2'40" 읽기
- 브릿지마니트의 복사열 전도도(복사열의 전송)는 밀리켈빈 당 약 5.3와트(W/mK)
- 결정격자에 의존하는 열전도도와 함께, 밀리켈빈 당 약 15.2 와트의 총 열전도도 초래
- 지구물리학 모델에 기초하여 이전에 가정한 것보다 1.5배 더 잘 열을 전도
- 지구가 수성과 화성처럼 냉각되고 예상보다 훨씬 빠르게 비활성상태가 되어감 시사

지구가 예상보다 빠르게 냉각된다.
핵-맨틀 경계의 광물에 대한 더 높은 열전도도 측정

은밀한 열 손실:
지구의 뜨거운 핵에서 예상보다 바깥쪽으로 더 많은 열이 침투한다.
결과적으로 지구는 더 빨리 냉각되고 있다. 이것은 코어 맨틀 경계를 지배하는 광물 브릿지마니트(bridgmanite)의 열전도도에 의해 표시된다. 새로운 측정에 따르면, 그것은 이전 가정 보다 1.5배 높은, 그래서 미네랄 지구의 핵에서 더 많은 열이 지구의 맨틀에 침투한다. 

▲ 지구의 핵은 이전에 가정한 것보다 더 많은 열을 지구의 맨틀에 잃는다. 결과적으로 더 빨리 냉각된다. © Rost-9D/ 게티 이미지

지구 내부의 열은 우리 행성의 중요한 엔진이다.
그것은 판 지각학, 산 형성 및 화산과 같은 지질학적 과정을 구동하지만, 또한 실행 지구의 자기장의 지오다이나모를 유지한다. 이러한 과정이 없다면 지구는 생명친화적이지 않으며 오늘날은 달이나 화성만큼 이나 죽었을 것이다.

지구의 핵심에서 열 손실

그러나 주로 지구의 핵에 위치한 거대한 열 저장고는 무한하지 않다.
열은 끊임없이 지구의 핵에서 지구의 맨틀과 더 바깥쪽으로 침투한다. 결과적으로 지구는 점차 냉각된다. ETH 취리히의 무라카미 모토히코(Motohiko Murakami)는 "이것은 지구가 열을 얼마나 빨리 잃고 동적으로 얼마나 오래 지속될 수 있는지에 대한 의문을 제기한다"고 설명했다.

이 질문에 답으로 결정적인 것은 지구 깊숙한 코어-맨틀 경계다. 이것은 지구의 외부 코어의 뜨거운 액체 철 니켈 용융이 약 1천도 차가운 점성 맨틀 바위와 직접 충돌하는 곳이다. "이것은 가파른 온도 차이 때문에 지구에 있는 가장 큰 열 경계다"고 연구원은 설명했다. 따라서 이 경계는 지구의 핵에서 외부로 얼마나 많은 열이 침투할 수 있는지, 그리고 지구가 전반적으로 얼마나 많은 열을 잃는지를 대부분 결정한다.

브릿지마니트(Bridgemanite)가 얼마나 많은 열을 통과할 수 있을까?

그러나 문제는 지금까지 코어 맨틀 경계의 지배적인 광물인 bridgmanite가 열을 얼마나 전도했는지에 대해 논쟁이 있었다. 열전도도를 측정하려면 압력과 온도가 낮은 맨틀 경계에 해당해야 하며 측정 시스템은 이러한 극한의 조건을 견뎌야 한다. 무라카미 팀은 최근 이러한 측정 시스템을 개발하는 데 성공했다.

측정을 위해, 연구원은 고압과 열에서 고순도, 단결정 bridgmanite 결정을 처음으로 생성했다. 그들은 그 중 하나를 다이아몬드 스탬프 셀에 넣고 80기가 파스칼(GPa)의 압력에 노출했다. 레이저의 도움으로 크리스탈 샘플을 약 2200도로 점진적으로 가열했다. 한편, 특별한 분광기는 결정에 의해 방출되는 방사선을 기록했다. 이것은 열, 열 흐름 및 결정격자의 상태를 보여준다. 

▲ 그림 1. 다이아몬드 앤빌 셀에서 80GPa에서 단결정 브리지마나이트 샘플의 현미경 사진. 빨간색 원은 광흡수 측정을 위한 위치와 스폿 크기(~5μm)를 나타낸다. 분명히 알 수 있듯이 샘플 및 참조(KCl 영역) 측정을 위한 충분한 공간 치수가 확보되었다. (그림의 색상 해석을 위해 독자는 이 기사의 웹 버전을 참조) (출처: 관련논문 Radiative thermal conductivity of single-crystal bridgmanite at the core-mantle boundary with implications for thermal evolution of the Earth)

테두리가 예상보다 더 투과성

결과:
브릿지마니트의 복사열 전도도(복사열의 전송)는 밀리켈빈 당 약 5.3와트(W/mK)이다.
무라카미와 그의 팀이 결정한 바와 같이, 결정격자에 의존하는 열전도도와 함께, 이것은 밀리켈빈 당 약 15.2 와트의 광물의 총 열전도도를 초래한다. 이에 따라, bridgmanite는 지구물리학 모델에 기초하여 이전에 가정한 것보다 1.5배 더 잘 열을 전도한다.

핵 맨틀 경계는 예상보다 훨씬 더 많은 열을 외부로 통과할 수 있음을 의미한다.
지구의 핵이 지구의 맨틀에 더 많은 열을 방출하면 지구의 내부도 더 빨리 냉각된다. 재킷의 강한 대류 전류가 열이 빠르게 표면으로 운반되고 손실하기 때문이다.
따라서 우리 행성은 예상보다 빨리 식을 수 있다.

이것이 지구의 미래에 의미하는 것은?

무라카미는 "우리의 결과는 지구의 역학의 진화에 대한 새로운 관점을 제공할 수 있다"며 "이것은 지구가 다른 바위 행성 수성과 화성처럼 냉각되고 예상보다 훨씬 빠르게 비활성상태가 되고 있음을 시사한다"고 말했다. 그 결과, 판 지각학과 따라서 대륙의 표류는 이전에 약화될 뿐만 아니라 산악 형성과 화산성도 약화될 것이다. 이러한 공정은 지구 맨틀의 열 차이와 대류 전류에 의해 구동되기 때문이다.

그러나 과학자들은 맨틀의 대류 전류가 정지 될 때까지 예를 들어 얼마나 오래 걸릴지 예측할 수 없다. 무라카미는 "이러한 사건을 제 시간에 제한하는 것은 현재의 지식 상태로는 불가능하다. 지구 내부에 방사성 원소의 붕괴와 맨틀 대류의 정확한 메커니즘도 이에 역할을 한다. 그러나 둘 다 부분적으로 지금까지 명확하게 됐다.
(지구와 행성 과학 편지, 2022; doi: 10.1016/j.epsl.2021.117329)

출처: 취리히 스위스 연방 기술 연구소 (ETH 취리히)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]