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지구의 내부

지구는 우리가 살아가는 행성이다. 대기층과 달리 지구는 내부를 직접 탐사하기 어렵다.

지구 내부 탐사 방법

지구의 내부구조 탐사방법으로는 주로 지진파 탐사를 이용한다.

지진파에는 P파와 S파, L파가 있다.

P파는 종파로서 가장 빨리 전달된다.

S파는 횡파로서 좀더 느리게 전달되며, 액체와 기체를 통과할 수 없다.

L파는 표면파로, 지구의 탐사로는 부적절하다.

내부 구조

지구는 여러개의 층으로 이루어져 있다.

지각

지각은 지구의 맨 겉부분이다. 성분은 암석이며, 해양 지각은 5km, 대륙 지각은 35km이다.

지각의 구성 물질은 암석으로, 해양 지각보다 대륙 지각의 밀도가 커서 평형을 이루고 있다. 대륙지각은 화강암질, 해양 지각은 현무암질이다.

지각의 발견

지구가 한 층으로 되어 있다면, 일정 거리 떨어진 지점에서 지진파가 오는데 걸리는 시간은 선형적으로 증가해야 한다.

그런데 실제로 계산해보면 어느 시점부터는 처음 지진파가 오는데 걸리는 시간이 증가하는 기울기가 감소한다. 이는 지각 밑에 지진파의 속도가 빠른 층이 있어, 이 층을 거쳐온 지진파가 더 빨리 도착하는 것으로 설명된다. 이로 인하여 지구의 표면에 있는 지각은 일정 깊이에서 끝나는 층임을 알 수 있다.

맨틀

맨틀은 지구의 두번째 층으로, 약간의 유동성이 있는 암석으로 되어있다. 지진파 탐사에서 해양 지각 밑 5km, 대륙 지각 밑 35km에서 지진파의 속도가 갑자기 증가함으로 부터 이 밑에는 새로운 층이 있음을 알 수 있다.

맨틀은 암석권과 상부 맨틀, 하부 맨틀로 구별된다.

구분이 생기는 원인

암석의 용융점은 압력이 높아질 수록 높아진다. 이때, 지하의 온도는 100km 정도 까지는 빠르게 증가하여 부분적인 용융온도에 이르지만, 그 암석의 용융점이 더 빠르게 증가한다.

두번째로 상부 맨틀과 하부맨틀의 구분은 암석의 성분 변화에 따른다. 전체적인 원소별 조성이 일치하더라도 그 상은 여러가지가 가능하다.

이때의 상평형에서 압력이 증가하면 에너지적으로는 불안정하지만 밀도가 큰 상이 안정해지기 때문에 나타난다.

핵

외핵은 액체, 내핵은 고체이며, 금속질이다.

내핵

지진파의 주시곡선과 암영대를 통하여 지하에 액체(혹은 기체)로 된 층이 있어야 한다는 것을 알 수 있다.

암영대는 지진파가 투과하지 못하는 층이다.

상압에서 철등의 금속이 암석보다 녹는점이 조금 높지만, 고압이 되면 뒤집히게 된다.

한편, 구성 물질과 지자기, 지구의 밀도에서 외핵은 액체임을 알 수 있다.

외핵

지진파의 주시곡선을 다시 그려보면, 지하 5000km에서 지진파의 속도는 다시 증가한다. 지구 내부의 압력과 온도 조건에 의해 내핵은 고체 강태이다.

내부 에너지

지구의 맨틀에서 마그마가 지각으로 분출하고, 지구의 내부 온도가 지각에서도 수도씩 증가하며, 외핵이 액체임 등으로 부터, 지구의 내부에 열에너지가 있음을 알 수 있다.

에너지원

지구의 에너지원은 대부분 탄생시에 가지고 있던 열이다. 지구는 미행성체의 충돌에 의해 형성되었는데, 이때 위치에너지가 열에너지로 전환되었다.

이외에도 방사성원소의 붕괴열, 지구의 중력 수축 에너지 등이 있다.

지각 열류량

지각의 단위면적에서 단위시간에 흐르는 열량

지구가 미치는 힘

지구는 물리학에서 가능한 4가지 힘중에서 장거리에도 작용하는 힘 즉 중력과 전자기력을 미칠 것이다. 지구의 전하는 질량에 비해 무시할 수 있고, 자기력과 중력을 미친다.

중력마당과 표면 중력

지구가 질량을 가지고 있으므로, 당연히 만유인력을 미친다.

이를 지구의 중력마당이라고 한다.

이상적인 경우로 지구가 구형이라고 가정하며, 같은 깊이에서는 밀도가 같다고 하면 구면에서 미치는 중력은 구의 중심에서 미치는 중력과 같으므로, 지구의 중력은 어디서나 같을 것이다.

실제로는 지구가 회전 타원체로, 위치에 따라 만유인력은 다르다.

여기에다가 표면 중력은 만유인력에서 지구 자전에 의한 원심력과의 합력이므로, 적도에서는 작고 극에서는 커진다.

이외에도 지구의 요철로 인해 중력은 달라진다. 지구의 중력은 산위에서는 작아지고 저지대에서는 커진다. 또한 거대한 산 옆에 사는 사람의 경우 산쪽으로 쏠리게 되는데, 대신 산 아래에는 밀도가 낮은 지각이 깊어 그 효과는 상쇄되게 된다.

지구의 자기 마당

지구는 하나의 거대한 자석이다.

자기력의 근원

지구의 자기력은 외핵의 운동에 의한 다이나모 이론으로 설명한다.