지구물리학(딥 앤 베이직(Deep & Basic) 시리즈 6)

"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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윌리엄 로리 William Lowrie
스코틀랜드 출신의 저명한 지구물리학자. 1974년부터 2004년에 퇴임할 때까지 30여 년간 스위스의 취리히 연방공과대학의 지구물리학 교수로 재직했고, 유럽지구과학회 회장(1987~1989)과 미국지구물리학회 추천위원회 위원(1998~2010)을 지냈다. 그의 연구는 자성을 띤 오래된 암석에서 장기간에 걸친 지구 자기장 변화를 해석하는 데 뛰어난 성과를 올렸으며, 지구의 지질 구조와 관련 된 다양한 의문점을 풀어내는 데도 크게 기여했다.
135편의 과학 논문을 집필했으며, 저서로는 《지구물리학의 기초》(케임브리지대학 출판부, 2007년 제2판)와 《학생들을 위한 지구물리학 방정식 안내서》(케임브리지대학 출판부, 2011년) 등이 있다.