초기 지구의 대기조성에 관한 상상

(갑자기 영감이 떠 올라서 썼습니다. 이전의 연구 성과를 전혀 검토하지 않고 내 마음대로 쓴 글이라서 내용의 진실성은 거의 보장할수 없습니다. 역사적 사실과 다른 헛소리를 적었을 가능성도 많습니다. 하지만 추론 과정의 유효성과 방법론에 촛점을 맞춘다면 재미있게 감상하실 수 있을 것입니다.)

원시 지구의 환경은 어떠했을 것인가 하는것은 고생물학과 고지질학에서 중요한 질문 중 하나이다. 나는 오늘 이러한 질문에 답하기 위해 태양계에존재하는 다른 행성들의 대기조성에서 힌트를 얻고자 한다. 이것은 태양계의 생성기원을 생각할 때, 지구는 다른 행성과 같은 시기에 생명이없는 상태로 탄생했을 것이라고 가정할 수 있기 때문이다.

먼저 현재의 지구대기에 존재하는 물질들(N2, O2, H2O, CO2 등)의 조성은 지구에 사는 생물들과 상호작용의 결과로 생긴 것이다. 따라서원시 지구대기의 조성을 예측하는 문제에서, 현재의 지구대기 조성은 오히려 잘못된 선입견을 줄 수 있다. 그렇기 때문에 가장 유용한 정보를 줄 수 있는 것은 생물권이 존재하지 않는 지구 외의 다른 행성의 대기 조성을살펴보는 것이다.



행성별 차이점

여기에서 검토할 행성들에서 주요 요인으로는 첫째, 행성이 태양으로부터얼마나 떨어져 있는가 하는 문제이다. 태양에서 가까울수록 더 강한 태양광을 받아 행성의 평균기온이 높을것이다. 그 결과 분자량이 작은 대기조성 분자들의 분자 운동이 활발해져서 기권 밖으로 방출될 수 있다. 이것은 필자의 짐작이지만 한 행성에서 대기의 조성성분을 분석할 때, 대기의저층부와 상층부를 구성하는 기체의 조성비를 비교해 보면 상층부에 저분자량 기체의 함량이 높지 않을까 하는 궁금증이 든다.(검증필요) --> (자료추가ok)

대기의 하층에서는 공기의 운동으로상하의 공기가 잘 혼합되는데 상당한 높이까지 조성비가 일정하다. 이산화탄소와 오존을 제외한 다른 기체들은 약 80km까지 그조성비가 일정하고 균질권이라 불린다. 반면에 태양 복사에너지를 흡수하여 광해리 작용을 하거나 확산분리로 인해 불균일한 층이있는데 이는 비균질권이라고 하며 대기 연직구조에서 열권, 외기권이 해당된다. 출처: http://donghae.kma.go.kr/bbs/board.php?bo_table=school&wr_id=1&page=

두번째 주요한 요인으로는 행성의 질량과 표면의 중력가속도이다. 이요건이 작용하는 방식은 우주에 가장 흔한 수소(H2)와 헬륨(He) 기체를묶어두는 데 있어서 중요한 요인이 된다. 수소와 헬늄이 행성에서 잘 도망가지만 태양에는 풍부한 이유가태양의 온도가 높음에도 불구하고, 그 질량이 너무나 크기 때문에 이런 가벼운 기체를 묶어둘 수 있는것이다.

우주공간에 존재하는 가스물질 들의 가용성에는 큰 차이가 없다고 가정한다. 그러나이 물질들이 행성의 중력공간에 유입되는 속도와, 우주로 방출되는 속도에 따라 행성에 축적되는 가스물질의종류와 양이 달라지게 된다. 이때 각 행성에는 아직까지 가스물질의 화학적 변화를 주도할 생물은 없다고가정한다. 따라서 각 행성에 축적되는 가스물질은 오직 그 가스물질의 분자적 특성과, 이를 흡수하고 방출하는 행성의 특성에 의존한다.



대기성분의 특성
이때 각 가스물질의 분자적 특성에서 주요하게 고려해야 할 요인은 다음과 같다.1) 물질의분자량 2) 극성인가 비극성인가 3) 산화환원의 반응성이다.

그 중 [분자량]이 중요한이유는 온도에 따른 운동속도와 중력가속도의 특성 때문에 탈출 유입의 분자선택에서 분자질량이 가장 중요한 역할을 하기 때문이다. 예를 들면, 목성과 같이 무거운 행성은 수소와 헬늄처럼 가벼운 분자를쉽게 끌어들여서 축적할 수 있지만, 화성과 같이 가벼운 행성은 중력가속도가 작기 때문에 대기중에 있던수소나 헬늄이 쉽게 우주로 도망갈 수 있다.

[극성/비극성]이 중요한 이유는 물질의 상전이(phase transition)에있다. 말은 어려워도 기체가 쉽게 액체나 고체로 변할 수 있는가 하는 문제이다. 예를 들면 극성 분자인 물과 이산화탄소는 쉽게 액체나 고체의 상태로 변할 수 있다.

[산화/환원/반응성] 이 경우는 상전이가 아니라 화학 반응에 의해 다른 형태의분자로 전환되기 때문에 복잡한 양상이 나타난다.

태양계의 행성과 위성에서 발견되는 기체 성분은 주로 CO2, H2O, CH4,NH3, SO2, N2, H2, He, O2 등이다.



목록. 주요 대기조성 물질들의 분자적 특성

수소: H2
분자량: 2
극성: No
반응성: Yes


헬륨: He
분자량: 4
극성: No
반응성: No


메탄: CH4
분자량: 16
극성: No
반응성: Yes


암모니아: NH4+
분자량: 18
극성: No
반응성: Yes


물: H2O
분자량: 18
극성: Yes
반응성: 산화물


질소: N2
분자량: 28
극성: No
반응성: weak


산소: O2
분자량: 32
극성: No
반응성: Yes


이산화탄소: CO2
분자량: 44
극성: Yes
반응성: 산화물


이산화황(?): SO2
분자량: 64
극성: Yes
반응성: 산화물

http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_dioxide


기타.....


지구 초기대기의 조성에 관한 추론

아래의 태양계 행성들을 요약한 표를 보면, 안쪽의 금성, 지구, 화성은 태양에 가까워 많은 복사열을 흡수하고, 그 질량도 지구보다 크지 않은데, 대기의 조성성분을 보면 수소와헬륨이 거의 없다. 반면 그 바깥쪽에 있는 행성인, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은태양으로부터 멀리 떨어져서 복사열을 적게 흡수하고, 그 질량이 지구보다 크다. 이들 행성의 대기는 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있다.

표. 태양계 행성들의 기본정보

Name

Equatorial
diameter[a]

Mass[a]

Orbital
radius (AU)

Orbital period
(years)

Rotation period
(days)

Named
moons

Rings

Atmosphere

수성

Mercury

0.382

0.06

0.39

0.24

58.64

no

minimal

금성

Venus

0.949

0.82

0.72

0.62

-243.02

no

CO2, N2

지구

Earth[b]

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1

no

N2, O2

화성

Mars

0.532

0.11

1.52

1.88

1.03

2

no

CO2, N2

목성

Jupiter

11.209

317.8

5.20

11.86

0.41

49

yes

H2, He

토성

Saturn

9.449

95.2

9.54

29.46

0.43

52

yes

H2, He

천왕성

Uranus

4.007

14.6

19.22

84.01

-0.72

27

yes

H2, He

해왕성

Neptune

3.883

17.2

30.06

164.8

0.67

13

yes

H2, He

a  Measured relative to the Earth.


출처: http://en.wikipedia.org/wiki/Planets

따라서 이런 추이를 근거로 초기지구의 대기조성을 짐작하려 한다면, 수소와헬륨이 풍부한 바깥쪽의 행성보다는, 지구의 안팎에 자리잡은 금성과 화성의 대기성분을 더 닮았을 것이라고예측할 수 있다. 그래서 지구의 안쪽과 바깥쪽에 자리잡은 금성과 화성의 대기성분을 살펴보는데 다행스럽게도두 행성의 대기를 구성하는 주요 성분은 이산화탄소와 질소로서 일치한다. 그러므로 초기 지구대기는 주로이산화탄소와 질소로 구성되어 있었을 것이다.

먼저 두 행성의 질량과 표면중력을 살펴보면, 금성은 지구 질량의 82%에 해당하고 표면의 중력은 90.4%로 지구보다 약간 작은 편이다. 그러나 화성은 지구 질량의 10.7%에 해당하고 표면의 중력은 지구의37.6% 밖에 안 되는 행성이다.

그러면 초기 지구대기의 압력은 어느 정도였을까? 우선 금성과 화성의대기압력을 살펴보면, 지구의 대기압이 101.3 kPa인것에 비해, 금성은 9,300 mPa로 지구 대기압의 약 91배나 된다. 그리고 화성은 0.7-0.9kPa로, 지구 대기압의 100분의 1에 불과하다. 이 대기압의 차이는 아마도 화성의 질량이 지구의 0.107배이고, 표면에서의 중력가속도는 지구의 37.6%로 작기 때문에 기체분자를 묶어두는 힘이 약하기 때문인 것으로 보인다.혹은 금성-지구-화성의 순서에 입각해서 분석해볼 때 바깥으로 갈수록 대기가 희박해지는 경향에 따라 금성보다 옅은 대기를 가졌다고 가정할 수도 있으나 필자로서는 그 경향성이 생기는 원인을 정확히알지는 못한다. 어째거나 이런 것을 살펴볼 때, 지구의 질량은금성보다 크고, 위치는 금성보다 바깥쪽이기 때문에 지구의 초기대기의 압력은 금성보다 높거나, 혹은 낮거나 하였으리라 짐작할 수 있다.


지금까지 복잡한 추론 과정을 거쳤으나 결론적으로 말하면, 금성의 대기조성과비슷한 경우가 될 것 같다. 기압은 매우 높고 주로CO2(95~98%), N2(2~5%), O2(0.x%)로 구성되어 있는데, 메탄(CH4), 암모니아(NH3), SO2, HCl도 상당량 존재할지 모른다. 하지만 지구의 현재 대기와 비교해 볼 때, 산소가 극히 희박하여 환원성의 대기인 것은 틀림없다.

그렇다면 100기압 정도의 압력으로 초기대기를 짓누르던 그 많던 CO2는 어디로 간 것일까? 그 열쇠는 생물들이 가지고 있다. CO2에는 생물의 몸을 구성하기위해 필요한 탄소를 풍부하게 함유하고 있었다. 생물들의 몸은 주로 탄소(C)와 수소(H) 그리고 산소(O)로구성되어 있는데, 이 원료물질을 여러 경로의 화학반응을 통해 CO2에서얻었던 것이다. 현재 지구의 생물, 특히 광합성 식물들은자신의 몸을 구성하는 탄소를 CO2에서 얻고 있다. 만일초기대기에서 현재와 같은 광합성 세균들이 활동하기 시작했다면, 그 결과는 급격한 O2의 방출과 함께, CO2는 조금씩 줄어들기 시작했을 것이다.


풀리지 않는 의문들.

1. 그렇게 생산된 엄청난 산소는 또 어디로 갔는가?

수많은 광물질에 흡수되었을 것이다. 대표적인 것이 산화철, 산화 알미늄, 규소, 등등.....

2. 지구상의 엄청난 양의 바닷물은 어디서 유래하고, 언제부터 존재했는가?

지구에는 정말 물이 풍부하다. 그런데 혹시 이 물이 처음에는 소량 밖에 없었을 수도 있다는 상상을 했다. 지구 외의 행성에서는 아직까지 물이 별로 발견되지 않기 때문에.... 그렇다면 혹시 대기중에 산소가 많고 성층권에 오존이 존재하기 때문에 태양풍에 날아온 수소 원자들이 오존과 결합하면서 지속적으로 물이 생성되는 것은 아닐까? 재미있는 가설이라 생각되는 데 누가 혹시 이런 문제에 대해 알고 있으면 제보 주시기 바랍니다. ㅋㅋ

덧. 추가조사에 따르면, 산소는 지각의 47%를 구성하는 지구에서 매우 풍부한 원소이다. 따라서 초기 대기에 존재하던 CO2에서 유래한 산소가 물을 형성하는 원료가 되었을 것이라는 것은 억측이라고 할수 있겠다. ㅠ ㅠ

참고자료

http://en.wikipedia.org/wiki/Venus
http://en.wikipedia.org/wiki/Mars
http://en.wikipedia.org/wiki/Earth
http://en.wikipedia.org/wiki/Planets

덧글

  • organizer™ 2009/05/30 00:39 #

    "물"은 정말 어디서 이렇게도 많이 왔는지 - 생겼는지 정말 궁금합니다.

    (다른 분들의 활약을 기대해 보겠습니다..^^)
  • 새벽안개 2009/05/30 01:19 #

    organizer™ 님, 지구에 있는 엄청난 물이 생명이 생긴 이후에 유입되었다면 정말 '기적중의 기적'이라고 할수 있습니다.
  • organizer™ 2009/05/30 01:27 #

    >> 생명이 생긴 이후에 유입되었다

    ?

    누가, 어디서 유입했을까요? 설마 하나님이 보시기에 -- 지구가 -- 좋아서 물을 왕창 어디선가 살수차 같은 것에 싣고 왔을 지도 모르겠습니다..^^ ;;

    아님 어디선가 물폭탄을 날렸을 지도..... <-- 그냥 '농담'같은 제 생각입니다.
  • 새벽안개 2009/05/30 01:35 #

    생명이 생긴 이후 유입은 불가능한 이야기 인지도 모르겠습니다. 그냥 저의 상상의 산물입니다.
  • non-lin3ar 2009/05/30 02:18 #

    대기과학전공 학부생인데 멋진글이였습니다.. 저렇게 깊이 생각해본적은 없네요.. 나중에 또 읽어봐야겠어요. 제가 텍스트적으로 알고있는 지식은 지구가 식으면서 water vapor가 condensation이 되면서(condesation엔 2가지 경우가 있는데 이슬점온도까지 기온이 떨어지거나 수증기가 더 유입되거나..)다량의 강수가 내려서 바다를 이루었다고 하는데여.. 쓰다보니 또 그런 water vapor가 어디서 왔느냐 생각해봐야겠는데 uvb나 uvc정도의 파장대가 상공의 오존을 쪼갠다면 상공의 분자량작은 수소와 결합해서 생기나요. 그 확률은 유의할수준이라고 할수있을까.. 혼란스럽습니다.
  • 새벽안개 2009/05/30 02:26 #

    non-lin3ar 님, 내 맘대로 생각한거라서 근거는 별로 없습니다. 지구과학쪽 설명에서 물은 화산가스로 방출되는 수증기가 응축된 것이라는 설명을 하더군요. 어째거나 물이라는게 수소가 산소와 결합한 것인데, 그 수소가 어디서 유래하는지는 저도 매우 궁금하게 생각하고 있습니다. 수소라는게 흔하면서도 귀한 것이라서요.
  • Frey 2009/05/30 07:42 #

    기본적으로 지구상의 물이 외계에서 새롭게 추가되지는 않는다고 보시는게 좋습니다. 최소한 40억년 전 이후로는요. 대부분의 물은 마그마에서 나옵니다. 지질학을 조금 공부해보시면 암석 내에 물이 얼마나 많이 포함되어 있는지를 아실 수 있을거에요. 현재도 판이 갈라지는 경계를 따라 많은 양의 물이 나오는데, 이 물의 양이 유지되는 이유는 판이 부딪치는 경계를 따라 물이 도로 지각 속으로 들어가기 때문입니다.
  • 새벽안개 2009/05/30 08:09 #

    Frey 님, 초기지구에는 산소가 별로 없었기 때문에 외계수소와 지구 산소가 반응해서 생긴다는 가설에는 무리가 있긴 하지요. 말씀하신 것처럼 지각의 하부층과 마그마에 현재의 바다를 형성할 만큼 많은 물이 숨어 있다면 금성이나 화성에도 물이 풍부하게 존재해야 하는데 별로 그렇지 않은 것 같습니다. 그건 왜 그럴까요? 그리고 궁금한점 하나더 현재 광물질에 포함된 산소가 광합성 이전의 것일까요 아니면 광합성 이후의 것일까요? 정말 자꾸 궁금해 지네요.
  • Frey 2009/05/30 09:22 #

    우리가 생각하는 '물'의 형태로 존재하지 않을 뿐이랍니다. 광물질 내에 포함되어 있는 물의 양은 어마어마해요. 그것이 환경이 맞았기 때문에 액체의 형태로 존재할 수 있는 것이고요. 금성의 경우에는 기압이라는 문제가 있고, 화성은 판구조의 부재라는 문제가 있습니다. 그 외에도 여러 가지 있긴 하지만 이건 제 전공은 아니므로 패스 (...)

    '현재 광물질에 포함된'이라는 건 좀 어렵네요. 지표면에 드러난 부분에 한해서 말하자면, 광합성 이후의 것이죠. 뭐, 그래봐야 전체 지구의 부피에 비하면 정말 얼마 안되는 양이지만요.
  • 새벽안개 2009/05/30 10:02 #

    그렇군요. 알려주셔서 감사합니다.
  • 꼬깔 2009/05/31 02:27 #

    미천한 지식으로 몇 자 적어보면, 실제 중요한 것은 태양으로부터의 거리이며, 천문학자들은 이를 바탕으로 액체상태의 물이 존재할 수 있는 지역을 산출하며, 이를 골디락스존이라 부르는 걸로 압니다. 그리고 태양계에서 골디락스존에 속하는 행성은 지구와 화성이라고 합니다. 실제 화성에는 물이 흘렀던 흔적이 있는데, 화성의 미약한 대기압으로 사라졌을 가능성이 있어 보입니다. 압력이 낮으면 그만큼 쉽게 증발하니까요. 그리고 금성은 결정적으로 온도와 관련이 있지 않나 싶습니다. 만약 온도가 조금만 낮아 충분한 수증기가 액화되었다면 이산화탄소도 상당량 줄어 들면서 생명체의 존재 가능성이 있지 않았을까 생각합니다.
  • 새벽안개 2009/05/31 04:56 #

    꼬깔님, 화성은 질량이 작아 중력이 약한것이 문제이군요.
  • 천하귀남 2009/05/30 09:32 #

    현재 광물의 조성중 원시바다에 녹아있던 철이 초기광합성 세균에 의해 산화철로 변했다고하더군요. 모든 철이 그런것은 아니지만 호주지역 광산이 이경우에 해당한다고 합니다.
    다른금속은 잘 모르겠습니다. 하지만 지질학이나 야금학쪽에서 광상의 형성에 대한 연구가 활발하니 여기에 대한 답은 나와있을겁니다.
  • 새벽안개 2009/05/30 10:03 #

    천하귀남님, 대형 철광산의 기원은 저도 그렇게 들었습니다.
  • Frey 2009/05/30 10:04 #

    시아노박테리아에 의해서 퇴적된 것이죠. Great Oxidization Event라는 것인데, 25억 년 전 시아노박테리아의 번성과 함께 산소의 증가로 철이 산화철 형태로 퇴적된 것입니다. 이 현상은 전세계에서 확인할 수 있죠. 철 말고는 이런 예가 없답니다^^;
  • 꼬깔 2009/05/31 02:23 #

    이산화탄소의 급격한 감소는 일반적으로 원시대양의 생성과 관련이 있다고 합니다. 실제 현 지구에 탄소는 대부분 생물권이 아닌 암권에 존재하며, 대개 탄산칼슘의 형태로 존재합니다. 일반적인 시나리오는 원시대양 형성 이후 이산화탄소가 용해되어 중탄산이온으로 존재했고, 지각으로부터 유입된 칼슘이온과 반응하여 탄산칼슘을 만들었다는 것이지요. 금성과 지구의 결정적 차이는 대양의 유무라는 겁니다. 이는 액체 상태의 물이 존재할 수 있느냐의 여부인데, 태양으로부터 거리와도 관련이 있어 보입니다. 만약 금성에서 액체 상태의 물이 존재해 대양이 형성되었다면 금성도 현재와 같은 대기 조성은 아니지 않을까 싶습니다.

    물과 관련한 부분은 저 역시 Frey님과 같게 배웠습니다. 대부분의 물과 이산화탄소는 초기 미행성 충돌로 말미암은 화산활동으로부터 기인했으며, 일부 혜성의 충돌 - 얼음으로 된 핵 - 로 공급되었다고 합니다.
  • 새벽안개 2009/05/31 05:05 #

    꼬깔님, 이산화탄소의 감소 시나리오가 중요하겠네요. 지구 탄소의 대부분이 석회석(탄산칼슘)으로 존재하고 있다. 그리고 초기지구의 이산화탄소가 대부분 석회석(탄산칼슘)으로 흡수되어서 대기가 희박해졌다는 이야기네요. 나름 가능성이 있어보이네요. 저는 광합성으로 흡수되는 가정을 했는데.... 이게 생물진화에서 상당히 진행된 이후라서 논리적 문제가 있었지요. 알려주셔서 감사합니다.
  • Alias 2009/05/31 09:08 #

    D/H ratio와 관련된 논문들 좀 읽어보시면 참고할 게 있을 겁니다.
  • 새벽안개 2009/05/31 15:02 #

    Alias, 오오... 그렇군요. 우주에서 들어오는것은 비율이 다른가 보네요.
  • 바른손 2009/06/01 17:17 #

    좋은 글과 댓글들 잘 보고 배웁니다.
  • 새벽안개 2009/06/01 19:43 #

    바른손 님, 에구... 완전 무식이 탄로난 상황입니다. ㅠ ㅠ
  • 꼬깔 2009/06/03 11:42 #

    초기 산소의 대부분은 BIF(Banded Iron Formation)을 형성한 것으로 압니다. 즉, 초기 바다에 풍부하게 녹아 있던 Fe2+를 Fe3+로 침전시킨 것으로요. 이런 초기 광합성의 대부분은 시아노박테리아에 의한 것으로 알고요. 실질적으로 지구 대기에 산소가 축적되던 시기는 그 이후였던 것으로 기억합니다.

    간만에 산소란 책을 다시 한 번 읽어 봐야겠습니다. :)
  • 새벽안개 2009/06/03 11:58 #

    꼬깔님, 요즘 '생명 최초의 30억년'을 읽고 있는데 BIF 랑 산소혁명 이야기가 나오더라구요. 그래도 지구의 화학적 기초를 모르는 저로서는 어렵기 그지 없네요. ㅠ ㅠ
  • 새벽안개 2019/06/18 18:01 #

    이정모 박사님은 광합성 생물이 만드는 산소가 지구의 물을 지켜냈다고 합니다.
    "지구의 바다를 구한 건 박테리아였다. 박테리아가 광합성을 했다. 박테리아들은 햇빛 에너지를 이용해 이산화탄소로부터 양분을 만들었다. 그리고 부산물로 산소를 배출했다. 지구에는 물에서 쪼개져 나온 산소에 박테리아가 배출하는 산소가 더해졌기 때문에 암석과 바닷물 속에서 산소와 결합할 성분, 즉 철이 모자라게 되었고 그 결과 대기 중에 산소가 축적되었다. 공기 중에 산소가 있으면 바다는 손실되지 않는다. 자외선으로 쪼개진 수소들이 지구 중력 밖으로 달아나기 전에 다시 산소와 결합해 물이 되기 때문이다. 결국 지구에선 바다가 살아남았다. 물론 지구도 수소를 잃는다. 매년 30만t의 수소가 우주로 날아간다. 약 300만t의 물이 사라지는 셈이다. 이런 식으로 45억 년이 지나면 지구 바다의 1%가 사라질 것이다. 인간이 걱정할 일은 아니다." https://news.joins.com/article/13216766
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