[태양계] 세번째 행성, 푸른 지구

지구는 약 45억년 3750만 년 전에 형성되었으며, 태양계가 형성되던 시점과 때를 같이합니다. 원시 태양계 원반의 태양 가까운 부분에서는 갓 방출되기 시작한 태양의 복사에너지에 의해 휘발성 성분이 제거되면서 규소를 주성분으로 하는 암석 종류와 철, 니켈 등의 금속성분이 남게 되었는데, 이들은 원시 태양 주위를 공전하면서 합쳐서 그 크기를 불리게 되었고, 어느 정도 몸집과 중력을 가진 것들을 미행성이라고 부릅니다. 미행성들은 보다 작은 소행성이나 성간 물질을 유인하여 성장하게 됩니다. 미행성의 크기가 커지면 성장속도는 가속이 붙죠. 크기가 작은 소행성들이 충돌하게 되면 충돌의 충격으로 조각들이 흩어지게 되지만, 크기가 큰 것들이 충돌하게 되면 중력이 강하기 때문에 탈출하는 조각들을 회수할 수 있기 때문입니다. 이때 생긴 미행성들 중에서 현재까지 남아 있는 것은 5개 정도입니다.

 

지구는 23시간 56분 4.091초 주기로 자전하며, 그 축은 북극과 남극을 잇는 자전축입니다. 그 방향은 지구의 북극에서 보았을 때 시계 반대방향이고, 그 결과 지구에서 천체들이 한 시간에 15도씩 동에서 서로 이동하는 것처럼 보이는 일주운동을 관찰할 수 있습니다. 지구는 태양을 365.2564 태양일 주기로 공전하고 있는데, 이 때문에 지구에서 보았을 때 태양이 다른 천체들을 배경으로 하여 하루에 1도씩 서에서 동으로 이동하는 현상을 볼 수 있습니다. 지구의 궤도 속도는 평균 초속 30 km 정도인데, 이 속도는 지구의 지름은 7분만에, 달까지의 거리는 4시간 만에 통과할 수 있는 속도입니다.

 

[태양계] 중 세번째 행정, 우리의 푸른 지구입니다.

 

공전 궤도면에 수직인 방향과 자전축은 서로 일치하지 않고 23.5도나 차이가 납니다. 이 기울기 때문에 공전궤도상의 지구의 위치에 따라 태양입사의 각도가 달라지게 되고 계절의 변화를 일으키게 되죠. 한편 달의 궤도면은 지구의 공전궤도면과 또 다시 5도의 차이가 있습니다. 따라서 삭망마다 일식과 월식이 반복되지 않는것이죠. 관성좌표계(지구의 자전, 공전과 관계없이 태양에 고정되어 있는 좌표계)에서 지구는 세차운동을 합니다. 세차운동이란 지구의 자전축이 긴 시간을 주기로 원뿔모양을 그리면서 회전하는 것을 일컫는데, 그 주기는 25,800년 (258세기)나 됩니다. 세차운동은 태양의 중력이 지구의 볼록타원체에 차등적으로 가해져서 생기는 현상인데, 비슷하게 달에 의해서도 자전축이 흔들리며 그 주기는 18.6년이고 장동이라고 부르고 있습니다. 지구와 함께 회전하는 좌표계에서도 지구의 자전은 약간의 불안정함을 보이는데, 이것을 극운동이라고 합니다. 극운동은 준주기적인 운동이며, 연주기성분과 챈들러 운동이라고 하는 14개월 성분으로 이루어져 있습니다. 극운동과 함께 지구의 자전 속도 역시 일정하지 않으며 따라서 하루의 길이 역시 달라지게 됩니다. 때때로 윤초가 삽입되는 것은 이러한 영향을 보상하기 위해서입니다.

 

지구 대기의 역사는 암석과 마그마로부터 방출된 기체들이 지구 주위에 중력으로 묶이면서 시작되었습니다. 이렇게 형성된 대기를 원시 대기라고 합니다. 원시 대기를 이루는 물질은 지구를 형성한 소행성과 혜성 따위에 포함되어있던 휘발성 물질로부터 비롯되었ㅈ죠. 지구가 식어가면서 마그마 바다가 식어 고체의 바닥이 다시 형성되고, 혜성에 들어있던 미량의 물은 많은 양의 혜성이 떨어지면서 축적되기 시작했고, 마그마가 식어 고체의 바닥이 형성된 후에 원시 대기의 수증기 성분이 응결하여 비가 내리기 시작하였습니다. 이 비는 원시 바다를 형성하였고, 이때 땅과 대기에 있던 염분들이 비에 의해 바다로 녹아들어 가면서 바다가 짜게 되었고 소금을 얻을 수 있게 되었습니다.

원시 지구는 바깥부분이 거의 완전히 녹은 상태를 경험하게 되면서 성장했습니다. 원시 지구의 열원은 크게 3가지로 설명할 수 있으며, 첫 번째는 소행성의 충돌인데요. 소행성의 충돌은 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 원시 지구를 뜨겁게 가열했습니다. 두 번째는 중력 에너지입니다. 원시지구가 충돌로 인한 가열 때문에 조금씩 녹기 시작하자 그 때까지 뒤섞여 있던 철과 규소가 중력에 의해서 서로 분리되기 시작한 것입니다. 무거운 철이 중력에너지가 낮은 지구 중심으로 쏠려 내려가면서 굉장한 중력에너지를 열에너지의 형태로 방출되었습니다. 세 번째 열원은 원시 태양계에 충만하던 방사성 동위원소의 붕괴열입니다. 지구의 바깥부분이 완전히 녹은 상태를 마그마 바다라고 하는데, 마그마 바다의 깊이는 수백 km에 달했다고 여겨집니다. 중력 분화가 끝나고,낙하할 소행성들도 거의 정리가 되자 지구는 식기 시작했스비다. 마그마 바다가 식기 시작하면서 최초의 지각이 형성되었습니다.

원시 바다의 해저에서는 지금의 열수분출공과 같은 곳이 다수 존재하였는데, 최초의 생명은 36억 년 정도 전에, 열수에서의 고에너지 하에서의 화학반응을 이용하는 특수한 생물들이 생겨나 진화하면서 탄생한 것으로 추정되고 있습니다. 광합성을 할 수 있는 생명체들이 생겨나면서부터 이들은 태양 에너지를 곧바로 자신들의 에너지원으로 활용할 수 있게 되었죠. 광합성의 결과로 생긴 산소는 먼저 바다에 녹아들어가면서 엄청난 양의 산화철을 만들었고, 바다에 퇴적시켰습니다. 바다가 산소로 포화되는 데에는 10억 년에서 20억 년이 걸렸던 것으로 추정하고 있죠. 그 뒤 계속되는 광합성은 산소를 대기 중으로 방출시켰으며 성층권에 오존층을 형성하게 됩니다. 초기의 생물들은 단세포 생물로 지금의 원핵생물과 비슷했다고 추측됩니다. 이들이 서로 합쳐지는 과정을 통해 한층 더 복잡한 형태인 진핵생물로 진화했고, 진핵생물이 서로 군집하게 되면서 다세포 생물로 진화하게 됩니다.

 

지각의 이동을 설명하는 방법은 여러가지로 변해왔습니다. 가장 먼저 나온 이론은 지구수축설이죠. 지구의 속이 냉각하며 부피가 준다는 이론으로 르네 데카르트가 제안했습니다. 하지만 산맥,골짜기의 폭이라던지 특수한 지대만 있는 습곡 산맥등은 이 이론으로 설명되지 않았습니다. 1940년대에는 이에 조금 더 발전된 저온기원설이 발표된 후, 지구수축설을 누르고 잠시동안 지각의 이동을 설명하는 방법이 되었습니다. 1912년, 독일의 알프레드 베게너(Alfred Wegener)가 대륙이동설을 발표했는데, 이것의 원동력을 설명하지 못해서 지지를 받지 못하였습니다. 다음으로 나온것은 1929년 홈스에 의한 맨틀대류설인데요, 이는 맨틀의 대류에 의한 판의 이동을 설명함으로 습곡산맥, 해령, 해구 등을 설명 할 수 있었습니다. 다음은 1960년대 미국의 디에츠와 헤스 (Harry Hess)의 해저확장설이 있습니다. 해저확장설은 해저의 해령에서 끊임없이 대륙이 생겨나간다고 주장하는 학설입니다. 가장 최근에 나온 설은 플룸 구조론 (plume tectonics)으로, 지진파를 통해 알아낸 지구 내부의 열 온도가 일정하지 않다는 것으로 나온 가설입니다. 차가운 플룸과 뜨거운 플룸이 유동하면서 지구내부를 유동한다는 가설이죠. 이 외에도, 지금 이 순간에도 새로운 가설들이 나오고 있습니다.

 

대륙지각이 충분히 형성되고 나서부터는 수억 년을 주기로 하여 지구 표면의 대륙들이 모이고 다시 합쳐지기를 되풀이해왔는데, 언제부터 이 주기가 시작되었는지는 아직 명확하게 결정되지 않았습니다. 때때로 대륙들이 모두 뭉쳐 형성한 하나의 큰 대륙을 초대륙이라고 합니다. 초대륙의 개수와 그 존재에 대해서는 의견이 분분합니다. 지금까지 존재 시기가 결정된 초대륙에는 30억년전의 우르 (초대륙이 아니라 가장 큰 대륙이라 하는 학자도 있음) 18억년전 컬럼비아, 10억년~7억 5천만 년 전의 로디니아, 6억 년에서 5억 4천만 년 전의 판노시아, 그리고 2억 년 전의 판게아 등이 있습니다. 일부 학자들은 로라시아와 곤드와나대륙, 아메리카대륙, 현재의 아프로-유라시아 대륙도 초대륙이라 보고 있습니다.

7억 5천만 년 전부터 5억 8천만 년 전 시기에 전 지구가 얼음에 덮이는 혹독한 빙하기가 찾아왔었다는 가설이 60년대부터 제기되었습니다. 이 가설을 눈덩이 지구라고 하는데, 빙하기가 끝나면서 캄브리아기의 대폭발이 찾아왔다는 점에서 특별한 관심을 끌고 있습니다. 캄브리아기 폭발은 캄브리아기에 들어서면서 다세포 생물이 갑자기 번성하면서 종의 다양성이 폭발적으로 늘어난 현상을 일컫습니다. 5억 3천5백만 년 전의 캄브리아기의 대폭발 이후로 다세포 진핵생물은 육상을 점령하고, 하늘에 진출했으며, 바다에서는 생태계의 꼭짓점에 군림하는 등 엄청난 성공을 거두었습니다. 한편 캄브리아기 이후 생물종의 대부분을 멸종시킨 대량멸종사건이 다섯 차례 있었다는 것이 확인되었습니다. 대량멸종사건은 기존에 번성하던 생물종들을 대부분 지구상에서 사라지게 하지만, 거기에서 살아남은 종들은 다시 번성하여 기존의 생태적 지위를 차지하게 된다는 점에서 생물의 진화에 결정적인 영향을 미치는 사건이죠. 고생대 말의 공룡 등의 대량멸종은 판게아의 분열과 관련된 대규모 화산활동에 의했다고 생각되며 중생대 말의 대량멸종은 전 세계에 있는 핵폭탄을 모두 한꺼번에 폭발시켰을 때보다 1만 배나 강한 위력의 운석 충돌로 야기되었습니다. 중생대 말의 공룡의 대량멸종 이후, 지금으로부터 약 6400 만 년 전에 포유류가 등장하여 번성하게 되었고, 지금으로부터 200만 년 전에 현재의 남아프리카 공화국 근처에서 포유류 가운데 원시인이 처음 생기고, 원시인이 진화하여 현대의 인간이 되었습니다.

지구는 하나의 위성, 달을 거느리고 있습니다. 달과 지구는 공동질량중심을 27.32일의 주기로 회전하고 있으며 이를 항성월이라고 합니다. 한편, 지구와 달의 회전이 일어나는 동안 지구 역시 태양주위를 공전하고 있기 때문에 태양과 달의 상대적인 위치가 되풀이되는 데에는 항성월 보다 조금 더 긴 29.53일이 걸리며 이 기간을 삭망월이라고 지칭합니다. 달과의 인력과 바다의 밀물과 썰물의 상호관계 때문에 지구의 자전 속도는 느려지는데 매년 0.000017초 정도가 느려지고 달과의 거리는 매년 4cm씩 멀어지고 있습니다.

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