었음.
• 물(H₂O), 질소(N₂), 암모니아(NH₃), 메탄(CH₄), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂) 등
• 이러한 분자 화학종 모두가 행성 형성과 생명의 기원에서 주요한 역할을 함.
21-
- 최초의 광물들이 형성됨.
• 광물: 완벽한 화학식과 질서 있는 결정 구조를 가진 미세한 일정 부피의 고체
- 광물은 광물을 형성하는 원소들의 밀도가 높고 온도도 충분히 낮아서 원자가 작은 결정 안에 스스로 정렬할 수 있는 곳에서만 형성됨.
- 빅뱅 이후 200만-300만 년이 지난 시점, 처음 폭발하고 있는 항성의 팽창하면서 식어가던 가스체들이 그러한 반응을 위한 배경을 제공함.
- 우주 최초의 광물은 다이아몬드와 흑연 등 순수한 탄소의 조그만 정자(晶子)였을 것임.
- 결정 형태의 탄소에 다른 고온의 고체들이 합류함.
- 행성 간 먼지를 모체로 원시 광물이 10여 종 탄생함.
• 예) 강옥(알루미늄과 산소의 화합물), 루비와 사파이어가 강옥의 짙은 색 변종임 등
22
- 먼저 폭발한 항성의 흩어진 파편은 끊임없이 중력의 조직력에 노출됨.
- 선대 항성의 유물들은 새로운 성운(가스와 먼지로 이루어진 광대한 성간 구름)을 형성함.
- 새로운 성운은 이전의 성운보다 철이 풍부했고 수소는 약간 모자랐음.
- 옛 항성이 새 항성을 낳으면서 서서히 우주의 조성이 바뀌는 순환이 137억 년간 계속됨.
• 수십억 개의 은하에서 수십억 개의 항성이 출몰함.
1.3. 우주적 단서
22-23
- 50억 년 전, 우리 은하 나선형 팔의 변두리
- 성운은 수백만 년 동안 지속되다가 어떤 계기로 새로운 항성계로 바뀔 수 있음.
• 예) 폭발하는 인근 항성의 충격파를 받아 붕괴하기 시작
- 45억 년 전 어떤 계기가 태양계를 만듦.
- 100만 년에 걸쳐, 태양계 이전의 가스와 먼지 덩어리가 천천히 소용돌이치며 안쪽으로 끌려 들어옴.
- 중력이 끌어당김에 따라 거대한 구름이 점점 더 빠르게 회전함.
- 붕괴와 회전속도가 빨라진 구름은 더 짙어지고 납작해지면서, 가운데가 점점 더 불룩해지는 원반 모양이 됨.
- 중심에 수소를 잔뜩 지닌 공(발생기의 태양)이 점점 커지다가 전체 구름 질량의 99.9%를 집어삼킴.
- 공이 커지면서 내부 압력과 온도가 용융점까지 올라갔고, 태양에 불이 붙음.
23-
- 태양계 형성의 단서(1): 태양계의 행성과 위성, 혜성과 소행성, 다양한 운석 안에 보존됨.
- 모든 행성과 위성이 태양을 중심으로 같은 평면상에서 같은 방향으로 공전함.
- 거의 같은 평면과 방향에서 태양과 행성들 대부분이 자전함.
금성과 천왕성만 다른 행성과 반대 방향으로 자전함.(옮긴이 주)
- 행성과 위성이 사방팔방으로 공전하고 자전해도 중력의 법칙을 지킬 수 있음.
- 우리 태양계에서 관찰되는 궤도가 거의 균일하다는 사실은, 행성과 위성 모두가 돌고 있던 같은 원반의 먼지와 가스에서 거의 같은 시간에 응집하여 생성되었음을 시사함.
24
- 태양계 형성의 단서(2): 8대 행성의 독특한 분포
- 태양에 가까운 네 개의 내행성(수성, 금성, 지구, 화성)은 대부분 규소, 산소, 마그네슘, 철로 이루어진 비교적 작은 석질 세계임.
• 현무암 같은 고밀도 암석이 행성 표면을 뒤덮음.
- 내 개의 외행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)은 주로 수소와 헬륨으로 이루어진 거대한 가스 행성임.
• 고체 표면이 없고, 깊이 들어갈수록 짙어지는 대기로만 구성됨.
- 이렇게 양분된다는 사실은, 태양계 역사 초기(태양이 태어난 지 수천 년 이내)에 강력한 태양풍이 남아 있던 수소와 헬륨을 더 차가운 영역까지 날려보냈음을 시사함.
• 태양 가까이에 남아 있던 더 굵고 광물이 풍부한 먼지 입자들은 재빨리 뭉쳐서 석질의 내행성을 형성함.
• 태양에서 충분히 먼 곳에서 휘발성 기체가 냉각되고 응축되어 천체가 됨.
24-
미국의 정치가이자 박물학자인 토머스 제퍼슨은 코네티컷 주 웨스턴에서 운석 충돌이 관찰되었다는 예일대의 기술보고서를 읽고 이렇게 말함. “하늘에서 돌이 떨어질 거라고 믿느니 두 양키 교수가 거짓말쟁이라고 믿는 편이 더 쉽겠다.”
25
가장 오래된 운석들
45억 6600만 년 된 콘드라이트의 기원
아콘드라이트
30-
아콘드라이트 운석의 대부분은 파괴된 소행성의 서로 다른 부분을 보여줌.
31-
중력이 초기의 콘드라이트를 한데 뭉치는 동안, 새로운 광물이 점점 더 많이 생겨남.
1.4. 태양계의 조립
■ 살아있는 행성이 되기 위한 장점(1) [32-33쪽]
- 장점(1): 태양의 크기가 적당
- 항성은 덩치가 클수록 수명이 짧음.
• 큰 항성은 내부 온도와 압력이 높아 핵융합반응을 점점 더 빠르게 하기 때문
- 태양은 중간 크기라서 수소 연소의 예산 시간이 90억-100억 년임.
• 생명이 시작되고 진화할 시간이 충분하다는 것임.
■ 살아있는 행성이 되기 위한 장점(1) [33-
- 장점(2): 단일 행성계
- 쌍성계에서는 두 항성이 공통의 중력 중심을 기준으로 서로를 돎.
• 두 항성이 형성되던 때, 수소가 서로 다른 두 곳에 쌓여 큰 가스 공 두 개를 형성한 것
- 우리 성운이 조금만 더 심하게 소용돌이쳤다면 각운동량이 더 컸을 것이고, 질량이 바깥쪽 목성 영역에 더 많이 몰려서 쌍성계가 되었을 것임.
• 태양이 더 작았을 것이고 목성이 작은 항성이 되었을 것임.
• 하나 더 있는 행성이 생명을 유지하는 에너지원을 추가로 제공했을 수도 있음.
• 그러나 두 항성의 중력 동역학은 까다로울 수 있고, 그래서 두 중력끌개가 잡아당겨서 지구가 기우뚱하게 공전하고 비틀거리면서 자전하면 생명에 적대적인 환경이 됨.
1.5. 석질 세계
36
태양이 점화된 뒤 수소와 헬륨 대부분이 바깥쪽 거대 가스행성 구역까지 날아감.
내행성 대부분은 단단한 암석들, 즉 콘드라이트와 아콘드라이트 운석 등으로 구성됨.
37
지구는 생명체가 살 수 있는 ‘골디락스’ 지대 한복판
약 45억 년 전 충돌하는 콘드라이트에서 출발한 다음 수백만 년에 걸쳐서 중력으로 점점 더 큰 미행성체로 뭉쳐서 형성됨.
1.6. 아득히 먼 시간
40-
조물주가 1만 년 전에 우주를 실제보다 엄청나게 늙어 보이도록 창조했다는 주장
1857년 미국의 박물학자 필립 고스 「배꼽」
2장. 대충돌: 달의 형성
45
중심 원리: 행성계는 진화한다
무수히 흩어져 있던 조각들이 100만 년 만에 지구를 형성함.
2.1. 이상한 달
45-
- 지구의 달은 모행성과 견주어 상대적으로 큰 편
• 지름이 지구의 4분의 1이 넘고 질량도 80분의 1 정도
■ 달 형성 가설 [46-47쪽]
- 가설(1): 분열 이론
• 1878년 조지 하워드 다윈(찰스 다윈의 아들)이 제안함.
• 용융된 원시 지구가 너무 빠르게 자전해서 길게 늘어나다가 마그마 덩어리가 표면에서 궤도 안쪽으로 나가떨어짐.
• 태평양 해분(海盆)이 그 흔적임.
- 가설(2): 포획 이론
• 달이 지구와 별도로 형성됨.
• 달이 신생 태양계 안에서 더 작은 미-행성체로 지구와 가까이 지나치던 어느 시점에 지구가 달을 붙잡아 궤도 안으로 끌어들였고 그 궤도가 점차 정착됨.
- 가설(3): 동시 응축 이론
• 달이 현재 자리와 다소 가까운 곳에서 지구 궤도 근처에 남아 있던 큰 파편 구름에서 만들어짐.
2.2. 달 착륙
47
1969년 아폴로호의 달 탐사
48
아폴로호 특무비행
49
아폴로호 시료의 상당 부분은 달의 토양(표토)
■ 달의 특징 [52-53쪽]
- 특징(1): 달은 지구보다 밀도가 훨씬 낮음
• 달에는 금속성 중심핵이 없음.
• 지구의 중심핵 질량은 전체 지구 질량의 3분의 1
• 달의 중심핵 질량은 전체 달 질량의 3% 미만
- 특징(2): 월석에는 휘발성이 가장 높은 원소들이 거의 없음.
• 지구 표면에 흔한 질소, 탄소, 황, 수소가 달의 먼지에서는 보이지 않음.
• 아폴로 특무 비행에서 가져온 것 중 물을 함유한 광물은 가지고 돌아온 적 없음을 뜻함.
• 지구는 액체 상태인 물이 덮여 있고 토양에 진흙이나 운모처럼 물이 풍부한 광물이 잔뜩 들어있음.
• 무언가가 달을 폭파하거나 구워버려서 그러한 휘발 물질들을 없애버린 것임.
- 특징(3): 산소 동위원소 분포가 지구와 다름
• 산소는 ‘양성자가 여덟 개인 원자’의 다른 이름일 뿐임.
• 산소-16: 양성자 여덟 개+중성자 여덟 개
• 산소-17: 양성자 여덟 개+중성자 아홉 개
• 산소-18: 양성자 여덟 개+중성자 열 개
• 우주에 있는 산소 원자의 99.7%는 산소-16
• 산소-16. 산소-17, 산소-18은 화학적 성질 면에서 사실상 동일하지만 질량이 다름
• 산소-18은 산소-16보다 무거움
• 산소를 함유한 화합물이 고체에서 액체로 변하는 등 상태가 변할 때마다 덜 무거운 산소-16이 산소-18보다 더 쉽게 움직임.
• 산소-16 대 산소-18의 비는 행성에 따라 다르고, 형성 당시 태양에서 행성까지의 거리에 따라 매우 민감하게 변화함.
• 달의 암석은 달의 산소 동위원소비가 지구의 것과 사실상 동일함을 나타냄.
• 이는 지구와 달은 태양에서부터 대략 같은 거리에서 형성되었음을 뜻함.
■ 기존 이론의 문제점 [53-54쪽]
- 동시 응축 이론의 문제
• 지구와 같은 내용물로 형성되었다고 하기에는 달의 전체적 조성이 지구와 너무 다름.
- 포획 이론의 문제
• 태양에서 지구까지 거의 같은 자리에 있던 태양계 성운 안에서 형성되었어야 하므로 평균 조성이 같아야 하는데, 둘의 조성이 불일치함.
• 달이 태양계 성운의 다른 구역에서 형성된 다음 지구를 가로지르는 궤도로 왔을 경우, 궤도 동영학 컴퓨터 모형에 따르면, 그러한 달은 지구보다 상대 속도가 높아야 하므로, 그러한 포획 자체가 거의 불가능해짐.
- 분열 이론의 문제
• 지구와 달의 산소 동위원소 조성의 유사함을 설명할 수 있음. 지구와 달은 하나의 계.
• 지구와 달의 철의 차이를 설명할 수 있음. 달을 형성한 것은 지구의 맨틀 덩어리라서 철이 부족했음.
• 달의 한쪽 면이 언제나 지구를 향한다는 사실도 수용함. 지구의 자전과 달의 공전이 지구의 축을 중심으로 같은 회전운동을 하기 때문임.
• 문제는 달에 휘발 물질이 없다는 것
- 물리 법칙들도 분열 이론을 가로막음.
• 용융된 암석이 큰 방울을 만들어 궤도 안으로 튕겨 나가도록 내버려두기에는 지구 중력이 너무 강함.
• 용융된 지구가 달 크기 덩어리를 내동댕이치려면 매우 빠른 속도(한 시간에 한 번 정도)로 자전해야 함.
2.3. 월석의 증언
56-57쪽]
- 1970년대 중반에 ‘대충돌’(Big Splash) 모형의 대두
- 45억 년 이전, 모든 미-행성체에서 행성들이 막 형성되었을 때, 지구가 현재 지름인 12,800km에 근접하게 성장하는 동안, 연달아 어마어마한 충돌을 일으키며 근방에 남아 있던 거의 모든 물체를 집어삼킴.
- 검은 원시 지구와 약간 더 작은 행성 크기의 경쟁자가 거의 같은 궤도를 놓고 앞서거니 뒤서거니 다툼.
- 더 작은 행성 후보도 행성의 지위를 얻을 만했음.
• 행성 후보는 달을 낳은 티탄족 여신의 이름을 따서 ‘테이아’(Theia)라고 부름.
- 천체물리학의 규칙 중 하나는 어떤 행성도 같은 궤도를 공유할 수 없다는 것임.
• 궤도를 공유하는 두 행성은 충돌할 것이고 언제나 더 큰 행성이 이김.
■ 컴퓨터 모의실험 [57쪽]
- 온갖 종류의 초기 조건을 입력하여 모의실험을 수천 번 돌리면 그 결과로 달이 생기는지 여부를 볼 수 있음.
- 해답은 출발하는 매개변수들과 긴밀한 연관이 있음.
• 매개변수: 원시 지구의 질량과 조성, 테이아의 질량과 조성, 둘의 상대속도, 타격의 각도 및 정확도
- 대부분의 조합은 전혀 효과가 없으나, 소수의 모형은 우리가 오늘날 보는 것과 상당히 닮은 지구-달 계를 만들어냄.
57-59
- 자주 묘사되는 판본에서 일어나는 충돌은 측면 충돌
• 테이아가 지구 옆구리를 강타함.
• 충돌한 다음 4-5분에 걸쳐 테이아는 동그랗고 말랑한 반죽 덩어리가 바닥을 때릴 때처럼 지구에는 별다른 영향을 미치지 않고 혼자서 뭉개짐.
• 충돌 10분 뒤 테이아는 꽤 많이 으스러지고, 지구는 둥근 상태에서 벗어나 변형되기 시작함.
• 충돌 반 시간 뒤, 테이아는 완전히 지워지고, 손상된 지구는 더 이상 대칭적인 구형이 아님.
• 그동안 열과 충격에 의해 기화된 뜨거운 암석들이 빛줄기처럼 뿜어져나옴.
- 널리 인용되는 다른 각본
• 하버드-스미스소니언 천체물리연구소의 앨라스테어 캐머론이 1970년대에 처음 제안하고 20년에 걸쳐 다듬음.
• 테이아의 질량은 원시 지구의 약 40%
• 중심에서 빗나간 충돌이 일어남.
• 테이아가 지구에 부딪쳤다가 기름 한 방울처럼 튀어나온 다음, 지구로 다시 끌려들어감.
• 두 번째 대충돌에서 테이아는 영원히 사라짐.
- 어떤 경우든 격변이 테이라를 괴멸시켰고, 완전히 증발한 테이아는 백열광을 뿜는 수만 도의 거대한 구름이 되어 지구를 뜨겁게 둘러쌈.
- 지구의 지각과 맨틀도 뭉텅이로 증발되고 뿜어져 나가 테이아의 흩어진 잔재들과 뒤섞임.
• 일부 물질은 우주공간으로 탈출함.
• 나머지 물질의 대부분은 지구 중력의 단단히 붙들려 궤도 안에 머무름.
- 양쪽 세계의 중심핵에서 증발한 고밀도 금속들이 한데 섞였다가 다시 식어 액체 상태로 가라앉아, 지구의 새로운 중심핵을 형성함.
• 맨틀 물질들로 뒤섞이고 증발하여 지구를 에워싸는 기화된 암석 구름을 형성함.
• 지구에는 주황빛의 뜨거운 규산염 방울들이 끊임없이 빗발쳐 마그마 대양과 융합함.
• 지구는 더 육중한 행성이 됨.
- 지구는 궤도 위 더 높은 공간에 막대하게 쌓인 암석 충돌의 파편들로 둘러싸임.
• 파편은 대부분 두 행성의 맨틀이 잘 섞인 혼합물임.
• 식어가는 암석 방울들이 한데 들러붙으면서, 더 큰 덩어리가 더 작은 덩어리들을 쓸어모음.
- 중력에 의한 응집이 순간적으로 일어나면서 달리 급속히 합체되고, 2-3년 만에 현재 크기에 근접함.
■ 로슈 한계 [59-60쪽]
- 로슈 한계 안쪽에서는 중력이 너무 커서 위성이 형성되지 못함.
• 예) 토성 표면에서 약 8만 킬로미터 이내에는 고리들이 있지만 위성은 하나도 없음.
- 지구의 로슈 한계는 중심에서부터 계산하면 18,000킬로미터이고 표면에서는 11,000킬로미터임.
- 달의 형성 모형들은 새로운 위성의 위치를 24,000킬로미터 위에 둠.
• 해당 지점이라면 위성이 대충돌로 흩어진 조각 대부분을 쓸어모아 자랄 수 있음.
60
- 대충돌 이론은 모든 주요 단서를 다른 어떤 모형보다 훌륭하게 설명함.
- 달에 철로 된 중심핵이 없는 것은 테이아의 철이 대부분 지구 안쪽으로 말려 들어갔기 때문임.
- 달에 휘발 물질이 없는 것은 충돌하는 동안 테이아의 휘발 물질이 날아갔기 때문임.
- 달의 한쪽 면이 항상 지구를 마주보는 이유는 지구와 테이아의 각운동량이 짝을 이루어 하나의 회전계가 되었기 때문임.
- 대충돌은 지구의 축이 23도쯤 기운 이유도 설명함.
• 테이아 충돌이 지구를 옆으로 쓰러뜨린 것
2.4. 다른 하늘
62-
달이 겨우 24,000km 밖에 있었으므로, 지구가 다섯 시간마다 한 번씩 자전했음.
증거는 산호초
두 번째는 퇴적물
달이 지구를 한 바퀴 도는 데 84시간
2.5. 미치광이 세계
64-
웅장한 조석의 훼방이, 달이 지구에서 계속 멀어지는 핵심 이유
24,000킬로미터 밖에 있던 달이 385,000킬로미터까지 가게 된 것은 각운동량 보존법칙 때문
3장. 검은 지구: 최초의 현무암 지각
3.1. 원소의 필연성
71
지구의 초기 진화는 (원소를 만드는) 우주화학과 (암석을 만드는) 암석화학이 얽힌 결과
수소, 헬륨,
6대 원소: 산소, 규소, 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 철
71-
산소는 지구의 주된 전자받개(전자수용체)
모든 산소 원자는 핵 안에 양전하를 띤 여덟 개의 양성자를 가지며, 양성자는 음전하를 띤 여덟 개의 전자와 전기적으로 균형을 이룸.
산소는 언제나 전자 두 개를 더 찾아 전자 열 개를 채우려고 함.
72
처음 20억 년 동안 지구 대기에는 산소가 거의 없었고 대부분은 암석과 광물 안에 갇혀 있었음
산소가 전자받개(전자수용체로서 결정적인 화학적 역할을 하려면,
전자주개(전자공여체)인 규소
73
규산염, 규소-산소 결합을 가진 결정은 지구에서 가장 흔한 광물
알려진 것만 1,300종 이상
74
6대 원소 중 철
75
화학결합
이온결합
3.2. 용융된 지구
77-
달을 형성한 충돌에 뒤따랐을 격동의 세월
충돌 뒤 100년-10만 년 동안 지구는 용융된 상태
78-
전도
대류
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3.3. 최초의 암석
80
지구의 막대한 열이 우주공간으로 사라지고 석질의 지각이 형성
80
45억 년 전 테이아 직후
지구와 달은 빛은 뿜는 규산염 증기로 이뤄진 섭씨 5,500도의 대기를 공유
기체 상태의 암석이 급속히 식어서 작은 방울들로 응축되어 마그마 비를 내림
온도가 2800, 2200, 1600도로 떨어짐.
그때 결정들이 최초로 형성됨
80
암석의 기원을 추적할 때의 두 가지 기술적 난관
(1) 높은 온도
(2) 높은 압력
81-
섭씨 1,500도 이하가 되면 규산마그네슘인 감람석 결정을 형성하면서 굳기 시작함
감람석 결정들이 계속 가라앉자 지구와 달 안쪽에서 식어가던 마그마가 점차 변질됨
3.4. 중심핵의 진실
3.5. 현무암
87-
- 지구 최초의 감람암 지각
• 모태는 마그마 대양
- 감람암은 밀도가 너무 높아서 지구 깊은 곳으로 다시 가라앉음.
- 감람암보다 밀도가 낮은 암석이 현무암
- 현무암은 모든 지구형 행성 표면 근처에서 가장 두드러지는 암석
90
- 현무암 지각이 형성되자, 지구는 처음으로 둥둥 뜰 수 있으면서도 튼튼한 고체 표면을 가지게 됨.
- 지각이 형성되기 전, 마그마와 감람암만이 행성 표면을 구성할 때는 어떤 지형도 평균 고도를 넘어서는 높이까지 올라가기 힘들었음.
- 현무암은 밀도가 낮으면서 단단하므로 평균을 넘어 3킬로미터 이상 올라갈 수 있었을 것
• 다양한 지형이 나타나기 시작함.
3.6. 적대적인 세계
91
달은 물러나는 중에도 지각을 형성하는 데 주요한 역할을 함
4장. 파란 지구: 대양의 형성
95
지구 탄생 후 5억 년가량은 알기 힘듦
명왕이언부터 지금까지 남은 암석이나 광물이 거의 없음
96
96-
질소, 탄소, 황, 물
97
지구가 생명이 살 수 있는 행성으로 바뀐 것은 휘발물질과 관련
콘드라이트 운석은 우리의 추측에 정량적인 출발점
98
질소는 화학적으로 비활성 기체라 광물을 거의 형성하지 않음
대기에 농축
물
4.1. 물: 약력
98
수소는 1번 원소
산소는 8번 원소
전자 수가 마법의 수(2 또는 10)보다 적음
■ 물 [98-101쪽]
- 물 분자에 내재하는 극성이 물의 독특한 성질 중 많은 것을 설명함.
- 물이 뛰어난 용매인 것은 양의 말단과 음의 말단이 강한 힘을 발휘하여 다른 분자들을 갈라놓을 수 있기 때문임.
• 암석은 녹는 데 시간이 걸리지만 수백만 년이 흐르자 거의 모든 화학원소가 대양에 풍부해짐.
- 얼음이 매우 강한 분자성 고체인 것은, 물 분자의 극성 때문임.
• 물 분자의 극성은 물 분자를 서로 강하게 결합시킴. 한 분자의 양극 쪽이 다른 부나즈이 음극 쪽을 끌어당긴다는 뜻.
- 물은 유달리 표면장력이 높음.
• 작은 곤충들이 물 위를 걸을 수 있게 해줌.
• 표면장력은 모세관 작용을 낳아, 물이 관다발식물 줄기를 통과하여 올라가도록 하여 나무가 수십 미터씩 자랄 수 있게 함.
• 물 분자의 강한 상호 인력 때문에 동그란 빗방울이 떨어짐. 메탄이나 이산화탄소처럼 극성을 띠지 않는 휘발성 분자들은 그렇게 작은 방울을 형성할 수 없으며, 안개 형태로 대기 중을 떠다닐 것임.
- 액체 상태 물이 고체 상태 물보다 밀도가 10% 정도 더 높음.
• 거의 모든 화합물의 경우, 고체가 액체보다 밀도가 높음. 이는 고체 안의 분자들은 규칙적으로 채워지고, 액체 안의 분자들은 마구잡이로 분포하기 때문임.
• 물은 질서 있는 얼음 결정에서보다 마구잡이 액체 상태에서 더 효율적으로 채워짐.
• 얼음이 물에 뜨기 때문에 수중 생물이 살 수 있고, 물의 순환도 계속됨.
- ‘순수한’ 물의 성질 중 하나는 순수성 결핍
• 세 개의 원자로 이루어진 단위 분자들 중 일부는 필연적으로 양전하를 띤 수소 이온(H⁺)과 음전하를 띤 수산기 이온(OH⁻)으로 갈라짐.
• 수소 이온은 물 분자에 매달려 히드로늄 이온(H₃O⁺)을 생성함.
100-
대양의 pH와 염 함량
4.2. 물, 물, 사방천지에 물
4.3. 눈에 보이는 물의 순환
4.4. 심층수의 순환
109-
심층수의 순환
112
지각 하단에 있는 감람석과 휘석은 물이 0.01%가 들어있음.
압력과 온도가 맨틀 조건인 10만 기압과 섭시 1,100도까지 올리면 감람석은 와드슬레이트로 바뀜.
와드슬레이트는 3%나 되는 물을 포함할 수 있음.
4.5. 최초의 대양
4.6. 희미한 태양의 역설
5장. 잿빛 지구: 최초의 화강암 지각
124
대부분의 화강암은 광물학적으로 단순한 네 가지 다른 종을 포함함.
종(1): 무색투명한 석영(순수한 규소산화물)
종(2): 칼륨이 풍부한 장석(회백색)
종(3): 나트륨이 풍부한 장석(회백색)
종(4): 철을 함유하는 휘석이나 판형 운모나 각섬석(더 어두운 색)
5.1. 부력
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검은 현무암으로 이루어진 지구의 원시 지각
밀도가 물보다 세 배쯤 높아서 많은 지형을 지탱할 수 없었음.
현무암보다 평균 밀도가 상당히 낮은 화강암(물 밀도의 약 2.7배)
화강암은 현무암과 감람암 위로 뜸.
5.2. 돌아온 충돌?
127
5.3. 표류하는 대륙들
5.4. 숨겨진 산들
5.5. 확장되는 바다
5.6. 사라지는 지각의 문제
5.7. 혁명
145-
화강암은 뜨고 현무암은 가라앉는다는 것인 대륙의 기원에 대한 열쇠
(2025.10.01.)
