◀ 지구 ▶

지구는 우리가 발을 딛고 살아가는 행성으로, Earth 외에 Gaea(로마 신화의 Tellus)라는 이름을 가지고 있다. Gaea는 그리스 신화에서 대지의 여신이다. Gaea는 최초의 신 Chaos(혼돈의 신)로부터 태어나, 하늘과 바다와 산들을 낳았다. 그리스인들은 지구를 우주 탄생의 중심으로 생각했기 때문에, 만물의 어머니인 Gaea를 지구의 이름으로 붙였을 것이다.

지구의 공전 주기는 365.24일로 1년(365일)보다 길다. 이 오차가 4년 동안 누적되면 하루가 되므로, 4로 나누어지는 해를 윤년(2월 29일이 있는 해)으로 하여 오차를 없앤다. 하지만 이렇게 해도 작은 오차가 발생하기 때문에, 100으로 나누어지는 해는 윤년에서 제외하고, 다시 400으로 나누어지는 해는 윤년으로 한다. 즉, 1900년은 100으로 나누어지므로 윤년이 아니었고, 2000년은 100으로 나누어지지만 400으로도 나누어지기 때문에 윤년이었다.

지구의 자전 주기는 23.93시간(23시간 56분 4초)이다. 하루의 길이(24시간)와 약 4분의 차이가 나는데, 이것은 지구의 공전 때문이다. 지구의 자전 주기는 지구가 1번 회전하는데 걸리는 시간이고, 지구의 하루는 태양이 남중했다가 다시 남중하는데 걸리는 시간이다. 지구가 1번 자전하는 동안 태양을 공전하므로, 태양은 천구에서 서쪽으로 약 1˚(360˚ / 365일 ≒ 1) 이동한다. 따라서 태양이 다시 남중하려면, 지구는 1번 자전하고 1˚ 더 돌아야 한다. 지구가 1˚ 도는데 약 4분이 걸리므로, 지구의 하루는 자전 주기보다 4분 더 길다.

지구의 자전축은 23.5˚ 기울어져 있다. 그래서 태양의 남중 고도가 1년을 주기로 변하는데, 이것이 사계절을 만들어낸다. 태양의 고도가 높아지면, 단위 면적당 입사되는 태양 에너지가 많아지고 낮의 길이가 길어져 여름이 되고, 태양의 고도가 낮아지면, 단위 면적당 입사되는 태양 에너지가 적어지고 낮의 길이가 짧아져 겨울이 된다.

지구 대기의 대부분은 질소와 산소이다. 질소가 78.1%, 산소가 20.9%, 아르곤이 0.9%이며, 극소량의 이산화탄소, 네온, 헬륨 등이 있다. 수증기의 비율은 시간과 장소에 따라 매우 다르지만, 평균 1% 정도이다.

지구가 생성되었을 때에는 수소와 헬륨 등으로 이루어진 1차 대기가 있었다. 하지만 초창기의 지구는 매우 뜨거웠기 때문에 1차 대기는 우주로 사라졌다. 지금의 대기는 2차 대기로, 화산 활동을 통해 분출된 지구 내부의 가스로 만들어졌다. 이때 분출된 가스는 수소, 수증기, 이산화탄소, 질소 등이다. 수소는 워낙 가벼워서 우주로 탈출했다. 수증기는 지구가 냉각됨에 따라 비가 되어 바다를 이루었다. 이산화탄소는 바다에 녹아서 탄산으로 존재하다가, 규산염 광물과 결합하여 석회암이 되었다. 따라서 초창기의 2차 대기는 질소가 대부분이었고, 소량의 이산화탄소와 수증기로 되어 있었다.

현재 대기의 21%를 차지하는 산소는 약 20억 년 전, 식물의 광합성이 시작되면서 생성되었다. 이때의 식물들은 식물성 플랑크톤, 해조류 등으로 모두 바다 속에 살았다. 왜냐하면 육지에는 태양의 강한 자외선이 내리쬐고 있었기 때문이다. 광합성으로 만들어진 산소는 대기 중에서 자외선과 반응해 오존을 생성하였고, 이것들이 모여 오존층을 형성하였다. 오존층은 태양의 자외선을 차단해, 육지에 생물들이 살 수 있는 환경을 만들어 주었다. 광합성에 의한 산소의 증가는 약 10억 년 전까지 계속되었고, 그 이후부터는 일정하게 유지되고 있다.

지구의 표면은 약 71%가 바다이고, 나머지 29%가 육지이다. 2/3 이상이 바다이기 때문에 지구는 파랗게 보인다. 육지의 평균 높이는 약 840m이고, 가장 높은 곳은 히말라야산맥의 에베레스트산으로 해발 8848m이다. 바다의 평균 깊이는 약 3800m이고, 가장 깊은 곳은 사이판 섬 부근의 마리아나해구로 깊이가 11034m에 이른다. 육지는 대부분 북반구에 집중되어 있어, 북반구의 3/5이 육지이다. 반면 남반구는 4/5가 바다이다.

지구의 표면을 흔히 오대양 육대주라고 한다. 오대양은 지구를 둘러싸는 5개의 넓은 바다로, 태평양, 대서양, 인도양, 북극해, 남극해가 이에 해당한다. 육대주는 6개의 대륙으로, 아시아, 유럽, 아프리카, 오세아니아, 남아메리카, 북아메리카를 말한다.

다른 지구형 행성들처럼, 지구에도 많은 운석이 충돌하여 크레이터를 형성하였다. 연구에 의하면, 직경 10km의 크레이터는 10만 년마다, 직경 50km의 크레이터는 500만 년마다, 직경 100km의 크레이터는 5000만 년마다 생성되었을 것으로 추정된다. 지구의 나이가 약 46억 년이고, 현재보다 과거에 운석의 충돌이 훨씬 잦았음을 고려하면, 지구 표면에는 수성이나 달처럼 수많은 크레이터가 있어야 한다. 하지만 지구에서 발견된 크레이터는 수백 개에 불과하며, 이들 대부분은 많이 손상되어 흔적만 남아 있는 상태이다. 그 이유는 크게 3가지로 구분된다.
첫째, 침식 및 퇴적 작용 때문이다. 육지에 생성된 크레이터는 바람, 물, 빙하 등의 풍화 작용으로 가장자리가 침식된다. 그리고 바람에 날린 모래와 흙이 퇴적되어 구덩이를 메운다. 이 과정이 수~수십만 년 동안 계속되면 크레이터는 평지로 변한다. 다른 행성들에 비해서, 지구의 풍화 작용이 유독 강하기 때문에 지구 표면에는 크레이터가 거의 없다.
둘째, 넓은 바다 때문이다. 지구는 표면의 2/3가 바다이므로, 운석의 2/3는 바다에 떨어진다. 바다가 얕으면, 운석은 해저와 충돌하여 크레이터를 만든다. 하지만 깊은 바다에 떨어진 운석은 바닷물의 저항 때문에 속도가 급격히 느려져, 해저에 닿아도 크레이터를 생성하지 못한다.
셋째, 해양 지각의 소멸이다. 해양 지각은 해령에서 생성되어 수평으로 이동하여 섭입대에서 소멸된다. 섭입대란 2개의 판이 충돌하여 한 판이 다른 판의 아래로 말려 들어가는 지역으로, 해구나 습곡산맥이 이에 해당한다. 해양 지각이 1년에 2~4cm 정도의 속도로 이동하므로, 태평양과 같은 넓은 바다에서도 생성 후 2~3억 년이면 모두 섭입대로 이동하여 소멸된다. 따라서 2~3억 년보다 오래된 해저 크레이터는 모두 소멸되었으므로, 해저 크레이터 또한 드물다.

가장 최근에 만들어진 큰 규모의 크레이터는 미국 애리조나 주(Arizona)에 있다. 이 크레이터는 직경이 약 1km, 깊이가 약 200m이며, 5만 년 전에 직경 50m의 운석이 충돌하여 만들어졌다. 애리조나 크레이터는 현재까지도 형태가 잘 보존되어 지표면에 남아 있는 몇 안 되는 지구 크레이터 중 하나이다.
캐나다의 퀘벡 주(Quebec)에는 직경 70km의 원형 호수가 있다. 200만 년 전, 여기에 운석이 떨어져 크레이터를 생성하였고, 이후 침식된 크레이터의 가장자리에 물이 고여서 호수가 만들어졌다. 크기가 매우 커서 지상에서는 크레이터인지 알기 힘들고, 항공 사진이나 위성 사진에서만 크레이터임을 알 수 있다.

암석권(지각과 맨틀의 최상부)은 연약권(반액체 상태의 맨틀 상부) 위에 떠 있다. 그런데 지구의 암석권은 하나로 붙어 있는 것이 아니라 10여 개의 조각으로 나뉘어져 있다. 이렇게 조각난 각각의 암석권을 판이라고 한다. 각 판은 각기 다른 방향으로 서서히 이동하는데, 이 거대한 판들을 움직이는 에너지는 맨틀 상부의 대류로부터 나온다. 맨틀 상부는 온도가 균일하지 않아서, 어떤 부분은 상대적으로 뜨겁고 어떤 부분은 차갑다. 뜨거운 물질은 상승하여 주변에 에너지를 공급하고, 차갑게 식은 물질은 다시 하강한다. 이러한 맨틀 상부의 느린 대류는 맨틀 상부 위에 떠 있는 판을 이동시킨다. 이렇게 지각과 맨틀의 구조를 설명하는 이론이 판 구조론이다. 판의 경계는 두 판의 상대 운동에 따라 크게 4가지의 형태를 띤다.

① 해령(해저 산맥) : 두 판이 서로 멀어지는 경계이다. 뜨거운 맨틀 물질이 상승하여 두 판을 밀어내며, 그 틈으로 마그마가 분출하여 빈 곳을 메운다. 해령에서는 새로운 해양 지각이 생성되어 양 옆으로 확장되는데, 그 속도는 1년에 2~4cm 정도이다. 해령의 가운데에는 장력 때문에 형성된 열곡(좁고 긴 골짜기)이 있다. 그래서 해령을 열곡대라고도 한다.

② 해구 : 해양판과 대륙판이 만나는 경계이다. 보통 해양판이 대륙판 아래로 섭입되는데, 해양판이 대륙판보다 밀도가 높고 두께가 얇기 때문이다. 섭입(Subduction)이란 두 판이 충돌하여 한 판이 다른 판의 밑으로 들어가는 현상이다. 섭입된 해양판은 맨틀 내부로 침강하면서 소멸된다. 해양판과 대륙판의 경계에는 깊은 틈이 생기는데, 이것이 해구이다. 해구 주변에서는 판과 판 사이의 마찰에 의한 지진이 빈번하다.

③ 습곡 산맥 : 대륙판과 대륙판이 만나는 경계이다. 두꺼운 대륙판끼리 만나면, 그 사이에 막대한 압력이 작용하여 판이 밀려 올라가거나 접힌다. 이 작용은 지표면을 높게 솟아오르게 해서 산맥을 만든다. 예를 들면, 히말라야 산맥은 인도-호주판과 유라시아판이 충돌하여 만들어졌고, 알프스 산맥은 아프리카판과 유라시아판이 충돌하여 만들어졌다. 이러한 습곡 산맥은 태양계의 행성 중에서 유독 지구에서만 나타난다. 몇몇 행성에 산맥이 있긴 하지만 습곡 산맥은 없다.

④ 변환 단층 : 두 판이 서로 평행하게 스치는 경계이다. 해령의 어긋난 부분에서 나타나며, 판의 생성이나 소멸은 일어나지 않는다. 해구와 마찬가지로 변환 단층 부근에는 판의 마찰에 의한 지진이 빈번하다. 하지만 일부는 지진의 주기가 100년이 넘는데, 이 경우에는 오랜 기간 동안 누적된 에너지가 한번에 방출되므로 지진의 규모가 매우 크다.

판은 해령에서 생성되어 해구나 습곡 산맥 등의 섭입대에서 소멸된다. 소멸된 판의 물질은 맨틀에 귀속되어 대류를 하다가, 해령에서 분출되어 판을 형성한다. 소멸되는 물질의 양과 생성되는 암석의 양이 거의 같기 때문에, 이 순환은 오랫동안 지속된다. 대륙 이동설과 고지자기 연구에 의하면, 약 3억 년 전부터 이 순환이 시작된 것으로 보인다. 약 3억 년 전에는 모든 대륙이 판게아(Pangea, '모든 땅' 이라는 뜻의 그리스 말)라는 초대륙으로 연결되어 있었다. 그러다 고생대 말에서 중생대 초에 걸쳐 판게아는 10여 개의 조각으로 분열하기 시작하였고, 계속 이동하여 현재와 같은 대륙 분포를 이루었다.

지구의 자기장은 수만~수십만 년을 주기로 방향을 바꾼다. 즉, N극과 S극이 수시로 바뀌는 것이다. (46억 년의 지구 역사에서 수십만 년은 짧은 시간이다.) 해저 지각에 남아 있는 자성을 분석해 본 결과, 약 3만 년 전에 지구의 자기장은 현재와 반대였다. 전자석은 전류를 반대로 흐르게 하면, 자기장의 방향이 바뀐다. 이와 비슷하게, 지구 자기장의 방향 변화도 외핵의 흐름이 바뀌기 때문으로 추측된다. 하지만 정확한 원인은 아직 규명되지 않았다.

☆ 지구의 자기권 ☆

지구의 자기장이 영향을 미치는 영역을 지구의 자기권이라고 한다. 지구의 자기권은 태양풍의 영향을 받는다. 태양풍은 태양의 대기층에서 불어오는 고온의 플라즈마로, 양성자와 전자 등으로 이루어져 있다. 태양풍은 400~700km/s의 엄청난 속도로 불어오다가, 지구 자기장과 부딪히면 급격히 느려진다. 이때 충격파가 형성되는데, 이는 비행기가 음속을 돌파할 때 발생하는 충격파와 흡사하다. 충격파 안쪽에는 태양풍과 지구 자기권의 경계가 생기는데, 이를 자기권계면이라고 한다.
대부분의 태양풍 입자들은 충격파를 지난 후 경로가 휘어져, 자기권계면을 뚫지 못하고 지구를 비켜간다. 태양풍은 태양을 향한 지구 자기장을 10R_E(지구 반지름의 10배 크기)까지 압축시키고, 반대 방향의 지구 자기장을 1000R_E까지 길게 늘어뜨린다. 그래서 지구 자기권의 모양은 혜성과 비슷하다.

☆ 지구의 밴 앨런대 ☆

지구 자기권은 양성자와 전자들로 채워져 있는데, 이 입자들은 특히 지구를 둘러싸는 도넛 모양의 영역에 밀집되어 있다. 이 영역을 발견자의 이름을 따서 밴 앨런대라고 한다. 밴 앨런대는 고도 2500km에 존재하는 내대(Inner belt)와 고도 15000km에 존재하는 외대(Outer belt)로 구성된다. 내대에는 주로 양성자가 모여 있으며, 비교적 안정해서 규모의 변화가 작다. 반면에, 외대에는 주로 전자가 모여 있으며, 불안정하기 때문에 입자의 양이 큰 폭으로 변동한다. 외대가 내대보다 불안정한 것은 밖에 있는 외대가 태양풍의 영향을 더 많이 받기 때문으로 생각된다.
밴 앨런대 내의 입자들이 지구의 자기력선을 따라 끊임 없이 운동하고 있으므로, 밴 앨런대에는 강한 방사선이 존재한다. (방사선은 고에너지 양성자나 전자의 흐름이다.)

대부분의 태양풍 입자들은 지구를 비켜가지만, 일부는 자기권계면을 뚫고 자기권 안으로 들어온다. 자기권으로 들어온 입자는 지구 자기력선을 따라 자극 근처로 이동하여 상층 대기(100km 이상)와 충돌한다. 상층 대기의 기체 원자나 분자들은 충돌로 들떴다가 다시 안정한 상태로 돌아가면서 다양한 색의 빛을 방출하는데, 이것이 오로라이다.

오로라는 장막, 커튼 등의 모양으로, 주로 초록색과 붉은색을 띠며, 시간에 따라 색과 모양이 변한다. 오로라는 보통 위도 60˚ 이상의 고위도 지방에서 관측되는데, 가끔 태양에서 플레어가 발생해 태양풍이 강해지면, 오로라의 크기와 밝기가 증가해서 위도 30~40˚의 중위도 지방에서 관측되기도 한다.