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02. 지구계의 구성과 생명체

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by

주하 김

on 12 March 2018

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Transcript of 02. 지구계의 구성과 생명체

※ 학습목표 ※
1. 지구계를 구성하는 하위 권역을 구분하고, 각각의
특징을 안다.

2. 지구계를 이루고 있는 하위권역의 형성과정을
이해한다.

3. 지구계 하위 권역에서 일어나는 현상들과 각 권역
간의 상호 작용이 지구의 생명체를 존속하는 데
기여함을 이해한다.

1. 지구계(지구 시스템)
★ 지구계

: 지구에 속한 암석, 토양, 공기, 강과 바다, 생물
등이 서로 영향을 주고 받으면서 이루고 있는
하나의 계(시스템)
2. 지구계의 형성과정
3. 지구계의 하위 권역에서 일어나는 현상들과 생명체의 생명 유지
1. 지구 자기장
3. 생물권의 형성
★ 지구계의 구성요소

: 지권, 기권, 수권, 생물권, 외권


원시 지구의 성장
① 미행성체의 충돌 ② 마그마의 바다 형성 ③ 원시지각과 바다의 형성 ④ 원시대기의 진화
→ 크기 증가, → 밀도차에 의해 → 원시바다가 형성된 후 이산화탄소가
지구 온도 상승 맨틀과 핵 분리 바다에 녹아 들어감 (주로 탄산염 형태)
02. 지구계의 구성과 생명체
얀 아르튀스 베르트랑
유리 가가린
"우주에는 모든 인간을 받아들일 만큼 충분한 공간이 있다."

"지구는 푸른 베일을 감싼 신부와도 같다."
1) 지권
▶ 지구를 이루는 단단한 부분인
지각과 지구 내부
→ 지구 환경에서 가장 큰 질량을 차지하는 부분

▶ 지권의 성분 :
지각에는 산소와 규소
가 가장 많고,

지구 전체에는 철과 산소
가 가장 많다.

▶ 지권의 층상구조

★ 지권의 구성원소
① 지각
지구의 내부구조를 층으로 구분했을 때 가장 바깥쪽의 표면을 구성하는 부분으로
지표부터 모호로비치치불연속면(모호면)
까지의 부분
★ 모호로비치치불연속면(모호면)이란?

: 1909년 유고슬라비아의 지진학자 안드리야 모호로비치치는 지하 약 50km 부근에서 지진파의 속도가 빨라진다는 사실을 알아냈다. 그는 같은 장소에서 동시에 출발한 P파 중 일부는 빨리 도착하고 일부는 늦게 도착하는 것을 관측하였다. 이를 바탕으로 지각 아래에 성분이 다른 물질로 이루어진 불연속면이 있다는 가설을 세웠다.

이후 더 많은 연구를 통해
모호면은 대륙에서 평균 지하 35km에, 해양에서 평균 지하 5km의 위치
에 있음이 밝혀졌다.
② 맨틀
지표에서 깊이 30km의
모호로비치치불연속면에서 지하 2,900km의 구텐베르크불연속면,
즉 외핵까지의 사이
를 가리킨다.
지구 부피의 82%이상, 질량의 68%를 차지하며 화학조성도 직접 알 수 없으나 운석의 화학조성에서 유추하면 철·마그네슘의 규산염을 주성분으로 하는 암석일 것으로 추정된다.
★ 암석권이란?

:
지표에서 깊이 약 100km
까지
단단한 암석
으로 이루어진 부분으로,

지각과 상부맨틀의 일부
를 포함한다.
★ 판이란?

:
암석권의 크고 작은 조각
을 판이라고
하는데, 지구 표면은 약 12개의 판들로
이루어져 있고,
판은 맨틀 대류에 의한
연약권의 움직임에 따라 이동
한다.
★ 연약권이란?

: 지표로부터 깊이
약 100~400km
까지의 지역으로
유동성이 있어
대류현상
이 일어난다.

암석권보다 밀도가 크므로, 판은 연약권 위에 떠서
이동하게 된다.
★ 구텐베르크불연속면이란?

: 지구의 맨틀과 핵(외핵)과의 경계.

1926년 미국의 지진학자인 베노 구텐베르크는 지진이 일어났을 때 지구 내부 지진파 가운데 P파의 속도가 느려지고 또 S파가 전달되지 않게 되는 부분이
있음을 발견하였다.
이것은
외핵이 액체 상태인 것에 기인
하는 것으로, 이 경계를 발견자의 이름에
연유하여 구텐베르크불연속면이라고 한다.
③ 핵
지하 2,900km 이하의 내부에서는 P파의 진행속도가
급격히 작아지고, S파의 속도는 0이 된다. 이곳을 경계로 하여 물질의 성질이 급격히 변하는
지하 2,900km 이하의 내부
를 핵이라고 한다. 핵은 지구 전 체적의 약 16.2%,
전 질량의 약 31.5%를 차지하고 있다.
핵의 내부에는 지하
약 5,100km 깊이
에서 다시 P파의 진행
속도가 불연속적으로 변하는 경계가 있다. 그 내부를 내핵,
외부를 외핵이라고 하여 구분한다.
내핵과 외핵의 경계면을
레만불연속면
이라고 한다. 핵은 철과 약간의 니켈, 아주 적은 양의 다른 원소로 이루어진다고 추정한다.
★ 레만불연속면이란?

:
내핵과 외핵의 경계면
을 레만불연속면이라 한다. 1936년 여성 지진
학자 레만은 뉴질랜드 불러 지방의 지진기록을 분석한 결과 지진파가
도달하지 않는 암영대인 진앙과의 각거리 110˚ 되는 곳에 약한 P파가
도달되는 사실을 발견하여 지하 5,100km 깊이에 또 하나의 불연속
면이 존재함을 밝혔다. 이 불연속면을 레만불연속면이라 하며 레만
불연속면의 위를 외핵, 그 아래를 내핵이라고 한다.
2) 수권
▶ 지구에 존재하는 액체 상태의 물(해수, 지하수, 강과 호수 등)과 빙하
▶ 수권의 구성
▶ 수권의 역할 : 태양 복사 에너지를 저장하고,
해수의 순환에 의해 에너지를 전달한다.
또한 지형을 변화시키고, 해수에 염류와 광물질을
공급한다.
▶ 수권의 층상구조
① 혼합층
- 해양의 표층으로, 태양복사에너지가 대부분 흡수되어
수온이 가장 높다.
- 바람의
혼합작용
으로 깊이에 따른
수온이 거의 일정
하다.
- 바람이
강할수록 두껍게
형성된다.
② 수온약층
- 수심이 깊어질수록
수온이 급격히 낮아지는 층
으로 대류운동이
일어나지 않는
안정한 층
이다.
- 혼합층과 심해층 사이의 물질 및 에너지 교환을 막는다.
- 혼합층과 심해층의 수온 차이가 클수록 강하게 발달한다.
③ 심해층
- 태양복사에너지의 영향을 받지 않기 때문에 수온이 가장
낮고
깊이에 따른 수온 변화가 거의 없다
.
- 극지방에서 냉각된 해수에 의해 형성된다.
★ 위도별 수권의 층상구조
▶ 혼합층 : 바람이 강한 중위도 해역에서 두껍고, 바람이 약한
적도 해역에서 얇다.
▶ 수온약층 : 표층 수온이 높은 적도 부근 해역에서 뚜렷하고,
극 해역에서는 나타나지 않는다.
※ 고위도 해역은 표층과 심해층의 수온차이가 없기
때문에 해수의 층상구조가 나타나지 않는다.
3) 기권

대류권
(지표면~약 11km)
- 높이 올라갈수록 지표복사에너지가 감소하므로
기온이 낮아진다.
- 불안정하여 대류가 일어나고 기상현상이 나타난다.

성층권
(약 11~50km)
- 높이 20~30km에 있는 오존층에서 자외선을 흡수하므로 높이
올라갈수록 기온이 높아진다.
- 매우 안정하여 대류가 일어나지 않는다.

중간권
(약 50~80km)
- 높이 올라갈수록 기온이 낮아지므로 불안정 → 대류 O
- 대기가 희박하고 수증기가 거의 X → 기상현상 X
- 중간권계면은 대기권 중 온도가 가장 낮다.

열권
(약 80km 이상)
- 높이 올라갈수록 대기 분자들이 태양복사에너지를 많이
흡수하여 기온이 높아진다.
- 공기가 희박하여 낮과 밤의 온도차(일교차)가 매우 크다.
- 극지방 상공에는 오로라가 나타나며, 전리층이 존재한다.
▶ 기권의 성분
▶ 기권의 역할
① 이산화탄소와 수증기가 온실효과를 일으켜 지구를 보온
② 오존층이 태양으로부터 오는 유해한 자외선을 흡수하여
지표의 생명체를 보호한다.
③ 생명유지활동인 호흡과 광합성에 필요한 기체 제공
★ 오로라란?

: 태양에서 방출된 전기를 띤 입자가 지구 대기로 들어오면서
공기 입자와 충돌하여 빛을 내는 현상
★ 전리층이란?

: 대기의 상층부에서 태양으로부터 받은 자외선이나 우주선 등으로 기체 분자가 전리한 층.
위도나 계절, 시각 등에 따라서 변동한다.
4) 생물권
▶ 수권의 최하부부터 기권의 약 10km(대류권)까지와 토양의
내부를 포함하는 지구의 살아있는 모든 것
▶ 특징 : 주변환경에 적응하기도 하고 자신에 맞게 주변환경을
변화시키기도 하면서 생존영역 확장과 종의 다양화가
이루어진다.
▶ 역할
① 지표의 지형과 토양의 성질을 변화시킨다.
② 광합성과 호흡을 통해 대기 중의 이산화탄소와 산소의
농도 변화를 일으킨다.
5) 외권
▶ 지구를 둘러싸고 있는 지구 대기권의 바깥 영역
▶ 운석 외에 다른 권역과 물질의 이동이 거의 없다.
→ 지구계의 다른 하위 권역들과의 물질 교환이 상대적
으로 적은 편
▶ 외권으로부터 오는 태양 복사 에너지는 지구의 가장 중요한
에너지원이며, 지구로 떨어지는 유성체는 매년 수백 톤에 이름
▶ 지구 자기권은 태양풍과 우주에서 들어오는 우주선을 막아주는
보호막 역할을 한다.
→ 지상의 생명체가 생명 활동을 유지할 수 있도록 해줌
★ 유성체와 운석

: 유성체가 지구 대기로 들어오면 대부분 대기에서 빛을 내면서 타는 유성이 되며, 타고 남은 조각이 지표에 떨어지면 운석이 된다.

미행성체의 충돌
→ 원시지구의 질량과 부피, 온도 ↑


마그마의 바다

- 미행성 충돌시 발생열(마찰열) + 대기의 온실효과
- 맨틀과 핵 분리 : 밀도차에 의해 분리


원시지각
의 형성 : 미행성체의 충돌 ↓ → 지표가 식으며 형성


원시바다
의 형성 : 지표가 식은 후 수증기 응결 → 비 내림


원시대기의 진화
: 수증기를 제외하고 화산활동으로 방출된
여러 가지 기체(수소, 질소, 이산화탄소, 메테인 등) 포함
★ 미행성체의 충돌에 의한 원시 대기의 형성

: 미행성체가 충돌하면서 수증기, 이산화탄소, 수소 등이 방출되어
원시대기를 이루었다.
★ 맨틀과 핵의 분리

: 밀도차에 의해 무거운 철과 니켈은 지구 중심으로 가라앉아서 핵을 이루고,
가벼운 규산염 물질은 위로 떠올라 맨틀을 이루었다.
★ 마그마의 바다란?

: 원시 지구의 크기가 현재의 절반 정도로 성장하면서 미행성체의 충돌로
발생한 기체와 지구 내부에서 방출된 기체가 중력에 의해 붙잡혀 있었다.

이로 인해 두꺼워진 원시 대기층의 온실 효과는 암석을 용융시킬 만큼
지표의 온도를 높였다. 또한 미행성체의 충돌로 생긴 열에너지와 방사성
원소의 붕괴 에너지는 지표의 상당 부분을 용융시켜 마그마의 바다가 형성
되었다.
▶ 원인(다이나모이론)
: 철과 니켈로 이루어진 외핵이 상하온도 차에 의해 대류가 일어
나면서
유도전류
가 만들어짐

▶ 자기권과 밴앨런대
- 지구의 자기권 : 비대칭분포
-
밴앨런대
: 지구의 자극축에 대하여 회전 대칭형
① 내대 : 고도 약 1,500~5,000km 범위 / 양성자
② 외대 : 고도 약 20,000km 범위 / 전자

▶ 역할 : 유해한 우주선으로부터 생명체 보호

▶ 영향 : 오로라, 자기권 교란, 델린저 현상(통신장애)

▶ 이용 : 고지자기의 연구, 나침반, 철새의 이동, 비둘기의 귀소본능
★ 델린저 현상이란?

: 태양면의 폭발로 갑자기 많은 양이 방출되는 전자기파가 지구 전리층의
이온과 충돌하면서 전자의 밀도를 크게 증가시켜 이로 인해 일시적으로
단파무선통신이 끊어지는 전파의 장애 현상을 말한다.

국제통신의 두절은 짧을때는 5~10분, 길 때는 수 시간까지 계속된다.
1935년 태양의 자전주기에 따라 전파의 이상감쇄 현상을 발견한 미국의
물리학자 J.H.델린저의 이름을 따 붙여졌다.
★ 고지자기의 연구란?

: 화성암이 형성될 때 자성을 띠는 광물은 당시 자기장의 방향대로 자화되고,
자성을 띤 광물들은 퇴적될 때 자기장의 방향으로 배열되면서 퇴적된다.
그 후 용암이 굳어 암석이 되고나면 자성광물이 암석 속에 포함되어 있어도
이미 암석이 단단히 굳었기 때문에 자성광물의 배열방향이 변하지 않는다.
이렇게 자성광물의 배열방향이 암석에 일정하게 남아있는 것을 '
고지자기
'
라고 한다. 따라서 생성연대를 알고 있는 암석에 남아있는 고지자기를 조사
하면 암석이 생성됐을 당시의 지구자기의 방향, 즉
지자기북극의 위치
를 알
수 있다.
★ 철새의 이동










: 철새들은 생체에 자기장 지도를 가지고 있으며, 계절에 따라 무리를
지어 이동할 때 지구의 자기장을 이용하여 길을 찾는다.

과학자들에 의하면 철새들은 신경세포에 제2철염을 가지고 있는데, 이 제2철염이 지구 자기장에 반응하여 장거리 이동을 할 수 있게 해준다고 한다.
★ 비둘기의 귀소본능

: 비둘기 몸 속의 철이
나침반 역할을 한다.




비둘기는 자기 집을 찾아오는 능력이 뛰어나기 때문에 옛날 사람들은 '전서구'라 하여 비둘기의 발목에 편지를 매달아서 소식을 주고 받았다.
2. 기권의 진화
▶ 미행성체 충돌과 화산활동으로 방출된 기체가 원시대기를 이룸
① 주요 성분 : 암모니아, 수소, 이산화탄소, 질소, 메테인 등
② 진화 : 이산화탄소는 대부분 원시바다에 녹아 탄산염 형태
(석회암)로 지권에 고정되었고, 산소는 생물의 광합성에
의해 대기에 공급되었다.

▶ 대기의 조성변화
-
이산화탄소
: 바다에 녹아 들어가 석회암을 형성하면서
그 양이 급격히 감소하였다.
-
산소
: 약 25억 년전부터 생물의 광합성을 통해 생성된
산소가 대기로 방출되었고, 약 10억 년 전부터
대기 중에 산소가 축적되기 시작하였다.
-
질소
: 대기 중 함량 변화가 거의 없으며, 현재 가장 많은
양을 차지한다.
① 약 35억 년 전 :
원시바다에서 생명체
탄생
② 약 25억 년 전 :
광합성
을 하는 남조류가 등장하여
바다에
산소 공급
③ 약 10억 년 전 :
산소가 대기 중에 축적
되기 시작하면서
생명체의 진화가 급격하게 일어남
④ 약 6억 년 전 : 대기 중 산소가 증가하여
오존층
을 형성
⑤ 약 4억 2천만 년 전 : 오존층이 자외선을 차단하여
육상 생물
이 등장함
★ 오존의 생성 및 파괴 과정






★ 최초의 생명체는 무엇일까? - 스트로마톨라이트










: 과학자들은 최초의 생명체를 약 40억 년 전~35억 년 전 사이에 출현한 남조류였을
것으로 추정하고 있다. 남조류는 세균처럼 핵이 없는 원핵생물로 시아노박테리아를
예로 들 수 있다.

지금까지 알려진 가장 오래된 화석은 약 35억 년 전에 남조류에 의해 형성된 스트로마
톨라이트 화석이다. 스트로마톨라이트는 시아노박테리아가 광합성을 할 때 물 속에
떠다니던 진흙 또는 탄산 칼슘이 달라붙으면서 마치 퇴적층이 쌓이듯이 만들어졌다.
따라서 생명 활동이 있었음을 의미하는 간접적인 증거가 된다. 이런 퇴적 구조는 약
100여 년에 걸쳐 수 cm 정도 성장한다.
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