지구에 산소가 풍부한 이유?

과학기술

지구에 산소가 풍부한 이유?
‘마그마의 바다’에서 산소 대량 생성

2019.09.04 11:46 이강봉 객원기자

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지하에서 암석이 고온으로 가열돼 녹아 있는 것을 마그마(magma)라고 한다.

화산이 폭발할 때 시뻘겋게 빛나는 용암이 흘러내리는 장면을 볼 수 있는데 이는 지구 내부에 엄청난 양의 마그마가 들어 있다는 것을 말해주고 있다.

그러나 지구 형성 초기에는 지금처럼 마그마가 지구 내부에 모여 있지 않았다. 당시 지구 전체가 액체 상태였으며, 지구 표면에는 1100℃ 이상의 용암이 바닷물처럼 부유하고 있었다는 것.

지구 생성 초기 ‘마그마의 바다’ 중심부에서 산소가 대량 유출되면서 지금의 지구핵, 맨틀, 대기권을 형성했다는 연구 결과가 발표됐다. 지구 초기 역사를 쓰는데 큰 영향을 미칠 전망이다. ⓒNASA

금속 철로부터 산소 대량 분출

과학자들은 약 45억 년 전 지구가 만들어질 당시 뜨거웠던 지구의 상태를 ‘마그마의 바다( magma oceans)’라 부른다.

고온에 무거운 물질은 안쪽으로 가라앉고, 가벼운 물질은 위로 떠오르면서 끊임없이 흘러 마치 바다와 같은 장관을 연출하고 있었다.

또한 그 바닷속에는 지금의 마그마보다 훨씬 더 많은 산소가 들어 있어 지금처럼 수많은 생물이 숨을 쉬며 생존할 수 있는 자연환경을 조성할 수 있었다는 것이 과학자들의 판단이다. 그리고 이를 근거로 지구 생성의 역사를 새로 써나가고 있다.

4일 ‘사이언스 뉴스’에 따르면 연구를 진행한 곳은 독일 바이로이트대학 바이에른 지질학 연구소(Bayerisches Geoinstitut)다.

연구진은 논문을 통해 “현재 지구를 덮고 있는 맨틀(mantle) 속에서는 다양한 물질들의 산화와 환원이 이어지는 레독스(redox) 상황이 지속되고 있는데 지구 생성 초기 ‘마그마의 바다’ 속에서 같은 현상이 벌어지고 있었다.”고 설명했다.

레독스란 산소와 결합하는 산화(oxidation)와 산소와 분리되는 환원(reduction), 두 단어를 합성한 말이다.

지금의 대기권이 지구를 둘러싸고 있는 맨틀(mantle) 속 마그마의 레독스 상태에서 비롯된 것이라며, 지구 생성 초기 ‘마그마의 바다’ 역시 마그마의 레독스 상태에 있었으며, 산소를 비롯한 다양한 가스를 대량 분출하고 있었을 것이라고 말했다.

그리고 산소의 대량 분출로 지금의 지구핵, 맨틀, 그리고 대기권이 형성됐다고 설명하고 있다.

그동안 많은 과학자들이 지구 맨틀 안에서 일어나고 있는 화학 작용에 대해 관심을 갖고 연구를 진행해왔지만 뚜렷한 연구 결과를 찾지 못하고 있었다.

그러나 바이로이트대학 연구 결과를 통해 지구 핵과 마그마에 포함돼 있는 물질의 화학반응 결과가 밝혀졌고, 이를 통해 지구 생성 초기 ‘마그마의 바다’ 속에서 무슨 일이 벌어졌는지 근거 있는 추정이 가능해졌다.

산소 유출로 지구핵, 맨틀, 대기권 형성

논문은 대기 형성뿐만 아니라 지구 형성 과정을 구체적으로 설명하고 있다.

지구 역사 초기 이 미완성형 행성은 외부로부터 날라온 미행성체들과 끊임없이 충돌하고 있었다.

이 과정에서 강한 충격으로 온도가 높아져 지구 내부 암석들이 녹기 시작했고 거대한 ‘마그마의 바다’를 형성했다.

연구팀은 이 바다가 산소를 다량 포함한 금속철(metalic iron) 성분으로 이루어져 있었다고 설명하고 있다. 이 성분이 다양한 철로 분리됐으며, 산화가 이루어지지 않은 제1철(ferrous ion)이 지구 중심부에 내려앉아 철 핵(iron core)을 형성했다고 설명하고 있다.

반면 산소가 추가된 산화제2철(Fe3+) 등은 외부로 솟아올라 맨틀을 비롯 지구 대기권을 형성했다고 결론지었다.

연구 결과는 8월 30일 ‘사이언스’ 지에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Deep magma ocean formation set the oxidation state of Earth’s mantle’이다.

연구팀은 지구 생성 초기 역사를 재현하기 위해 금속철(metalic iron) 성분에 대한 고강도의 실험을 진행했다고 밝혔다.

특히 관심을 기울인 것은 마그마 깊은 곳에 다량 포함돼 있는 금속철이다. 이 성분은 운석에서 다량 발견되고 있는데 원시태양계 안에서 응축·집적·용융·재결정 등의 여러 과정을 거치는 과정 그 중간단계에 있는 물질을 말한다.

산소가 다량 함유돼 있는 황산제2철에 강한 압력을 가한 결과 금속철이 추가된 황산제3철로 변화하는 결과를 얻었다. 반대로 압력을 줄여 금속철을 제거했을 때 황산제3철이 황산제2철로 변화했다.

연구팀은 이 실험 결과를 토대로 지구 형성 초기 ‘마그마의 바다’로부터 황산제3철이 분리되면서 아래쪽 지구 중심부에 철 핵이 형성됐으며, 철 핵이 형성되는 이 분리 과정에서 산소 등 가스가 다량 분출돼 철 핵 위쪽에 있는 맨틀의 산화 과정을 증가시켰다고 설명했다.

또한 이 과정을 통해 지구 외부로 산소를 포함한 가스를 대량 분출하면서 지금의 산성화된 대기를 형성할 수 있었다고 설명했다.

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