***2018년에 정리한 내용입니다***
지구과학1
01. 소중한 지구
1. 행성으로서의 지구
1] 생명체를 위한 최적의 환경, 지구
1. 생명체가 살 수 있는 조건(4가지)
1) 액체 상태의 물
- 비열이 높아 많은 양의 에너지(열)를 오랫동안 보존 가능하다. (= 온도 유지, 에너지 순환)
- 다양한 물질을 용해할 수 있는 능력
# 비열 : 에너지를 오랫동안 보존할 수 있는 능력
(1) 생명 가능 지대
- 액체 상태의 물(용매 역할)이 존재할 수 있는 범위
* 태양 - 생명가능지대 범위 : 0.95~1.15AU
이보다 멀리 있는 물은 고체, 이보다 가까이 있는 물은 기체이다.
① 중심별의 광도에 따라 생명가능지대의 거리와 폭이 결정된다.
- 중심별의 질량(M) ∝ 광도(L) [단위 : J/S]
- 중심별의 질량이 클수록 광도가 크기 때문에 생명가능지대가 중심별로부터 멀리 형성되고, 폭 또한 넓어진다.
- 중심별의 질량이 크면 무조건 좋은 것은 아니다. 질량이 크다는 것은 별의 수명이 짧다는 것을 의미한다.
2) 에너지원의 지속성
- 중심별의 에너지(=에너지원)가 오랫동안 지속 되어야 생명체가 살기 적합한 환경이다.
① 별의 질량(M) ∝ 별의 온도(T) ∝ 별의 광도 ∝ (생명가능지대의) 거리와 폭 ∝ 1/별의 수명
| - 질량이 너무 큰 중심별 : 별의 온도가 높아 수소의 연소율이 높으므로 광도가 커진다. 다만, 수명이 짧아지기 때문에 중심별 주의 행성들에서 생명체가 충분히 진화 할 시간 확보가 안 된다.(→ 에너지원의 지속성이 낮음) |
| - 질량이 너무 작은 중심별 : 생명가능지대가 너무 가까이 형성되기 때문에 중심별의 영향을 받아 자전주기가 느려져 결국 공전주기와 자전주기가 같아지는 현상이 발생한다.(동주기자전이 발생) (→ 밤과 낮의 변화가 없음) |
3) 적당한 조성과 두께를 가진 대기
① 생명체가 필요한 기체를 공급
② 적절한 온도 유지(H₂O 중에서 수증기는 온실효과를 일으킨다.)
③ 외부로부터 오는 자외선 및 우주선을 차단
4) 지구 자전축 경사의 안정성
- 지구의 자전축이 기울어진 상태(약 23.5˚)로 지구가 공전하기 때문에 계절의 변화가 발생한다.
→ 지구 자전축은 약 41000년을 주기로 기울어진 각도가 21.5˚~24.5˚를 오르내리며 변하게 되는데, 이러한 주기는 매우 긴 편에 속하기 때문에 (안정하기 때문에) 계절의 변화가 서서히 일어나게 되어 그에 맞게 생명체가 적응 가능하다.
2. 그 밖에 지구 생명체에 영향을 주는 조건
- 태양 에너지의 공급
- 대기에 의한 온실효과
- 지구 자전축의 경사(화성도 계절의 변화가 나타난다.)
- 태양으로부터의 거리
- 지구 공전 궤도의 이심률
- 달의 인력에 의한 밀물과 썰물
- 자기장
■ 낮과 밤의 표면온도 차 : 화성 > 금성 (화성의 대기압이 낮아서 화성의 대기가 희박하다. 그러므로 화성의 온도변화가 극단적이다.)
● 정리 ●
생명체가 살 수 있는 조건
- 액체 상태의 물 → 생명 가능 지대
- 에너지원의 지속성
- 적당한 조성과 두께를 가진 대기
- 지구 자전축 경사의 안정성
2] 지구계의 형성과 진화
1. 지구계의 형성과 진화
1) 지구의 형성과 진화
- 약 46억 년 전 : 지구의 탄생
- 약 25억 년 전 : 광합성 생물(남세균류) 등장 (산소 생성)
↓ : Fe + O₂ → 산화철 (시간이 걸렸음)
- 약 10억 년 전 : 대기 중 산소 축적
- 약 6억 년 전 : 오존층 형성 + 육상생물 등장
(1) 지구의 진화과정
① 원시지구의 탄생
- 수많은 미행성들이 충돌하여 원시지구 형성
② 미구마의 바다 형성 (온도 ↑)
- 미행성들의 충돌로 인한 마찰열, 수증기 및 이산화탄소로 인한 온실효과, 방사성원소 붕괴열로 인해 지구의 온도가 매우 높아져 모든 물질이 녹아 마그마의 바다 형성
③ 맨틀과 핵의 분리 (밀도차이 발생)
- 시간이 지나면서 밀도가 큰 철, 니켈을 다량 함유한 마그마(철질 마그마)는 가라앉고, 밀도가 작은 규산염을 다량 함유한 마그마(규산염질 마그마)는 떠올라 각각 핵과 맨틀을 형성
④ 원시지각 및 원시바다 형성
- 미행성들의 충돌 횟수가 줄어들면서 온도가 낮아져 원시지각 형성
- 원시지각에서 형성된 화산활동으로 인해 산소를 제외한 다양한 기체(수증기_가장 많음, 질소, 수소, 이산화탄소, 메테인 등)들이 나와 대기를 형성
(이 중 수증기는 대기 중으로 방출되고, 응결되어 비로 내리면서 원시바다 형성)
- 화산활동으로 나온 이산화탄소는 초반에는 대기에 머무르다가 후에는 바다 속으로 녹아(용해) 탄산칼슘(=석회암, 탄산염)의 형태로 저장
- 질소는 안정성이 커서 과거와 현재의 농도가 비슷함
- 산소는 광합성 생물의 등장으로 인해 대기 중으로 나오면서 서서히 축적
■ 원시 지구의 형성 과정 : 미행성체 충돌 → 마그마의 바다 → 핵과 맨틀의 형성 → 원시 지각 형성(대기 중 수증기량 ↑) → 원시 해양 형성(대기 중 수증기량 ↓, 바다 속으로 녹아 저장되었기 때문) → 최초의 생물 출현 → 원시 광합성 생물 출현 → 대기 조성 변화(산소 증가) → 오존층 형성 → 최초의 육상생물 출현
2. 지구계를 구성하는 각 권역
1) 기권
- 지구를 둘러싸고 있는 공기충(질소 78%, 산소 21%, 아르곤 1% ...)
(1) 기권의 역할
① 온실효과(H₂O, CO₂, CH₄_메테인)를 통해 지구의 온도를 적절하게 유지
② 호흡 및 광합성에 필요한 기체 제공
③ 오존층이 있어 유해한 자외선을 차단
(2) 기권의 구조
- 높이에 따른 온도변화로 구분
① 대류권 (지표~ 높이 약 11km, 높이에 따라 기온 감소)
- 지구복사에너지에 의해 지상의 기온이 높음
- 공기 전체 질량의 75% 차지(중력의 영향)
- 대류현상 및 기상현상(수증기_무거움) 발생
② 성층권 (높이 약 11~50km, 높이에 따라 기온 증가)
- 오존층에서 자외선을 흡수하기 때문에 기온이 증가
- 오존층 존재 (유해한 자외선을 흡수하는 역할)
- 대류현상 및 기상현상이 없음 → 안정한 층 => 비행기 경로로 이용(장거리)
③ 중간권 (높이 약 50~80km, 높이에 따라 기온 감소)
- 대류현상 발생, 기상현상 없음
④ 열권 (높이 약 80km 이상, 높이에 따라 기온 증가)
- 태양과 가까워서 희박한 공기분자들이 태양복사에너지를 직접적으로 받아 기온이 증가
- 큰 일교차 발생
- 전리층 존재(전파통신에 사용, 전파 반사 능력이 있음)
- 오로라 발생 (태양풍 입자가 공기입자와 부딪혀 색을 보임)
2) 지권
- 지구를 구성하는 지각, 맨틀, 외핵, 내핵을 의미
(1) 지권의 구조
- 지진파를 통해 알아낸 속도의 차이로 구분
① 지각 (고체)
- 규산염으로 구성
- 대륙지각(두꺼움, 화강암질), 해양지각(얇음, 밀도 ↑현무암질)
② 맨틀 (유동성 있는 고체)
- 규산염으로 구성
- 지구 전체 부피의 80%(지각보다 밀도 ↑, 감람암질 암석)
- 대류운동을 하면서 지각을 움직임
③ 핵
- 철Fe, 니켈Ni로 구성
- 내핵 : 고체, 외핵 : 액체
3) 수권
- 지구상에 존재하는 물
- 해수 97.19%, 육수 2.81% (빙하 2.18%, 지하수 0.61%, 호수 및 하천 0.02%)
(1) 수권의 역할
① 물은 비열이 크기 때문에 에너지 창고 역할
② 전 지구적으로 에너지를 순환시켜 주는 역할
(2) 수권의 구조
- 깊이에 따른 온도 변화에 따라 분류
① 혼합층 (깊어질수록 수온 일정)
- 바람에 의해 혼합되는 층으로 수온이 일정
- 바람이 강할수록 혼합이 잘 되어 혼합층이 두꺼워진다. (겨울 > 여름, 중위도 > 저위도)
- 태양복사에너지를 흡수하는 층이므로 표층의 수온이 높다 (여름 > 겨울, 저위도 > 고위도)
② 수온약층 (깊이에 따라 수온 감소)
- 안정한 층으로 위아래의 물질이나 에너지 교환을 차단
③ 심해층 (깊이에 따라 수온 일정)
- 위도나 계절에 관계없이 수온이 일정
4) 생물권
- 지구상에 존재하는 모든 생물
① 최초의 산소를 만들어낸 권역
→ 최초로 광합성하는 생물(약 25억 년 전)에 의해 나온 산소들은 철을 산화하는데 사용되어 대기 중에 축적되지 못하다가 약 10억 년 전부터 축적되기 시작함. 약 6억 년 전에 오존층이 형성되고 난 후, 육지생물이 등장
5) 외권
- 지구 기권의 바깥쪽 우주공간
(1) 지구자기장과 반앨런대
① 지구자기장
- 철, 니켈로 이루어진 액체 상태의 외핵이 운동하면서 형성 (= 다이나모 이론)
② 밴앨런대
- 자기장에 붙잡히는 외부의 대전입자들이 밀집되어있는 공간 (도넛모양)
(2) 외권의 역할
① 우주로부터 오는 태양풍 및 우주선 차단
② 일부 막지 못해 새어 들어오는 (밴앨런대에서 우연히 들어온) 우주입자들이 극으로 가서 오로라 형성
3] 지구계의 순환과 상호작용
1. 지구계의 에너지원 (3가지)
1) 태양에너지 (99%)
- 태양으로부터 오는 에너지
① 생명활동의 주 에너지원
② 구름 형성, 날씨변화에 기여
③ 대기 순환 및 해수 순환을 일으켜 에너지 순환에 기여
- 저위도의 남는 에너지를 에너지가 부족한 고위도 지역으로 옮겨야 하는데, 그 역할을 대기와 해수가 한다.
2) 지구내부에너지
-방사성원소붕괴열 + 지구 안쪽에서 밖으로 흘러오는 열 (핵에서 나오는 열)
① 지진 및 화산활동을 형성
② 맨틀의 대류를 발생
③ 지열발전
3) 조력에너지
- 태양과 달의 인력에 의해 형성
① 밀물과 썰물을 형성 (조석)
② 해안 지역 침식 및 퇴적
■ 태양의 영향으로 작용하는 에너지원 : 태양에너지, 조력에너지
2. 물의 순환
① 주된 에너지원 : 태양 복사 에너지
② 에너지를 고루 순환시켜 주는 역할
③ 각 영역에서 유입 및 유출량은 같으므로 물의 총량은 일정
④ 육지는 증발량 < 강수량, 해양은 증발량 > 강수량
3. 탄소의 순환
1) 탄소 (지구 전체 탄소량 일정)
- 지구의 생명현상을 지속시키는 기본적인 원소
- 모든 생물체의 기본 구성
| 생물권 | 기권 | 지권(가장 많음) | 수권 |
| 유기화합물 | 이산화탄소 | - 탄산칼슘(석회암, 탄산염, CaCO₃) - 화석연료(석유, 석탄) |
탄산 이온(HCO₃^-, CO₃, ...) |
2) 탄소의 순환과정 (2가지)
(1) 이산화탄소(CO₂)가 해수에 용해되어 탄산이온(HCO₃^-, CO₃^2-)의 형태로 저장. 이후, 용해된 탄산이온이 탄산염(CaCO₃)으로 저장되거나 해양 생명체가 흡수하고 죽어서 가라앉아 탄산염으로 저장. 결과적으로 지권의 탄산염으로 저장된 탄소는 맨틀의 대류로 인해 지구 내부로 이동하게 되고, 이들이 다시 화산활동을 통해 이산화탄소(CO₂)의 형태로 대기에 분출
(2) 화산활동을 통해 대기 중 이산화탄소(CO₂)로 분출되어 광합성을 통해 식물이 흡수, 흡수한 식물이 죽어서 지권에 묻혀 화석연료(석유 및 석탄)의 형태로 저장. 인산의 활동에 의해 대기 중으로 다시 방출
(3) 탄소 순환의 특징
① 산업혁명 이후, 화석연료 사용량의 급증으로 인해 탄소 순환에 불균형이 발생
- 대기 중 이산화탄소의 양이 급증 → 화석연료 량 ↓ (지권 ↓, 기권 ↑)
② 해수의 수온이 낮을수록 탄소의 용해도가 높다
- 지구온난화에 의해 수온이 상승하면, 해수 중 탄소의 방출량 증가
→ 수온 ∝ 1/탄소의 용해도
4. 지구계의 상호작용
| 근원 ＼ 영향 | 기권 | 수권 | 지권 | 생물권 |
| 기권 | 기단과의 상호작용 | 표층해류, 강수, 엘니뇨, 기체의 용해 | 풍화작용, 침식, 운반, 퇴적 | 종자와 포자의 이동, 호흡, 광합성 |
| 수권 | 증발, 태풍, CO₂ 방출 | 심층순환, 해수 혼합 | 석회암, 석회동굴, 침식 | 서식처 제공, 물과 염류 공급 |
| 지권 | 화산, 화석연료 연소 | 지진해일, 지권의 물질 용해 | 판의 운동, 대륙이동 | 서식처 제공, 양분 공급 |
| 생물권 | 증산, 호흡, 광합성 | 부패물질의 이동, 수중생물의 광합성 | 화석연료 및 석회암 형성, 토양 생성 | 먹이사슬 |
■ 화석 : 생물권 <-> 지권