지구는 생각보다 빨리 냉각되고 있다 – Sciencetimes - Science Times

지구에서 가장 풍부한 광물, 브리지머나이트

지구 중심과 맨틀의 경계는 통상 지구의 하부 맨틀과 액체로 이루어진 외핵 사이로 간주한다.

하층 맨틀은 지구 지표로부터 약 600~2,900㎞의 두께로 위치해 있는데, 경계의 윗부분에는 대부분 마그네슘 철 규산염((Mg,Fe) SiO3)의 고밀도 형태로 구성되어 있으며 패로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 광물 형태가 존재한다.

위 광물이 하층 맨틀에 존재한다고 가정했을 시 이는 자그마치 지구 전체 크기의 38%를 차지하게 되는 지구 상에서 가장 풍부한 광물이 된다. 문제는 이러한 광물은 고온·고압 환경의 환경에만 존재하고 지구의 지표면에 존재하지 않기 때문에 아무도 이 광물을 가지고 직접 실험해보지 못하였다는 점이다. 고온·고압 장비를 갖춘 실험실에서나 인공으로 합성하여 존재를 확인할 수 있었을 뿐이었다.

지구 내부 상상도 : 맨틀은 다시 상부 맨틀(40~650 km)과 하부 맨틀(600~2,900 km)로 나뉜다 ⓒ iStock Images

지구 행성에서 가장 보편적인 광물이 되어버린 이 광물은 아이러니하게도 이름조차 없었다. 국제광물학협회(IMA)에 따르면, 자연에서 생성된 광물의 실제 표본이 확인되어야만 공식적으로 이름을 붙일 수 있기 때문이다.

하지만 광물학자들은 쉽게 포기하지 않았다. 그들은 운석이 지구의 대기권 진입으로 진입할 때 심한 충격이 일어나게 되며, 따라서 압력과 온도는 매우 높고 주변 환경의 노출이 매우 빠르기 때문에 붕괴반응이 일어날 수 없다고 생각했다. 이 때문에 지구 맨틀 내부와 비슷한 환경이 되리라 생각했다. 이를 근거로 지구에 떨어지게 되는 운석에 위 광물이 포함되어 있을 것이라고 가정했다.

지구 내부 상상도 ⓒ Shutterstock

2014년 마침내 미국 네바다대학교 광물학자 올리버 차우너(Prof. Oliver Tschauner) 교수가 이끄는 연구팀은 1879년 호주에 떨어진 유성우 운석의 작은 조각에서 맨틀 광물의 화학식과 결정 구조가 같은 마그네슘-철-규산염((Mg,Fe)SiO3)을 광물을 발견하였고, 마침내 위 광물은 이름을 얻게 되었다.

지구에서 가장 풍부한 위 광물의 이름은 이제 브리지머나이트(bridgmanite)라고 불리는데, 이는 미국의 물리학이자 고압에서의 물질 특성 연구에 자신의 삶을 바친 퍼시 윌리엄스 브리지먼(Prof. Percy Williams Bridgman) 교수의 이름을 따서 명명되었다.

미국 네바다대학교 광물학자 올리버 차우너교수 ⓒ 미국 네바다대학교

서서히 냉각되고 있는 지구 중심부, 얼마나 빨리 냉각되고 있을까?

대략 45억 년 전 지구가 형성된 이후 표면 전체가 마그마의 바다로 뒤덮인 지구의 중심부는 서서히 냉각되고 있다. 하지만 우리는 지구 깊숙이 들어갈 수 없기에 이 냉각이 얼마나 빨리 이루어지고 있는지 알기 힘들다. 이를 알기 위해서는 지구 내부에 있는 브리지머나이트 광물의 열전도율을 바탕으로 계산이 진행되어야 한다.

취리히 연방 공과대학교 (ETH Zurich)에서 지구과학 및 실험 광물 물리학 그룹을 이끄는 모토히코 무라카미 교수(Prof. Motohiko Murakami)팀을 비롯하여 독일, 미국, 및 일본 연구팀은 이 냉각이 얼마나 빨리 이루어지고 있는지에 관한 연구를 수행했으며, 위 결과는 지난 1월 지구 및 행성 과학 레터(Earth and Planetary Science Letters)에 실렸다.

연구팀은 광물 브리지마나이트를 실험실에서 직접 합성하였다. 이를 위하여 광물의 위상 전이, 원자 결합 및 회절 수준 그리고 결정 구조 등을 연구하기 위해서 시료를 극도로 높은 압력(최대 360GPa까지)까지 올려서 합성하는 다이아몬드 모루 세포를 이용하였는데, 위 기계를 이용하면 수백만 대기의 압력을 시뮬레이션할 수 있다. 이를 통해서 지구 중심과 비슷한 조건을 재현할 수 있기에, 지구 내부에 존재할 수 있는 암석 샘플을 생성할 수 있으며 지구 내부의 조건과 비슷한 상태에서 모의실험을 진행할 수 있다.

현재까지는 지구 내부의 열전달 과정이 활발하게 진행되지 않는다고 생각되어 왔는데, 연구팀의 결과에 따르면 브리지마나이트의 열전도율 값이 매우 과소평가되었음이 밝혀졌다. 구체적으로 위 광물의 열전도율 값은 그동안 예상했던 수치보다 1.5배 높다는 것을 발견했다. 광물을 통한 열전달이 훨씬 더 효율적으로 진행되며, 궁극적으로 지구 냉각이 더 빠르게 진행되고 있음을 밝힌 것이다.

지구 하부 맨틀의 복사 열전도율 실험 결과들 – 압력과 온도가 높아질수록 맨틀의 복사 열전도율이 높아짐을 볼 수 있다. (A) 마그네슘 함량과 압력별 복사 열전도율, 빨간색 큰 점이 위 실험 결과 (B) 온도와 마그네슘 함량에 따른 복사 열전도율 (C), (D) 브리지머나이트 함량 모델에 따른 복사 열전도율 Brg100,  Brg80 + Fp20 (페로페리클레이스: 철-마그네슘 산화물) ⓒ Murakami et al. 2022

지구 중심부의 냉각이 이전에 예측되었던 것보다 훨씬 빠르게 진행되고 있다는 것은 지구 핵으로부터의 열전달 현상이 생각했던 것보다 더 활발하며 열전달이 지구 핵 냉각에 큰 역할을 하고 있을지 모른다는 가정을 뒷받침해주는 연구 결과이다. 위 결과에 따르면 열전달 과정이 중심에서 맨틀까지의 열 추출을 약 50% 향상하고 있으며 이는 지구 전체의 열 손실을 가속할 수 있다고 평가된다.

하지만, 과학자들은 지구가 더 빨리 식는다고 해도 현재의 국소적인 기후 위기에는 영향을 미치지 않을 것이라고 견해를 밝혔다. 행성 냉각은 대체로 10억 년 단위로 일어나는 반면, 현재의 지구 지표 가열은 10년 단위로 일어나고 있어서, 지구의 지표 가열이 압도적으로 빈번하게 일어나기 때문이다.

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