지구의 탄생

지구는 45억 년 전에 갓 태어난 태양 주위에서 다른 태양계 천체들과 함께 탄생했습니다. 우리는 지구 역사상 가장 오래되고 격변하던 이 시기에 대해서 실제로 얼마나 알고 있을까요?

 

지구와 태양계의 기원에 대해 가장 널리 받아들여지고 있는 설명인 성운설은 1734년 스웨덴 과학자 에마누엘 스베덴보리가 세운 것입니다. 그 이후 약 3세기 동안 엄청난 과학적 발전이 있었음에도 이 가설은 근본적으로 거의 그대로 유지되고 있습니다.

 

이 가설의 현재형에는 지구의 진짜 연령에 대한 지식과 태양과 주변 행성들을 이루는 원재료에 대한 현대적 개념이 포함되었습니다. 태양계 성운 원반 모형은 1970년대에 미국 과학자 조지 웨더릴이 러시아 천문학자 빅토르 사프로노프의 아이디어를 발전시켜서 만든 것입니다. 이 모형은 지구가 형성되는 과정을 점진적인 축적, 즉 응축을 통해 설명합니다.

 

태양계는 약 45억 6천만 년 전에 현재 태양계보다 더 크고 빽빽한 태양계 성운에서 탄생했습니다. 이 성운은 주로 우주에서 가장 풍부하고 가벼운 화학 원소인 수소 기체와 더 무거운 원소들이 포함된 먼지 입자들로 이루어졌습니다.

 

거대한 분자 구름이 응축되면서 중력 때문에 불안정해지고 붕괴되어 젊은 별 주위에서 천천히 선회하는 원시 행성 원반을 만들었습니다. 원반은 냉각 응축이라는 과정을 통해 압축되고 줄어들면서 점점 더 빠르게 돌기 시작했고, 그 중심에 있는 엄청나게 뜨겁고 발광하는 원시 태양에 물질을 공급했습니다.

 

원반이 더 빠르게 돌면서 원반 바깥쪽에 있던 차가운 기체와 먼지 구름이 충돌하고 서로 뭉쳤습니다. 그러면서 중력이 증가하고, 증가한 중력은 더 많은 물질들을 끌어당겨서 지름 1km 정도의 미행성들이 만들어졌습니다. 

 

각각의 미행성체들은 점점 커지면서 중력이 증가하였고, 응축 과정도 더욱 촉진되어 점점 더 밀도가 높아지고 주변 암석 물질들을 더 많이 끌어당겼습니다. 그렇게 해서 엄청나게 뜨거운 태양에서 가장 가까운 곳부터 세 개의 암석형 원시 행성과 원시 지구가 형성되었습니다.

 

지구의 초기 응축 과정에서 규소 기체가 응축되어 최초의 암석들이 만들어졌고, 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소들은 남아서 원시 대기를 이루었습니다. 하지만 이 원시 대기는 태양풍과 지구 내부의 열기, 달을 형성시킨 충돌로 날아가 버렸습니다.

 

달의 기원

지구는 커다란 자연 위성을 가지고 있는 독특한 행성입니다. 다른 암석 행성들에는 우리의 달과 비교할 만한 위성이 없으며, 달의 기원은 오랫동안 논쟁 대상이었습니다. 전통적으로 달의 기원에 관한 세 가지 라이벌 가설이 있습니다.

 

첫 번째는 달이 지구 주위 궤도 내에서 독자적으로 형성되었다는 것이고, 두 번째는 더 크고 빠르게 선회하던 원시 지구에서 떨어져 나왔다는 것이며, 세 번쨰는 태양계의 다른 곳에서 끌려왔다는 것입니다. 하지만 아폴로 우주비행사들이 달에서 채취해 온 암석을 분석해 보니, 45억 년 정도 된 것으로 지구의 지각 및 맨틀의 암석과 전체적인 조성이 비슷했습니다.

 

다만 달의 전체적인 밀도를 보면 지구 상무 맨틀과 비슷하기 때문에 커다란 금속성 핵은 없을 것입니다. 이런 헷갈리는 정보들로부터 달의 형성에 관한 새로운 이론이 나왔습니다. 대충돌이라고 하는 충돌설입니다. 이 가설에 따르면 45억 년 전쯤 지구는 화성 크기의 행성과 충돌했고, 이 엄청난 충격으로 원시 지각과 맨틀의 상당 부분이 떨어져 나갔습니다. 이 조각이 지구 주위 궤도에서 빽빽한 고리 모양을 형성하고 빠르게 응출되어 달이 되었습니다. 그리고 충돌로 발생한 에너지 때문에 지구 표면 온도가 6,000도 올라갔습니다.

 

지구의 분화

처음에 원시 상태의 지구는 균일한 암석 덩어리나 다름없었지만, 약 1천만 년 동안 방사성 물질들이 뿜어낸 열로 온도가 올라가서 내부가 유동체가 되어 지구의 다층 구조를 만들었습니다. 이 과정을 분화라고 합니다. 철과 니켈 같은 다른 중금속이 분리되어 지구 중심부러 가라 앉아 굉장히 뜨거운 금속성 핵을 형성하고, 이 핵의 내부 운동이 지구 자기장을 만들었습니다.

 

그리고 나머지 좀 더 가벼운 광물들은 핵 주위로 울퉁불퉁한 암석형 맨들을 만들었고, 표면은 식어서 단단한 지각이 되었습니다. 철 위주의 물질들이 핵에 유입되는 철의 대변혁으로 대량의 열이 발생했습니다. 이 열이 아마 맨틀 전체를 녹였을 것입니다.

 

달이 탄생하고 지구의 층이 분리된 이후에도 엄청난 폭격이 계속되었던 것 같습니다. 높은 에너지의 충돌로 지구 표면이 녹았고, 충돌은 지구가 지나가는 궤도에 있는 미행성 대부분이 싹 사라질 때까지 계속되었습니다.

 

여기저기 분화구가 생긴 달 표면은 이후에 화산 폭발로 분출된 용암이 움푹 파인 충돌구를 채우며 형성된 달의 바다라는 형태로 이런 충돌의 증거를 보존하고 있습니다. 아폴로호가 달 탐사 임무를 마치고 지구로 가져온 이 충돌과 관련된 암석은 41억 년 전에서 38억 년 전 사이의 것으로 추정되었고, 이는 후기 운석 대충돌이 39억 년 전쯤 최고조에 이르렀다는 확고한 증거입니다.

 

지구는 이 충돌기에 달만큼이나 심각한 피해를 입었고 아마 수많은 충돌구가 생겼을 것입니다. 우리 지구는 그 이후에 맨틀 물질과 지각 대부분이 재생되는 격변기를 거쳤습니다. 그러면서 이 초기 충돌의 증거와 지구 탄생 초반 5억 년의 지질학적 증거 대부분이 소실되었습니다.