지구 핵에 있는 헬륨 저장소
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2022-04-04 14:47:14
3'30" 읽기
- 45억 년 전 지구와 원시 행성 테이아가 충돌로 지구의 맨틀과 지각 대부분이 증발
- 철과 함께 핵으로 가라앉아 핵의 금속에 수십 억 톤의 원시 헬륨이 포함돼
- 지구의 핵이 오늘날에도 여전히 엄청난 양의 헬륨-3을 함유
비활성 기체 헬륨은 우주에서 두 번째로 흔한 원소이지만 지구에서는 극히 드문 원소다. 그 이유는 이 가벼운 가스의 극도의 휘발성 때문이다. 일단 방출되면 가차 없이 상승해 지구의 중력으로 제자리에 고정되지 않는다. 따라서 지상의 헬륨 퇴적물은 상부가 봉인된 지하 공동에서만 발견될 수 있으며 그에 따라 희소하다.
비활성 기체의 일부는 지각과 맨틀의 암석에서 우라늄과 토륨이 방사성 붕괴하는 동안 동위 원소 헬륨-4의 형태로 형성되지만, 동위 원소 헬륨-3의 경우는 그렇지 않다. 그 원자는 빅뱅 직후에 형성됐다. 그러므로 지구는 원시 태양 구름에서 형성되었을 때 우주 환경에서 이 원시 동위원소를 흡수했음에 틀림없다.
깊은 헬륨 저장소는 어디에 있을까?
이상한 점은 거의 45억 년 전 지구와 원시행성 테이아가 충돌하면서 지구의 맨틀과 지각 대부분이 다시 증발했다는 것이다. 따라서 모든 헬륨은 그 당시에 가스를 방출했어야 한다. 앨버커키에 있는 뉴멕시코 대학의 Peter Olson과 Zachary Sharp는 "희귀한 헬륨-3 동위원소 약 2kg이 매년 지구 내부에서 대부분 중부 해령으로 빠져 나간다"고 설명했다.
지구의 중심 어딘가에 고대의 거대한 헬륨 저장소가 있어야 한다. 그러나 달 형성 중 가스 방출에도 불구하고 그것이 어디에서 어떻게 생존했는지는 이전에 불분명했다. 이것이 올손(Olson)과 샤프(Sharp)의 연구가 시작되는 곳이다. 그들의 가정은 지구의 헬륨 저장고는 지구의 핵에 있어야만 한다. 왜냐하면 이것이 달 형성 충돌로부터 크게 보호되었기 때문이다.
따라서 연구자들은 실험실 실험과 지구 물리학적 모델의 도움으로 원시 헬륨이 젊은 지구의 핵으로 들어갈 수 있었는지 여부와 방법을 조사했다. 이 잠재적인 출발 물질을 기반으로 그들은 오늘날 얼마나 많은 헬륨이 코어에 남아 있을지 결정했다.
철과 함께 핵으로 가라앉아
결과는 다음과 같은 시나리오를 제안한다.
원시 지구가 여전히 빛나는 마그마 바다로 덮여 있을 때, 행성의 조밀하고 헬륨이 풍부한 원시 대기의 헬륨이 용융 암석으로 혼합되었다. Olson과 Sharp의 계산에 따르면, 마그마 바다 기간 동안 약 6900억 톤의 헬륨-3이 지구 내부로 확산되었다. 이 비활성 기체의 대부분은 마그마가 응고된 후에도 암석에 결합된 상태로 남아 있지만 전부는 아니다.
"실험에 따르면 규산염 용해물에 용해된 헬륨 중 적은 비율만이 철이 풍부한 액체가 마그마 바다를 통해 가라앉을 때 통과했다"고 연구자들은 설명한다. "이 적은 양으로 상당한 양의 헬륨-3를 원시 지구의 핵으로 수송하기에 충분했다."
그들은 모델을 참고로 처음 750만 년 동안만 핵으로 수송된 양은 약 22억 톤의 엄청난 양의 양의 헬륨-3로 추정한다. 그런 다음, 철이 풍부한 지구의 핵이 형성됐을 때 이 헬륨은 금속에 잠겨 있었다.
맨틀과 코어의 균형
그 이후로 무슨 일이 일어났던 것일까?
얼마나 많은 헬륨-3가 지구의 코어에서 맨틀로 되돌아가는가는 온도와 코어-맨틀 경계의 성질과 같은 요인에 달려있을 뿐만 아니라 무엇보다도 지구의 두 층 사이의 농도 구배에 달려 있다. 약 45억 4천만 년 전 달 형성 충돌 직후 지구의 맨틀이 거의 모든 헬륨을 잃어버렸기 때문에 더 많은 헬륨이 코어(핵)에서 맨틀로 옮겨졌다.
그러나 시간이 지남에 따라 이 과정은 평준화되었다. "맨틀의 헬륨-3 함량은 지표면의 가스 방출 손실을 보상하므로 맨틀의 헬륨-3 함량이 평형을 향해 이동했다"고 Olson과 Sharp는 설명한다. 그 결과, 지구의 핵은 여전히 지구의 맨틀로 헬륨을 잃고 있지만, 지구의 초기보다 훨씬 적다. 그들은 코어-멘탈 경계에서 연간 약 800몰의 헬륨 이동을 가정했다.
헬륨-3의 대부분은 여전히 거기에 있다.
전반적으로 연구자들은 지구의 핵이 오늘날에도 여전히 엄청난 양의 헬륨-3을 함유하고 있어야 한다는 결론에 도달했다. 따라서 이 깊은 저장고에는 약 20억 톤의 헬륨-3가 포함될 수 있다. "이 원시 동위원소의 상당량이 지구 내부에 여전히 존재한다는 것은 자연의 기적이자 Ede 역사의 열쇠다"고 Olson은 말했다.
이와 일치하게 헬륨은 코어-맨틀 경계 근처에서 이국적인 광물 형태로 결합될 수 있다고 과학자들은 2019년에 결정했다. 따라서 안정한 헬륨 함유 광물 FeO2He는 하부 맨틀의 열과 압력 하에서 형성될 수 있다. 그것은 왜 헬륨이 주로 핫스팟 화산과 일부 중부 해령에서 가스를 방출하는지 설명할 것이다. 그곳에서 상승류는 맨틀 하부의 암석을 위로 끌어올리고 헬륨과 함께한다.
(Geochemistry Geophysics Geosystems, 2022; doi: 10.1029/2021GC009985)
출처: American Geophysical Union
- 45억 년 전 지구와 원시 행성 테이아가 충돌로 지구의 맨틀과 지각 대부분이 증발
- 철과 함께 핵으로 가라앉아 핵의 금속에 수십 억 톤의 원시 헬륨이 포함돼
- 지구의 핵이 오늘날에도 여전히 엄청난 양의 헬륨-3을 함유
지구 핵에 있는 헬륨 저장소
핵의 금속에는 수십 억 톤의 원시 헬륨이 포함될 수 있다.
숨겨진 출처:
지구 핵에는 거대한 헬륨 저장소가 숨겨져 있다. 연구원들이 계산한 대로 약 20억 톤의 원시 동위원소 헬륨-3가 핵의 금속에 결합돼 있을 수 있다. 이 헬륨은 지구가 형성될 때 핵에 갇혀 있었고 지구 위의 층으로 "누출"을 통해 천천히 상승한다. 이것은 과학자들이 설명하는 것처럼 오늘날 화산 지역에서 여전히 가스를 방출하고 있는 헬륨이 어디에서 오는지 설명할 수 있다.
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| ▲ 지구에 공급되는 헬륨-3의 상당 부분은 지구의 핵에 저장될 수 있다. 지구 내부의 껍질 구조(흰색: 지각, 진한 빨간색: 맨틀, 밝은 빨간색과 노란색: 외부 및 내부 핵) 출처: wiki |
비활성 기체 헬륨은 우주에서 두 번째로 흔한 원소이지만 지구에서는 극히 드문 원소다. 그 이유는 이 가벼운 가스의 극도의 휘발성 때문이다. 일단 방출되면 가차 없이 상승해 지구의 중력으로 제자리에 고정되지 않는다. 따라서 지상의 헬륨 퇴적물은 상부가 봉인된 지하 공동에서만 발견될 수 있으며 그에 따라 희소하다.
비활성 기체의 일부는 지각과 맨틀의 암석에서 우라늄과 토륨이 방사성 붕괴하는 동안 동위 원소 헬륨-4의 형태로 형성되지만, 동위 원소 헬륨-3의 경우는 그렇지 않다. 그 원자는 빅뱅 직후에 형성됐다. 그러므로 지구는 원시 태양 구름에서 형성되었을 때 우주 환경에서 이 원시 동위원소를 흡수했음에 틀림없다.
깊은 헬륨 저장소는 어디에 있을까?
이상한 점은 거의 45억 년 전 지구와 원시행성 테이아가 충돌하면서 지구의 맨틀과 지각 대부분이 다시 증발했다는 것이다. 따라서 모든 헬륨은 그 당시에 가스를 방출했어야 한다. 앨버커키에 있는 뉴멕시코 대학의 Peter Olson과 Zachary Sharp는 "희귀한 헬륨-3 동위원소 약 2kg이 매년 지구 내부에서 대부분 중부 해령으로 빠져 나간다"고 설명했다.
지구의 중심 어딘가에 고대의 거대한 헬륨 저장소가 있어야 한다. 그러나 달 형성 중 가스 방출에도 불구하고 그것이 어디에서 어떻게 생존했는지는 이전에 불분명했다. 이것이 올손(Olson)과 샤프(Sharp)의 연구가 시작되는 곳이다. 그들의 가정은 지구의 헬륨 저장고는 지구의 핵에 있어야만 한다. 왜냐하면 이것이 달 형성 충돌로부터 크게 보호되었기 때문이다.
따라서 연구자들은 실험실 실험과 지구 물리학적 모델의 도움으로 원시 헬륨이 젊은 지구의 핵으로 들어갈 수 있었는지 여부와 방법을 조사했다. 이 잠재적인 출발 물질을 기반으로 그들은 오늘날 얼마나 많은 헬륨이 코어에 남아 있을지 결정했다.
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| ▲ 지구 형성 중 헬륨-3의 흡수(왼쪽)와 그 이후의 가스 방출. © Olson und Sharp / Geochemistry Geophysics Geosystems, CC-by-nc-nd 4.0 |
철과 함께 핵으로 가라앉아
결과는 다음과 같은 시나리오를 제안한다.
원시 지구가 여전히 빛나는 마그마 바다로 덮여 있을 때, 행성의 조밀하고 헬륨이 풍부한 원시 대기의 헬륨이 용융 암석으로 혼합되었다. Olson과 Sharp의 계산에 따르면, 마그마 바다 기간 동안 약 6900억 톤의 헬륨-3이 지구 내부로 확산되었다. 이 비활성 기체의 대부분은 마그마가 응고된 후에도 암석에 결합된 상태로 남아 있지만 전부는 아니다.
"실험에 따르면 규산염 용해물에 용해된 헬륨 중 적은 비율만이 철이 풍부한 액체가 마그마 바다를 통해 가라앉을 때 통과했다"고 연구자들은 설명한다. "이 적은 양으로 상당한 양의 헬륨-3를 원시 지구의 핵으로 수송하기에 충분했다."
그들은 모델을 참고로 처음 750만 년 동안만 핵으로 수송된 양은 약 22억 톤의 엄청난 양의 양의 헬륨-3로 추정한다. 그런 다음, 철이 풍부한 지구의 핵이 형성됐을 때 이 헬륨은 금속에 잠겨 있었다.
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| ▲ 시간에 대한 전력의 와트 측면에서 원시 지구 강착 동안의 에너지 입력. 여기에 표시된 경우는 4My(음영) 지속되는 태양 성운, 10My 지수 시간 척도로 0.9ME까지 지속적으로 강착, 대기 탈출 효율 0.15에 대한 것이다. 표면 광도는 다른 5가지 에너지의 합이다. (출처: 관련논문 Fig. 1 Primordial Helium-3 Exchange Between Earth's Core and Mantle) |
맨틀과 코어의 균형
그 이후로 무슨 일이 일어났던 것일까?
얼마나 많은 헬륨-3가 지구의 코어에서 맨틀로 되돌아가는가는 온도와 코어-맨틀 경계의 성질과 같은 요인에 달려있을 뿐만 아니라 무엇보다도 지구의 두 층 사이의 농도 구배에 달려 있다. 약 45억 4천만 년 전 달 형성 충돌 직후 지구의 맨틀이 거의 모든 헬륨을 잃어버렸기 때문에 더 많은 헬륨이 코어(핵)에서 맨틀로 옮겨졌다.
그러나 시간이 지남에 따라 이 과정은 평준화되었다. "맨틀의 헬륨-3 함량은 지표면의 가스 방출 손실을 보상하므로 맨틀의 헬륨-3 함량이 평형을 향해 이동했다"고 Olson과 Sharp는 설명한다. 그 결과, 지구의 핵은 여전히 지구의 맨틀로 헬륨을 잃고 있지만, 지구의 초기보다 훨씬 적다. 그들은 코어-멘탈 경계에서 연간 약 800몰의 헬륨 이동을 가정했다.
헬륨-3의 대부분은 여전히 거기에 있다.
전반적으로 연구자들은 지구의 핵이 오늘날에도 여전히 엄청난 양의 헬륨-3을 함유하고 있어야 한다는 결론에 도달했다. 따라서 이 깊은 저장고에는 약 20억 톤의 헬륨-3가 포함될 수 있다. "이 원시 동위원소의 상당량이 지구 내부에 여전히 존재한다는 것은 자연의 기적이자 Ede 역사의 열쇠다"고 Olson은 말했다.
이와 일치하게 헬륨은 코어-맨틀 경계 근처에서 이국적인 광물 형태로 결합될 수 있다고 과학자들은 2019년에 결정했다. 따라서 안정한 헬륨 함유 광물 FeO2He는 하부 맨틀의 열과 압력 하에서 형성될 수 있다. 그것은 왜 헬륨이 주로 핫스팟 화산과 일부 중부 해령에서 가스를 방출하는지 설명할 것이다. 그곳에서 상승류는 맨틀 하부의 암석을 위로 끌어올리고 헬륨과 함께한다.
(Geochemistry Geophysics Geosystems, 2022; doi: 10.1029/2021GC009985)
출처: American Geophysical Union
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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