Chapter 3 지구

Chapter 3 지구 Chapter 3 지구 3.1 지구의 개관 3.1.1 지구의 생성 기원  지구 생성에 대한 여러가지 학설 . 자연의 법칙에 합치되는 일반성(Generality)이 없으며 모두 가설의 수준에 머물러 있음 (각 가설은 지구와 관련된 여러가지 현상에 대해 일부만을 설명할 수 있음), 일례로 오늘날 가장 많은 지지를 받고 있는 이론은 성운설 ∙ 성운설(星雲說) ☞ 그림 3-1 (p75) - 원자간 인력(Attractive Force)에 의해 뭉치고 분자 간에 서로 화학적인 반응을 통해 물질이 생성, 이것이 기원이 되어 지구가 생성 - 기체 간 압력을 이기고 뭉친다는 것에 대해 설명이 부족, 수소와 Helium 같은 원자나 분자들이 다양한 원소로 전환된다는 것에 대한 관찰과 실험은 없었음. . 일반적인 법칙으로 지구의 생성에 대한 과학적인 증명이 있다고 하더라도, 그 생성에 대한 역사가 기록되지 않은 상태에서 그것이 맞는다고 할 수도 없음 (관찰할 수 없는 사건은 과학의 대상으로 취급할 수 없다). 3.1.2 지구의 나이  여러가지 가설에 따르면 지구의 나이는 수천만년 ~ 수십억년 사이로 추측함  지구의 나이를 추측한 몇 가지 이론; 동일과정설, 방사성 동위 원소(Isotope) 반감기(Half Period)에 의한 지구 나이 계산, 냉각 속도에 의한 지구 나이의 계산 (W. T. Kelvin) 등 1. 동일과정설(Uniformitarianism): J. Hutton, “자구론(Theory of Earth)” - 지구가 나이를 먹는 과정에 대한 방식과 강도가 현재나 과거에 동일하다는 가정 - 퇴적층이 쌓이는 속도와 퇴적암 층의 두께를 이용하여 지구의 나이를 9,500 만년으로 추산 (퇴적층의 두께를 퇴적 속도로 나누어 지구의 나이를 계산, 퇴적 속도; 1 cm/수백년) - 문제점 1) 지층은 퇴적, 침식을 반복하므로 퇴적층만으로 지구의 나이를 계산하는 것은 맞지 않는다. 2) 퇴적 속도는 때와 장소에 따라 다르다 (이미 동일과정설에 배치) <-> 현재주의(Actualism; 특정 시기에는 그 시기의 상황에 맞는 동일과정이 존재, 시기에 따라 과정이 다르다) 3) (나무의 수명보다 훨씬 긴 시간 퇴적되었을 것으로 계산되는) 퇴적암 층을 관통하고 있는 다지층(多地層) 나무 화석의 존재 ☞ 그림 3-2 (p77) - 종합하여 말하자면, 퇴적이라는 열역학(Thermodynamics)적 현상과 속도론(Kinetics)은 별개의 분야이므로 이를 혼동한 동일과정설은 맞지 않는다 (S. J. Gould) 현상적 동일과정설(속도와 물질 조건의 동일성을 가정, Kinetics)과 진정한 동일과정설(방법론적 동일과정설, Thermodynamics) Introduction to Science & Engineering. by DHLee. Fall, 2013 Dept. of SCEE, Kukdong University.

Chapter 3 지구 Chapter 3 지구 3.1.2 지구의 나이 (cont’d) 2. 방사성 동위원소의 반감기에 따른 나이 계산법 ☞ 표 3-2 (p81), 표 3-3 (p82) - 이론적으로 가장 신빙성이 있는 방법, 약 30 억년 ~ 45억년(지구에 떨어진 운석)으로 지구의 나이 추정 - 문제점 1) 방사성 동위원소의 붕괴 과정이 배우 복잡하고 수 많은 요소에 따라 달라지므로, 지구의 역사와 같이 긴 시간을 통하여 동위원소의 붕괴 과정에 동일한 조건이 주어졌다고 가정하는 것은 무리이다 2) 어느 특정 원소를 기준으로 반감기를 계산할 때, 그 특정 원소의 모원자 (시간 t=0 의 모원자의 양이 문제, 모두 모원자였을 것이라는 가정을 반드시 옳다고 할 수 없음) 3) 동일한 암석에서 측정 대상이 되는 서로 다른 원소의 반감기에 의한 나이 측정의 결과가 일치하지 않는 문제가 있음. 3. 지각의 냉각 속도에 따른 지구의 나이 계산 (W. T. Kelvin) - 지구 내부의 온도와 지각 온도의 차이를 지각의 냉각속도로 나누어 지구의 나이를 계산하는 방법, 2,500만년 ~ 1억년 - 문제점: 지구 생성 시에 지각의 온도가 지구 내부의 온도와 동일했을 것이라는 사실을 확인할 방법이 없다. 4. 염분 농도로부터 바다의 나이를 계산하는 방법 (D. Livingston) ☞ 표 3-1 (p80) - 바다가 지구 생성 시에 민물이었을 것으로 가정, 육지에서 염분이 하천을 따라 운반되는 속도를 통해 지구의 나이를 계산 - 태초의 바다가 민물이라는 가정에 무리가 있음 (지각은 두께 200 m 이상 소금으로 구성되었다는 무리한 가정 필요, 해저에 침전된 염분까지 포함하면 그 두께는 700 m 이상이 된다). • 이 외에도 몇 가지 계산 근거가 있지만, 이들 방법에 의하면 지구의 나이는 훨씬 짧게 계산된다 . 예 1: 바다에 유입되는 인(P)의 양으로 계산하면 7,000년. . 예 2: 방사성 동위원소의 반감기에 의한 방법과 배치되는 결과는 a-붕괴 시에 방출되는 Helium(He)의 양으로 계산하면 지구의 나이는 1,200년 밖에 되지 않음 . 예 3: 대체로 달과 지구의 나이를 동일하게 보는데, 달에서 가져 온 암석에 존재하는 동위원소를 가지고 측정하면 지구의 나이는 수만년 밖에 되지 않음 ☞ Read p84. Introduction to Science & Engineering. by DHLee. Fall, 2013 Dept. of SCEE, Kukdong University.

Chapter 3 지구 Chapter 3 지구 3.1.3 지구의 구조 (+ 3.2.4 지구의 내부) • 지금까지 지구의 구조는 크기와 모양, 부피, 밀도 등과 더불어 지표로부터 10 km 정도 밖엔 확인되지 않음 . 지구의 내부 구조는 중력, 지진파, 자기 등의 현상을 통해 간접적으로 측정하고 그 결과를 토대로 추측하는 정도 3 3 . 중력을 이용한 실험으로 계산된 지구 질량은 5.98 x 1027 kg, 이를 근거로 계산된 평균 밀도는 5.52 g/cm (지표면 평균 밀도가 2.7 g/cm 이므로 지구 내부는 밀도가 아주 큰 물질로. 채워져 있음을 시사) . 지진파 (P-Wave, S-Wave, Surface Wave 등)를 이용하면 지구 내부의 구조에 대한 약간의 정보를 얻을 수 있음 이들 지진파는 서로 다른 매질의 표면에서 반사, 굴절하는 현상을 나타내므로 이러한 정보를 활용하여 그림 3-4 (p85)와 같이 추정. 3.1.4 지구의 환경 • 지구 환경의 생물 생존 적정성 . 지구와 태양, 달과의 거리, Energy 공급원(태양), 대기 환경(공기), 자전축의 기울기, 자전 속도 ☞ Read p87, 88. 3.2 지각과 지구 내부 3.2.1 광물과 암석 • 대륙 지각 (지표면에서 35 km 깊이) > 암석(Rock, 여러 종류의 광물의 혼합물) > 광물(Mineral) > 원소(Chemical Element) ☞ 표 3-5 (p86) • 광물(Minerals). (a). . 천연으로 산출되는 무기물 결정질 고체(Inorganic, Crystalline, Solid) . 지구 상의 광물은 대부분 (~90%)이 규산염 광물(Silicate Minerals, 그 이유 ☞ 표 3-5, p86), 다음으로 철고토 광물. (b). Photo (a) 감람석(Forsterite), (b) Fayalite(철감람석). (Ferromagnesian Minerals, e.g. 휘석, 각섬석, 감람석, 흑운모), 그 외 단원소 광물, 황화광물, 탄산염 광물, 황산염 광물, 인산염 광물 등. Introduction to Science & Engineering. by DHLee. Fall, 2013 Dept. of SCEE, Kukdong University.

Chapter 3 지구 Chapter 3 지구 3.2 지각과 지구 내부 (cont’d) 3.2.1 광물과 암석 • 화학적 의미의 염(鹽, Salt)과 염기(鹽基, Base) . 산(酸, Acid)과 염기가 반응하면 물을 생성하고 남는 물질로서 금속 Ion과 전기음성도가 강한 원소 간 결합물을 염이라 한다, 즉 [산] + [염기] -> [염] + H2O 예) HCl + NaOH -> NaCl + H2O . 염은 자연계에 흔히 광물(Minerals) 형태로 존재, 그 전형적 예인 규산염은 지구 상에 가장 많이 존재하는 산소(O)와 규소(Si)의 화합물인 다양한 Si-O(SixOy) 사슬이 Ion 상태의 금속과 결합한 형태로 존재 ☞ 우측 그림. 기본 단위 (SiO4)4-. • 암석의 종류 (외형 상 특징, 조직 – 크기/배열/형태, 편리 – Shistocity, ☞ 우측 위 사진). 화성암, 변성암, 퇴적암 ☞ Read p89~91. 3.2.2 지표의 변화, 3.2.3 흙과 식생, 3.2.4 지구의 내부 ☞ Read p92~106 • 지표 변화의 요인. 또 다른 기본 단위 (Si2O5)2-. 풍화 작용(Weathering Processes), 침식 작용(Erosion), 운반 작용(Transportation), 퇴적 작용(Sedimentation). 3.3 물의 순환 • 물의 역할 . 사람 몸의 ~70% 구성 성분, 생물체 세포 원형질의 ~80%, 생명체를 지탱해 주는 생체 내의 생화학 물질의 생성은 모두 물 속에서의 화학 반응으로 형성. Figure (Si2O5)2- 3차원 형상. . 만유 용매*1(Universal Solvent) 역할의 구조적 배경. . 지구 대기의 온도 조절 역할 물은 물리적으로 비열(Specific Heat*2이 가장 큰 물질 - > 밤과 낮의 온도 차이가 크지 않도록 조절 바다 (지구 표면적의 71%)와 강 , 수증기 (대기와 더불어 온도 완충 지대의 역할)의 존재 *1. Introduction to Science & Engineering. 만유용매: 지구 상의 거의 모든 물질과 섞이는 성질 (예외; 유용성 지방). by DHLee. *2. 단위 질량을 1도(1°) 올리거나 내리는데 필요한 열 Energy의 크기 (cal/gr∙deg). Fall, 2013 Dept. of SCEE, Kukdong University.

Chapter 3 지구 Chapter 3 지구 3.3 물의 순환 (cont’d) • 물의 구조적 특징 1) 화학적으로 수소 원자와 산소 원자로 형성 2) 분자 구조적으로 수소, 산소 원자의 배치가 공간적으로 비대칭, 전기적으로 쌍극자(Dipole)를 형성, 액체 상태에서 ~37%가 빈 공간 (상대적으로 1차 결합보다 약한 수소 결합의 존재로 타 물질과 전기적 결합이 가능, 물리적으로 다른 물질을 수용할 수 있는 공간이 많다) 3) 밀도의 특징 . 물질은 고체 상태가 될수록 (=온도가 낮아질수록) 일반적으로 밀도가 증가 . 물의 밀도는 영상 4°C (액체 상태)에서 최대, 수중 생물의 존재가 가능 ☞ 표 3-6, p108. 3.4 대기의 순환 ☞ Read p118~134 • 대기의 중요한 구성 성분: 질소(N2), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), Ozone(O3) . 공기의 성분: 질소 78%, 산소 21%, Argon (0.93%), 이산화탄소 (0.034%), + 미량 원소 Neon, Helium, Methane, Krypton, N2O, Xe, Ozone ☞ 표 3-10, p120 3.4.2 대기의 역할 • 대가의 일반적, 성분 별 역할 1) 질소: 생명체의 단백질 영양소()의 공급원 ☞ Read p121 2) 산소: 생명체 Energy 공급원(산소 호흡에 의한 포도당의 분해), 음식물의 산화에 의한 Energy 발생 ☞ Read p121 3) 이산화탄소: 온실효과(Green House Effect) 에 의한 대기 보온 -> 부작용) 지나친 화석 연료의 사용으로 인한 대기 중 이산화탄소 (GHG*) 증가의 문제 ☞ Read p123 4) Ozone 층: 성층권에 존재하는 Ozone(O3)이 모여 이룬 대기층으로 지나친 자외선의 통과를 막아 주고, 우리 인체에 해로운 여러가지 우주선(Cosmic Rays)과 g선 등을 차단해 준다 5) 매질(Medium): Energy (태양열, 태양광) 전달 및 완충 전달, 소리 전달 ☞ Read p124. 6) 대류에 의한 정화 (Purification by Convection, Correction) ☞ Read p124. *. Green House Gas: 온실 효과를 나타내는 기체로서 이산화탄소 이외에도 Methane(CH4), 이산화질소(N2O), PFC(Perfluoro Compounds, 과불화 화합물), HFC(Hydrofluoro Compounds, 불화수소 탄화물) 등이 있는데, 상세한 것은 제 9장 환경과 오염에서 다루기로 함. Introduction to Science & Engineering. by DHLee. Fall, 2013 Dept. of SCEE, Kukdong University.