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외핵
지구의 맨틀과 내핵 사이에 있는 액체 상태의 구조 위키백과, 무료 백과사전
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지구의 외핵은 대부분 철과 니켈로 구성된 약 2,260 km 두께의 유체층으로, 지구의 고체 내핵 위, 맨틀 아래에 있다.[1][2][3] 외핵은 지구 표면 아래 약 2,889 km 지점의 핵-맨틀 경계에서 시작하여 내핵 경계의 지구 표면 아래 5,150 km 지점에서 끝난다.[4]
특징
지구의 외핵은 고체인 내핵과는 달리 액체 상태이다.[5] 외핵이 유체라는 증거에는 지진학 연구에서 지진 S파가 외핵을 통과하지 못한다는 점이 포함된다.[6] 외핵은 지구의 고체 내핵과 유사한 조성을 가지고 있지만, 고체 상태를 유지할 만큼 충분한 압력이 없으므로 액체 상태를 유지한다.
실체파와 고유 진동의 지진 역산은 외핵의 반경을 ,3483 km, 불확실성 5 km로 제한하며, 내핵의 반경은 1,220±10 km이다.[7]:94
외핵의 온도는 바깥쪽 영역에서 약 3,000–4,500 K (2,700–4,200 °C; 4,900–7,600 °F), 내핵 근처에서 4,000–8,000 K (3,700–7,700 °C; 6,700–14,000 °F)로 추정된다.[8] 모델링에 따르면 외핵은 높은 온도 때문에 점성도가 낮은 유체이며 난류적으로 대류한다.[8] 다이너모 이론은 외핵의 니켈-철 유체에 있는 와전류를 지자기장의 주요 원인으로 본다. 지구 외핵의 평균 자기장 세기는 표면에서의 자기장보다 50배 강한 2.5 밀리테슬라로 추정된다.[9][10]
지구의 핵이 식으면서 내핵 경계의 액체가 얼어붙어 고체 내핵이 외핵을 희생시키면서 성장하며, 이는 연간 1 mm의 속도로 추정된다. 이는 초당 약 80,000톤의 철에 해당한다.[11]
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지구 외핵의 경원소
요약
관점
조성
지구의 외핵은 철이나 철-니켈 합금만으로 이루어질 수 없는데, 이는 이들의 밀도가 지구 외핵의 밀도에 대한 지구물리학적 측정값보다 높기 때문이다.[12][13][14][15] 실제로 지구 외핵은 지구 핵의 온도와 압력에서 철보다 약 5~10% 낮은 밀도를 보인다.[15][16][17] 따라서 낮은 원자 번호를 가진 경원소가 지구 외핵의 일부를 구성하여 밀도를 낮추는 유일한 타당한 방법이라고 제안되었다.[14][15][16] 지구 외핵은 직접적인 시료 채취가 불가능하지만,[14][15][18] 고압 실험, 지진 측정 기반 계산, 지구 강착 모델, 탄소질 구립운석과 벌크 규산염 지구 (BSE) 비교를 통해 경원소의 조성을 의미 있게 제한할 수 있다.[12][14][15][16][18][19] 최근 추정치에 따르면 지구 외핵은 철과 함께 중량 기준으로 0~0.26%의 수소, 0.2%의 탄소, 0.8~5.3%의 산소, 0~4.0%의 규소, 1.7%의 황, 5%의 니켈로 구성되며, 핵-맨틀 경계와 내핵 경계의 온도는 각각 4,137~4,300 K과 5,400~6,300 K 범위이다.[14]
제약
강착
지구 외핵에 존재하는 다양한 경원소는 부분적으로 지구의 강착에 의해 제약을 받는다.[16] 즉, 포함된 경원소는 지구 형성 당시 풍부했으며, 낮은 압력에서 액체 철로 분배될 수 있어야 하고, 지구의 강착 과정 중 휘발하여 빠져나가지 않아야 한다.[14][16]
CI 구립운석
CI 구립운석은 초기 태양계와 동일한 비율로 행성 형성 원소를 포함하고 있다고 믿어지며,[14] 따라서 CI 운석과 BSE 간의 차이는 지구 외핵의 경원소 구성에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.[20][14] 예를 들어, 지구의 원시 맨틀에서 규소가 CI 운석에 비해 고갈된 것은 규소가 지구의 핵으로 흡수되었을 수 있음을 나타낼 수 있지만, 지구 외핵과 내핵의 넓은 범위의 규소 농도는 여전히 가능하다.[14][21][22]
지구의 강착과 핵 형성 역사에 대한 시사점
지구 외핵에 있는 경원소의 농도에 대한 더욱 엄격한 제약은 지구의 강착과 핵 형성 역사에 대한 더 나은 이해를 제공할 것이다.[14][19][23]
지구의 강착에 대한 결과
지구 외핵에 있는 경원소 농도에 대한 더 나은 제약이 있다면 지구의 강착 모델을 더 잘 검증할 수 있을 것이다.[14][23] 예를 들어, 핵-맨틀 원소 분배에 기반한 강착 모델은 지구의 강착이 마무리될 무렵 외태양계의 산화된 물질이 강착되었을 가능성에도 불구하고,[14][19] 환원되고 응축되며 휘발성이 없는 물질로 구성된 원시 지구를 지지하는 경향이 있다.[14][19][23] 지구 외핵의 수소, 산소, 규소 농도를 더 잘 제약할 수 있다면, 이러한 농도와 일치하는 지구 강착 모델은 지구 형성 과정을 더 잘 제한할 수 있을 것이다.[14]
지구 핵 형성에 대한 결과
지구의 맨틀에서 친철원소가 구립운석에 비해 고갈된 것은 지구 핵 형성 중 금속-규산염 반응에 기인한다.[24] 이러한 반응은 산소, 규소, 황에 따라 달라지므로,[14][25][24] 지구 외핵의 이러한 원소 농도에 대한 더 나은 제약은 지구의 핵 형성 조건을 규명하는 데 도움이 될 것이다.[14][23][25][24][26]
또 다른 예로, 지구 외핵에 수소가 존재할 가능성은 지구의 물 강착이[14][27][28] 지구 강착의 마지막 단계에만 국한되지 않았으며[23] 물이 함수 마그마 해양을 통해 핵을 형성하는 금속으로 흡수되었을 수 있음을 시사한다.[14][29]
지구 자기장에 대한 시사점
지구의 자기장은 열대류와 함께 내핵에서 경원소가 배제되어 유체 외핵 내에서 위로 떠오르고 밀도가 높은 원소는 가라앉는 화학적 대류에 의해 구동된다.[17][30] 이 화학적 대류는 중력 에너지를 방출하며, 이 에너지는 지구 자기장을 생성하는 지구 다이너모를 구동하는 데 사용될 수 있다.[30] 불확실성이 큰 카르노 효율은 화학적 대류와 열대류가 지구 다이너모 출력에 각각 약 80%와 20% 기여한다고 시사한다.[30] 전통적으로 지구 내핵이 형성되기 전에는 지구 다이너모가 주로 열대류에 의해 구동되었다고 생각되었다.[30] 그러나 핵 온도 및 압력에서 철의 열전도율이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 높다는 최근 주장은 핵 냉각이 대류가 아닌 주로 전도에 의해 이루어졌으며, 열대류가 지구 다이너모를 구동하는 능력이 제한된다는 것을 의미한다.[14][17] 이러한 난관은 새로운 "핵 역설"로 알려져 있다.[14][17] 지구 다이너모를 지속시켰을 수 있는 대안적인 과정은 지구 핵이 처음에 산소, 마그네슘, 규소 및 기타 경원소를 용해할 만큼 충분히 뜨거웠어야 한다는 것을 요구한다.[17] 지구 핵이 식기 시작하면서 이러한 경원소는 과포화 상태가 되어 침전되어 하부 맨틀로 산화물을 형성하게 되어 다른 형태의 화학적 대류가 발생할 수 있었다.[14][17]
핵 흐름에 의해 생성된 자기장은 생명체를 행성 간 방사선으로부터 보호하고 대기가 태양풍에 의해 소실되는 것을 막는 데 필수적이다. 전도 및 대류에 의한 냉각 속도는 불확실하지만,[31] 한 추정치에 따르면 핵은 약 910억 년 동안 얼지 않을 것으로 예상되며, 이는 태양이 팽창하여 행성 표면을 불모지로 만들고 결국 소멸할 것으로 예상되는 시점보다 훨씬 나중이다.[32][더 나은 출처 필요]
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같이 보기
각주
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