지구과학 고3 지구 탄생과 생동하는 지구

지진파

P파와 S파의 전파 특성을 이용해 지구 내부 구조를 규명하는 방법을 탐구한다.

지진으로 발생해 지구 내부와 표면을 통해 퍼져 나가는 파동으로, 통과한 물질에 따라 속도와 진행 여부가 달라지므로 지구 내부를 들여다보는 도구가 됩니다.

지구는 뜯어볼 수 없는 상자입니다. 지진파는 그 상자를 통과해 나온 X선 같은 것입니다 — 어디서 빨라지고, 어디서 꺾이고, 어디서 사라지는지를 읽으면 안이 보입니다.

쉽게 말하면

지구 내부 구조를 다룰 때 가장 먼저 물어야 할 것은 '그걸 어떻게 알았나'입니다. 사람이 뚫어 본 가장 깊은 구멍도 지각을 벗어나지 못했습니다. 내부 구조는 전부 지진파를 읽어서 알아낸 것입니다.

지진파는 크게 실체파와 표면파로 나뉩니다. 실체파는 지구 내부를 뚫고 지나가는 파로, 나아가는 방향으로 매질이 압축·팽창하는 P파(종파)와 진행 방향에 수직으로 흔드는 S파(횡파)가 있습니다. 표면파는 지표면을 따라 퍼집니다. 이 구분은 물리에서 배우는 횡파와 종파를 지구에 그대로 적용한 것입니다.

내부를 읽는 원리는 두 가지뿐입니다. 첫째, 지진파는 밀도가 크고 단단한 물질일수록 빠르게 지나갑니다. 그래서 속도가 갑자기 변하는 깊이를 찾으면 그곳이 층의 경계입니다 — 모호면이 그렇게 발견되었습니다. 둘째, 층을 지날 때 속도가 달라지면 파의 경로가 휘어집니다. 이는 파동의 반사·굴절·전반사와 같은 원리이며, 그 결과 지표에 파가 도달하지 않는 암영대가 생깁니다.

결정적인 것은 S파가 액체를 통과하지 못한다는 성질입니다. 지구 반대편 넓은 영역에서 S파가 통째로 사라진다는 관측 하나로 '내부 어딘가에 액체 층이 있다'는 결론이 나왔고, 그것이 외핵입니다. 파를 통해 밝혀낸 이런 내부 구조는 뒤에 판 구조론의 무대가 됩니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

P파와 S파의 도착 시간 차이(PS시)로 진앙 거리를 구한다

P파가 S파보다 빠르므로 관측소에는 P파가 먼저, S파가 나중에 도착합니다. 멀리 떨어진 관측소일수록 두 파의 시간 간격이 벌어집니다. 그래서 이 시간차만 재면 그 관측소에서 진앙까지의 거리를 알 수 있습니다.
예시 2

S파 암영대 — 액체 외핵의 증거

진앙에서 각거리 약 $10 3^{\circ}$ 를 넘는 지역에서는 S파가 전혀 관측되지 않습니다. 지구 내부에 S파를 차단하는 액체 층이 있다는 뜻이고, 여기서 외핵이 액체라는 결론이 나옵니다.
예시 3

P파 암영대 — 경계에서 꺾인다는 증거

P파는 액체를 통과하는데도 각거리 약 $10 3^{\circ}$ 에서 $14 2^{\circ}$ 사이에는 도달하지 않습니다. 맨틀과 외핵의 경계에서 속도가 급격히 느려지며 경로가 크게 굴절되어 그 구간을 비껴가기 때문입니다. 파가 '사라진' 것이 아니라 '휘어서 다른 곳으로 간' 것입니다.

실체파와 표면파

구분	실체파(P파·S파)	표면파
지나는 길	지구 내부를 뚫고 통과	지표면을 따라 퍼짐
속도	빠름 (P파 > S파)	가장 느림 — 가장 늦게 도착
진폭	상대적으로 작음	큼
쓰임	지구 내부 구조 탐사	지진 피해의 주된 원인

자주 하는 오해

암영대를 '지진파가 없어지는 곳'이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움암영대에서는 지진파가 소멸해서 도달하지 않는다

실제로는파가 없어진 것이 아니라, 경계에서 경로가 크게 꺾여 그 구역으로 들어오지 못한 것입니다. S파의 경우는 액체 층에 막혀 아예 진행하지 못한 것이고요.

굴절과 차단은 다른 현상입니다. P파 암영대는 굴절 때문에, S파 암영대는 액체가 횡파를 전달하지 못하기 때문에 생깁니다. 두 암영대의 원인을 하나로 묶어 외우면 '외핵이 액체'라는 결론이 왜 S파에서만 나오는지 설명할 수 없게 됩니다.

밀도가 큰 물질일수록 지진파가 느려질 것이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움무겁고 빽빽한 물질은 움직이기 어려우니 지진파도 느리게 지나간다

실제로는지각보다 맨틀에서 지진파가 더 빠릅니다. 물질이 단단할수록(잘 눌리지 않고 잘 되돌아올수록) 진동이 빠르게 전달됩니다.

지진파의 속도는 물질의 단단함과 밀도가 함께 정하는데, 지구 내부에서는 깊어질수록 단단함이 훨씬 크게 증가합니다. 그래서 모호면 아래에서 속도가 '갑자기 빨라지는' 것이고, 이 사실이 층 경계를 찾는 근거가 됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

지구 내부 구조중2 지구 내부 구조고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

판 구조론고3 표면파고3 P파(종파)고3 S파(횡파)고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

파동의 반사·굴절·전반사고3

같은 단원의 개념 — 지구 탄생과 생동하는 지구

자주 묻는 질문

Q1지진파는 지진이 나야만 생기나요?

자연 지진이 가장 강력한 신호원이지만, 인공적으로 지표에서 진동을 일으켜 되돌아오는 파를 읽는 탐사도 합니다. 원리는 같습니다 — 속도 변화가 있는 경계에서 파가 반사·굴절되어 돌아옵니다.

Q2관측소 한 곳의 기록만으로 진앙을 찾을 수 있나요?

없습니다. 한 관측소에서는 PS시로 '진앙까지의 거리'만 알 수 있어서, 그 거리를 반지름으로 하는 원 위 어딘가라는 것까지만 압니다. 서로 다른 세 관측소의 원을 그려 만나는 점을 찾아야 진앙이 하나로 정해집니다.

Q3지진파의 속도는 왜 깊이에 따라 계속 변하나요?

깊어질수록 압력이 커져 암석이 더 단단해지기 때문에 대체로 빨라집니다. 다만 층의 경계처럼 물질 자체가 바뀌는 곳에서는 서서히 변하지 않고 갑자기 튀는데, 바로 그 지점을 불연속면이라고 부릅니다.

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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두 실체파의 성질을 하나씩 뜯어볼 차례입니다. 액체를 통과하는 P파(종파)부터 보세요.

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