지구의 탄생과 진화

태양계 천체들은 지금으로부터 약 50억 년 전에 거대한 성운이 수축하여 만들어진 것으로 추측된다. 주위에서 별이 폭발하면 그 충격으로 거대 성운이 수축하게 되고, 일단 수축을 시작한 성운은 자체 중력 때문에 수축 속도가 더욱 빨라지며 천천히 회전하는데, 수축이 심할수록 회전이 빨라져 성운의 중심부는 볼록하게 되고 가장자리는 얇은 원반 모양을 이룬다.

한편, 성운이 수축하는 동안 열에너지가 발생해 중심부의 온도가 높아지는데, 온도가 충분히 높아지면 물질이 집중된 중심부에서 태양이 만들어지고, 가장 자리인 원반 지역에서는 크고 작은 무수한 미행성체들이 생긴다. 미행성체들을 이루는 물질은 성운의 중심으로부터 거리에 따라 달라진다. 온도가 높은 원시 태양 부근에서는 암석과 철질의 미행성체가 생성되고, 온도가 낮은 바깥쪽에는 가스와 얼음 성분의 미행성체가 생긴다. 그리고 이들 미행성체들은 원시 태양 둘레를 공전하며 서로 충돌하여 파괴되거나 뭉치면서 질량이 큰 원시 행성으로 성장한 것으로 추정된다. 이 과정을 4단계로 나누어 보면 다음과 같다.

1. 미행성의 충돌
태양계보다 큰 원반 모양의 성운이 회전하면서 미행성을 만들고 현재 지구의 공전 궤도 부근에 있던 미행성들이 충돌하고 합쳐지면서 원시 지구 행성이 탄생하였다. 이 때의 원시 지구 행성은 현재 지구 크기의 절반 가량도 안 된다.

2. 마그마 바다의 형성
원시 지구 행성은 점점 커져서 반지름이 현재 지구의 약 40% 정도 되었을 때 수증기를 주성분으로 하는 대기가 원시 지구 행성을 덮게 된다. 수증기에 의한 온실 효과는 표면의 열이 밖으로 나가는 것을 막는다. 이 때 운석이 계속 충돌하면서 지표의 온도는 점점 높아지고 암석이 녹기 시작한다. 그래서 지구 표면은 마그마로 덮이게 된다. 이것을 마그마 바다라고 부른다.

3. 맨틀과 핵의 분리
원시 지구 행성은 마그마 바다가 만들어지기까지 아직 핵, 맨틀, 지각으로 분리되지 않았다. 그러나 마그마 바다가 형성된 후 금속 성분의 철은 무겁기 때문에 마그마 바다의 밑으로 내려간다. 그래서 마그마 바다의 밑에는 금속철의 층이 만들어지고, 그것은 점점 중심 쪽으로 내려가 금속핵을 만든다. 이 때 원시 지구 행성은 원시 대기, 맨틀, 핵으로 분리된다. 그러나 아직은 지각이 만들어지지 않았다. 원시 지구 행성의 표면 온도는 암석을 녹일 정도이며, 해수는 존재할 수 없다. 지표 부근에는 수백 기압의 수증기로 이루어진 대기가 있다. 대기의 상층에서는 수증기가 응결하여 구름이 되어 비가 내리기도 한다. 그러나 이 비는 지면의 온도가 높기 때문에 지표에 도달할 수 없다. 그 후 지표가 식어 원시 지각이 만들어지면서 비로소 비가 내려 원시 바다가 탄생한다.

4. 원시 대기의 형성
원시 바다가 형성된 후에도 지하 수십 km에는 아직 마그마 바다가 있다. 이것이 완전히 굳은 때는 44～43억 년 전이었을 것이다. 원시 대기에서 수증기가 비로 내려 바다를 이루면서 원시 대기의 주성분은 이산화탄소와 일산화탄소로 점점 변화한다.

1. 지구형 행성과 목성형 행성의 성분 차이가 생긴 원인을 태양계 형성 과정에 비추어 설명하라.

2. 지구 형성 초기에 지구 전체를 용융 상태로 만든 열에너지의 근원은 무엇인가?