지구의 조성과 구조

지구의 조성과 구조

목차

1. 1.지구의 조성과 구조
2. 2.지구의 화학 조성으로 핵의 크기 구하기
   1. 2.11. 정리
3. 3.태양계의 화학 조성
4. 4.지구의 화학 조성
5. 5.지구 내부 구조의 형성

지구의 조성과 구조

태양계 전체 질량의 약 70.7%는 수소, 27.4%는 헬륨, 나머지 1.9%는 기타 원소들로 구성되어 있다. 하지만 태양계 구성원 중 하나인 지구는 철, 산소, 규소, 마그네슘 등이 전체 질량의 약 93%를 차지하고 있다. 지구의 지각과 맨틀은 주로 규산염 광물로 이루어져 있으며, 핵은 주로 철로 이루어져 있다.

* 규산염 지구 : 지구의 지각과 맨틀은 대부분 규산염 광물로 이루어져 있어 철을 주성분으로 하는 핵과 구분된다. 지각과 맨틀을 합친 것을 규산염 지구라고 한다.

지구의 화학 조성으로 핵의 크기 구하기

다음 표에 주어진 지구의 물리량과 총질량 중 철이 차지하는 비율로부터 핵의 크기를 유추해 보자.

지구의 반지름	약 6370 km
지구의 총질량	약 6 × 1024kg
지구의 총질량 중 철이 차지하는 비율	약 32%

1. 정리

1. 지구의 부피와 밀도는 각각 얼마인가?

지구의 부피 πr³ = × 3.14 × 6370³ = 1.08 × 10¹² (km³)

2. 지구의 모든 철이 핵에만 존재하며, 핵은 철로만 이루어졌다고 가정했을 때 핵의 질량은 얼마인가?

지구의 모든 철이 핵에만 존재하고 핵이 철로만 이루어져 있다면 지구 질량의 32%인 철의 질량이 곧 핵의 질량이다. 이러한 가정을 바탕으로 계산한 핵의 질량은 다음과 같다.
0.32 × (6 × 10²⁴kg) = 1.92 × 10²⁴kg
지구의 질량 6 × 10²⁴kg, 지구의 밀도 = 5.56 g/cm³

3. 철의 밀도는 1기압에서 약 7.9 g/cm³ 이지만 압력이 높은 핵에서는 약 13 g/cm³ 로 높아진다. 핵의 부피와 반지름은 얼마이며, 각각 지구 전체의 몇 %에 해당하는가?

핵의 밀도를 13 g/cm³라면 핵의 부피는 위에서 구한 핵의 질량을 밀도로 나눠 얻을 수 있다.
핵의 부피 = 1.48 × 10¹¹km³
지구 전체에 대한 핵의 부피 비율은 = 13.7% 이다.
핵의 반지름 r = = 3280 km
지구 전체에 대한 핵의 반지름 비율은 = 51.5% 이다.

4. 위에서 구한 핵의 크기와 실제 지구의 핵의 크기를 비교해 보자. 차이가 난다면, 그 이유에 대해 토의해 보자.

지표면에서 2890 km 깊이 아래가 핵이며, 지구의 반지름은 6370 km이므로 핵의 반지름은 3480 km이다. 위에서 계산한 값은 실제 지구 반지름과 비교하여 약 5.7% 오차로 크게 계산되었다. 이는 위에서 한 가정, 즉 지구의 모든 철이 핵에만 존재하며 핵은 철로만 이루어졌다는 가정이 대체로 옳지만 완전한 사실은 아니기 때문이다. 실제로 지구 상의 철은 핵에만 집중되어 있지 않고, 핵 질량의 80%만 철인 것으로 추정된다.

태양계의 화학 조성

태양계 전체 질량의 약 70.7%는 수소가 차지하고 있고, 헬륨이 27.4%를, 그리고 기타 원소들이 1.9%를 차지하고 있다.

지구의 화학 조성

지구는 대부분 철과 규산염 물질로 되어 있다.
다음은 지구의 구성 물질을 표로 나타낸 것이다.

광물

지구 내부 구조의 형성

지구를 포함한 태양계의 행성들은 태양계 성운에서 만들어진 작은 먼지 크기의 광물 입자들이 점점 뭉쳐지면서 좀 더 큰 암석 덩어리를 이루고, 다시 이들이 서로 충돌하는 과정에서 크기가 성장하여 만들어졌다.
초기 지구는 충돌에 의해 방출되는 에너지와 방사성 동위 원소의 붕괴에 의한 열에 의해 상당 부분이 녹아 있었다. 지구와 같은 조성의 물질이 녹으면 크게 규산염 성분의 마그마와 철 성분의 마그마가 만들어진다. 두 종류의 마그마는 서로 섞이지 않기 때문에 가벼운 규산염질 마그마는 위로 떠오르고 무거운 철질 마그마는 아래로 가라앉는다. 따라서 규산염질 마그마는 식으면서 굳어 맨틀과 원시 지각을 형성하였고, 철질 마그마는 핵을 이루게 되었다. 액체 상태의 핵이 식어 감에 따라 정출한 고체의 금속 철은 중심으로 모여 내핵을 형성하고, 남아 있는 철질 마그마가 외핵을 형성한다.
핵이 식어 가면서 방출되는 열에 의해 맨틀은 서서히 대류하고 맨틀의 상부에서는 암석이 부분적으로 녹아 마그마가 만들어지기도 하는데, 이러한 마그마가 지표로 올라와 지각을 형성하였다. 암석이 부분적으로 녹을 때는 녹는점이 낮은 광물이나 고체보다 액체에 쉽게 들어가는 물질들이 주로 마그마에 모이게 되므로 지각의 조성이 맨틀과 달라진다.

* 방사성 동위 원소 : 자연 상태에서 불안정하기 때문에 스스로 붕괴하여 안정한 원소로 바뀌는 동위 원소이다. 방사성 동위 원소가 붕괴하면 질량 차이 만큼이 에너지로 방출된다.

［Ⅰ-1］지표면과 지구 내부 구조의 형성 과정(기상도)

관련문제

01.지각을 구성하는 산화물 중 가장 많이 포함된 것은?

1. 1. CaO
2. 2. Al₂O₃
3. 3. MgO
4. 4. Fe₂O₃
5. 5. SiO₂

정답 및 해설