지구 속은 어떻게 생겼을까

모형이 보여 주는 것

땅을 계속 파 내려가면 무엇이 나올까요? 위의 모형은 지구에서 쐐기 모양으로 한 조각을 떼어 내고 안쪽을 보여 줍니다. 반지름 6,371 km를 화면에서 0.5 m로 줄였고, 두 단면에 보이는 층의 경계는 PREM에 적힌 깊이 그대로입니다. PREM은 1981년 애덤 지원스키(Adam Dziewonski)와 돈 앤더슨(Don Anderson)이 발표한 「예비 표준 지구 모형(Preliminary Reference Earth Model)」입니다. 깊이마다 밀도와 지진파 속도를 간단한 식으로 적어 둔 표인데, 지진학자들은 지금도 자기 측정값을 이 모형과 견주어 봅니다.

조작 탭에서 깊이 슬라이더를 움직이면 흰 고리가 지표에서 중심 쪽으로 내려갑니다. 그러면 왼쪽 위 표에 그 깊이의 값이 나옵니다. 밀도와 P파·S파 속도는 PREM 식에서 바로 읽은 값이고, 압력과 중력은 그 밀도로 저희가 직접 계산한 값입니다. 온도만은 사정이 다릅니다. PREM에는 온도가 없어서, 연구 논문들이 내놓은 추정 범위 안에서 어림한 값을 섭씨로 보여 줍니다. 얼마나 불확실한지는 아래 핵 이야기에서 다룹니다.

재생을 누르면 단면 맨 위에서 지진이 일어납니다. 색 선은 지진파가 지구 속을 지나가는 길이고, 점은 그 길을 따라 실제 속도로 나아가는 파면입니다. 지진파 시계를 바꾸지 않으면 화면의 1초가 실제 1분입니다.

단면에는 조작이 두 가지 더 있습니다. 층 벗기기는 바깥부터 한 층씩 걷어 내 맨 안쪽 내핵만 남깁니다. 그래프는 표 아래 그림을 밀도, 지진파 속도, 압력, 온도, 중력으로 바꾸고 깊이 고리의 위치를 표시합니다.

무대 아래쪽 막대를 누르면 장면 여덟 개가 더 열립니다. 장면은 처음 고를 때 만들어집니다. 판 구조는 피터 버드의 PB2002 모형에 있는 판 52개와 오늘의 움직임을 보여 줍니다. 섭입대는 해구를 자른 단면입니다. 열점은 하와이 위를 지나가는 태평양판을 따라갑니다. 해령은 해저를 넓히며 그 안에 자기장을 새깁니다. 맨틀 대류는 맨틀이 뒤집히는 모습을 그린 개념 그림입니다. 지구 자기장은 액체 핵이 만드는 자기장과 1590년부터 떠돌아다닌 북자극을 보여 줍니다. 깊은 구멍은 가장 깊은 시추공과 가장 깊은 바다를 판 하나에 그립니다. 지진 실험은 실제 지진의 지진파를 지진계 세 대로 보내고 진앙을 찾게 합니다. 조작 아래에는 과제 여덟 개, 지진 목록과 지질학 역사에서 고른 사례 73가지, 바꿔 볼 수 있는 숨은 사실이 있습니다.

파 보지 않고 지구 속을 아는 방법

사람이 판 가장 깊은 구멍은 러시아 콜라반도의 콜라 초심층 시추공으로, 약 12 km까지 내려갔습니다. 지구 중심까지 거리의 0.2%쯤입니다. 그 아래의 일은 모두 간접 증거로 알아낸 것이고, 그중 두 가지가 가장 큰 몫을 합니다.

첫째는 지구의 질량입니다. 지구가 물체를 얼마나 세게 끌어당기는지와 지구의 크기를 알면 평균 밀도를 계산할 수 있습니다. 질량 5.972 × 10²⁴ kg을 부피 4/3·π·(6,371 km)³로 나누면 5.51 g/cm³가 나옵니다. 그런데 지표의 암석은 2.6~2.9 g/cm³밖에 되지 않습니다. 그렇다면 속 어딘가에 훨씬 무거운 것이 들어 있어야 합니다. 아이작 뉴턴도 1680년대에 이미 이렇게 짐작했습니다.

둘째는 지진입니다. 큰 지진이 나면 지진파가 지구 전체를 지나가고, 세계 곳곳의 지진계 수천 대가 도착 시각을 기록합니다. 도착 시각은 깊이마다 지진파가 얼마나 빨리 달리는지에 따라 달라지므로, 기록을 충분히 모으면 거꾸로 층마다 속도를 풀어낼 수 있습니다. PREM은 지구 전체가 큰 지진 뒤에 천천히 울리는 고유 진동의 주기 약 1,000개, 요약 주시(여러 기록을 평균한 도착 시간) 약 500개, 지구의 질량과 관성 모멘트에 맞춰 만들었습니다. 그리고 국제지진센터(ISC) 12년치 자료에서 뽑은 P파·S파 도착 시간 175만 개와도 비교해 확인했습니다.

지각과 모호면

이 크기에서 지각은 선 하나로 보입니다. PREM은 지각 두께를 평균 24.4 km로 잡습니다. 바다 3 km, 상부 지각 12 km, 하부 지각 9.4 km를 더한 값입니다. 실제 지각은 이보다 훨씬 들쭉날쭉해서, 바다 밑은 7 km 안팎이고 대륙 밑은 30~70 km입니다. 히말라야처럼 젊은 큰 산맥 밑이 가장 두껍습니다.

지각 바닥에는 모호면이라는 뚜렷한 경계가 있습니다. 크로아티아의 지진학자 안드리야 모호로비치치가 1909년 크로아티아 쿠파(쿨파) 계곡에서 난 지진 기록을 보다가 찾아냈습니다. 진앙에서 먼 관측소에는 P파가 두 번 도착했는데, 두 번째 무리는 아래쪽의 더 빠른 층을 거쳐 온 것이었습니다. PREM에서 P파 속도는 하부 지각의 초속 6.8 km에서 모호면 바로 아래 8.11 km로 뛰고, 밀도도 2.90에서 3.38 g/cm³로 커집니다.

고체인데도 흐르는 맨틀

맨틀은 두께 2,867 km의 암석층입니다. S파가 지나갈 만큼 단단한 고체이지만, 수백만 년에 걸쳐 1년에 몇 센티미터씩 아주 느리게 흐릅니다. 이 흐름 위에 얹힌 판이 함께 움직이는 것이 판 구조 운동입니다.

맨틀 안에는 지진파 속도가 계단처럼 뛰는 깊이가 두 군데 있습니다. PREM은 400 km와 670 km로 적고, 다른 모형은 410 km와 660 km로 적지만 같은 경계입니다. 상부 맨틀의 주성분인 감람석이 이 깊이에서 압력에 눌려 더 촘촘한 결정 구조로 바뀝니다. 두 경계 사이를 전이대라고 하고, 670 km 아래는 하부 맨틀입니다. 하부 맨틀은 부피로 따지면 지구에서 가장 큰 층입니다.

압력은 빠르게 커집니다. 지각 바닥에서 0.6 GPa, 400 km에서 13.4 GPa, 670 km에서 23.8 GPa입니다. 맨틀이 끝나는 2,891 km에서는 135.8 GPa에 이르는데, 해수면 기압(101,325 Pa)으로 나누면 135.8 × 10⁹ ÷ 101,325 ≈ 134만 배입니다.

바깥은 액체, 안쪽은 고체인 핵

2,891 km에서 암석이 끝납니다. 밀도는 5.57에서 9.90 g/cm³로 뛰고, P파 속도는 초속 13.72 km에서 8.06 km로 떨어지며, S파 속도는 0이 됩니다. S파는 물질을 옆으로 비트는 파동인데, 비트는 힘에 버티지 못하는 물질은 이 파동을 전하지 못합니다. 그런 물질이 바로 액체입니다. 이 층이 외핵이고, 주로 철이며 니켈과 몇 퍼센트의 가벼운 원소가 섞여 있습니다. 외핵의 액체 철이 천천히 휘돌면서 지구 자기장을 만듭니다.

5,150 km에서 철은 다시 고체가 됩니다. 내핵은 둘레의 액체보다 뜨겁습니다. 그래도 고체인 것은 철이 녹는 온도가 압력이 높을수록 올라가기 때문입니다. 329 GPa에서는 녹는점이 실제 온도보다 높아서 철이 굳어 있습니다. 지구가 조금씩 식으면서 외핵의 철이 내핵 표면에 얼어붙고, 그만큼 내핵이 자랍니다.

이 페이지에서 가장 불확실한 숫자는 온도입니다. 외핵 꼭대기의 온도는 연구마다 약 3,000 K에서 4,500 K까지 다르게 나옵니다. 내핵 경계는 다리오 알페(Dario Alfè) 연구진의 계산이 5,400~5,700 K, 2013년 시모네 안첼리니(Simone Anzellini) 연구진의 실험이 6,230 ± 500 K입니다. 왼쪽 위 표는 이 범위 안의 값을 섭씨로 바꿔 보여 줍니다. 핵-맨틀 경계의 3,900 °C는 3,900 + 273 = 4,173 K이고, 내핵 경계의 5,500 °C는 5,773 K입니다. 반올림한 어림값이라서 앞에 「약」을 붙였습니다.

지진파가 휘어 가는 이유

지진파는 두께가 고르지 않은 유리를 지나는 빛처럼 꺾입니다. 더 빠른 암석으로 들어가면 연직선에서 멀어지는 쪽으로 꺾이는데, 맨틀은 깊을수록 속도가 빨라지므로 파선은 계속 휘다가 결국 지표로 돌아 올라옵니다.

층이 겹겹이 쌓인 공 안에서는 이 꺾임이 규칙 하나를 따릅니다. 파선을 따라가는 동안

p = r · sin(i) / v

값이 변하지 않습니다. r은 중심에서 떨어진 거리, i는 파선과 연직선 사이의 각, v는 그 자리의 지진파 속도입니다. 파선은 r / v가 p까지 줄어드는 깊이에서 방향을 바꿔 위로 올라갑니다. 이 전시는 이 규칙으로 화면의 파선을 하나하나 그렸습니다. p 값을 하나 정하고, 파선이 돌아설 때까지 PREM을 따라 최대 2 km씩 내려간 다음, 그 길을 거울에 비추듯 뒤집어 위로 올립니다. 내려가는 동안 걸린 시간도 함께 더해 두었기 때문에 점이 제때 도착합니다.

그림자대가 생기는 까닭

진앙에서 나가는 P파를 하나씩 따라가 보면 깊이 들어가는 파선일수록 더 멀리 떨어진 지표에 닿습니다. 그러다 핵 꼭대기를 스치듯 지나는 파선이 나옵니다. 이 모형에서는 그 파선이 진앙에서 99° 떨어진 지표에 13.7분 만에 닿습니다. 조금만 더 깊이 들어가는 파선은 핵으로 들어가는데, 거기서 속도가 초속 13.72 km에서 8.06 km로 갑자기 줄어들면서 크게 꺾입니다. 이 파선들은 지구 반대편, 진앙에서 145° 넘게 떨어진 지표로 나옵니다.

두 무리 사이에는 직접 오는 P파가 없는 띠가 생깁니다. 이것이 P파 그림자대입니다. 교과서에는 보통 104°~140°로 나옵니다. 실제 기록에서는 핵 가장자리를 타고 돌아 들어오는 파동이 있어서 경계가 조금 흐릿하고, 이 전시의 단순한 파선 계산에서는 경계가 99°와 145°에 생깁니다.

S파는 액체 외핵을 아예 지나가지 못합니다. 그래서 104° 너머로는 S파가 전혀 오지 않고, 이 띠를 S파 그림자대라고 부릅니다. 계산해 보면 S파 가운데 가장 멀리 가는 파선이 104.3°에 닿습니다. 조작 탭에서 S파를 켜면 모든 S파가 핵에서 멈추는 모습이 보입니다.

1936년 덴마크의 지진학자 잉에 레만은 P파 그림자대 안에 들어오면 안 되는 약한 P파가 도착한 기록을 찾았습니다. 레만은 액체 핵 안에 더 빠르게 지진파를 전하는 작은 핵이 하나 더 있다고 설명했습니다. 이것이 내핵입니다. 모형에서도 p 값이 가장 작은 파선들은 내핵을 지나 128°~180° 사이에 닿습니다.

숫자로 확인해 보기

밀도와 지진파 속도는 PREM 식에 깊이를 넣어 얻은 값입니다. 압력과 중력은 밀도만으로 1 km 간격으로 계산했습니다. 먼저 반지름 r 안쪽의 질량 M(r)을 껍질 하나씩 더해 가면 그 자리의 중력이 g = G·M(r) / r²로 나옵니다. 그다음 지표에서부터 껍질 하나의 무게만큼 압력을 더해 내려갑니다. 식으로 쓰면 dP = ρ·g·dr입니다. 계산이 맞는지는 두 가지로 확인할 수 있습니다. 더한 질량은 5.973 × 10²⁴ kg으로 측정값 5.972 × 10²⁴ kg과 거의 같고, 지표의 중력은 9.82 m/s²로 나옵니다.

중력은 많은 사람이 생각하는 것과 다르게 움직입니다. 깊이 내려갈수록 고르게 약해지지 않습니다. 핵이 워낙 무겁기 때문에 맨틀을 내려가는 동안 중력은 오히려 조금 세지고, 핵 꼭대기에서 10.69 m/s²로 가장 커졌다가 중심에서 0이 됩니다.

관측소 세 곳으로 진앙 찾기

지진에서 멀리 떨어진 지진계에는 큰 표면파가 오기 전에 두 번의 흔들림이 먼저 찍힙니다. 첫 번째가 P파, 두 번째가 S파입니다. 둘은 같은 순간에 출발했지만 맨틀에서 S파는 P파 속도의 약 55 %로 달리기 때문에, 멀리 갈수록 둘 사이가 벌어집니다. 이 간격을 S−P 시간이라고 하는데, 이 값을 읽으면 지진이 얼마나 멀리서 났는지 알 수 있습니다.

지진 실험 장면은 지구 단면과 같은 PREM 모형으로 이 값을 계산합니다. 지진학 교과서에 나오는 τ-p 방법을 씁니다. 파선 변수 p마다 τ(p)를 더하는데, τ는 돌아서는 깊이부터 지표까지 √(η² − p²)/r을 적분한 값이고 η = r/v입니다. 파선이 가는 거리는 p에 대한 τ의 기울기에 마이너스를 붙인 값이고, 걸리는 시간은 τ + p × 거리입니다. 이렇게 하면 돌아서는 깊이에서 값이 치솟는 까다로운 제곱근을 피할 수 있고, 진원 깊이가 얼마든 가장 먼저 오는 파의 주시표를 만들 수 있습니다. 지표 가까이에서 난 지진이면 표는 이렇습니다.

진앙 가까이에서는 규칙이 간단합니다. 이 모형에서 S − P 1초는 거리 약 7.5 km에 해당합니다(처음 1도 안에서 1 km에 0.132초). 교과서는 흔히 8 km로 반올림합니다. 더 멀리 가면 지진파가 더 빠른 암석으로 파고들어 관계가 휘어지기 때문에, 지진학자들은 숫자 하나 대신 표를 씁니다.

거리 하나만으로는 지진이 관측소를 둘러싼 원 위 어딘가에 있다는 것밖에 모릅니다. 두 번째 관측소가 원을 하나 더 그리면 두 원은 두 점에서 만납니다. 세 번째 원이 그중 하나를 골라 줍니다. 실험의 세 관측소는 세계 지진 관측망(GSN)의 실제 지진계이고, 진앙에서 15°~90° 떨어져 있으면서 방향이 고루 퍼지도록 골랐습니다. S−P 원을 켜면 S−P 시간만으로 구한 원이 지구본에 그려집니다. 첫 번째 과제는 실제 지진의 진앙을 숨겨 두고, 원이 만나는 곳에 핀을 꽂게 합니다.

깊이에 따라 그림이 조금 달라집니다. 600 km 깊이의 지진에서 나온 P파는 60° 떨어진 관측소에 607초가 아니라 549초 만에 닿습니다. 빠른 하부 맨틀 가까이에서 출발하고, 내려가는 길에 느린 지각을 지나지 않기 때문입니다. 깊은 지진은 표면파도 약합니다. 표면파는 지구 맨 위쪽에 갇혀 퍼지는데 진원은 그보다 한참 아래에 있으니까요. 2013년 오호츠크해 지진(598 km)과 도호쿠 지진(29 km)의 기록을 견주어 보세요.

실험의 표면파는 초속 3.8 km 하나로 달립니다. 모형 값입니다. 실제 표면파는 주기가 길수록 빨라서 퍼져 나가며 길게 늘어집니다. 초속 3.8 km로 90°를 가려면 2,634초, 약 44분이 걸립니다.

규모 9는 얼마나 클까

규모는 로그 눈금입니다. 한 단계 올라가면 같은 거리의 지진계에 찍히는 땅의 흔들림은 약 10배, 풀려나는 에너지는 약 32배가 됩니다. 이 전시는 1977년 가나모리 히로오가 베노 구텐베르크와 찰스 리히터의 연구를 바탕으로 정리한 관계식을 씁니다.

log₁₀ E = 1.5 M + 4.8 (E의 단위는 줄)

그래서 규모 7은 규모 5보다 에너지가 10^(1.5 × 2) = 1,000배이고, 규모 9는 규모 6보다 10^(1.5 × 3), 약 32,000배입니다. 2011년 도호쿠 지진(규모 9.1)은 2.8 × 10¹⁸ J로 나옵니다. TNT 1톤의 에너지 4.184 × 10⁹ J로 나누면 약 674메가톤입니다. 2016년 경주 지진(기상청 국지 규모 5.8)은 이보다 10^(1.5 × 3.3), 약 90,000배 작습니다.

규모만으로는 어느 마을이 얼마나 세게 흔들리는지 바로 알 수 없습니다. 흔들림은 거리, 깊이, 마을 밑의 암석과 흙, 단층이 깨진 방식에 따라 달라집니다. 1994년 볼리비아 지진은 규모 8.2였지만 깊이가 631 km라서 표면파가 작았습니다.

판은 얼마나 빨리 움직일까

지구의 바깥 100 km쯤인 암석권은 충분히 차가워서 단단한 판 여러 장처럼 움직입니다. 판 구조 장면은 피터 버드가 2003년에 발표한 모형 PB2002의 판 52개를, 그가 공개한 파일 그대로 그렸습니다. 경계는 하는 일에 따라 색을 달리했습니다. 해령과 열곡처럼 판이 벌어지는 곳은 빨강, 해구와 충돌대처럼 모이는 곳은 파랑, 변환 단층처럼 서로 엇갈려 미끄러지는 곳은 초록입니다.

화살표는 도널드 아거스, 리처드 고든, 찰스 디메츠가 2011년에 발표한 NNR-MORVEL56에서 왔습니다. 이 모형은 판마다 각속도를 줍니다. 지구본 위의 극 하나와 그 극을 도는 빠르기입니다. 한 점의 속도는 이 각속도와 점의 위치 벡터를 외적한 값, v = ω × r입니다. 기준틀은 「순회전 없음」으로, 판 전체를 합치면 돌지 않도록 맞춘 틀입니다. 모형 숫자로 계산한 예입니다.

• 태평양판은 남위 63.58°, 동경 114.70°의 극을 중심으로 백만 년에 0.651°씩 돕니다. 극에서 90° 떨어진 점은 1년에 0.651 × 111.19 = 72 mm 움직이고, 큰 판 가운데 가장 빠릅니다.
• 킬라우에아에서 태평양판은 북서쪽(298°)으로 1년에 69 mm 움직입니다.
• 북위 40°의 대서양 중앙 해령에서 북아메리카판과 유라시아판은 1년에 22.9 mm씩 멀어집니다.
• 남위 20°의 동태평양 해팽에서 태평양판과 나스카판은 1년에 143 mm씩 멀어집니다.
• 인도판은 이 기준틀에서 1년에 약 56 mm 움직입니다.

지표 전체를 평균하면 암석권은 1년에 43.9 mm 움직입니다(NNR-MORVEL56 논문의 제곱평균값). 지구본 아무 곳이나 누르면 그곳의 판, 속도, 방향이 나옵니다. 가장 큰 숫자는 통가 부근의 작은 판들에서 나옵니다. 가까운 극을 중심으로 빠르게 돌기 때문입니다.

이 장면의 판 시계는 오늘의 회전을 앞뒤로 5,000만 년까지 그대로 이어 붙이고, 도시 여덟 곳을 판에 실어 옮깁니다. +5,000만 년까지 돌리면 뉴욕과 리스본은 오늘의 5,423 km보다 약 1,100 km 더 멀어집니다. 1년에 22.9 mm씩 5,000만 년이면 그만큼입니다. 일부러 「개념」이라고 적었습니다. 실제 판은 속도와 방향을 바꾸고 새 경계도 생기므로, 진짜 재구성을 하려면 시대마다 자기 줄무늬와 열점 흔적이 필요합니다. 오늘의 회전을 고정해 두는 것으로는 안 됩니다.

판이 가라앉는 곳

해구에서는 판 하나가 아래로 꺾여 다른 판 밑으로 들어갑니다. 섭입대 장면은 그런 곳 두 군데를 자른 단면입니다. 하나는 태평양판이 일본 북동부(NNR-MORVEL56에서는 오호츠크판) 밑으로 들어가는 일본 해구이고, 다른 하나는 남위 36°에서 나스카판이 남아메리카판 밑으로 들어가는 페루-칠레 해구입니다. 수렴 속도도 같은 판 모형에서 계산합니다. 일본 해구를 똑바로 가로지르는 방향으로 1년에 약 86 mm이고, 콘셉시온 부근에서 나스카판과 남아메리카판의 상대 운동은 1년에 74 mm입니다.

가라앉는 판(슬랩)은 수백만 년 동안 둘레의 맨틀보다 차갑게 남아 있어서, 다른 어디보다 깊은 곳에서 지진을 일으킬 수 있습니다. USGS 목록에서 가장 깊은 큰 지진들은 슬랩 속에 있습니다. 2013년 오호츠크해 아래 598 km(규모 8.3), 1994년 볼리비아 아래 631 km(규모 8.2)입니다. 그림에서는 이런 깊은 지진을 약 680 km까지 슬랩 속 점으로 표시했습니다.

화산은 왜 해구와 나란히 줄지어 설까요? 슬랩의 광물에 묶여 있던 물은 깊이 내려갈수록 짜여 나오고, 물은 위쪽 뜨거운 맨틀의 녹는점을 낮춥니다. 에밀리 시러큐스와 제프리 에이버스는 2006년 호상 열도 화산 839곳 아래의 슬랩 깊이를 쟀습니다. 화산 앞줄 아래 슬랩 윗면은 평균 105 km, 중앙값 100 km 깊이에 있었습니다. 값의 절반이 85119 km 사이에 있고, 화산대를 500 km씩 끊어 평균하면 알류샨 중부의 72 km부터 바누아투 북부의 173 km까지 다릅니다. 장면은 슬랩 윗면이 105 km에 닿는 곳에 화산을 둡니다. 깊은 곳 기울기를 바꾸면 화산대가 움직입니다. 30°일 때 해구에서 236 km 떨어지는데, 세계 화산대의 절반이 보이는 180275 km의 한가운데쯤입니다.

하와이와 열점

1963년 투조 윌슨은 하와이 섬들이 움직이는 태평양판 아래 깊은 곳의 고정된 마그마 공급원 위에서 하나씩 생겼다고 제안했습니다. 연대 측정이 이를 뒷받침합니다. 카우아이의 가장 오래된 암석은 약 500만~550만 년 되었고, 서마우이는 약 130만 년 전에 주된 성장을 마쳤으며, 킬라우에아는 지금 분화하고 있습니다. 킬라우에아에서 2,444 km 떨어진 미드웨이는 약 2,800만 년 된 화산 위에 있습니다.

열점 장면은 이 연대로 판을 되감습니다. 플룸은 제자리에 두고, 고른 나이의 화산이 그 위에 오도록 판을 밀며, 나이를 아는 화산 사이는 사슬을 따라 채웁니다. 거리와 나이로 평균 속도를 구할 수 있습니다.

백만 년에 1 km는 1년에 1 mm와 같으므로, 이 값은 1년에 87~163 mm입니다. NNR-MORVEL56이 오늘 킬라우에아에서 태평양판에 주는 1년 69 mm보다 빠릅니다. 차이는 주로 두 가지에서 옵니다. 나이는 화산마다 주된 성장이 끝난 때인데 그때가 칼로 자른 듯한 순간은 아니고, 열점 자체도 떠돌 수 있어서 열점 기준틀과 순회전 없는 기준틀이 같지 않습니다.

북서쪽으로 더 가면 사슬은 다이카쿠지 해산에서 크게 꺾여 북쪽의 엠퍼러 해산열로 이어집니다. 존 오코너 연구진은 2013년 이 해산을 4,750만 년으로 측정했습니다. 그때 태평양판이 움직이는 방향을 바꿨습니다. 북쪽 끝 가까이의 디트로이트 해산은 7,600만~8,200만 년 되었습니다.

다음 화산은 이미 자라고 있습니다. 2021년까지 로이히라고 불린 카마에후아카날로아는 하와이섬 남동쪽 바다 밑 975 m에 있습니다. USGS는 1,000년에 5 m씩 자란다면 수면에 닿기까지 길게는 20만 년이 걸린다고 봅니다. 세 번째 과제는 화살표로 이 화산이 있는 쪽을 가리키게 합니다.

해저의 줄무늬

뜨거운 암석 속 철 광물은 둘레의 자기장 방향으로 늘어서고, 암석이 식으면 그 방향이 굳어 남습니다. 1906년 베르나르 브뤼느는 지금 자기장과 반대 방향으로 자화된 프랑스의 용암을 찾았고, 1929년 마쓰야마 모토노리는 일본과 한반도의 젊은 용암과 오래된 용암이 서로 반대 방향을 가리킨다는 것을 알아냈습니다. 자기장이 뒤집혔던 것입니다.

중앙 해령에서는 새 지각이 끊임없이 생겨 양쪽으로 밀려납니다. 그래서 해저는 녹음테이프가 됩니다. 한 방향으로 자화된 띠, 그다음 반대 방향의 띠가 해령 양쪽에 거울처럼 놓입니다. 1950년대 자력계를 끄는 배들이 이 줄무늬를 찾았고, 1963년 프레드 바인과 드러먼드 매슈스가 해저 확장과 지자기 역전으로 설명했습니다.

해령 장면은 스티븐 케이드와 데니스 켄트의 극성 연대표(1995)로 줄무늬를 그립니다. 지금의 정자극 시기인 브뤼느 시기는 78만 년 전에 시작했고, 짧은 하라미요 정자극 구간은 99만107만 년 전, 올두바이는 177만195만 년 전입니다. 지난 500만 년 동안 자기장은 20번 뒤집혔습니다. 띠의 폭은 그 기간에 한쪽 확장 속도를 곱한 값입니다. 1년에 50 mm(한쪽으로 백만 년에 25 km)이면 브뤼느 띠는 축에서 19.5 km까지 이어지고, 1년에 약 143 mm인 동태평양 해팽에서는 약 56 km까지 갑니다. 여섯 번째 과제는 띠 끝을 60 km에 두는 속도를 찾게 합니다.

해저는 나이가 들수록 깊어지기도 합니다. 판이 식으면서 줄어들기 때문입니다. 배리 파슨스와 존 슬레이터는 1977년 북태평양과 북대서양 자료에 깊이 = 2,500 + 350 √t m(t는 백만 년 단위 나이)를 맞췄습니다. 장면은 이 곡선을 눈에 보이도록 15배 깊게 그렸습니다.

뒤집히는 맨틀

맨틀은 고체인데도 수백만 년에 걸쳐 흐릅니다. 해구에서 차가운 슬랩이 가라앉고, 그 가운데 일부는 지진파 영상으로 핵까지 따라 내려갈 수 있습니다. 뜨거운 물질은 플룸으로 올라오고, 핵 위에는 S파가 느린 거대한 지역 두 곳이 아프리카 아래와 태평양 아래에 있습니다. 에드워드 가르네로와 앨런 맥너마라는 2008년 이 지역에 대해 알려진 것을 정리했습니다.

맨틀 대류 장면은 개념 그림일 뿐입니다. 점들은 세 칸으로 된 매끄러운 흐름을 따라가며, 암석이 한쪽에서 올라가고 다른 쪽에서 내려가는 모습을 보여 줍니다. 실제 흐름은 3차원이고 온도, 성분, 판 자체에 따라 달라집니다. 쓸모 있는 숫자는 시간입니다. 흔한 판 속도인 1년 5 cm로 맨틀 2,867 km를 건너려면 약 5,700만 년이 걸립니다.

핵에서 나오는 자기장

외핵에서 흐르는 액체 철은 전류를 실어 나르고, 그 전류가 지구 자기장을 만듭니다. 바깥에서 보면 이 자기장은 막대자석의 자기장과 많이 닮았습니다. 국제 표준 지구 자기장(IGRF)은 이 자기장을 계수 여러 개로 적고, 국제 지자기·고층대기 협회(IAGA)가 5년마다 고칩니다. 지구 자기장 장면은 IGRF-14의 쌍극자 부분인 처음 세 계수 g₁⁰, g₁¹, h₁¹을 그립니다. 2025년 값은 −29,350.0, −1,410.3, 4,545.5 nT입니다. 여기서 이런 값이 나옵니다.

• 쌍극자 축은 자전축에서 9.2° 기울어 있고, 지자기 북극은 북위 80.8°, 서경 72.8°에 있습니다.
• 적도의 쌍극자 자기장은 √(g₁⁰² + g₁¹² + h₁¹²) = 29.7 µT이고, 극에서는 그 두 배입니다.
• 1900년에는 같은 값이 32.2 µT였으므로, 쌍극자는 지금 7.6 % 약해졌습니다.

지구본에서 한 점을 누르면 그 자리의 쌍극자 자기장을 계산합니다. B = B₀ √(1 + 3 cos² θ)이고 θ는 쌍극자 축에서 잰 각입니다. 나침반 바늘이 기우는 각은 tan I = 2 cot θ입니다. 실제 자기장은 이 장면이 빼 둔 고차항 때문에 곳에 따라 쌍극자와 다릅니다.

빨간 선은 나침반 바늘이 곧장 아래를 가리키는 북자극의 경로로, 미국 해양대기청 국립환경정보센터(NOAA NCEI) 자료입니다. 1590년부터 1900년까지는 배의 항해일지로 만든 gufm1 자기장 모형, 그 뒤는 IGRF에서 왔습니다. 이 435년 동안 북자극은 약 4,500 km를 떠돌았고, 출발점에서 2,000 km 떨어진 곳에 와 있습니다. 1700년에는 캐나다 북극 지방에서 1년에 약 6 km 움직였고, 2000년부터 2011년까지는 시베리아 쪽으로 1년에 55~58 km 움직였으며, 2024년에는 37 km 움직였습니다.

이 장면의 시간 슬라이더는 해령 장면과 함께 씁니다. 78만 년보다 전으로 돌리면 자기력선이 뒤집힙니다. 노란 원뿔이 자기장의 방향을 보여 주는데, 역자극인 마쓰야마 시기에는 반대를 가리켰습니다.

우리는 얼마나 깊이 파 봤을까

깊은 구멍 장면은 사람이 가 본 가장 깊은 곳들을 판 하나에 세 가지 축척으로 그립니다.

• 러시아 북서부의 콜라 초심층 시추공은 1989년 12,262 m에 이르렀고 지금도 가장 깊은 구멍입니다. 바닥의 암석은 212 °C였고 구멍 안으로 흘러들었습니다.
• 독일의 KTB 시추공은 1994년 9,101 m에 이르렀고, 바닥은 265~270 °C였습니다.
• 2024년 시추선 지큐호는 일본 해구에서 해수면부터 시추관 7,906 m를 내려, 과학 해양 시추로는 가장 깊이 들어갔습니다.
• 마리아나 해구의 챌린저 해연은 가장 깊은 해저로, 2020년 잠수정이 잰 수압으로 해수면 아래 10,935 m(± 6 m)입니다.
• 바다의 평균 깊이는 3,682 m입니다.
• 마우나케아 꼭대기는 해발 4,205 m입니다.

노란 드릴을 12 km에 맞추면 표에 지구 반지름의 0.19 %가 나옵니다. 축척을 중심까지로 바꾸면 판의 모든 구멍이 맨 위 선 안에 들어갑니다. PREM에서 그 깊이의 압력은 약 0.27 GPa이고, 중심은 364 GPa입니다.

모형들에서 빠진 것

PREM은 1차원 모형입니다. 반지름이 같으면 지구 어디서나 값이 같다고 봅니다. 실제 지구에는 대륙과 바다가 있고, 가라앉는 차가운 해양판과 솟아오르는 뜨거운 플룸이 있어서 지진파 속도가 장소마다 몇 퍼센트씩 다릅니다. PREM 원본은 상부 맨틀에서 방향에 따라 속도가 조금 달라지는 성질도 넣었지만, 이 전시는 방향을 평균한 등방성 판을 씁니다. 지구 단면의 파선은 경계에서 반사되거나 경계를 따라 퍼지는 파동을 그리지 않습니다. 지진은 바다층 바로 아래에 두어서, 맨 위의 느린 물이 그림을 흐트러뜨리지 않게 했습니다.

다른 장면들도 저마다 단순하게 만든 곳이 있고, 중요한 곳에서는 표에 적어 두었습니다.

• 지진 실험의 주시표는 PREM을 지나는 파선에서 나옵니다. PREM은 모호면 바로 아래에서 속도가 깊이에 따라 조금 줄어서, 얕은 진원에서 나온 파선은 실제 기록에서 모호면을 따라 달리는 굴절파가 보이는 몇 도 구간을 비워 둡니다. 실험은 10° 이하의 빈 구간을 시간에 대해 직선으로 잇고, 그보다 넓은 핵 그림자대는 비워 둡니다. 표면파는 모형 속도 하나로 달립니다.
• 판 시계는 오늘의 회전을 고정해 둡니다. 판이 얼마나 빠른지를 보여 줄 뿐, 대륙이 실제로 어디 있었는지는 보여 주지 않습니다.
• 섭입대 단면은 얕은 곳의 기울기와 깊은 곳의 기울기를 매끄러운 곡선으로 잇고, 슬랩 두께를 90 km로 둡니다. 해구 깊이, 위 판의 모양, 칠레 쪽 깊은 지진의 빈 구간은 설명하려고 그린 것이지 잰 값이 아닙니다.
• 하와이 되감기는 열점을 제자리에 두고 나이를 아는 화산만으로 판을 움직입니다.
• 자기 줄무늬는 반듯한 띠입니다. 실제 이상은 지각이 식는 방식과 새 지각이 생기는 구간의 폭 때문에 번져 있습니다.
• 맨틀 대류 장면은 시간 축척이 없는, 생각을 그린 그림입니다.
• 자기력선은 IGRF의 쌍극자 부분만 그립니다.

지구 속을 알아낸 순서

1798년 헨리 캐번디시는 비틀림 저울로 납 공 사이의 인력을 재서 지구 밀도가 물의 5.48배임을 알아냈습니다. 지표 암석보다 훨씬 무겁습니다. 1906년 아일랜드의 지질학자 리처드 딕슨 올덤은 지구 반대편에 도착하는 P파가 늦는다는 사실을 보이고, 지구 가운데에 핵이 있다고 주장했습니다. 같은 해 베르나르 브뤼느는 거꾸로 자화된 용암을 보고했습니다. 1909년 안드리야 모호로비치치는 지각의 바닥을 찾았고, 1912년 알프레트 베게너는 대륙이 떨어져 움직였다고 주장했습니다. 뒤이어 베노 구텐베르크는 핵의 꼭대기를 약 2,900 km로 계산했는데, 지금 쓰는 값 2,891 km와 거의 같습니다. 1926년 해럴드 제프리스는 조석과 S파를 근거로 핵이 액체라는 것을 보였고, 1929년 마쓰야마 모토노리는 자기장의 역전을 밝혔습니다. 1936년 레만이 내핵을 찾았습니다.

조각들은 1960년대에 맞춰졌습니다. 1962년 해리 헤스가 해저 확장을 제안했고, 1963년 바인과 매슈스가 자기 줄무늬를 읽어 냈으며, 같은 해 윌슨이 열점으로 하와이를 설명했습니다. 1981년 지원스키와 앤더슨은 수십 년 치 지진 자료와 1960년대 큰 지진들 뒤에 기록된 고유 진동을 모아 PREM을 만들었습니다. 2003년에는 버드의 판 경계가, 2011년에는 NNR-MORVEL56이 나왔습니다.