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우리가 ‘행성 지구’에 대해 알고 있는 모든 것
지진과 화산 활동부터 중력과 자기장까지
지구의 구조와 작동 원리를 안내하는 탁월한 입문서

‘지구물리학’은 말 그대로 지구를 물리적 대상으로 삼고 구조와 활동을 탐구하는 학문이다. 지진학, 판 구조론, 중력 이상, 지구 자기장(암석에 포착된 현재와 과거)의 연구 영역을 아우른다. 스위스의 취리히 연방공과대학 지구물리학과에서 30여 년간 교수로 재직했던 윌리엄 로리는 이 짧은 책에서 지구의 안팎에서 벌어지는 물리적 현상들을 명료하게 설명하고, 지구물리학의 핵심 주제들을 꼼꼼하게 전달한다. 우리가 사는 행성이 어떤 식으로 작동하는지, 우리의 과학 기술이 지구를 이해하는 데 어느 수준까지 도달했는지 흥미로운 이야기를 들려준다.
독자들은 이 책에서 다음과 같은 물음에 답을 구할 수 있을 것이다.

ㆍ 지구의 내부 구조를 어떻게 알 수 있는가?
ㆍ 지구 자기장을 만드는 힘의 정체는 무엇인가?
ㆍ 지구 내부의 열은 어디에서 비롯하는가?
ㆍ 주변의 천체들은 지구에 어떤 영향을 주는가?
ㆍ 현재 기술로 화산과 지진의 활동을 예측할 수 있는가?

”지구는 경이로운 탐구 대상이자 위대한 실험실이다“

우리가 ‘행성 지구’에 대해 알고 있는 모든 것

첨단 과학 지식을 그 분야 최고의 전문가가 쉽게 전달하는 Deep&Basic 시리즈 여섯 번째 책. 이번 주제는 ‘지구물리학’이다. 스위스의 취리히 연방공과대학에서 30여 년간 지구물리학과 교수로 재직한 윌리엄 로리가 해설자로 나선다.
지구물리학은 말 그대로 지구를 물리적 탐구 대상으로 삼고 그 구조와 작동 원리를 탐구하는 학문이다. 행성의 운행, 지진학, 판 구조론, 중력, 지구 자기장(암석에 포착된 현재와 과거) 등 광범위한 연구 영역을 아우른다. 이 책은 지구물리학이 다루는 핵심 주제와 개념들을 차근차근 정리해 가며, 인류가 어떻게 ‘우리가 사는 행성’에 관한 지식을 쌓아 왔는지 흥미로운 이야기를 들려준다. 총 32컷의 도판은 자칫 어려울 수 있는 이론과 개념들을 입문 독자들도 쉽게 이해할 수 있도록 돕는다.
독자들은 이 책에서 제시하는 다음과 같은 물음에 답을 구할 수 있을 것이다.

ㆍ 지구의 내부 구조를 어떻게 알 수 있는가?
ㆍ 지구 자기장을 만드는 힘의 정체는 무엇인가?
ㆍ 지구 내부의 열은 어디에서 비롯하는가?
ㆍ 주변의 천체들은 지구에 어떤 영향을 주는가?
ㆍ 현재 기술로 화산과 지진의 활동을 예측할 수 있는가?

이 물음들은 그 자체로도 흥미롭거니와, 독자들이 우리 행성의 역사와 진화를 지배하는 과정을 이해하는 데도 훌륭한 길잡이가 될 것이다.

인간의 생존과 편리와 연결된 지구물리학

이 책에 따르면, 지구물리학은 현대 사회를 지탱하는 데 중요한 역할을 맡고 있다. 지구물리학 덕분에 뛰어난 탐사 기술을 발전시킬 수 있었고, 오늘날 에너지원인 화석 연료, 반도체에 들어가는 희토류를 쉽게 찾을 수 있다. 또한 지진, 화산, 쓰나미, 태양 플레어 등을 미리 경고함으로써 자연재해로부터 사회를 보호하는 핵심 기능도 한다.
실제로 지구물리학의 발전사를 보면 인간의 편리나 생존과 긴밀히 연결되어 있다. 석유와 광물 자원을 탐사하는 과정에서 인류는 지구의 내부를 측정하고, 그 데이터를 처리하고 분석하는 방법을 개선할 수 있었다. 인간의 생명을 위협하는 지진 재난은 지진파 연구로 이어졌고, 지진학자들은 실체파의 반사와 굴절, 표면파의 분산 등을 연구함으로써 지구의 내부 구조를 해독할 수 있었다. 오늘날 인류는 전 세계의 주요 화산과 지진대의 위치를 거의 특정할 수 있는데, 재난이 어디에서 일어날지 예측 가능해진 것이다(다만 그 발생 시점까지 아는 데는 한계가 있다).
한편 20세기 인공위성의 눈부신 기술은 지구물리학의 진보를 견인했다. 인공위성이 수집한 지형, 중력, 자기장의 같은 방대한 데이터는 가히 압도적이며, 현재 최고 수준의 GPS 장치를 사용하면 지표면에서 일어나는 1밀리미터의 변화까지 잡아낼 수 있다. 빙하에 덮여 있다가 노출된 지역에서 일어나는 융기와 판 경계의 수평 이동은 1년에 손톱 크기나 손가락 한두 마디 길이에 불과한데, 이러한 운동도 GPS 측정으로 거의 정확히 알아낼 수 있다.

핵심 개념으로 읽는 지구물리학 입문서

이 책은 우리가 사는 행성이 어떤 원리로 작동하는지, 우리 과학 기술이 지구를 이해하는 데 어느 수준까지 도달했는지 흥미로운 이야기를 들려준다. 각 장에서 다루는 내용을 살펴보면 다음과 같다.

1장 〈지구물리학이란 무엇인가?〉에서는 지구물리학이 다루는 연구 대상과 범위, 방법 등을 설명한다. 지구물리학은 물리학적 방법을 동원하여 지구의 물리적 성질과 진화 과정을 탐구한다. 인공위성으로 관찰할 수 있는 지표에서부터 관찰 불가능한 지구 심층부의 활동까지를 아우른다.
2장 〈행성 지구〉에서는 태양계의 천체 중 하나인 행성으로서의 지구에 대해서 알아본다. 지구의 자전과 공전 등에서 비롯한 다양한 물리적 현상을 설명하며, 케플러의 행성 운동 법칙, 챈들러 요동과 같은 흥미로운 개념들을 소개한다.
3장 〈지진학과 지구의 내부 구조〉에서는 지구의 구조를 이해하는 강력한 도구로서의 〈지진학〉을 설명한다. 과학자들이 지구 내부를 통과하는 지진파의 속도와 경로 변화(굴절, 반사, 회절)를 통해 어떻게 지구 내부의 성질(물질 구성)과 구조를 알아냈는지 다양한 실험들을 소개한다.
4장 〈지진 활동: 쉬지 않는 지구〉에서는 전 지구적 지진 활동도를 보여준다. 1960~2013년 사이에 전 세계에서 발생한 지진 15만 7991회를 표시한 진앙 분포도를 보면 대부분의 지진이 지각판 경계에 몰려 있다는 사실을 알 수 있다.
5장 〈중력과 지구의 모양〉에서는 지구의 운동(자전과 공전)에 따른 중력과 형태 변화를 설명한다. 원심력에 의한 탄성 변형 때문에 지구는 극 방향으로 납작해지고, 자전축을 기준으로 대칭적인 모양이 된다. 지구물리학자들은 이를 기준 타원체라고 부른다.
6장 〈지열〉에서는 지구의 가장 큰 에너지원인 지구 내부의 열을 다룬다. 이 에너지가 지구 전반에 걸쳐 지각판 운동과 지자기장 생성 같은 지질학적 과정에 힘을 공급한다. 지구 내부의 열은 두 가지 근원에서 생겨난다. 하나는 지각의 암석과 맨틀의 방사능에 의해 지금 발생하는 열이고, 다른 하나는 지구가 생길 때부터 있던 ‘태초의 열’이다
마지막으로 7장 〈지구 자기장〉에서는 지구를 둘러싸고 있는 자기장에 대해 설명한다. 지구 자기장은 지구 내부의 녹은 핵 안에서 발생하는데, 우주, 특히 태양에서 오는 해로운 복사를 막아주기 때문에 지구상의 생명체에 매우 중요하다. 한편 오래된 암석에 기록된 자기장은 과거 지질 시대를 해독하는 열쇠이다. 저자의 주 연구 분야인 고지자기학은 자화(磁化)된 암석으로 수억 년 전의 대륙의 이동과 지각판의 움직임을 해독하는 데 놀라운 성과를 보여주고 있다.

1장 지구물리학이란 무엇인가?
2장 행성 지구
3장 지진학과 지구의 내부 구조
4장 지진 활동: 쉬지 않는 지구
5장 중력과 지구의 모양
6장 지열
7장 지구 자기장
8장 후기

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지구물리학Geophysics은 물리학의 방법을 사용하여 지구의 물리학적 성질 및 지금까지 일어났고 앞으로도 계속될 지구의 진화를 지배하는 과정을 탐구하는 지구과학 분야다. 지구물리학 연구는 광범위한 분야에 걸쳐 있으며, 지구 궤도 인공위성으로 관찰할 수 있는 지표의 변화에서부터 관찰할 수 없는 지구 심층부의 활동까지 아우른다. _7쪽

원시행성들이 서로의 중력에 끌려 충돌을 일으키다가, 마침내 행성이 만들어졌다고 생각된다. 지구가 만들어지고 얼마 지나지 않아서 화성과 비슷한 크기의 가설적인 행성과 충돌했고, 파편들이 지구 주변을 선회하는 고리를 이루다가, 지구의 유일한 자연 위성인 달이 되었다는 이론이 제안되었다. _15쪽

퇴적은 수천 년에 걸쳐 천천히 일어나며, 그동안 밀란코비치 주기가 퇴적물의 화학적 성질과 물리적 성질로 기록된다. 깊은 바다에서 수백만 년에 걸쳐 쌓인 해양 퇴적물의 순서를 분석함으로써 여러 가지 물리적 성질, 즉 퇴적 두께, 색깔, 동위원소의 비율, 자화율과 같은 성질들이 순환적으로 변한다는 것이 알려졌다. _31쪽

1909년에 세르비아의 지진학자 안드리야 모호로비치치는 진앙으로부터 특정한 거리를 넘어서면 직접적인 P파와 S파보다 더 빠른 파동이 먼저 도달함을 관찰했다. 그는 지하 깊은 곳에 지진파의 속도가 더 빠른 지층이 있으면, 이 지층의 상부에서 굴절된 파동이 직접적인 파동보다 더 빨리 도착할 수 있다고 해석했다. _56쪽

지구에서 지진 활동이 가장 활발한 지역은 태평양의 가장자리에 뚜렷하게 띠를 형성하고 있으며, 남아시아를 둘러싸는 지대와 인접해 있다. 어떤 곳에서는 지진의 깊이 분포가 수백 킬로미터 아래의 맨틀까지 확장되기도 한다. _79쪽

지구는 원심력에 의한 탄성 변형 때문에 극 방향으로 납작해진다. 지구는 이 변형에 의해 자전축을 기준으로 대칭적인 모양이 된다. 지구물리학자들은 이것을 수학적으로 정의된 지구의 이상적인 모양으로 사용하며, 기준 타원체라고 부른다. _96쪽

중력이상이란 같은 위치의 정상적인 중력에 대해 편차가 나타나는 것을 말한다. 지하에 밀도가 높은 구조가 있으면 중력이 커지고, 지하에 밀도가 낮은 구조가 있으면 중력이 줄어든다. 따라서 정상적인 중력과 제대로 비교하려면 여러 가지 조정이 이루어져야 한다. _113~114쪽

지구 내부의 열은 지구의 가장 큰 에너지원이다. 이 에너지가 판의 지질학적 운동과 지자기장 생성 같은 지구 전체에 걸친 지질학적 과정에 힘을 공급한다. 1년 동안 지구 밖으로 흘러나오는 열의 양은 같은 기간 동안 지진으로 방출되는 탄성 에너지의 100배 이상이고, 조석에 의한 마찰로 지구의 자전 속도가 느려지면서 발생하는 운동에너지의 손실량보다 10배 이상 많다. _126쪽

마그마가 식어서 굳어질 때 광물은 미세한 낱알과 같은 결정 구조를 형성한다. 이것이 점점 더 식으면서 암석 속의 자철석과 적철석 낱알은 퀴리점Curie Point이라고 부르는 임계 온도를 통과한다. 이 온도 아래에서 낱알들은 작은 자석과 같은 성질을 띠며 낱알 내부의 자화는 식을 때의 지자기장 방향으로 정렬한다. -159쪽

지구물리학은 현대 사회가 원활하게 돌아가기 위해 필요한 물질 자원을 찾는 데 없어서는 안 될 역할을 하고 있다. 지구물리학은 인류의 에너지 수요를 공급하는 데 필요한 화석 연료와, 휴대전화 및 컴퓨터 같은 일상적인 도구의 필수 구성 요소인 희토류 금속의 광맥을 찾는 데도 도움을 준다. 반면에 지구물리학은 지진, 화산, 불안정한 경사면을 모니터링하고 쓰나미와 태양 플레어가 발생할 때 전기 네트워크에 미치는 나쁜 영향을 경고함으로써 자연재해로부터 사회를 보호하는 중요한 역할을 한다. _175쪽