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1. 개요[편집]
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내핵의 위치(inner core) |
지구의 내핵은 지구 내부에서 가장 깊숙한 곳에 위치한 지질학적 구조층이다. 이 구조는 대체로 고체 상태의 철과 니켈로 이루어진 구형 덩어리로 구성되어 있으며, 반지름은 약 1,220km로 측정된다. 이는 지구 전체 반지름의 약 5분의 1에 해당하며, 달 반지름의 약 70%와 맞먹는다.
내핵은 지각이나 맨틀과는 달리 직접적인 시료 채취가 불가능한 영역이기 때문에, 과학자들은 지진파의 전달 방식과 지구 자기장과 같은 간접적인 증거를 통해 그 성질을 추정해 왔다. 특히 지진파의 진행 속도와 굴절 현상은 내핵이 고체 상태라는 사실을 뒷받침한다.
현재 내핵은 주로 철과 니켈로 이루어져 있다고 여겨지며, 여기에 소량의 가벼운 원소들이 포함되어 있을 가능성도 제기된다. 내핵 표면의 온도는 약 5,700K, 섭씨로 환산하면 약 5,430도에 이르며, 이는 태양 표면 온도에 맞먹는 수준이다. 이러한 높은 온도에도 불구하고 내핵이 고체 상태를 유지하는 이유는 극도로 높은 압력 때문이다. 이러한 상태는 시몬-글라첼 방정식에 따라 설명된다. 높은 압력이 고체 상태의 안정성을 유지시켜주며, 이는 지구 중심부의 열역학적 특성을 이해하는 데 중요한 근거가 된다.
내핵은 지구 자기장을 형성하는 외핵과 밀접한 상호작용을 하며, 이 과정에서 발생하는 역학적 에너지는 지구 내부의 열순환에도 영향을 미친다. 이처럼 내핵은 지질학적 구조 이상의 의미를 가지며, 지구 전체의 동역학적 균형을 이해하는 데 핵심적인 역할을 한다.
내핵은 지각이나 맨틀과는 달리 직접적인 시료 채취가 불가능한 영역이기 때문에, 과학자들은 지진파의 전달 방식과 지구 자기장과 같은 간접적인 증거를 통해 그 성질을 추정해 왔다. 특히 지진파의 진행 속도와 굴절 현상은 내핵이 고체 상태라는 사실을 뒷받침한다.
현재 내핵은 주로 철과 니켈로 이루어져 있다고 여겨지며, 여기에 소량의 가벼운 원소들이 포함되어 있을 가능성도 제기된다. 내핵 표면의 온도는 약 5,700K, 섭씨로 환산하면 약 5,430도에 이르며, 이는 태양 표면 온도에 맞먹는 수준이다. 이러한 높은 온도에도 불구하고 내핵이 고체 상태를 유지하는 이유는 극도로 높은 압력 때문이다. 이러한 상태는 시몬-글라첼 방정식에 따라 설명된다. 높은 압력이 고체 상태의 안정성을 유지시켜주며, 이는 지구 중심부의 열역학적 특성을 이해하는 데 중요한 근거가 된다.
내핵은 지구 자기장을 형성하는 외핵과 밀접한 상호작용을 하며, 이 과정에서 발생하는 역학적 에너지는 지구 내부의 열순환에도 영향을 미친다. 이처럼 내핵은 지질학적 구조 이상의 의미를 가지며, 지구 전체의 동역학적 균형을 이해하는 데 핵심적인 역할을 한다.
2. 지진파를 통한 내핵 연구[편집]
지구 내핵에 대한 이해는 오직 간접적인 지질학적 신호, 그중에서도 지진파의 분석을 통해 이뤄졌다. 지금까지도 과학자들이 내핵의 성질을 밝히는 데 있어 가장 중요한 수단으로 여기는 것이 바로 지진파이다. 지진파는 지구 내부를 가로지르며 다양한 경로를 따라 이동하고, 이 과정에서 물질의 성질에 따라 속도와 진폭, 진행 방향이 변화하게 된다. 이를 정밀하게 측정하고 해석함으로써, 직접 도달할 수 없는 내핵의 밀도, 탄성, 상태(고체 또는 액체), 구조적 경계 등을 추정할 수 있다.
특히 지표면에서 30km보다 깊은 곳에서 발생하는 심발 지진은 지구 내부, 특히 맨틀 하부와 외핵, 내핵을 통과하는 파형을 생성하기 때문에 연구에 있어 가장 가치 있는 신호로 간주된다. 이러한 파형은 전 세계적으로 설치된 지진계에 기록되며, 이를 종합 분석함으로써 전 지구적 스케일에서 내핵의 3차원적 구조를 재구성할 수 있다.
지진파는 크게 두 가지 주요한 유형으로 나뉜다. 첫 번째는 압축을 통해 전달되는 압축파, 흔히 ‘P파’로 불리는 파형이다. 이는 고체와 액체 모두를 통과할 수 있으며, 전파 속도가 빠르고 가장 먼저 도착하기 때문에 ‘Primary wave’라고도 한다. 두 번째는 전단력을 통해 전달되는 전단파, 즉 ‘S파’이며, 고체처럼 전단 응력이 작용할 수 있는 탄성 매질에서만 전파가 가능하다. 액체 상태에서는 전단 응력이 지지되지 않기 때문에 S파는 통과하지 못한다. 이러한 특성은 내핵이 고체인지 액체인지를 판단하는 데 있어 결정적인 기준이 된다.
내핵을 분석하는 데 있어 가장 주목할 만한 지진파 경로는 이른바 PKiKP 및 PKIKP로 명명된 복합 경로이다. 이 명칭은 지진파가 지나가는 지층을 약어로 표현한 것으로, ‘P’는 압축파, ‘K’는 외핵, ‘I’는 내핵, ‘i’는 내핵 경계를 뜻한다.
PKiKP 파형은 지표면 근처에서 발생한 P파가 맨틀을 지나 외핵 경계(K)를 통과한 후, 내핵의 외곽(i)에서 반사되어 다시 외핵과 맨틀을 통과한 뒤 지표면에서 감지되는 구조를 가진다.
반면 PKIKP 파형은 유사한 출발점을 가지지만 내핵 경계에서 반사되지 않고 내부(I)를 직접 관통하여 나오는 파형이다. 이 파형은 내핵 내부의 압축파 전파 속도를 직접 측정할 수 있는 유일한 수단이며, 내핵이 단순한 경계면이 아닌 복합적인 성질을 가진 독립된 고체층이라는 사실을 보여준다.
파형들은 진원지와 수신기 간 거리에 따라 명확도가 달라지는데, PKiKP는 수직 방향 경로일수록, PKIKP는 진앙의 반대편, 즉 대척점에서 수신될 때 가장 뚜렷한 신호를 나타낸다. 지구 전체를 관통하는 이 경로는 지진파의 속도 및 굴절각의 변화에 대한 정밀한 분석을 가능케 하며, 이로 인해 내핵의 대략적인 두께, 경계의 위치, 구성 물질의 밀도까지 추정할 수 있다.
과거에는 내핵을 통과하는 S파가 존재하지 않는다고 여겨졌으나, 최근 연구에서는 P파가 내핵 경계에서 S파로 변환되는 PKJKP 파형이 관측되었다. 이 파형은 P파가 외핵을 지나 내핵에 들어갈 때 전단파(J)로 변환되어 내핵 내부를 통과하고, 다시 외핵 경계에서 압축파로 복귀하여 지표면에 도달하는 과정을 따른다. 전단파는 액체에서 전달되지 않기 때문에, PKJKP 파형의 존재는 내핵이 고체 상태임을 직접적으로 입증하는 과학적 근거가 된다.
이러한 파형들의 감쇠도 내핵 연구에 있어 중요하다. 특정 파형은 내핵을 통과하며 감쇠가 크고, 다른 파형은 상대적으로 감쇠가 적은데, 이러한 차이는 물질의 점성, 밀도, 결정 구조 등과 밀접한 관련이 있다. 일부 연구는 내핵 내부가 완전히 균질한 고체가 아니라, 결정 구조에 따라 방향성이 있는 이방성 고체일 수 있음을 시사하기도 한다. 실제로 PKIKP 파형은 진행 방향에 따라 속도가 미묘하게 달라지는 경향을 보이며, 이는 내핵의 결정 구조가 특정 방향으로 정렬되어 있음을
특히 지표면에서 30km보다 깊은 곳에서 발생하는 심발 지진은 지구 내부, 특히 맨틀 하부와 외핵, 내핵을 통과하는 파형을 생성하기 때문에 연구에 있어 가장 가치 있는 신호로 간주된다. 이러한 파형은 전 세계적으로 설치된 지진계에 기록되며, 이를 종합 분석함으로써 전 지구적 스케일에서 내핵의 3차원적 구조를 재구성할 수 있다.
지진파는 크게 두 가지 주요한 유형으로 나뉜다. 첫 번째는 압축을 통해 전달되는 압축파, 흔히 ‘P파’로 불리는 파형이다. 이는 고체와 액체 모두를 통과할 수 있으며, 전파 속도가 빠르고 가장 먼저 도착하기 때문에 ‘Primary wave’라고도 한다. 두 번째는 전단력을 통해 전달되는 전단파, 즉 ‘S파’이며, 고체처럼 전단 응력이 작용할 수 있는 탄성 매질에서만 전파가 가능하다. 액체 상태에서는 전단 응력이 지지되지 않기 때문에 S파는 통과하지 못한다. 이러한 특성은 내핵이 고체인지 액체인지를 판단하는 데 있어 결정적인 기준이 된다.
내핵을 분석하는 데 있어 가장 주목할 만한 지진파 경로는 이른바 PKiKP 및 PKIKP로 명명된 복합 경로이다. 이 명칭은 지진파가 지나가는 지층을 약어로 표현한 것으로, ‘P’는 압축파, ‘K’는 외핵, ‘I’는 내핵, ‘i’는 내핵 경계를 뜻한다.
PKiKP 파형은 지표면 근처에서 발생한 P파가 맨틀을 지나 외핵 경계(K)를 통과한 후, 내핵의 외곽(i)에서 반사되어 다시 외핵과 맨틀을 통과한 뒤 지표면에서 감지되는 구조를 가진다.
반면 PKIKP 파형은 유사한 출발점을 가지지만 내핵 경계에서 반사되지 않고 내부(I)를 직접 관통하여 나오는 파형이다. 이 파형은 내핵 내부의 압축파 전파 속도를 직접 측정할 수 있는 유일한 수단이며, 내핵이 단순한 경계면이 아닌 복합적인 성질을 가진 독립된 고체층이라는 사실을 보여준다.
파형들은 진원지와 수신기 간 거리에 따라 명확도가 달라지는데, PKiKP는 수직 방향 경로일수록, PKIKP는 진앙의 반대편, 즉 대척점에서 수신될 때 가장 뚜렷한 신호를 나타낸다. 지구 전체를 관통하는 이 경로는 지진파의 속도 및 굴절각의 변화에 대한 정밀한 분석을 가능케 하며, 이로 인해 내핵의 대략적인 두께, 경계의 위치, 구성 물질의 밀도까지 추정할 수 있다.
과거에는 내핵을 통과하는 S파가 존재하지 않는다고 여겨졌으나, 최근 연구에서는 P파가 내핵 경계에서 S파로 변환되는 PKJKP 파형이 관측되었다. 이 파형은 P파가 외핵을 지나 내핵에 들어갈 때 전단파(J)로 변환되어 내핵 내부를 통과하고, 다시 외핵 경계에서 압축파로 복귀하여 지표면에 도달하는 과정을 따른다. 전단파는 액체에서 전달되지 않기 때문에, PKJKP 파형의 존재는 내핵이 고체 상태임을 직접적으로 입증하는 과학적 근거가 된다.
이러한 파형들의 감쇠도 내핵 연구에 있어 중요하다. 특정 파형은 내핵을 통과하며 감쇠가 크고, 다른 파형은 상대적으로 감쇠가 적은데, 이러한 차이는 물질의 점성, 밀도, 결정 구조 등과 밀접한 관련이 있다. 일부 연구는 내핵 내부가 완전히 균질한 고체가 아니라, 결정 구조에 따라 방향성이 있는 이방성 고체일 수 있음을 시사하기도 한다. 실제로 PKIKP 파형은 진행 방향에 따라 속도가 미묘하게 달라지는 경향을 보이며, 이는 내핵의 결정 구조가 특정 방향으로 정렬되어 있음을
3. 규모와 형태[편집]
지구의 중심에 자리한 내핵은 지질학적으로 가장 깊숙한 층위이며, 고체 상태로 존재하는 특징을 지닌다. 내핵의 반지름은 약 1,221 km로 측정된다. 이는 지구 전체 반지름의 약 19%에 해당하며, 달 반지름의 약 70% 수준에 달하는 크기이다. 이 수치는 지구 내부 구조에서 내핵이 차지하는 상대적 규모를 가늠하는 중요한 기준이 된다.
내핵의 부피는 약 76억km³로 산출되며, 이는 전체 지구 부피의 약 0.69%에 불과하다. 다시 말해 지구라는 행성의 전체 구조 중 내핵은 중심에 위치하나, 그 부피나 질량 면에서는 제한된 비중만을 차지한다. 그럼에도 불구하고 내핵은 행성 자기장 형성 과정에서 결정적 역할을 수행하는 핵심 요소로 간주된다.
형태적인 측면에서 내핵은 정구에 가까운 회전 타원체로 추정된다. 즉, 완전한 구형은 아니며 자전에 따른 원심력의 영향으로 적도 부분이 미세하게 팽창한 형태를 이룬다. 이러한 변형은 지구 전체의 형태가 완만한 타원체임을 반영하는 현상으로, 내핵 역시 그 영향에서 완전히 자유롭지 않다. 다만, 내핵은 밀도가 극히 높고 고체 상태를 유지하고 있기 때문에 지표면과 비교할 때 훨씬 더 구형에 가까운 형태를 보인다.
내핵의 편평률은 약 1분의 400에서 1분의 416 사이로 추정되며, 이에 따르면 극반지름은 적도반지름보다 약 3km가량 짧다. 이는 전체 지구의 편평률이 약 1분의 300이고, 극반지름과 적도반지름의 차이가 약 21km에 달하는 것과 비교할 때 상대적으로 완만한 편평을 의미한다. 이러한 형태는 지구 자전으로 인한 원심력, 내부 압력, 그리고 중력 간의 정교한 균형에 의해 형성된 것으로 이해된다.
내핵의 부피는 약 76억km³로 산출되며, 이는 전체 지구 부피의 약 0.69%에 불과하다. 다시 말해 지구라는 행성의 전체 구조 중 내핵은 중심에 위치하나, 그 부피나 질량 면에서는 제한된 비중만을 차지한다. 그럼에도 불구하고 내핵은 행성 자기장 형성 과정에서 결정적 역할을 수행하는 핵심 요소로 간주된다.
형태적인 측면에서 내핵은 정구에 가까운 회전 타원체로 추정된다. 즉, 완전한 구형은 아니며 자전에 따른 원심력의 영향으로 적도 부분이 미세하게 팽창한 형태를 이룬다. 이러한 변형은 지구 전체의 형태가 완만한 타원체임을 반영하는 현상으로, 내핵 역시 그 영향에서 완전히 자유롭지 않다. 다만, 내핵은 밀도가 극히 높고 고체 상태를 유지하고 있기 때문에 지표면과 비교할 때 훨씬 더 구형에 가까운 형태를 보인다.
내핵의 편평률은 약 1분의 400에서 1분의 416 사이로 추정되며, 이에 따르면 극반지름은 적도반지름보다 약 3km가량 짧다. 이는 전체 지구의 편평률이 약 1분의 300이고, 극반지름과 적도반지름의 차이가 약 21km에 달하는 것과 비교할 때 상대적으로 완만한 편평을 의미한다. 이러한 형태는 지구 자전으로 인한 원심력, 내부 압력, 그리고 중력 간의 정교한 균형에 의해 형성된 것으로 이해된다.