지구과학 고3 지구 탄생과 생동하는 지구

외핵

깊이 2900~5100 km에 해당하는 액체 철·니켈 층으로, S파가 통과하지 못해 액체 상태임을 알 수 있다.

깊이 약 2900 km부터 5100 km까지를 이루는 액체 상태의 철·니켈 층으로, S파가 통과하지 못한다는 사실에서 액체임이 밝혀졌습니다.

지구를 향해 쏜 두 개의 탐침 중 하나(S파)가 반대편에서 사라진다면, 도중에 '모양을 붙잡을 수 없는 것'을 만났다는 뜻입니다. 그 정체가 액체 금속의 바다인 외핵입니다.

쉽게 말하면

맨틀과 외핵의 경계는 깊이 약 2900 km의 구텐베르크면입니다. 이 경계에서 두 가지 일이 동시에 일어납니다. 첫째, S파(횡파)가 여기서 완전히 멈춥니다. 둘째, P파(종파)는 통과하지만 속도가 갑자기 크게 떨어져 경로가 아래쪽으로 꺾입니다. 이 두 사실이 지구 내부 구조를 밝히는 데 결정적이었습니다 — S파가 멈춘 것은 액체라는 뜻이고, P파가 크게 굴절한 것 때문에 지표에 P파가 도달하지 않는 암영대(각거리 $10 3^{\circ}$ ~ $14 2^{\circ}$ )가 생깁니다.

외핵이 철·니켈이라고 보는 근거는 밀도입니다. 지구의 평균 밀도(약 $5.5 g/c m^{3}$ )를 맞추려면 중심부에 매우 무거운 물질이 필요하고, 태양계의 흔한 원소 중 그 조건을 만족하며 충분히 많이 존재하는 것은 철입니다. 철질 운석의 조성도 이 추정을 뒷받침합니다.

외핵이 액체 금속이라는 점이 지구에 결정적인 선물을 줍니다. 철과 니켈은 금속 결합을 하고 있어 자유 전자가 돌아다니고, 따라서 전기가 잘 통합니다. 그런 도체가 열에 의해 대류하고 지구 자전이 그 흐름을 휘어 놓으면 전류가 만들어지고, 전류는 자기장을 만듭니다. 이것이 지구 자기장이 생기는 방식(다이나모)입니다. 외핵이 액체가 아니었다면 지구에는 자기장도, 자기권도, 태양풍을 막아 줄 방패도 없었을 것입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

S파 암영대 — 액체의 증거

진앙에서 각거리 $10 3^{\circ}$ 를 넘는 지역에는 S파가 전혀 도달하지 않습니다. 그 각도부터는 S파가 지나가야 할 경로가 외핵을 통과하기 때문입니다. 지구 반대편의 넓은 영역이 통째로 S파의 그림자라는 사실이 '외핵은 액체'라는 한 문장의 근거 전부입니다.
예시 2

P파 암영대 — 굴절의 증거

P파는 외핵을 통과하지만 속도가 급감해 경로가 크게 꺾입니다. 그 결과 $10 3^{\circ}$ ~ $14 2^{\circ}$ 구간에는 P파가 도달하지 못하는 띠가 생깁니다. 같은 '암영대'라도 S파는 차단, P파는 굴절로 생긴다는 점이 다릅니다.
예시 3

액체 금속의 대류가 만드는 나침반

외핵의 철은 뜨거운 안쪽에서 데워져 올라가고 맨틀에 열을 뺏겨 식으면 내려옵니다. 전기가 통하는 유체가 이렇게 돌면 전류가 흐르고, 그 전류가 지구를 하나의 거대한 전자석으로 만듭니다. 나침반 바늘이 북쪽을 가리키는 이유가 2900 km 아래에 있습니다.

외핵과 내핵

구분	외핵	내핵
깊이	약 2900~5100 km	약 5100 km ~ 지구 중심
상태	액체	고체
S파	통과하지 못함	(도달 경로가 없어 직접 확인 어려움)
P파 속도	경계에서 급격히 감소	다시 증가
역할	대류하며 지구 자기장을 생성	굳으며 외핵의 대류를 유지시킴

자주 하는 오해

'더 뜨거워서 외핵이 녹았고 내핵은 식어서 고체'라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움안쪽으로 갈수록 식으니까 내핵이 고체다

실제로는내핵은 외핵보다 더 뜨겁습니다. 그런데도 고체인 이유는 그 깊이의 압력이 훨씬 커서 녹는점이 온도보다 더 높이 올라가 있기 때문입니다.

물질이 녹느냐 마느냐는 온도 하나가 아니라 '온도와 그 압력에서의 녹는점'의 대결로 정해집니다. 외핵은 온도가 녹는점보다 높아 액체이고, 내핵은 압력이 녹는점을 온도 위로 밀어 올려 고체입니다.

외핵이 액체이므로 그 위의 지구가 출렁인다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움판이 액체 위에 떠서 미끄러지는 것이니, 판을 움직이는 것은 외핵의 흐름이다

실제로는외핵 위에는 두께 2900 km의 고체 맨틀이 통째로 얹혀 있습니다. 판이 미끄러지는 곳은 깊이 100~400 km의 연약권이지 외핵이 아닙니다.

외핵과 판 사이에는 맨틀 전체가 끼어 있습니다. 외핵은 자기장을 만드는 데 관여하고, 판을 움직이는 것은 맨틀 대류입니다. 두 이야기를 붙여 놓으면 판의 원동력을 묻는 문제에서 반드시 틀립니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

지구 내부 구조고3 P파(종파)고3 S파(횡파)고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

지구 자기장고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

금속 결합고2

같은 단원의 개념 — 지구 탄생과 생동하는 지구

자주 묻는 질문

Q1S파는 왜 하필 액체를 통과하지 못하나요?

S파는 매질을 진행 방향과 수직으로 비틀어 밀며 나아가는 파동입니다. 그러려면 매질이 '비틀림에 저항해 원래 모양으로 돌아오려는 성질'이 있어야 하는데, 액체는 모양을 유지하지 못하므로 그 저항이 없습니다. 전달할 복원력이 없으니 파동 자체가 생기지 않습니다.

Q2외핵이 철이라는 것은 어떻게 아나요?

직접 캐 온 것은 아닙니다. 지구 전체의 평균 밀도, 지진파 속도로 추정한 외핵의 밀도, 그리고 지구와 같은 재료로 만들어진 철질 운석의 조성 — 이 세 가지가 모두 '철에 니켈이 섞이고 가벼운 원소가 조금 들어간 조성'을 가리킵니다.

Q3외핵의 액체 철도 파도처럼 출렁이나요?

물처럼 출렁이지는 않지만 아주 느리게 대류하며 흐르고, 그 흐름이 조금씩 변합니다. 그래서 지구 자기장의 세기와 방향도 세월에 따라 조금씩 변하고, 아주 긴 시간 규모에서는 극성이 뒤집히기도 합니다.

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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