지구과학 고3 지구 탄생과 생동하는 지구

내핵

Q: 내핵은 어떻게 만들어졌나요?

지구의 탄생과 진화에서 마그마 바다 시기에 무거운 철이 중심으로 가라앉아 핵이 만들어졌습니다. 그 뒤 지구가 식으면서 중심부터 굳기 시작해, 액체 핵의 안쪽에 고체 내핵이 생겨난 것으로 봅니다.

깊이 5100 km 이하의 고체 철·니켈 구로, 높은 압력 때문에 고체 상태를 유지하며 자기장 생성에 관여한다.

깊이 약 5100 km부터 지구 중심까지 자리한, 철과 니켈로 이루어진 고체 상태의 구입니다.

내핵은 바깥의 외핵보다 더 뜨거운데도 고체입니다. 온도가 아니라 '온도와 압력의 싸움'이 상태를 정하기 때문인데, 지구 중심에서는 압력이 압도적으로 이깁니다.

쉽게 말하면

내핵은 지구 내부 구조의 가장 안쪽 층이고, 아무도 직접 본 적이 없습니다. 우리가 아는 것은 전부 지진파가 대신 다녀와서 전해 준 정보입니다.

외핵이 액체라는 사실은 S파(횡파)가 그곳을 통과하지 못한다는 데서 나옵니다. 그런데 P파 암영대 한가운데에도 약한 P파가 도착한다는 것이 알려지면서, 액체 외핵 안쪽에 파를 다시 꺾어 보내는 또 다른 경계가 있다는 결론이 나왔습니다. 그 경계 안쪽이 내핵이고, 경계를 지나며 P파(종파)의 속도가 다시 빨라지는 것이 내핵이 고체라는 근거가 됩니다.

내핵의 재료는 외핵과 같은 철·니켈입니다. 성분이 같은데 하나는 액체이고 하나는 고체라는 점이 이 층의 전부라고 해도 됩니다. 깊이 들어갈수록 온도도 올라가지만 압력이 훨씬 가파르게 올라가서, 어느 깊이부터는 철의 녹는점이 실제 온도를 앞질러 버립니다. 그 지점이 외핵과 내핵의 경계입니다.

내핵은 지금도 조금씩 자라고 있다고 봅니다. 외핵의 액체 철이 내핵 표면에서 굳을 때 나오는 열과 가벼운 성분이 외핵의 대류를 밀어 주고, 그 대류가 지구 자기장을 만듭니다. 내핵이 자기장에 '관여한다'는 말은 이런 뜻입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

온도가 더 높은데 고체인 층

외핵(액체) 위에 맨틀(고체)이 있고, 외핵 아래에 다시 내핵(고체)이 있습니다. 깊이 순서대로 고체-액체-고체가 됩니다. 온도만으로 상태를 정할 수 없다는 것을 이 순서 하나가 보여 줍니다.
예시 2

P파 암영대 안쪽에 도착하는 약한 P파

진앙에서 각거리 약 $10 3^{\circ}$ 에서 $14 2^{\circ}$ 사이는 P파가 도달하지 않는 암영대입니다. 그런데 이 구간에도 아주 약한 P파가 관측됩니다. 액체 외핵을 지나 내핵 경계에서 굴절되어 방향이 꺾인 P파가 들어온 것으로, 내핵의 존재를 알려 준 결정적 관측입니다.
예시 3

지구 전체의 평균 밀도가 암석보다 큰 이유

지표 암석의 밀도로는 지구의 평균 밀도를 설명할 수 없습니다. 중심에 암석보다 훨씬 무거운 철·니켈 덩어리가 있어야 계산이 맞습니다. 지진파가 밝힌 핵의 구조와 밀도 계산이 서로 들어맞는다는 점이 이 모형의 신뢰도를 높입니다.

자주 하는 오해

가장 뜨거우니까 당연히 녹아 있을 것이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움지구에서 가장 뜨거운 곳이 중심이니 내핵은 펄펄 끓는 액체다

실제로는내핵은 외핵보다 더 뜨겁지만 고체입니다. 압력이 워낙 커서 철의 녹는점이 실제 온도보다 높아졌기 때문입니다.

물질의 상태는 온도 하나가 아니라 온도와 압력이 함께 정합니다. 지구 중심으로 갈수록 위에 얹힌 물질의 무게 때문에 압력이 급격히 커지고, 압력이 커지면 원자들이 촘촘히 붙어 있으려는 쪽이 유리해져 녹는점이 올라갑니다.

내핵이 커다란 영구 자석이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움내핵이 쇳덩어리니까 그게 자석 역할을 해서 지구 자기장이 생긴다

실제로는지구 자기장은 액체인 외핵의 대류가 만듭니다. 내핵은 그 대류를 돌리는 열원 역할을 할 뿐, 자석 그 자체가 아닙니다.

철은 일정 온도(퀴리 온도) 이상으로 뜨거워지면 자성을 잃습니다. 내핵의 온도는 그보다 훨씬 높아 영구 자석이 될 수 없습니다. 자기장은 '뜨거운 자석'이 아니라 '움직이는 전기 전도체'에서 나옵니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

지구 내부 구조고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 지구 탄생과 생동하는 지구

자주 묻는 질문

Q1내핵이 고체라면 S파로 확인하면 되지 않나요?

지표에서 관측하려면 S파가 액체 외핵을 먼저 통과해야 하는데, S파는 액체를 통과하지 못합니다. 그래서 내핵을 지나온 S파를 지표에서 곧바로 받기는 매우 어렵고, 내핵이 고체라는 판단은 경계에서 P파의 속도가 다시 빨라지는 것 같은 간접 증거에 기댑니다.

Q2내핵과 외핵은 성분이 다른가요?

주된 성분은 둘 다 철과 니켈로 같다고 봅니다. 차이는 성분이 아니라 상태입니다. 같은 재료가 깊이에 따른 압력 차이 때문에 한쪽은 액체, 한쪽은 고체로 있는 것입니다.

Q3내핵은 어떻게 만들어졌나요?

지구의 탄생과 진화에서 마그마 바다 시기에 무거운 철이 중심으로 가라앉아 핵이 만들어졌습니다. 그 뒤 지구가 식으면서 중심부터 굳기 시작해, 액체 핵의 안쪽에 고체 내핵이 생겨난 것으로 봅니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 지구과학 · 지구 탄생과 생동하는 지구 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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내핵이 데워 주는 외핵의 대류가 실제로 무엇을 만드는지는 지구 자기장에서 이어집니다.

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