지구 내부 미스터리…지름 650㎞ 제5층 최심부 내핵 확인 [와우! 과학]

지름 1만 2700㎞의 거대한 흙의 공인 지구(地球) 내부는 아직까지도 거대한 미스터리로 남아 있다. 우리가 살고 있는 얇은 지각을 제외하고는 도무지 직접적인 탐사를 할 방법이 없기 때문이다. 따라서 우리 발 밑 깊은 지구 속의 사정이 어떨지 상상하기란 매우 어렵다.

지구의 4개 층 구조를 설명하기 위해 종종 음식을 비유로 사용하는데, 지구의 가장 바깥층 지각은 그레이엄 크래커, 그 아래 맨틀은 아이스크림, 외핵은 녹은 마시멜로, 그리고 내핵은 초콜릿에 비유된다.

과학자들은 오랫동안 지구의 제 5층에 대해 알고 있었다. 즉, 내핵이 단일 구조가 아니라 두 개의 층으로 이루어져 있다는 사실이다. 내핵 내부에 별도의 금속 공이 자리하고 있는데, 그 지름은 650㎞에 이르며, 이름은 최심부 내핵(innermost inner core)이라 한다.

2002년 처음 그 존재가 밝혀진 이후 과학자들은 여러차례 확인과정을 거쳤으며, 가장 최근으로는 2022년 3월에 재차 확인되었다. 그러나 그것은 지구의 여러 겹 층 아래 숨겨져 있는데다 지구 부피의 1% 미만인 행성의 내핵 깊숙이 있기 때문에 그 실체를 완벽히 파악한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니다.

최근 대규모 지진에 의해 생성된 지진파를 연구하는 과학자들은 지구 내부의 직경을 따라 탁구공처럼 앞뒤로 튕기는 파동을 5번 기록했다. 이는 지금까지 기록된 가장 높은 반사율로, 이전 기록인 2번을 깨뜨린 것이다.

지진 발생시 지구의 지각판이 갑자기 움직일 때 생성되는 이 파동이 지구 중심을 통과하면서 어떻게 굴절되는지 관찰해보면 과학자들이 들여다보기 어려운 가장 안쪽 핵심을 보다 명확하게 파악할 수가 있다.

최신 연구에 관여한 팀이 3개의 지진 데이터 세트를 사용하여 혁신적인 방식으로 지구의 중심을 조사한 결과, 세 지진의 데이터는 각각 내핵의 상황을 다르게 보여주었다. 그들이 연구한 사건 중 하나는 2017년 솔로몬 제도에서 발생한 규모 7.9의 지진이었다.

호주국립대학교 지구물리학자이자 최신 연구의 공동저자인 흐르보예 트리칼치는 “대지진 후 지구는 몇 시간이 아니라 며칠 동안 종처럼 진동한다”고 밝혔다. 가장 최심부 내핵을 잘 연구하기 위해 지진의 정반대 지점(대척지)에 위치한 지진계가 필요하다. 그곳은 때로는 해상일 수도 있다. 원격 지역에 지진 관측소를 설치하는 데는 높은 비용이 드는 만큼 작업할 데이터가 거의 없는 실정이라, 가장 안쪽 내핵을 지진파로 조사하기가 매우 어렵다.

따라서 연구팀은 솔로몬 제도의 대지진에 대해 전 세계 여러 데이터 센터에서 기록한 지진파 데이터를 결합하여 1차 지진파인 P파를 연구했다. 지진파 중에서 가장 빠른 P파는 파동의 진행방향과 동일한 방향으로 진동하는 매질에 의해 에너지가 전달되며, 이 과정에서 매질의 압축 혹은 늘어남이 발생한다. 또한 지구 중심을 통과하는 유일한 파동이므로 지구 중심을 5번 통과하는 P파를 연구하면 행성의 깊은 내부를 밝힐 수 있다.

연구팀은 파동이 행성의 지름을 이동하는 데 20분이 걸린다는 것을 발견했다. 그럴 때마다 P파는 최심부 내핵의 ‘이방성'(異方性) 특성을 명확하게 표시했다. 가장 안쪽 코어를 통과하는 지진파는 한 방향으로 느려지는 반면 외부 층을 통과하는 지진파는 다른 방향으로 느려진다.

트리칼치는 “이는 내부 코어에서 지배적인 철 결정체가 내부 코어의 외부 껍질과는 다른 방식으로 구성되어 있다는 것을 의미한다”고 밝혔다. 새로운 연구에서 연구원들은 최심부 내핵의 P파 방향이 적도면과 ‘비스듬한’ 각도, 곧 지구의 자전축에서 50도 각도에서 가장 느리다는 사실을 발견했다. 저자는 “이는 매우 중요한 사실이며, 최심부 내핵에서 ‘명백한’ 비등방성을 감지했다고 말할 수 있는 이유”라고 밝혔다.

지구의 핵에서 느리게 움직이는 철 공이 지구 자기장의 생성으로 이어지는 지구의 전기 발전(geodynamo)에 동력을 공급한다는 강력한 증거가 있다. 따라서 행성의 중심에서 일어나는 일을 이해하면 자기장이 어떻게 작용하고 때로는 반전되는지에 대해 밝혀질 것이다.

가장 최근의 연구는 지구 최심부 내핵이 지구의 5번째 층임을 확인하는 점점 더 많은 증거가 쌓이고 있지만, 교과서가 업데이트되기까지는 시간이 걸릴 수 있다고 트리칼치는 말했다. 지구의 가장 깊숙한 제5층 최심부 내핵이 교과서에 등장한다면 그 구조설명에 음식 비유가 뒤따를 것이 분명하다. 초콜릿 칩 내부는 과연 다크 초콜릿일까?

이 연구결과는 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 저널 2월 21일 온라인으로 게재되었다.