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산과 바다처럼 오랫동안 같은 자리에서 변함없는 상태를 유지하는 것이 또 있을까. 하지만 지진으로 땅이 쩍 갈라지거나, 화산이 폭발해 용암길이 생기는 등 지각변동이 발생했다는 뉴스를 보면 ‘지구가 살아 있다’는 사실이 피부로 느껴진다.

실제로 지구를 이루고 있는 육지와 바다, 대기, 그리고 생태계는 항상 움직이고 있으며 서로 영향을 미친다. 이를 통해 지구시스템 내에서는 에너지와 물질이 끊임없이 순환한다.

지구시스템은 크게 5개 권역으로 나눌 수 있다. 먼저 지각을 포함해 지구 내부 영역에 해당하는 ‘지권’이 있다. 해수, 육수(민물) 등 물이 분포하는 ‘수권’, 지권과 수권을 둘러싸고 있는 기체 영역인 ‘기권’, 지구상에 살고 있는 모든 생물체인 ‘생물권’, 그리고 마지막으로 기권의 바깥 영역에 해당하는 ‘외권’이 있다.

땅을 이루는 지권

지권은 지각과 맨틀, 핵(외핵과 내핵)으로 나눌 수 있다. 지각은 지권 중에서 가장 바깥쪽, 즉 지구의 표면에 있는 층으로 지권의 다른 부분에 비해 얇다. 주로 규산염물질로 이뤄져 있으며, 땅과 바다 중 위치하는 영역에 따라 대륙지각과 해양지각으로 구분한다. 일반적으로 대륙지각(평균 약 35km)이 해양지각(평균 약 5km)보다 훨씬 두껍다. 하지만 대륙지각은 화강암질 마그마로 이뤄져 있어, 현무암질 마그마가 굳어진 해양지각보다 밀도는 작다.

지권에서 약 80%로 가장 큰 부피를 차지하는 영역은 맨틀이다. 맨틀은 지각처럼 규산염물질로 이뤄진 고체이지만, 용융상태로 존재해 유동성이 있다. 따라서 맨틀 위에 떠 있는 지각 판들이 오랜 시간에 걸쳐 서서히 움직인다.

지구 가장 안쪽에 자리 잡은 핵은 철과 니켈 등 금속물질로 이뤄져 있다. 가장 안쪽에 있는 고체 상태의 내핵과 달리, 그 주변을 둘러싸고 있는 외핵은 액체 상태다. 이 외핵이 대류하면서 지구 자기장이 생긴다.

지권은 바깥쪽 지각에서부터 맨틀, 핵 순으로 지구 안쪽으로 들어갈수록 밀도가 커진다. 마그마 바다가 형성될때 밀도가 큰 철과 니켈 등 금속물질이 가라앉아서 핵이 됐기 때문이다.

물을 이루는 수권

수권의 대부분은 해수로, 약 97.2%를 차지한다. 하지만 수권이 반드시 액체 상태로 존재하는 것은 아니다. 해수를 제외한 육수(약 2.8%)의 대부분은 빙하(약 2.15%)다. 전세계 호수와 하천수(약 0.03%), 지하수(약 0.62%)는 모두 더해도 1%가 채 되지 않는다.

해수는 깊이에 따라 혼합층, 수온 약층, 심해층 등 층상구조가 나타난다. 혼합층은 수심 약 300m 이내로 수면에서 가장 가까운 영역을 말한다. 혼합층에서는 바람에 의해 물이 섞이면서 깊이에 관계없이 수온이 약 24도로 일정하다. 일반적으로 바람이 강하게 불수록 혼합층이 두껍게 발달한다. 따라서 바람이 가장 강하게 부는 중위도 고압대(고기압이 띠 모양으로 있는 영역)에서 혼합층이 가장 두껍다.

이보다 수심이 깊은 층이 수온 약층으로, 수심 약 300~700m 영역이다. 수심이 깊을수록 수온은 급격히 낮아진다. 수심 약 300m 부근에서는 20도 이상으로 따뜻하지만, 수심 600m 근방에서는 5도 정도로 차갑다. 물의 대류가 거의 일어나지 않는 것도 수온 약층의 특징이다. 때문에 수온 약층의 위층인 혼합층과 아래층인 심해층 사이에서 물질 교환이 일어나지 않도록 차단하는 역할을 한다. 따라서 이 깊이에서는 잠수함이 안전하게 다닐 수 있다.

수심 약 700m 이상인 심해층은 전체 해수의 약 80%를 차지하고 있다. 태양에너지가 거의 도달하지 않기 때문에 수온이 1~3도로 낮고, 1년 내내 거의 변화가 없다. 또 시간이나 위치에 관계없이 해수의 성질도 거의 비슷하다.

공기층을 이루는 기권

기권은 지상에 가까운 곳부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권 등 네 영역으로 나뉜다. 대기 중 80~85%는 대류권(고도 11km 이내)에 포함된다. 지표면으로부터 지구복사에너지가 발생하기 때문에, 지표면으로부터 고도가 높아질수록 기온이 낮아진다. 대류현상이 활발하게 일어나 불안정하다는 뜻이다. 또한 대류권에는 수증기가 풍부해, 대기와 수증기가 상호작용하면서 구름이 발달하거나 비가 오는 등 다양한 기상현상이 나타난다. 즉, 날씨는 활발한 대류현상과 수증기가 빚어낸 결과물이다.

이보다 고도가 높은 성층권(고도 11~48km)은 훨씬 안정적이다. 대류가 매우 안정해 비행기는 성층권을 통과한다. 특히 고도 20~30km에는 태양에너지를 흡수하는 오존층이 있어 기온이 높다.

고도 48~80km인 중간권은 대류권과 마찬가지로 고도가 높아질수록 기온이 낮아진다. 대류현상이 활발해 불안정하지만 수증기가 거의 없어서 기상 현상이 나타나지는 않는다.

태양에서 가장 가까운 열권은 고도가 높아질수록 기온이 올라간다. 대류현상이 일어나지 않아 안정적이다. 대기가 희박해서 기온의 일교차가 매우 크고, 오로라가 나타난다.

지권, 수권, 기권과 상호작용하는 생물권

생물권은 지구에서 생물이 살아가는 곳이다. 따라서 지권과 수권, 기권과 공간적으로 겹쳐 있으며, 이들 권역과 다양한 상호작용을 통해 지구시스템을 구성한다. 예를 들어 생물이 호흡하거나 식물이 광합성을 하면서 대기 조성이 달라질 수 있고, 생물의 활동에 따라 지권에서 토양 생성이 촉진되기도 한다.

태양에너지가 통과하는 외권

기권의 바깥 영역인 외권은 지구시스템의 다른 권역과 물질 교환이 거의 없다. 하지만 생물에게 가장 중요한 에너지원인 태양에너지가 전달되는 경로이며, 자기권을 형성해 태양풍과 우주선(cosmic ray)으로부터 지구를 보호하는 역할을 한다. 특히 밴 앨런 복사대는 지구를 둘러싸고 있는 강한 방사선대로, 대전 입자가 도넛 모양으로 퍼져 있다. 이곳에서는 양성자와 전자가 나뉘어 분포하고 있다.

권역끼리 서로 상호작용하는 지구 시스템

이처럼 지구 시스템을 구성하는 다섯 개 권역들은 서로 물질과 에너지를 끊임없이 주고받으며 상호작용하고 있다. 한 권역에서 변화가 일어나면 동일한 권역에서 새로운 형태의 변화를 유발하거나, 다른 권역에 영향을 미칠 수 있다.

가령 기권 내에서는 기단끼리 상호작용하며 다양한 기상 현상을 만들 수 있고, 기권으로부터 영향을 받은 수권에서는 바람으로 인해 해파나 해류가 발생할 수 있다. 또 지권은 바람의 영향으로 풍화 또는 침식 작용이 일어날 수 있다. 기권 덕분에 생물은 호흡이나 광합성을 하면서 생명을 유지할 수 있다.

지구에 가장 큰 영향력 행사, 태양복사에너지

지구 환경은 다양한 에너지에 의해 끊임없이 변하고 있다. 지구 시스템에 관여하는 에너지원은 태양복사에너지, 지구내부에너지, 조력에너지가 있다. 이 중 가장 영향력이 큰 것은 태양복사에너지이며, 그 다음이 지구내부에너지, 조력에너지 순이다. 이들 에너지원은 상호 전환되지 않으며 독립적으로 작용한다.

태양복사에너지는 태양의 수소 핵융합 반응으로 생성된다. 지권에서는 풍화나 침식작용으로 지표의 변화를 일으키고, 수권에서는 해수 순환을, 기권에서는 대기 순환과 날씨 변화를 유발하며, 생물권에서는 식물이 광합성을 하게 하는 등 지구에 가장 큰 영향을 미친다.

지구내부에너지는 주로 지구 내부에서 방사성 원소가 붕괴할 때 발생한다. 또 맨틀의 대류로 인한 지진이나 화산활동(지권), 지진해일을 발생시키기도 한다(수권).

조력에너지는 달과 태양의 인력이 지구에 작용해 발생한다. 밀물과 썰물이 발생하거나(수권), 이로 인해 해안 지형이 변하는(지권) 등 영향을 미친다.

다르다. 저위도에서 고위도로 갈수록 태양복사에너지가 감소해 위도별 에너지 불균형이 발생 한다. 하지만 대기와 해수가 순환하면서 저위도의 과잉에너지가 고위도의 부족에너지를 채워준다. 즉, 지구 전체로 보면 에너지 평형을 이루고 있다.

물과 탄소의 순환

지구 시스템에서는 물질의 순환이 일어난다. 크게 물의 순환과 탄소의 순환으로 나눌 수 있다. 물은 지구 시스템을 순환하면서 지권과 기권, 생물권에 다양한 영향을 미친다. 물을 순환시키는 주요 에너지는 태양복사에너지로, 지구 전체의 에너지를 고르게 분산시키는 역할을 한다. 또한 각 권역마다 최종적으로 유입되는 물의 양과 최종적으로 유출되는 물의 양이 같아지는 ‘물수지 평형’을 이룬다.

탄소는 지구 시스템의 권역마다 다양한 형태로 존재하는데, 그 중 지권에 가장 많이 분포한다. 지권에서는 주로 탄산염(석회암)과 화석 연료의 형태로 존재한다. 기권에서는 이산화탄소, 수권에서는 탄산이온, 생물권에서는 탄소화합물의 형태로 존재한다.

탄소는 다양한 형태로 여러 권역을 순환하면서 지구 시스템에 영향을 준다. 가령 지권에서는 화산 분출로 마그마에 들어 있던 이산화탄소가 기권으로 방출되면서 지구내부에너지를 방출한다. 해수(수권)에 있던 탄산이온은 칼슘이온과 결합해 침전되면서 석회암을 만든다(지권). 대기중(기권)에 있던 이산화탄소는 광합성에 의해 생물체에 흡수돼 탄소화합물을 만든다(생물권). 식물(생물권)이 죽은 사체가 퇴적되면 화학에너지로 사용할 수 있는 화석연료가 된다(지권).

지권의 변화

지구에서 지권이 가장 활발하게 변하는 곳은 지진이 활발하게 일어나는 지역(지진대)과 화산 활동이 활발하게 일어나는 지역(화산대), 판이 수평 방향의 힘을 받아 대규모의 습곡 산맥을 형성하는 지역(조산대) 등이다. 이렇게 지각변동이 활발하게 일어나는 지역을 ‘변동대’라고 부르는데, 주로 좁고 긴 띠 모양으로 분포한다. 또한 세계에 분포돼 있는 지진대와 화산대는 거의 일치한다.

지권에서 이렇게 지각변동이 활발하게 일어나는 이유는 지각이 크고 작은 10여 개의 판으로 이뤄져 있기 때문이다. 판은 지각과 상부 맨틀의 일부를 포함하는 약 100km 두께의 단단한 암석이다. 그 아래로 100~400km 깊이에는 부분적으로 용융 상태인 ‘연약권’이 있다. 이에 따라 유동성이 생겨 맨틀에서 대류현상이 일어나고, 결국 판을 움직이게 하는 원동력이 된다.

판은 움직이는 방향과 속도(1~10cm/년), 밀도가 다르다. 이에 따라 발산형 경계, 수렴형 경계, 보존형 경계 등 다양한 지형이 생성된다. 발산형 경계에서는 맨틀이 상승하면서 서로 다른 판들이 반대방향으로 멀어진다. 이로 인해 판을 양쪽으로 잡아당기는 힘(장력)이 발생하고, 천발지진(깊이가 70km보다 얕은 곳에서 발생하는 지진)과 정단층이 일어난다. 이곳에서는 마그마가 상승하면서 화산활동이 빈번하게 일어나며, 새로운 판이 생성되기도 한다. 대륙판과 대륙판이 멀어지는 동아프리카 열곡대, 해양판과 해양판이 멀어지는 대서양 중앙해령과 동태평양 해령이 여기에 속한다.

수렴형 경계에서는 맨틀이 하강하면서 서로 다른 판들이 점차 가까워지면서 소멸한다. 발산형 경계와 달리 판을 양쪽에서 밀어 압축하는 힘(횡압력)이 발생하며, 천발지진뿐 아니라 중발지진(깊이 70~300km에서 발생하는 지진)과 심발지진(300km 이상 깊이에서 발생하는 지진)이 일어나기도 한다.

알프스 산맥이나 히말라야 산맥은 대륙판과 대륙판이 만나는 수렴형 경계다. 지진활동은 나타나지만 화산활동은 일어나지 않는다. 하지만 대륙판과 해양판이 만나는 일본 해구에서는 천발지진과 심발지진이 발생하는데, 판의 경계에서 밀도가 작은 쪽으로 갈수록 진원이 깊어지는 베니오프대가 형성된다. 마리아나 해구와 마리아나 제도처럼 해양판과 해양판이 만나 수렴형 경계가 생길 수도 있다.

보존형 경계에서는 서로 다른 판들이 접하면서 반대방향으로 어긋난다. 열곡(단층에 둘러싸인 좁고 긴 ‘V’자 모양 골짜기)과 해령이 발생하는 과정에서 판들이 서로 이동하는 속도가 달라 발생한다.

따라서 발산형 경계나 수렴형 경계와 달리 새로운 판이 생성되거나 원래 있던 판이 사라지지 않는다. 대륙판과 대륙판이 어긋난 산안드레아스 단층, 해양판과 해양판이 어긋난 케인단층이 여기에 속한다. 이곳에서는 천발지진이 일어나며, 화산활동은 거의 없다.

지각변동은 지구 시스템에 다양한 영향을 미친다. 화산폭발로 분출된 용암이 흐르면서 지표를 덮거나 화산 쇄설물이 퇴적되고, 지진이나 산사태로 지형이 달라진다. 뿐만 아니라 화산이 폭발하면서 분출된 화산재나 화산가스가 지표수를 오염시켜 생물권에 피해를 주기도 한다.

하지만 지각변동이 우리에게 피해를 주는 것만은 아니다. 화산에서 분출된 화산재는 오랜 시간이 흐르면 비옥한 토양이 된다. 농작물이 생장하는 데 직접적으로 도움을 주는 셈이다. 또 화산활동이 활발한 지역에서는 온천을 즐기거나 지열에너지를 얻을 수 있고, 지진파를 분석해 지하자원을 탐사할 수도 있다.

이처럼 지구에는 다양한 권역이 존재하며, 권역마다 특징이 다르면서도 상호작용하며 지구 시스템을 유지하고 있다. 인간은 살아 움직이는 지구를 지배하려고 하기보다는 이해하고, 생물권 내에 존재하는 구성원 중 하나로 다른 권역과 올바른 방향으로 상호작용해야 한다. 이를 통해 인간에 의해 발생하는 산사태, 환경 파괴에 의한 서식지 감소 등의 문제를 해결할 수 있다.