1936 년 덴마크의 여성 지질학자인 잉게 레만 (Inge Lehmann) 은 지구 내부를 통과하는 P 파의 속도가 10% 빨라지는 지점이 있다는 사실로부터 지구의 핵 (Core) 이 사실은 액체 상태인 외핵 (Outer Core) 과 고체 상태로 추정되는 내핵 (Inner Core) 으로 나누어져 있다는 사실을 알아냈습니다. 오늘날 과학자들은 지구의 내핵이 대략 1220 km 지름의 고체로 철과 니켈로 이루어진 매우 고온의 고체 라는 것을 알고 있습니다.
(지구 내부의 구조 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Kelvinsong )
지구의 내핵은 위에서부터 엄청난 압력을 받고 있기 때문에 그 압력의 세기가 무려 330 만에서 360 기압 (atm) 에 이릅니다. 그리고 온도는 이전 추정으로는 5700 K (5430 ℃) 정도로 생각되었습니다. 문제는 지진파로 고체인지 액체 상태인지 추정이 가능하고 이론적으로 압력도 추정이 가능하지만 온도는 그렇지 않다는 점입니다. 온도를 알기 위해서는 직접 측정하는 것이 가장 정확하지만 현실적으로 그것은 불가능합니다. 따라서 간접적인 방법을 통해 온도를 추정하는 수 밖에 없습니다.
일단 초고온, 초고압에서 고체 상태로 철이 존재한다는 사실로부터 온도를 간접적으로 추정은 할 수 있습니다. 온도와 압력의 변화에 따른 상전이를 클라우시스 - 클라페롱 식 (Clausius–Clapeyron relation) 을 통해 알 수 있기 때문입니다. 일반적으로 고온 고압 상태에서 철은 액체 상태가 되지만 더 초고압, 초고온 상태에서는 고체 상태로 있을 수 있습니다. 내핵에서 갑자기 고체 상태가 되는 것은 이것 때문으로 생각되며 이미 압력은 알고 있기 때문에 이 압력에서 고체상태로 존재할 수 있는 온도를 알아내면 됩니다. 하지만 이것도 생각보다 어려운 일입니다.
현재까지는 수백만 기압의 초고압을 실험적으로 만든다고 해도 이를 유지할 수 있는 시간은 수초에 불과합니다. 그리고 그 짧은 시간 동안 철이 액체 상태로 존재하는지 혹은 고체로 변하는 지 알기란 매우 힘든 일입니다. 프랑스 국립 기술 연구소 (French national technological research organization CEA ) 및 연관 연구소의 과학자로 이루어진 팀을 이끄는 Agnès Dewaele 와 그 동료들은 이 어려운 문제를 해결할 방안을 제시했습니다.
그들은 섭씨 4800 도에 220 만 기압이라는 고온 고압 환경에서 철이 수초간 어떤 상태로 존재할 것인지 알기 위해 싱크로트론에서 생성된 강력한 X 선을 사용했습니다. X 선 회절 (X ray - dittraction) 이라는 방식을 이용 이 조건에서 철의 상태를 알아낸 연구팀은 이를 이용해 초고온 초고압 상태에서 철의 클라우시스- 클라페롱 식에 따른 상태를 추정했습니다.
이에 의하면 330 만 기압에서 철이 고체 상태로 존재하는 조건은 섭씨 6000 +/- 500 도 정도라고 합니다. 이전 1993 년 추정치에 비해서 거의 1000 도 정도 더 올라간 셈입니다. 앞으로 연구가 진행됨에 따라 지구 내핵의 온도에 대한 추정이 더 정확해 질 것으로 생각됩니다. 이 연구는 Science 에 실렸습니다.
참고
Journal References:
- S. Anzellini, A. Dewaele, M. Mezouar, P. Loubeyre, G. Morard. Melting of Iron at Earth's Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction. Science, 2013; 340 (6131): 464 DOI: 10.1126/science.1233514
- R. Boehler. Temperatures in the Earth's core from melting-point measurements of iron at high static pressures.Nature, 1993; 363 (6429): 534 DOI: 10.1038/363534a0
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