지구의 형성과 구조

태양계에 있는 9개의 행성들 중에서, 지구가 생명체를 지탱하는 유일한 행성으로 알려져 있다. 우리가 사용하는 모든 물질들은 지구에서 가져온 것이고 그것은 우리가 먹고 마시는 모든 것을 공급해 줍니다. 그것은 기후와 생물학적 시스템을 구동하는 태양으로부터 에너지를 받지만, 물질적으로는 우주에서 그것에 도달하는 먼지 입자와 때때로 운석을 제외하고는 자급자족한다. 이것들은 연간 10,000톤에 이를 수 있지만, 대부분은 대기 상층부로 진입하면서 마찰의 열에 의해 기화되며, 우리는 이들을 '별똥별'로 본다. 가장 근본적인 수준에서 지구는 우리의 환경이다.
달에서 발견된 가장 오래된 암석은 약 46억 년 전의 것으로 일반적으로 지구와 태양계의 대략적인 나이로 받아들여진다. 태양계가 형성된 과정을 설명하는 여러 경쟁 이론들이 있다. 가장 널리 받아들여지는 이론은 1644년 르네 데카르트(1596–1650)가 처음 제안한 것으로, 이 계는 '원시 태양 성운'(PSN)이라 불리는 가스와 먼지 구름의 응축으로 형성되었다고 주장한다. 현재 이 구름은 초신성 폭발로 인한 물질에 의해 교란되었을 것으로 생각된다. 항성 내부의 핵융합 과정은 수소를 헬륨으로 전환시키고, 더 큰 별에서는 철까지 모든 무거운 원소를 형성한다. 철보다 무거운 원소는 매우 무거운 별의 초신성 폭발이라는 극단적인 조건에서만 생성될 수 있으며, 이러한 원소(아연, 금, 수은, 우라늄 포함)가 지구에 존재한다는 것은 초신성의 원천임을 의미한다.
구름이 응축됨에 따라, 구름의 질량은 중심 근처에서 가장 컸다. 이 물질의 집중은 태양을 구성했고, 행성들은 별을 둘러싼 원반 안에 남아있는 물질로부터 형성되었으며, 전체 계는 회전했다. 내행성은 강착에 의해 형성된다. 작은 입자들은 서로 가까이 움직였고, 서로의 중력에 의해 서로 끌어당겨졌고, 그들의 질량이 증가함에 따라 더 많은 입자들을 모으고 계속해서 성장했다. 어느 시점에서는 원시 지구와 매우 큰 천체의 충돌로 행성이 붕괴되어 물질이 하나의 천체가 아닌 두 천체로 재형성되었다고 생각된다. 이것은 왜 지구와 달이 같은 나이로 여겨지는지, 따라서 46억 년 된 달의 암석이 지구와 달의 나이 정도로 여겨지는 이유를 설명한다.
지구의 물질은 양파의 껍질처럼 이산적인 층으로 배열되었다. 만약 강착이 PSN이 냉각되는 속도에 비해 느린 과정이었다면, 가장 밀도가 높은 물질이 먼저 도착했을 것이고, 그 다음으로 밀도가 낮은 물질이 도착했을 것이다. 이 모델은 '이종 강착'이라고 불린다. 만약 물질이 PSN 냉각 속도와 관련하여 빠르게 도착했다면, 그것은 전체 밀도 범위를 구성했을 것이다. 이후 행성이 녹으면서 냉각되면서 밀도가 더 높은 물질이 중심으로 중력을 받아 점차 밀도가 낮은 물질이 그 위에 층층이 쌓이게 되었다. 이 모델을 '균질 강착'이라고 한다(ALLABY AND ALABY, 1999).
지구의 중심부에는 철과 니켈로 만들어진 반지름 1370 km의 단단한 내부 핵이 있다. 이것은 약 2,000 km 두께의 외부 핵으로 둘러싸여 있으며, 또한 니켈을 포함한 철이지만 밀도는 매우 높다. 외핵의 움직임은 자기 여기 발전기처럼 작용하고 지구 자기장을 생성하여 우주에서 지구에 도달하는 하전 입자를 편향시킨다. 외핵 바깥쪽의 맨틀은 밀도가 높지만 다소 플라스틱인 암석으로 만들어진 두께가 약 2900km이고, 표면에는 단단한 암석으로 이루어진 얇은 지각이 있으며, 바다 아래는 약 6km, 대륙 아래는 약 35km 두께이다.
광부들은 오래 전에 갤러리의 깊이가 깊을수록 갤러리에서 일하는 것이 더 따뜻해진다는 것을 관찰했다. 표면의 암석들은 시원하지만, 표면 아래의 온도는 깊이에 따라 증가한다. 이것은 '지열 구배'라고 불린다. 지구 내부의 열은 행성이 형성될 때부터 조금 남아있지만, 거의 대부분이 맨틀과 지각암에 널리 분포하는 방사성 원소의 붕괴 때문이다. 지열구배의 값은 장소에 따라 차이가 크며, 깊이 1km마다 대부분 20~40°C 사이이지만, 캐나다 온타리오와 남아프리카 트란스발과 같은 일부 지역에서는 km당 9~10°C 이하이다. 암석의 낮은 열전도율 때문에, 이 열은 표면에 거의 도달하지 않으며 현재 기후에 영향을 미치지 않는다.
그러나 경사도가 비정상적으로 높은 곳에서는 지열 에너지의 원천으로 이용될 수 있다. 뉴질랜드, 일본, 아이슬란드, 이탈리아와 같은 화산 지역에서는 지하에서 가열된 물이 간헐천, 온천 또는 끓는 진흙으로 표면에서 분출될 수 있다. 더 자주 그것은 표면에 도달하지 못하고 주변 바위에 의해 가열되어 깊이에 갇힌다. 이러한 저장소에 천공된 시추공은 뜨거운 물을 사용할 수 있는 표면으로 가져올 수 있다. 어떤 곳에서는 건조한 지하 암석이 주변보다 훨씬 더 뜨겁다. 몇 년 전 영국 콘월에서 실험적으로 시추한 결과 에너지가 다소 비싸다는 것을 발견했지만, 원칙적으로 이것도 이용할 수 있다. 이 기술은 두 개의 시추공을 뚫어서 바닥에 폭발물을 터뜨려 그 사이의 암석을 파괴하고 그것을 통해 통로를 여는 것이다. 그리고 나서 차가운 물은 압력으로 한 구멍으로 퍼진다; 그것은 뜨거운 바위를 통과하고 다른 구멍을 통해 뜨거운 물로 표면으로 돌아온다.
이러한 지열 에너지의 착취가 반드시 깨끗한 것은 아니다. 암석에서 나온 물질들은 그것이 지나갈 때 물에 용해되기 때문에, 그것은 일부 독성이 있는 화합물로 풍부한 표면으로 되돌아간다. 이 용액은 종종 부식성이 있으며 열 교환기에 의해 전달되는 열과 환경으로부터 격리되어야 한다. 에너지도 재생 가능하지 않다. 암석에서 열을 제거하면 방사성 붕괴에 의해 가열되는 것보다 더 빨리 냉각되기 때문에 최종적으로 암석의 온도는 더 이상 사용하기에는 너무 낮다. 마찬가지로, 지하 온수의 추상화는 저수지를 고갈시키고, 결국 비워낸다.
지표면 아래의 열은 직접적인 기후 영향은 없지만, 간접적인 영향을 준다는 느낌이 있다. 맨틀 안의 물질은 다소 플라스틱이다. 맨틀 내에서 느리게 움직이는 대류는 지각암의 일부를 그 위로 운반하기 때문에 매우 오랜 시간에 걸쳐 지각 물질이 끊임없이 재배열된다. 지구에서는, 그러나 아마도 다른 태양계 행성에서는, 지각은 서로 상대적으로 움직이는 '판'이라고 불리는 블록으로 구성되어 있다. 그 과정을 설명하는 이론은 '판 구조론'으로 알려져 있다. 현재는 7개의 큰 판, 다수의 작은 판, 그리고 더 많은 수의 '마이크로 플레이트'가 있다. 판 사이의 경계('여백'이라고 함)는 건설적이거나 파괴적이거나 보수적일 수 있다. 건설적인 여백에서 두 개의 판이 떨어져 나가고 새로운 물질이 맨틀에서 나와 지각암으로 냉각되어 산등성이로 표시된다. 세계 모든 바다의 중심 근처에는 능선이 있다. 판들이 서로를 향해 움직이는 곳에는 파괴적인 여백이 있으며, 한 판이 다른 판 아래로 가라앉는 참호가 표시된다. 보존적 여유에서 두 판은 서로 반대 방향으로 이동한다. 대륙이나 호가 충돌한 충돌 구역도 있다. 여기서 모든 해양 지각은 대륙 지각만 남기고 맨틀로 가라앉은 것으로 여겨진다. 이러한 구역은 다양한 방식으로 표시될 수 있는데, 그 중 하나는 접힌 지각암으로 만들어진 산의 존재이다. 섬호는 대륙에서 가장 가까운 해구의 측면에 있는 일련의 화산이다. 화산은 물질의 침하 때문이다.
플레이트의 움직임은 느리지만 지속적으로 대륙들이 그 위에 옮겨온 것들을 재배포한다. 지도를 보면 남아메리카와 아프리카 사이의 적합성을 알 수 있지만, 트라이아스기 말 이전인 약 2억 1,300만 년 전인 4,000만 년 이상 동안 모든 대륙이 판탈라사라는 단일 세계 바다에 둘러싸인 초대륙 판게아로 연결되어 있었다. 판게아는 북쪽의 라우라시아와 남쪽의 곤드와나 두 대륙으로 나뉘었고, 테티스 해에 의해 분리되었다. 더 이른 시기의 대륙 이동은 이제 약 7억 5천만 년 전에 존재했던 로디니아라는 초대륙을 제안하면서 재구성되었다(DALZIEL, 1995). 대서양은 약 2억년 전에 열렸고 여전히 일년에 약 3-5cm씩 더 넓어지고 있습니다. 1억년 조금 전에 인도는 남극대륙에서 분리되었다. 인도판은 유라시아판 아래로 가라앉기 시작했고 인도가 북쪽으로 이동하면서 충돌은 약 5천만년 전 히말라야 산맥을 상승시켰다. 인도는 여전히 연간 약 5cm로 아시아로 이동하고 있으며, 상황은 다소 복잡하지만 산은 여전히 더 높게 성장하고 있다(WINDLY, 1984). 지표면에 드러난 암석은 얼음과 바람, 비에 침식돼 산이 점차 평평해진다. 동시에, 이런 종류의 산을 만들어내는 구김살은 암석의 질량을 증가시켜, 암석이 밑에 있는 맨틀로 가라앉게 한다. 이것은 또한 큰 산맥의 높이를 감소시킨다. 그러나 침식된 물질이 산을 충분히 밝게 하여 맨틀의 함몰을 감소시켜 산이 솟아오르게 하는 것은 가능하며, 히말라야 산맥의 경우라고 추정할 만한 이유가 있다(BURBANK, 1992). 홍해는 열리고 있고 시간이 지나면 아프리카와 아라비아 사이의 새로운 바다가 될 것이다.
토지의 분포는 기후에 강한 영향을 미친다. 만약 한 극 또는 다른 극에 육지가 있다면, 빙상이 형성될 가능성이 더 높다. 대륙의 상대적 위치는 적도로부터 열을 전달하는 해류를 수정하고, 대륙의 크기는 내륙의 기후에 영향을 미친다. 아시아 몬순은 히말라야 산맥의 북쪽과 남쪽의 기압 차이에 의해 발생한다. 겨울에, 가라앉는 공기는 내륙에서 매우 건조한 조건과 함께 대륙과 앞바다의 바람에 고기압을 발생시킨다. 몬순이라는 단어는 단순히 '계절'을 의미하며, 이것은 겨울, 즉 건조한 몬순이다. 여름에는 육지가 따뜻해지면서 기압이 떨어지고 풍향이 역전되며 따뜻하고 습한 공기가 바다를 가로질러 대륙 쪽으로 흘러가 폭우를 몰고 온다. 이것은 여름, 습한 몬순입니다. 판구조론은 물론 매우 장기적인 영향력을 행사하며, 다른 요인들은 단기적으로 기후를 변화시키지만, 육지와 바다의 분포는 세계가 가질 가능성이 있는 전체적인 기후 유형을 결정한다(HAMBREY AND HARLAND, 1981).
판구조론은 환경에 더 즉각적이고 더 극적으로 영향을 미친다. 판의 움직임은 축적된 응력이 방출됨에 따라 급격하게 일어나는 경향이 있고 판 가장자리의 지각 약화로 인한 화산 활동과 관련이 있기 때문에 지진을 유발한다. 지진은 대부분의 부상의 직접적인 원인인 물리적 구조물의 손상을 야기하고, 바다 밑에서 발생하는 것들은 쓰나미를 발생시킨다. 이것들은 전체 물기둥에 영향을 미치는 충격파이다. 높이가 1m 이하이고, 파장이 수백 km에 이르지만, 700 km h-1 이상으로 이동하여 얕은 물에 도달하면 엄청난 높이와 파괴력으로 상승한다(ALLABY, 1998).
화산재가 성층권에 도달하면 기후 냉각을 일으킬 수 있지만, 화산 폭발은 일반적으로 인간 농장과 주거지의 피해와 관련이 있다. 이것은 부분적으로 화산이 가져올 수 있는 유익한 효과 때문에 발생한다. 화산재와 먼지는 종종 미네랄이 풍부하고 고갈된 토양을 재생시킨다. 농부들은 그들 위에서 좋은 농작물을 기를 수 있는데, 이것이 바로 발치와 심지어 활화산의 낮은 경사면에 경작지가 있는 경향이 있는 이유이다.