[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 3부

“ 태양보다 좀 더 무거운 별에서는 더 다양한 핵융합 작용이 일어나고 더 무거운 원소들이 만들어진다. 하지만 철보다 무거운 원소를 만들어내지는 못한다. 태양보다 아주 무거운 별들은 일생을 살고 마지막 단계에 이르면 거대한 적색초거성의 단계를 거치고 초신성supernova 형태로 폭발한다. 질량이 아주 무거운 별의 안쪽은 수축해서 블랙홀이 되고 바깥쪽 부분은 초신성 잔해의 형태로 우주 공간으로 흩어진다. 블랙홀이 되기에는 질량이 조금 작은 별들은 일생을 마치면서 폭발해서 중심부는 중성자별neutron star이 된다. 초신성 잔해의 형태로 흩어졌던 중원소를 함유한 가스와 먼지 구름은 시간이 지나고 조건이 갖춰지면 다시 성운으로 뭉쳐진다. 별은 일생을 살면서 끊임없이 핵융합 작용을 한다. 그 결과 빛을 내는 별의 형태를 유지하는 것이다. 더 이상 핵융합 작용을 하지 못하면 빛을 내지 못하고 불안정해지면서 최후를 맞이한다. 마지막 단계를 거치면서 일생 동안 만든 중원소들을 우주 공간으로 내보낸다. 빅뱅으로 우주가 탄생한 지 얼마 지나지 않은 우주 공간 속에서 수소와 헬륨 같은 원소들이 생성됐다면, 철보다 가벼운 중원소들은 별의 내부에서 별이 평생 핵융합을 하는 과정에서 생겨났다. ”

“ 공룡은 왜 멸종했을까? 이 수수께끼를 풀 열쇠를 쥐고 있는 것이 금속 원소인 '이리듐'이다. 이리듐은 금속 원소 중에서 가장 녹이 슬지 않고 단단하며 무른 원소다. 금속 원소인 백금과의 합금이 만년필 펜촉에 사용되고 금속 원소인 로듐과의 합금은 자동차의 점화 플러그에 쓰인다. 이리듐은 지구의 지각이나 맨틀에는 거의 함유되어 있지 않지만, 운석에는 많이 함유되어 있다. 그런 이리듐이 중생대 백악기와 신생대 고제3기의 경계(K-Pg 경계)에 해당하는 지층에서 대량으로 발견된 것이다. K-Pg 경계라 불리는 이 지층은 공룡 등의 생물이 대량으로 멸종한, 약 6600만 년 전의 지층이다. 즉, 이 시대에 지구 밖에서 거대한 운석이 떨어져서 산산조각이 났고, 그 운석에 함유되어 있던 이리듐이 지표면에 마구 흩어진 것으로 볼 수 있다. 이 지층에서 발견된 이리듐은 '지구에 거대한 운석이 떨어져서 공룡이 멸종되었다'는 가설의 유력한 근거가 된다. 멕시코의 유카탄 반도에서는 지름이 약 180km나 되는 칙술룹 충돌구가 발견되었는데, 공룡을 멸종시킨 거대한 운석이 충돌한 흔적으로 알려졌다. 이 충돌구의 이리듐 양 등을 바탕으로 지름이 약 10km인 거대 운석이었을 것이라고 추정하고 있다. ”

“ 칙슐럽 크레이터 6500만 년 전의 유카탄 반도는 아열대 지역의 탄산염 지대라 불리는 지금의 바하마처럼 바다의 수심이 얕은 환경이었기 때문에 충돌 뒤에 탄산염 광물이 퇴적돼 크레이터 위를 2000미터가량이나 덮고 있었다. 이 결과 충돌 크레이터가 지하에 묻혀 발견이 어려웠던 것이다. 그런데 이렇게 지하에 묻혀 있던 충돌 크레이터를 대체 어떻게 발견한 것일까? 유카탄 반도의 멕시코만 쪽에는 대규모 유저이 있어 중력이나 지자기 등의 지구 물리 탐사가 이뤄지고 있는데, 그 덕분에 암석 시료를 분석한 결과 이것이 K/T 경계에 형성된 충돌 크레이터라는 사실을 밝혀냈다. 충돌 크레이터의 중심부가 유카탄 반도 북부의 칙슐럽이라는 작은 마을 부근에 있어 칙슐럽Chicxulub 크레이터라는 이름이 붙여졌다(그림7-2). 둥근 충돌 크레이터의 북쪽 절반은 해양에, 남쪽 절반은 유카탄 반도에 있었다. 지름 180킬로미터라면 지구 위에 있는 충돌 크레이터로서는 최대 규모에 속하는 것이다. 마츠이 다카노리松井孝典를 대표로 하는 도쿄대학교 연구팀은 칙슐럽 크레이터가 발견된 직후에 유카탄 반도에서 충돌 크레이터 일대의 지구 물리 탐사를 실시했다. 이 지역에서도 공룡을 멸종시킨 충돌 크레이터의 발견은 유명한 사건이었다. 조사를 위해 유카탄 반도를 동서로 수차례나 왕복했는데, 무엇보다도 가장 인상 깊었던 것은 새하얀 석회암으로 덮인 유카탄 반도가 끝없이 펼쳐져 있었던 일이다. ”

“ 조사 지역에서는 마야의 후예들과도 만날 수 있었다. 그들은 자신들이 위대한 문명을 일으킨 마야족의 혈통을 이어받았다는 사실에 강한 자부심을 품고 있었고 비록 몸집은 작지만 용감하고 힘이 세다는 자랑을 많이 했다. 그런데 이 마야문명과 칙슐럽 크레이터가 깊은 관련이 있다는 이야기를 들어본 적이 있는가? 거의 모든 고대 문명이 큰 강을 끼고 있다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다. 그러나 유카탄 반도에는 강이 없다. 그래서 그들은 유카탄 반도 이곳저곳에 존재하는 ‘세노테cenote’라는 샘을 중심으로 도시 국가를 건설했던 것이다. 유명한 치첸이트사Chichen Itza 유적에도 성스러운 샘인 세노테가 있다. 세노테란 석회암이 빗물 등에 용식되어 형성된 천연 우물로 이른바 돌리네doline라 불리는 지형을 말한다. 매우 재미있는 것은 이 수많은 세노테를 지도에 표시하면 유카탄 북부에서 정확히 반원을 그린다는 사실이다(그림7-3). 그렇다. 세노테는 바로 칙슐럽 크레이터의 둘레를 따라 분포해 있는 것이다! 이유는 잘 모르지만 아마도 지하에 있는 충돌 크레이터의 지형적인 영향으로 그 위에 퇴적한 석회암에 단층이 형성되면서 물길이 생겨난 것으로 추측되고 있다. 이 결과 충돌 크레이터의 둘레가 선택적으로 녹아서 세노테가 형성된 것은 아닐까? 세노테는 지하 수로를 통해 서로 연결되어 있는 것으로 보인다. 공룡을 멸종시킨 소행성 충돌이 있고 나서 6500만 년 뒤, 유카탄 반도에는 마야문명이 꽃을 피웠다. 그러나 지금은 이 마야문명도 멸망하고 일설에 따르면 K/T 경계에 있었던 소행성의 충돌 때문에 퇴적되었다는 석유를 현대인들이 채굴하고 있으니 역사의 아이러니라 하지 않을 수 없다. ”

“ 4장 금속과 용융된 암석으로 이루어진 구 용융은 지질학적 파괴를 일으키는 힘이다. 지구의 암석들은 움직이는 판들의 막대한 압력과 혹독한 날씨에 일상적으로 노출되지만, 열만큼 암석을 효과적으로 파괴하는 것도 없다.고체 상태에서 액체 상태로 변하는 순간, 암석 속의 원자들은 화학적 힘을 통해 서로에게 붙들린 상태에서 해방되며, 원자 수준에서 갈가리 분해되고 만다. 용융이 일어나는 동안 암석의 특성은 거의 다 완전히 사라지고 만다. 하지만 자연은 용융된 암석을 잘 활용하는데, 그것으로부터 새로운 암석을 만들어 낸다. 용융의 부활 효과를 경험한 암석은 지구의 암석뿐만이 아니다. 하늘에서 떨어지는 암석 중에도 그런 것이 일부 있다. 알루미늄 방사성 동위 원소인 알루미늄-26은 미행성체에 특히 중요한 열원이다. 방사성 동위 원소가 빠르게 붕괴하면서 원자핵에 붙들려 있던 핵에너지가 신속하게 방출되어 많은 미행성체를 완전히 녹였다. 그 과정에서 이 미행성체들을 만든 성운 먼지들이 완전히 파괴되었고, 전체 세계가 먼지들의 집합체에서 작열하는 액체 암석의 구조로 변했다. 용융된 미행성체들은 대부분 크기가 작아서 수백만 년 이내에 다시 식었다. 미행성체들은 지질학적 열기관의 동력이 금방 고갈되면서 얼어붙었다. 가장 큰 미행성체들 - 자신의 내부 열로 더 오래 버틸 수 있었던 것들 - 조차 약 1억 년 뒤에는 차갑게 식었다. 액체 암석이 식으면서 결정이 생성되기 시작하자 용융된 미행성체는 다시 고체로 변했고, 그 속에 강한 열과 완전한 화학적 변환에 관한 이야기가 얼어붙었다. 이렇게 용융된 소행성에서 유래한 운석인 아콘드라이트는 알려진 것 중 가장 오래된 화성암이다. 작은 규모의 변화 - 작은 먼지 알갱이가 액체 암석으로 변하는 것 -는 변환의 시작에 불과하다. 용융된 소행성의 전체 내부 구조가 <분화differentiation> 과정을 통해 완전히 뒤집혔는데, 전체적으로 다소 균일했던 먼지들의 집합체에서 뚜렷이 구별되는 두 지질학적 층이 있는 물체로 변했다. 금속 핵을 석질 맨틀이 둘러싸고 있는 구조였는데, 맨틀 위의 가장 바깥쪽에는 얇은 지각이 있었다. ”

“ 지구의 분화 탄생 초기의 지구는 생성 당시 수많은 암석 덩어리의 충돌에 의해 발생한 에너지와 암석 속에 포함된 방사성동위원소의 붕괴에 의해 방출되는 에너지에 의해 매우 높은 온도로 가열되게 된다. 충분히 높은 온도로 가열된 행성은 녹기 시작하여 내부에 크고 작은 마그마 덩어리를 형성한다. 이때 생성된 마그마는 크게 설질 마그마와 철질 마그마로 구분된다. 철질 마그마와 석질 마그마는 마치 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 성질이 있다. 물과 기름을 잘 섞은 후 같은 용기에 담아두면 시간이 지나며넛 점차 분리되어 좀더 가벼운 기름이 항상 물 위에 떠있는 것을 볼 수가 있다. 지구에서 형성된 석질 마그마와 철질 마그마 중 좀더 가벼운 석질 마그마는 위로 떠오르려 하고 무거운 철질 마그마는 아래로 가라앉는다. 무거운 철질 마그마가 지구 중심으로 가라앉아 모인 것이 핵이며, 상대적으로 가벼워 위로 떠오른 석질 마그마는 식어 지구의 맨틀을 만들었다(그림3-5). 우리가 살고 있는 지구의 껍질인 지각은 맨틀의 일부가 다시 높아 표면으로 떠오른 후 익은 것이다(하와이 섬의 화산과 같이 맨틀에서는 지금도 암석의 일부가 녹아 지각으로 이동하고 있다). ”

“ 지구의 ‘노른자’는 중심핵이다. 뜨겁고 아주 조밀하며, 지구 질량의 약 1/3을 차지한다. 중심핵은 주로 철로 되어 있고, 니켈이 약간 섞여 있으며, 수소, 산소, 황S, 질소 등 더 가벼운 원소들이 약 10퍼센트를 차지한다고 추정된다. ‘추정된다’고 말할 수밖에 없는 것이 표본을 채집하러 지구 중심까지 간 사람이 아무도 없기 때문이다. 그런 생각을 한 쥘 베른Jules Verne이 존경스럽긴 하지만. 지진으로 생긴 에너지 파동은 병원의 CT 스캐너와 매우 비슷한 역할을 하며, 이런 파동이 땅속에서 어떻게 전달과 반사되고 휘어지며 흡수되는지를 분석하면 중심핵의 크기와 밀도 등을 알 수 있다. 밀도를 분석하면, 중심핵이 설령 전부는 아니라고 해도 대부분 철로 이루어져 있음을 알 수 있다. 연구실에서 실험과 계산을 하니, 앞에 말한 것 같은 가벼운 원소들이 섞여 있다고 해야 관측한 밀도와 들어맞았지만, 실제 정확한 조성은 알지 못한다. 이 문제의 유일한 해답이 될 조성을 찾아낸 사람이 아직 아무도 없기 때문이다. ”

“ 순수한 철(+니켈)로 이루어진 마그마는 석질 마그마에 비해 녹는점이 높다. 하지만 철질 마그마에 황과 같이 좀더 가벼운 원소가 조금 첨가된다면 녹는점이 석질 마그마보다 오히려 낮아지게 된다. 지구의 핵에는 철과 니켈 외에도 황과 같은 가벼운 원소가 소량 포함되어 있을 것으로 생각되며 따라서 먼저 석질의 맨틀이 식어 고체가 된 후에도 액체 상태로 남아 있게 된다. 지구는 생성 이후 계속 식어 왔으며 액체 상태의 핵도 식어 부분적으로 고체로 바뀌어 왔다. 굳어진 철질 물질이 지구 중심부의 고체 상태의 내핵이며 아직도 굳지 않고 남아 있는 철질 마그마가 외핵을 형성하고 있다. 지구는 지금도 서서히 식어가고 있기 때문에 외핵은 점차 작아지고 내핵은 점차 성장하게 된다. 또한 지구의 핵이 아직도 완전히 굳지 않았기 때문에 액체의 철 성분이 대류하면서 지구의 자기장을 만들어 내고 있으며, 또 서서히 식어가는 외핵에서 방출되는 열은 지구 표면까지 올라와 화산 활동과 같은 지구 표면의 여러 가지 지질 현상에 중요한 열원의 일부를 제공하고 있다. ”

“ 이제 우리는 오시알페(O, Si, Al, Fe)의 비밀에 대해 부분적으로 답할 준비가 되었다. 앞서 석질 마그마는 위로 떠올라 맨틀을 형성하였다고 하였다. 석질이란 주위에서 흔히 볼 수 있는 암석을 구성하고 있는 성분으로 이해할 수 있을 것이다. 지구상의 암석을 구성하는 대표적인 광물그룹은 규산염 광물이다(그림3-6). 규산염 광물이란 하나의 규소(Si) 주위를 네 개의 산소(O)가 둘러싸고 있는 규산염 사면체를 기본 골격으로 하고 있는 광물종이다. 따라서 규산엽 광물이 주종을 이루고 있는 석질 마그마로부터 유래한 맨틀에는 산소와 규소가 가장 풍부한 원소가 될 것이다. 지각은 기본적으로 맨틀 구성물질 일부가 녹아 만들어진 마그마가 상승하여 생성한 것이므로 마찬가지로 산소와 규소가 가장 중요한 구성 원소가 된다. 규산염 구조의 규소 자리를 치환해 들어갈 수 있는 대표적인 원소가 알리미늄(Al)이다. 맨틀 구성물질 일부가 녹을 때 알루미늄은 선택적으로 마그마로 더 많이 녹아 들어가게 되며, 지각에 알루미늄이 농집되는 이유가 된다. 알루미늄은 화학반응 중에 전기적으로 +3가를 가지는 반면, 규소는 +4가이므로 알루미늄이 규소 자리를 대신하는 경우 전기적으로 +1가의 차이가 생긴다. 이를 보완해 주기 위해 다른 양이온이 들어가게 되며 이는 지각에서 발견되는 광물의 화학식을 복잡하게 만드는 이유 중 하나가 된다. 오시알페의 마지막 원소인 철은 맨틀과 핵의 분리가 일어날 때 철질 마그마를 형성하여 핵으로 이동하는 원소이다. 하지만, 철이 철질 마그마로 100% 이동하느냐 아니면, 일부는 규산염(즉, 석질) 마그마로도 들어가느냐는 산소의 양에 따라 결정된다. 습한 대기 중에서 철을 오랫동안 노출시키면 녹이 스는 것을 볼 수 있다. 이는 철이 산소와 결합하여 산화철(+2가 또는 +3가의 철)을 만드는 현상이다. 이처럼 철은 잉여 산소가 풍부한 경우 산소와 결합한다. 초기 지구의 경우 마그네슘 등 다른 원소와 결합하고도 남은 잉여의 산소가 존재했으므로 철의 일부는 산화되어 규산염 마그마, 즉 맨틀에 포함된다. 맨틀 물질이 부분 용융할 때 철을 포함한 규산염 광물은 마그네슘을 포함한 광물에 비해 녹는점이 낮으므로 맨틀의 철/마그네슘 비에 비해 더 높은 철/마그네슘 비를 가진 지각이 형성되게 된다. 이와 같은 이유로 지각에는 오시알페가 농집되게 되는 것이다. ”

“ 내핵은 반지름이 1,226킬로미터이고 고체인 반면, 외핵은 두께가 2,260킬로미터이며, 녹아 있는 상태다. 외핵은 대류를 통해 서서히 움직인다. 아래쪽에 있는 더 뜨겁고 밀도가 높은 물질은 솟아오르고 더 차갑고 밀도가 낮은 물질은 서서히 가라앉는다. 외핵의 이 움직임은 일종의 발전기 역할을 하며, 그 결과 지구의 자기장이 생성된다. 우리는 일상생활을 하면서 지구 자기장을 떠올릴 일이 그다지 없지만, 지구 자기장에 감사해야 마땅하다. 자기장은 태양풍(태양에서 뿜어지는 강력한 하전 입자 흐름)에 대기가 휩쓸려 나가지 않게 보호하고, 나침반의 바늘을 북쪽(대략적으로)으로 향하게 하는 유용한 일을 해주기 때문이다. ”

“ 운석에 들어 있는 추가적인 생명의 필수 성분 마치 단순히 유기 분자들을 공급하는 것만으로는 지구의 초기 생물권에 기여하는 역할로 충분치 않다고 판단했는지, 운석에는 생명에 매우 중요하고 종종 공급이 부족한 그 밖의 성분들이 추가로 들어 있다. 그것이 어떤 과정을 통해 일어났건, 일단 최초의 생명이 지구에서 살아가기 시작하자, 생명을 계속 이어가기 위해서는 영양분에 접근하는 것이 아주 중요했다. 심지어 오늘날에도 생명에 가장 중요한 영양소 중 하나는 반응성이 높고 물에 잘 녹는 인이다. 집에서 기르는 식물이나 논밭에서 기르는 농작물에 뿌리는 비료에 인이 가득 들어 있는 이유는 이 때문이다. 일반적인 비료에는 인이 최대 10%까지 들어 있는데, 식물에 꼭 필요한 성분이기 때문이다. 하지만 인을 원하는 것은 식물뿐만이 아니다. 모든 생물의 거의 모든 기능에 인이 꼭 필요하다. 인은 RNA와 DNA의 중요한 구조 성분이며, 인체에서 에너지 전달을 담당하는 분자인 아데노신삼인산, 즉 ATPadenosine triphosphate에서도 중요한 성분이다.* 비록 인은 놀랍도록 풍부하지만, 지구에서 대부분의 인은 물에 녹지 않고 접근이 힘든 암석에 갇혀 있다. 이 때문에 연간 150억 달러를 넘는 인산염 채굴 산업이 호황을 누리고 있다. 물론 지구에 처음 나타난 생명체들에게는 이 거대한 채굴 산업이 아직 시작되지 않았다는 문제점이 있었고, 그래서 생물 발생 이전의 화학에서 살아 있는 생물의 발달로 도약이 일어나는 데 큰 어려움이 따랐을 것이다. 지금쯤이면 여러분도 충분히 짐작하겠지만, 이 상황에서 운석이 도움의 손길을 뻗어 반응성이 강한 인의 주요 공급원이 되었을 가능성이 있다. 운석에 포함된 인은 훨씬 환원된 형태(산소와의 결합이 훨씬 적은 형태)이기 때문에, 지질 구조와 암석 속에 갇혀 있는 대신에 생물과 그 생활사 속으로 쉽게 스며들 수 있다. 그래서 초기의 운석들은 지구에 생명이 막 나타나기 시작했을 때, 공급이 부족한 필수 영양소의 주요 공급원이 되었을 가능성이 높다. 그리고 마지막으로, 오늘날의 운석을 단지 값비싼 문 버팀쇠나 수집품 또는 과학적 연구 대상으로만 생각해서는 안 된다. 운석은 아직도 필수 영양소와 원재료의 중요한 운송 수단 역할을 계속 수행하고 있다. 거대한 생물권과 우리의 활발한 채굴 노력 덕분에 필수 영양소가 끊임없이 순환하는 오늘날의 지구에서도 많은 생물은 영양 결핍을 겪고 있으며, 운석이 이를 해결해주는 역할을 맡고 있다. *인은 그 밖에도 많은 곳에서 중요하게 쓰이지만, 척추동물에서도 신체 구조의 근간을 이룬다. 뼈와 이빨을 이루는 주요 광물 성분은 매우 안정한 인산염 광물인 인회석이다. ”

“ 인과 마찬가지로 철도 많은 생물의 기능에서 중요한 요소를 차지하지만, 생물이 사용할 수 있는 형태의 철을 얻기가 쉽지 않다. 사실상 거의 모든 곳에 엄청나게 많은 양의 철이 널려 있지만, 지각에 존재하는 철 중 대부분은 산화 상태가 높은 형태의 철(Fe3+)로 존재한다. 이렇게 산화가 많이 된 철은 액체에 녹지 않기 때문에, 생물의 몸속에서 제대로 활용될 수가 없다. 생물에게는 액체에 녹는 형태의 철(Fe2+)이 필요한데, 이런 철은 극히 드물게 존재하며, 많은 생물이 필요한 영양분을 주로 바닷물에서 얻는 바다 같은 장소에서는 더욱 그렇다. 물에 녹아 생물이 이용할 수 있는 형태의 철이 부족한 상황은 바다의 많은 장소에서 생산성을 제한하는 요인이 된다. 특정 위도들에서는 바람에 실려온 사막의 먼지에 물에 녹을 수 있는 철이 충분히 포함돼 있어 해양 생태계의 필요를 충족시킬 수 있다. 하지만 전체 바다 중 넓은 면적은(특히 남반구에서는) 바람에 실려온 철의 혜택을 별로 받지 못해 다른 철 공급원에 의존해야 하는데, 아마도 여러분은 그것이 무엇인지 충분히 짐작할 것이다. 지구에서 가장 중요한 생물인 플랑크톤은 미소 운석과 성간 먼지 입자에 실려온 외계의 철이 없다면, 훨씬 덜 풍부할 것이고 생산성도 크게 떨어질 것이다. 외계의 철이 바다의 생산성에서 차지하는 중요성 때문에 일부 연구자는 약 45억 년 전에 외계 물질의 유입량 증가(기록에 잘 남아 있는)가 전 세계적인 해양 생산성 증가의 원인이었다고 추측한다. 만약 그러한 생산성 증가가 충분히 크게 일어났다면, 전 세계적인 CO2 농도가 크게 줄어들었을 테고, 그에 따라 지구 전체의 기온도 내려갔을 것이다. 따라서 운석 물질의 유입 증가는 지난 5억 년 동안 가장 그 정도가 심했던 빙하 시대, 그리고 그로 인해 당시 해양생물 종 중 약85%를 사라지게 한 오르도비스기-실루리아기 대멸종 사건의 간접적 원인이었을 수 있다. 이처럼 운석이 주는 것도 있지만 앗아가는 것도 있다. ”