[일상생활] 지구 기후의 역사 (I) : 명왕누대

[개괄]

지구상 최초의 다세포 생명체는 캄브리아기에 처음으로 출현하였다. 이는 기나긴 지구의 역사 속에서 생물 출현의 시기를 선캄브리아 시대로 정의하는 이유이기도 하다. 캄브리아기는 전통적으로 지구상에 생명체가 존재해 온 시대를 나타내는 페너스코이즘(Phanerozoic)의 첫번째 부분이다. 이 글에서는 지구상에 최초의 다세포 생명체가 탄생하기 이전인 선캄브리아 시대 이전의 모든 기후에 대한 이야기를 다룰 것이다.

 

그림. 지질시대의 구분 - 지구의 지질 시대는 생명 출현의 시대 이전과 이후인 Pre-cambrian 시대와 Phanero-zoic 시대로 나뉜다. 이 도표에서는 오른쪽으로 갈 수록 과거를 의미하며 숫자 1은 10억년의 시간을 뜻한다.

 

명왕누대 (Hadean), 즉 지구가 만들어진 직후에는 지구는 마치 불타는 지옥과 같았다. 우리가 아는 첫 번째 암석은 시생누대 (Archean)에 형성되었으며 이 시기 대기중의 막대한 수증기가 응축되어 질소와 메탄으로 이루어진 원시 대기가 만들어졌다. 또한 이 시기 시아노 박테리아에서 생성 된 산소, 철 및 메탄이 산화되어 해저 바닥에서 첫 생명이 생겨났을 것으로 보인다. 원생누대 (Proterozoic) 시기에는 전 지구적인 혹독한 빙하기가 반복적으로 나타나던 시대였다.

 

[명왕누대]

지구의 가장 초기 지질학적 시기는 그리스 신화의 지하 세계의 왕, 하데스의 이름을 따서 하데안이라고 지었다. (명왕누대의 영어 명칭은 Hadean 이다 - 역자주) 이 시기는 지구가 처음으로 만들어진 45.6억년 전 시작되었으며, 38억년 전에 끝났다. 애석하게도 이 시기의 암석은 지금까지 전혀 남아있지 않다.

그림. 원시태양계의 상상도.

지구를 포함한 대부분의 다른 행성들은 거대한 성간 구름으로 인하여 명왕누대 시대 이전에 형성된 것으로 보인다. 이러한 성간 구름의 막대한 질량과 그 결과로 생긴 중력은 우주로부터 더 많은 물질을 끌어들임으로써 지속적으로 성장하였다. 이 거대한 암석 덩어리와 다른 물질들은 거대한 원반처럼 중력의 중심을 향해 회전하였다.

이러한 거대한 강착원반 내에서,우연히 큰 덩어리로 성장하게 된 물질들은, 자체적인 질량으로 인하여 더 많은 물질을 끌어당기게 되었다. 이 때 태양은 원반의 중앙에서 형성되었으며, 연이어 지구와 같은 다른 행성들이 만들어졌다.

처음에는 이 모든 것들이 빛나는 불덩이 처럼 보였을 것이다. 각각의 암석덩이를 짓누르는 엄청난 압력은 방사성 붕괴와 함께 강렬한 열을 발생시켰다. 지구 역시 처음에는 빛나는 액체와 같은 형태였다.

점차적으로 액체 철과 다른 무거운 물질들은 지구의 중심을 향해 있는 "바닥"으로 가라앉았고 지구에 자기상을 형성하게 되었다. 결과적으로 이러한 무거운 원소들의 하강은 중력 에너지를 열로 변환시켰으며, 액체 지구의 온도를 수천도 더 높게 만들었다.

그림. 지구와 원시행성 (테이아) 와의 충돌 상상도.

지구가 아직도 이 뜨거운 액체 상태에 있을 때, 몇몇 사람들은 그것이 화성의 크기와 같은 '테이아' 라고 불리는 행성에 의해 충돌했다고 보고 있다. 이 거대한 충돌로 (giant impect) 인해 발생한 대다수의 암석 파편은 지구 주위의 궤도로 내던져졌다. 이 충돌로 인해 지구는 약 10% 가량의 질량을 얻었으리라 추정된다. 이는 액체 지구의 온도를 더욱 높이는데 일조하였다.

이후 1,000만 ~ 1,500만년 동안, 지구 주위의 궤도에서 탈출한 물질은 서서히 뭉쳐져 달로 변화되었다. 달이 처음 만들어 졌을 때는 불과 지구에서 약 16,000킬로미터 떨어져 있었으며, 현재 우리가 보는 것보다 하늘에서 훨씬 더 크게 보였다.

다른 행성들도 예외는 아니다. 수성의 껍질이 완전히 날아가서 중심부만 남아 있는 것, 그리고 다른 행성들과 반대로 자전하는 금성 역시 이러한 대충돌로 인한 결과로 보고 있다.

그림. 초기 명왕누대 시대의 지구 상상도.

첫 불 같은 지옥의 시대 이후 지구 표면은 차츰 굳어지기 시작하였다. 그러나 지구의 초기 지각은 현재까지 남아있는 것이 존재하지 않는다. 이는 지구상에서 처음으로 생긴 얇고 딱딱한 조각이 떠 다니는 액체 마그마의 흐름에 의해 끊임없이 밀려났기 때문이다. 이러한 껍질들은 계속해서 녹은 마그마에 가라 앉아 녹는 과정을 반복하였다. 동시에, 마그마는 다른 곳에서 굳어지며 새로운 조각을 형성하였다. 이러한 초기 얇은 지각은 끊임없이 화산과 새로운 유성 충돌에 의해 부서지고 융용되고 굳는 과정이 끝없이 반복되었다.

그러나 다행스럽게도 지구의 많은 초기 조각들이 달에 여전히 보존되어 있다. 달의 암석은 바람과 물에 의해 침식되지 않았으며, 달보다 지구보다 화산이 훨씬 적었기 때문이다. 1969년 달에 처음으로 발을 내딛은 아폴로 원정대는 45 억 년 전 원시 바위를 지구로 가져왔다.

명왕누대 중기 태양의 밝기는 현재 밝기의 75%에 불과하였다. 하지만, 부족한 태양열은 얇은 지각 바로 아래에 있는 액체 마그마의 지열 열과 방사능 붕괴에 의해 충분히 차고도 남았다.

그림. 명왕누대의 풍경 상상도.

오늘날 지구 내부로부터 전달되는 열 복사는 0.06 W/m2 으로 매우 낮다. 이는 오늘날 태양으로부터의 현재 일사량인 240 W/m2 과 비교된다. 그러나 명왕누대 시대에 태양으로부터 받은 열은 상당히 적었던 반면, 지구 내부로부터 받는 복사량은 훨씬 더 컸다.

지금까지 달의 조석력이 지구의 자전 속도를 서서히 줄여 왔기 때문에, 당시에는 오늘날보다 훨씬 더 빠르게 지구가 자전하였으며, 낮과 밤도 훨씬 짧았다.

명왕누대의 대기 구성에 대해서는 이 시기에 보존된 암석이 없어 단지 추측만이 할 수 있다. 일각에서는 높은 기온으로 하여금 널리 퍼진 화산 활동과 함께 메탄, 수소, 질소, 수증기, 소량의 이산화 탄소와 불활성 기체로 구성된 대기를 형성했으리라고 본다. 또한 수많은 운석 충돌로 인해 쏟아진 유황 구름과 먼지 때문에 하늘은 항상 어둡고 흐렸을 것이다.

기압은 약 250 기압으로 으로 매우 높았을 것으로 추정된다. 원시대기는 아마도 강력한 폭풍에 의해 위력적인 번개가 수시로 쳤을 것이다. 이 과정에서 가벼운 수소 분자들은 점차 우주로 빠져나갔다. 명왕누대 초기에는 너무 뜨거운 환경으로 인하여 수증기가 응결되지 않았다.

이후 점차적으로 방사능이 감소했고, 운석의 충돌은 뜸해졌으며, 지구의 표면은 천천히 냉각 되었다.

호주 서부에서 발견된 지르코늄으로부터 지구 냉각의 증거를 발견할 수 있다. 이는 43억에서 44억년 전에 액체 상태의 물에 노출되었다는 것을 보여 준다. 아마도 이때부터 일부의 물은 높은 압력으로 인하여 저지대로 응결되기 시작했을 것으로 보인다.

그림. 달에 떨어지는 유성 폭격

 

보름달이 떠 있는 맑은 밤에 작은 망원경으로 볼 수 있듯이, 달에는 "달의 바다"라고 불리는 넓고 평평한 지역이 있다. 그것은 일반적으로 새롭게 굳어진 달의 표면에 구멍을 뚫은 거대한 운석에 의해 만들어졌다고 추정된다. 그래서 용암이 구멍을 통해 흐르게 하고 전형적인 평평한 달 표면을 형성하게 한다. 예를 들어, MareImbrium.

이것은 유성들이 단순히 거대했다는 것을 의미한다. '달의 바다'는 나중에 큰 유성이 충돌하면서 생긴 거대한 분화구로 이루어져 있다. 달의 분화구는 지름이 360킬로미터에 이를 수도 있다.

41억년에서 38억년 전 사이에 달은 크고 작은 운석들의 강력한 폭격을 받았다고 알려져 있다. 이것은 " 늦은 중량 폭탄"을 의미하는 LH라고 불린다.

그러나 새로운 화산 폭발과 바람과 물에 의한 침식으로 인해 지구가 정확히 같은 파괴적인 폭격을 받았음에 틀림 없다. 게다가, 앞서 언급했듯이, 더 이상 명왕누대 시대의 암석들이 지구에 없다. 전통적이고 여전히 지배적인 관점은 LH가 모든 것을 파괴한다는 것이다. 이 모든 것들은 바위와 아마도 지구 표면의 생명체들로 인해 파괴되었고, 모든 것이 다시, 그리고 여러번 시작되었다.