지구의 자기장은, 우주에서 쏟아지는 고 에너지 입자로부터 우리를 지켜주고있다. 그 소중한 자기장의 발생원이, 지구의 깊숙한 곳에 있는 코어(핵)이다.
하지만 어쨌든 그것은 지하 2900km의 깊이에 있기때문에, 연구하는 것이 매우 어렵다. 하지만 연구자들은, 코어를 어떻게해서든지 이해하려고 이런 저런 방법으로 조사를 진행하고있다.
새로운 연구에 따르면, 지구의 코어는 25억년 전부터 누설되고 있는 것으로 밝혀졌다고 하는데....
■ 지구에서 가장 뜨거운 곳, 그것이 코어
코어(핵)는 지구에서 가장 뜨거운 곳으로, 외부 코어(외핵)의 일부분이 5000도 이상이나 된다. 이 열은 그 위를 덮는 맨틀도 가열하고, 화산의 열의 50%는 코어에서 제공되는 것으로 생각되고있다.
화산 활동은 지구의 주요한 냉각 시스템이다. 지금 현재도 하와이와 아이슬란드를 형성하고 있는것 같은 화산 활동은, 코어에서 지표면까지 열을 운반하는 맨틀 플룸에 의해 코어와 연결되어있다.
그러나 물리적 인 물질에 대해서는, 코어와 맨틀 간의 교환이 이루어지고 있을까가 최근 수십 년간의 논의의 주제이다.
■ 코어의 일부는 맨틀로 옮겨져있다
이번에 밝혀진 것은, 코어의 일부 물질은 지난 25억년 동안 코어에서 새어 나왔고, 확실히 맨틀 플룸의 하단 부분으로까지 옮겨져 있다는 것이다.
이것은 텅스텐의 동위원소(같은 원소로 중성자의 수가 다른 것) 비율의 경미한 다름으로 밝혀졌다.
연구팀은 먼저, 맨틀 깊은 곳에서 지상으로 옮겨진 화산암을 확인하고, 거기에 코어가 가진 화학적 흔적이 있는지를 찾았다.
코어의 화학 구조는 유일하고, 주로 철과 니켈이 차지하고 있는데, 거기에 텅스텐, 백금, 금 등의 원소가 함께 녹아 철 니켈 합금으로되어있다.
이러한 원소를 포함하는 합금이 있으면 코어의 모습을 살펴볼 수있다.
■ 텅스텐 동위 원소로 코어 물질을 구별
원소로서의 텅스텐(원소 기호 W)은 74개의 양성자를 가지고 있는데, 중성자 수에 따라 182W(중성자 108개)와 184W(중성자 110개) 등의 동위 원소가 있다.
맨틀에 포함 된 182W/184W의 비율은 코어보다 훨씬 높은 것으로 에측되고 있기 때문에, 이러한 동위 원소를 살펴보면, 그것이 코어인지 맨틀의 것인지 구별 할 수있을 것이다.
또 다른 원소 인 하프늄(Hf)이 철 - 니켈 합금에 녹지않는 반면, 맨틀에 풍부하게 들어있는 것도 단서가된다. 현재로서는 절멸 한 하프늄 동위 원소(182Hf)는 붕괴해 182W로 되었다. 맨틀에 여분의 182W가 존재하는 것은 이 때문이다.
단, 이 분석을 실제로하는 것은 매우 어렵다. 182W/184W 비율의 차이를 PPM(퍼센트가 100분율 인 반면, PPM은 백만분)이라는 단위로 측정해야하는 상황에서, 암석에 포함 된 텅스텐 농도는 10억분의 10이라는 수준으로 적기 때문이다.
■ 코어가 새는 증거
연구에서 밝혀진 것은, 맨틀 182W/184W 비율은 지구의 일생에 크게 변화하고 있다는 것이다.
지구에서 가장 오래된 암석은 현재 대부분의 암석보다 이 비율이 높고, 시대가 내려갈수록 줄어든다. 이 맨틀 182W/184W 비율의 변화야말로 텅스텐이 코어에서 맨틀로 새고있다는 증거이다.
재미있는 것은, 지구에서 가장 오래된 화산을 지구가 탄생 한 지 18억년이라는 시간 단위로 볼 대, 맨틀의 텅스텐 동위 원소에 눈에 띄는 변화는 없었다. 이는 43억 ~ 27억 년 전에 코어에서 상부 맨틀로 이동하는 물질은 없었다는 것이다.
그러나, 그 후의 25억 년 동안에는, 맨틀에 포함 된 텅스텐 동위 원소의 구성이 크게 변화했다.
그 이유에 대해서는, 약 26억 년 전부터 태고 시대 말까지 플레이트의 변화가, 맨틀의 대류를 발생시켰기 때문이 아닌가 추측되어지고 있다.
■ 코어가 새는 메커니즘
맨틀 플룸이 코어와 맨틀의 경계에서 지상을 향해 상승하고 있는 것이라고 하면, 표면에 있는 물질 또한 맨틀 내부로 가라 앉아있을 것이다.
이 때 표면의 산소를 듬뿍 품고있었던 물질이 맨틀의 깊숙한 곳에 가라 앉는 플레이트에 통합된다. 이렇게 코어 - 맨틀 경계의 산소 농도가 상승한다.
이 상황을 실험으로 살펴보니까, 코어 - 맨틀 경계이 산소 농도의 상승은 텅스텐을 코어에서 떼너 맨들로 이동시키는 것 같다는 것을 발견했다고 하는 것.
또 다른 이유로서는, 내부 코어(내핵)가 응고하는 것이, 코어 외부의 산소 농도를 상승시킬 것으로도 생각된다.
■ 지구의 자기장은 언제 형성 되었는가?
후자의 경우는 지구 자기장의 기원에 대한 힌트가 될지도 모른다.
지구의 코어는 맨처음에, 완전한 액체의 금속이었지만, 곧 식어 부분적으로 굳어졌다. 그리고 자기장은 코어 내부의 굳어진 부분이 회전함으로써 발생한다.
하지만 내부 코어가 응고 한 시기는, 지구 행성 과학 중에서도 가장 큰 난제 중 하나다.
이번 연구에서는, 코어와 맨틀 사이에 물질의 상호 작용이 있는것과 지구 내부의 역학의 변화를 추적하는 방법이 밝혀졌다. 이것을 이용하면 자기장의 스위치는 어떻게, 그리고 언제 들어왔는지 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
이 연구는 "Geochemical Perspective Letters"에 게재되었다.
