9강. 지구환경의 구성요소
추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차
1. 개요 [본문]
2. 기권 [본문]
3. 수권 [본문]
4. 암권 [본문]
5. 생물권 [본문]
1. 개요 [목차]
⑴ 지구계
① 계의 종류
○ 종류 1. 고립계 : 물질과 에너지의 이동이 없음
○ 종류 2. 닫힌계 : 에너지의 이동은 있으나 물질의 이동이 없음
○ 종류 3. 열린계 : 물질과 에너지의 이동 모두 존재
② 지구 환경은 열린계로 간주할 수 있음
⑵ 지구 환경의 구성요소
① 지구 환경을 구성하는 각 요소는 독립성을 지니며 상호작용을 함
② 지구 환경의 구성요소 : 기권, 수권, 암권, 생물권으로 구분
③ 구성요소 간 상호작용
| 기권 | 수권 | 암권 | 생물권 | |
| 기권 | 기단 간 상호작용 | 해류 발생 강수 유입 |
풍화·침식 작용 | CO2 공급 종자와 포자 운반 |
| 수권 | 수증기 유입 태양열 저장 |
해수 혼합 심층수·물 순환 |
강수·침식·용해 | 체액 공급 수중 서식지 |
| 암권 | 내부 에너지 | 암권의 물질 용해 | 판 구조 운동 대륙이동 |
미네랄 서식지 변경 |
| 생물권 | CO2 배출 | 용해 물질 제거 | 풍화 토양 생성 |
먹이 순환 |
Table. 1. 지구 환경의 구성요소들 간의 상호작용
2. 기권(atmosphere) [목차]
⑴ 기권
① 지구를 둘러싼 약 1,000 km의 대기층
② 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구성
③ 대기의 끝은 명확하지 않음 : 수소는 약 10,000 km에도 분포
⑵ 대류권(troposphere) : 지표 ~ 약 11 km
① 대류권 온도에 영향을 미치는 요인은 주로 지구복사
② 고도가 높아질수록 지구복사량이 작아져 기온 하강 : 대기가 불안정
③ 대기가 불안정하여 대류 운동 활발
④ 활발한 대류운동과 풍부한 수증기로 인해 기상현상이 일어남
⑤ 기온 감률 : 6.5 ℃ / km
⑥ 대류권 계면 : 대류권과 성층권의 경계
○ 위도가 낮을수록 대류운동이 활발하여 대류권 계면 높이가 높음
○ 여름철이 겨울철보다 대류운동이 활발하여 대류권 계면 높이가 높음
○ 적도 : 17.5 km
○ 중위도 : 11.5 km
○ 극 지방 : 7.5 km
⑶ 성층권(stratosphere) : 약 11 km ~ 50 km
① 오존층 존재 : 20 ~ 30 km, 2 ~ 8 ppm
② 오존층은 태양으로부터 오는 유해한 자외선 흡수
③ 고도가 높아질수록 자외선 흡수량이 높아 온도가 상승 : 대기가 안정
④ 대기가 안정하여 대류 운동이 없음
⑤ 대류 운동이 없어 장기간 비행기의 항로
⑷ 중간권(mesosphere) : 약 50 km ~ 80 km
① 중간권 온도에 영향을 미치는 요인은 주로 지구복사
② 고도가 높아질수록 지구복사량이 작아져 기온 하강 : 대기가 불안정
③ 대기가 불안정하여 대류 운동 활발
④ 대류운동은 활발하지만 수증기가 없어 기상현상이 나타나지 않음
⑤ 대기에서 가장 기온이 낮은 구간
⑥ 산소가 거의 없음
⑸ 열권(thermosphere) : 약 80 km 이상
① 공기 밀도가 매우 작아, 우주의 열원에 따라 매우 큰 기온변화가 나타남
② 고도가 높아질수록 태양과 가까워 온도가 상승
③ 태양 에너지를 직접 흡수하기 때문에 일교차가 심함
④ 외부 방사선에 의해 오로라가 나타남
N ＜ C ＜ ··· ＜ He ＜ H
⑹ 전리권(exosphere) : 약 60 km ~ 500 km
① 성층권, 중간권, 열권에 걸쳐 분포
② 태양에서 오는 X선, 자외선에 의해 공기 분자가 이온화된 구역
○ 이온과 자유전자가 대기중에 분포
○ 보어 원자모형 : 원자 내 전자가 에너지를 받으면 전자가 방출되고 이온이 형성
③ 자유전자의 밀도에 따라 D, E, F 층으로 구분
○ D 층 : 약 60 km ~ 80 km, 장파반사, 주간
○ E 층 : 약 100 km ~ 120 km, 중파반사
○ F1층 : 약 170 km ~ 230 km, 단파반사, 주간
○ F2층 : 약 200 km ~ 500 km, 단파반사
○ 낮 : E층, F층
○ 밤 : D층, E층, F1층, F2층
④ 역할
○ 역할 1. 지표 전파 차단
○ 역할 2. 외부 전파 차단 : 고도가 높을수록 외부로부터 받은 에너지가 많아 높은 고도에서 강한 전파를 더 많이 차단
○ 장거리 통신 수단
⑺ 균질권 : 고도 약 80 km 이내. 대류와 활발한 혼합작용으로 인해 기체의 비가 균일. 중간권까지
① 건조 공기
○ 수증기를 제외한 공기
○ 질소(78%) : 식물이 자라기 위한 필수 재료 중 하나 (cf. 질소, 인, 칼륨)
○ 산소(21%) : 동식물의 호흡 및 연소 현상에 중요한 원소
○ 아르곤(0.9%)
○ 이산화탄소(0.03%)
② 시간과 장소에 따라 양이 변하는 기체
○ 수증기
○ 기상 변화의 주요 원인
○ 열에너지 수송으로 지구 열평형에서 중요
○ 이산화탄소(CO2)
○ 감소 요인 : 식물의 광합성 작용
○ 증가 요인 : 지구 내부의 방출, 공장 매연·차량 매연 등 연료 원소, 생명체의 호흡작용, 해양 내 탄산염
○ 조절 요인 : 해양
○ 지구온난화의 주범
○ 오존(ozone)
○ 높이 약 20 ~ 30 km 사이에 밀접해 있음
○ 자외선을 흡수
○ 메탄(methane, CH4)
○ 증가 요인 : 가축 방목, 지표 환경에서 미생물들의 메탄생성반응
⑻ 비균질권 : 고도 약 80 km ~ 1,000 km. 희박한 밀도와 확산작용으로 인해 기체의 비가 불균일. 열권부터
① 대기의 분포 : 무거운 기체는 아래에, 가벼운 기체는 위에 분포
② 1,000 km : 수소
③ 600 ~ 1,000 km : 헬륨
④ 300 ~ 600 km : 산소
⑤ 200 ~ 300 km : 질소
⑼ 카르만 라인(Karman line)
① 물리학자 시어도어 폰 카르만이 정의한 지구 대기권과 우주의 경계선
② 고도 100 km를 기준으로 함 : 단, 그 고도를 80 km로 낮춰야 한다는 주장도 있음
3. 수권(hydrosphere) [목차]
⑴ 수권의 성분
① 자연수 = 해수(97.22 %) + 담수(2.78 %)
② 육수의 성분
○ 육수 = 빙하·만년설(1.91 %) + 지하수(0.84%) + 기타(0.03 %)
○ 빗물이 육지의 광물질을 용해시켜 CO32-나 Ca2+가 많음
③ 해수의 성분
○ 염분의 구성
○ 암석의 풍화와 침식
○ 해저화산 : 해저화산이 폭발하여 Cl-가 가장 많이 용해돼 있음
○ 담수에는 많은 CO32-, Ca2+가 해수에 없는 이유 : 생물들이 이용하기 때문
○ 해수의 6대 원소 (질량비)
○ 염화 이온(Cl-) : 55.0 %
○ 나트륨 이온(Na+) : 30.6 %
○ 황산염(SO42-) : 7.7 %
○ 마그네슘(Mg2+) : 3.7 %
○ 칼슘(Ca2+) : 1.2 %
○ 칼륨(K+) : 1.1 %
○ 해수의 원소 분포 (몰농도)
| Cl- | 0.55 M | Na+ | 0.47 M | SO42- | 0.028 M |
| Mg2+ | 0.054 M | Ca2+ | 0.010 M | K+ | 0.010 M |
| CO2 | 2.3 mM | Br- | 0.83 mM | H3BO3 | 0.43 mM |
| Sr2+ | 0.091 mM | F- | 0.07 mM |
Table. 2. 해수의 원소 분포
○ 위도에 따른 염분
○ 적도 : 강수량 ＞ 증발량. 염분 농도 낮음
○ 중위도 : 증발량 ＞ 강수량. 염분 농도 높음
○ 극지방 : 해빙작용 활발. 염분 농도 낮음
○ 대한민국의 염분
○ 황해가 동해보다 염분이 낮음 : 황해는 육지에 둘러싸여 담수의 성격을 띰
○ 여름철이 겨울철보다 염분이 낮음 : 강수량 - 증발량이 여름철에 크게 나타남
○ 염분비 일정의 법칙
| 염류 | 해수 1 kg 중의 염류(g) | 전체 염류에 대한 성분비(%) |
| NaCl | 27.2 | 77.7 |
| MgCl2 | 3.8 | 10.9 |
| MgSO4 | 1.7 | 4.8 |
| CaSO4 | 1.3 | 3.7 |
| K2SO4 | 0.9 | 2.6 |
| 기타 | 0.1 | 0.3 |
| 계 | 35.0 | 100.0 |
Table. 3. 염분비 일정의 법칙
○ 메커니즘 : 긴 시간에 걸쳐 혼합됐기 때문
○ 이온별 체류시간
○ 해수에서 추출되는 유용광물 : 소금, 마그네슘, 브롬 등
○ 해수에 녹아있는 기체 : 산소, 이산화탄소, 질소 등 해양생물의 생존에 필수적
⑵ 해수의 연직구조 : 수심에 따른 수온변화로 구분
① 혼합층 : 50 m ~ 200 m
○ 정의 : 연직구조 상 수온이 일정한 구간
○ 태양에너지 영향 ○, 바람 영향 ○ : 바람에 의한 혼합으로 수온이 일정
○ 겨울철에 혼합층의 두께가 두꺼워짐 : 표층수의 냉각으로 인한 밀도류가 혼합층의 두께를 증가시킴
○ 중위도에서 혼합층의 두께가 가장 두꺼움 : 중위도가 바람이 가장 강하므로 (∵ 대기대순환)
○ 광합성의 영향으로 이산화탄소 농도가 낮음
② 수온약층 : 200 m ~ 1,000 m
○ 정의 : 수심이 깊어질수록 수온이 급격히 하강하는 층
○ 태양에너지 영향 ○, 바람 영향 ×
○ 안정성 : 하부가 상부보다 항상 온도가 낮음. 대류작용이 일어나기 어려움
③ 심해층 : 1,000 m ~
○ 정의 : 수온약층 아래에서 다시 수온 변화가 거의 없는 구간
○ 태양에너지 영향 ×, 바람 영향 ×
○ 위도, 계절에 관계없이 수온 일정 : 2 ~ 4 ℃. 4 ℃ 물의 밀도가 가장 크지만 고압 상황에서 최대 밀도 온도가 달라짐
○ 수온이 매우 낮음. 밀도가 큼. 저염분
○ 고위도 표층에서 침강한 찬 해수 때문에 용존 산소의 농도가 증가함
⑶ 해저지형
① 대륙붕 : 깊이가 200 m 미만의 기울기가 급하지 않고 완만한 지형
○ 육지 근처
② 대륙사면 : 대륙붕에서 바다 쪽으로 연장된 지형
○ 급한 기울기
○ 저탁류는 대륙사면에서 주로 나타남
③ 해구 : 수심 6,000 m 이상의 깊은 골짜기
④ 대양저 : 약 3,000 m ~ 6,000 m 깊이의 넓고 평평한 심해저 지형
⑤ 해령 : 암석이 지각 아래에서 밀려 올라와 해저산맥과 같은 지형
○ 열류량은 해령에서 가까울수록 증가
○ 두께는 해령에서 멀어질수록 증가
○ 해양판의 한 지점은 시간이 지남에 따라 해령에서 점차 멀어짐
○ 정단층이 우세하게 발달
⑥ 화산섬 : 섬 전체 또는 대부분이 해저화산의 분출물이 쌓여서 이루어진 섬
⑦ 해산 : 대양의 밑바닥에 원뿔 모양으로 우뚝 솟은 봉우리
⑧ 평정해산 : 바다 밑의 화산암체가 파도에 의해 정상부가 깎여 평탄해진 지형
⑨ 대륙대 : 대륙사면의 하부에서 심해저까지 완만하게 내려가는 경사 지역
4. 암권(rock sphere) [목차]
⑴ 지구 내부의 조사 방법 : 시추법, 화산분출물 조사, 지진파 분석 등이 있음
① 시추법
② 화산분출물 조사
③ 지진파 분석
○ 지진파 : 지진에 의해 발생한 파동으로 관측소의 지진계로서 나타남
○ 특징 1. 진행 도중 성질이 다른 물질을 만나면 반사 또는 굴절함
○ 특징 2. 통과하는 물질의 종류에 따라 속도가 달라짐
○ 종류 1. P파
○ 주요 특징 : 종파. 5 ~ 8 km/s. 진폭과 피해 작음
○ 고체, 액체, 기체의 물질을 모두 통과
○ 종파 : 진동방향과 진행방향이 나란함
○ P파는 맨틀 상부와 맨틀과 외핵의 경계에서 급격히 감소함
○ 종류 2. S파
○ 주요 특징 : 횡파. 약 4 km/s. 진폭과 피해가 큰 편
○ 고체 물질만 통과
○ 횡파 : 진동방향과 진행방향이 수직
○ PS시(초기 미동 계속시간, P. S. time) : P파와 S파의 도달시간 차이
○ 종류 3. L파
○ 주요 특징 : 표면파. 약 3 km/s. 파괴력(진폭)이 매우 큼. 지표면으로만 전달
○ 횡파와 종파가 모두 존재함
○ 구분 1. 러브파(love wave)
○ 구분 2. 레일리파(Rayleigh wave)
○ PS시(PS interval) : 진원거리 또는 진앙거리를 측정할 수 잇음
○ 세 관측소를 통해 진앙 및 진원을 결정하는 방법
○ P : 진앙(epicenter)
○ 원의 반지름은 각 관측소에서의 진원 거리와 같음
○ 진원과 진앙 사이의 거리는 HH' 길이의 절반임
Figure. 6. 세 관측소를 통해 진앙 및 진원을 결정하는 방법
Figure. 7. 위 그림에서 관측소 A를 확대한 것
O 지점에서 OP 길이 또는 OP' 길이만큼 연직 아래로 내려간 곳이 진원
○ 주시곡선(time-distance curve) : P파를 중심으로 설명
a는 직접파, b는 굴절파, 꺾이는 지점은 교차거리
○ 직접파(direct wave) : 진원 S로부터 측정지점 D까지 직접 지진파가 이동하는 시간
○ 굴절파(refracted wave) : 지각 - 맨틀 계면으로부터 반사되어 측정지점 D까지 지진파가 도달하는 시간
○ 반사파(reflected wave) : 언제나 직접파보다 늦게 도착
○ 교차거리 : 직접파와 굴절파가 만나는 지점까지의 거리. 지각의 두께와 비례함
○ 진앙거리 ℓ이 짧은 경우 : 이동거리가 짧은 직접파가 더 빠르게 D에 도착
○ 진앙거리 ℓ이 긴 경우 : 이동거리의 차이는 미미함. 밀도 차이에 따라 더 빠른 굴절파가 더 빠르게 D에 도착
○ 추론 1. 지각보다 맨틀에서 P파의 속도가 빠름 : 지진파가 굴절하기 때문
○ 추론 2. 지각의 두께가 두꺼울수록 주시곡선의 꺾이는 진앙거리가 길어짐 : 굴절파의 이동거리가 증가하면서 굴절파가 관측지점에 도착하는 데 걸리는 시간이 지연됨
○ 유용한 공식
④ 지구 내부 물질의 추정방법
○ 지구 내부의 지진파 속도 분포 조사
○ 고온, 고압 실험
○ 운석의 화학 분석
⑵ 지구의 층상 구조
① 개요
○ 지진파의 속도 변화로 구분 가능
○ 깊이가 증가할수록 압력과 온도 증가
○ 밀도 : 지각 ＜ 맨틀 ＜ 외핵 ＜ 내핵
○ 중력가속도 : 맨틀의 경계에서 최고. 중심에 이를수록 감소
① 지각 : 지표면 ~ 모호면
○ 모호면 (모호로비치치 불연속면) : 0 km ~ 100 km
○ 근거리 주시곡선의 굴절로 발견
○ 고체이며 전체에 1 %만 차지
○ 대륙지각 : 30 ~ 50 km, 평균 30 km로 밀도는 2.7 g/㎥
○ 상부 : 화강암질 암석(sial 층)
○ 하부 : 현무암질 암석(sima 층)
○ 해양지각 : 6 ~ 8 km, 평균 6 km로 밀도는 3 g / ㎡, 현무암질 암석으로 구성
② 맨틀 : 모호면 ~ 구텐베르크면
○ 구조
○ 구텐베르크면 (구텐베르크 불연속면) : 2,900 km. 중력이 가장 큼
○ 맨틀 = 상부 맨틀 + 전이대 + 하부 맨틀
○ 상부 맨틀 (모호면 ~ 400 km) = 암석권(lithosphere) + 연약권(asthenosphere)
○ 전이대 : 상전이가 일어나기 때문에 지진파의 속도가 증가함
○ 하부 맨틀 (700 ~ 2,900 km)
○ 판 : 지각과 상부 맨틀을 포함하는 단단한 부분
○ 연약권 : 100 ~ 400 km. 부분적으로 용융되어 지진파의 속도가 변화. 판을 움직이는 원동력
○ 특징
○ 지구 부피의 약 82 % : 지구 내부에서 가장 많은 부피와 질량을 차지함
○ 지구 전체 질량의 약 67 %
○ 밀도 : 3.3 g/㎤
○ 감람암질 암석으로 구성 : 초염기성암으로 구성
○ 지진파
○ 암영대 : 핵의 존재 때문에 지진파가 도달하지 못하는 곳
○ P파의 암영대 : 진앙에서의 지심각 103 ~ 142°
○ S파의 암영대 : 진앙에서의 지심각 103 ~ 180°
○ 저속도층(low velocity layer) : 상부 맨틀에서 지진파의 속도가 느려지는 층
③ 외핵 : 구텐베르크면 ~ 레만면
○ 레만면 (레만 불연속면) : 5,100 km
○ S파가 지나지 못하는 암영대가 존재하는 것으로 보아 액체라고 추정
○ 철과 니켈로 이루어져 있음
○ 압력 증가율은 외핵에서 가장 큼
④ 내핵 : 레만면 ~ 6,400 km
○ 지심각 110° 부근에 약한 P파가 도달되는 사실이 발견되어 그 존재가 알려짐
○ P파의 속력이 빨라지는 것으로 보아 고체라고 추정
○ 대부분 철로 이루어짐
⑶ 지각의 구성 물질
① 지각을 이루는 암석
○ 지각을 이루는 조암 광물은 대부분 규산염 광물
○ 지표 부근의 암석 : 퇴적암 (75 %), 화성암과 변성암 (25 %)
○ 지하 16 km 부근의 암석 : 퇴적암 (5 %), 화성암과 변성암 (95 %)
○ 대륙지각 상부 : 화강암질 암석, SiO2, Al2O3 풍부 (sial 층), 밀도 2.7 g/㎥
○ 대륙지각 하부, 해양지각 : 현무암질 암석, SiO2, MgO 풍부 (sima 층), 밀도 3.0 g/㎤
② 지각의 8대 원소 (질량비)
○ O : 46.6 %
○ Si : 27.7 %
○ Al : 8.1 %
○ Fe : 6.0 %
○ Ca : 3.6 %
○ Na : 2.8 %
○ K : 2.6 %
○ Mg : 2.1 %
○ 암기팁 : 산규알철칼나칼마
③ 클라크 수(Clarke number) : 해발고도 0 ~ 지하 약 16 km까지 존재하는 각 원소들의 중량백분율
⑷ 맨틀의 구성 물질
① 핵보다는 지각에 가까움
② 감람석, 휘석을 주로 하는 감람암질 암석으로 추정
③ Fe, Mg이 풍부, 밀도는 3.3 ~ 5.5 g/㎤
⑸ 핵의 구성 물질
① 외핵 : Ni을 포함한 Fe의 혼합물 (액체상태), 밀도는 약 11 g/㎤
② 내핵 : Ni을 포함한 Fe의 혼합물 (고체상태), 밀도는 약 16.5 g/㎤
5. 생물권(biosphere) [목차]
⑴ 지구상의 모든 생명체와 아직 분해되지 않는 유기물
⑵ 지표면, 토양의 내부, 바다, 기권의 하부(고도 약 8 km 이하) 등에 서식
⑶ 지구 대기 조성과 지표면을 변화시키는 데 중요한 역할
입력: 2019.08.16 22:49
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