지구의 형성 및 원시 대기

태양계는 약 46억 년 전, 거대한 분자 구름의 일부가 중력에 의해 수축하면서 형성되기 시작했다. 이 가설은 태양 성운 가설로 알려져 있으며, 현재 태양계 형성에 관한 가장 널리 받아들여지는 표준 모델이다. 수축하는 구름은 각운동량 보존 법칙에 의해 빠르게 회전하는 원반, 즉 태양 성운으로 평탄해졌다. 원반의 중심부는 밀도와 온도가 급격히 상승하여 원시 태양이 되었고, 주변의 가스와 먼지 원반은 행성 형성의 재료가 되었다.

원시 태양 주변의 원반 내에서는 미세한 먼지 입자들이 서로 충돌하고 응집하여 점차 크기가 커지는 과정이 일어났다. 이 과정을 강착이라고 한다. 수 센티미터에서 수 미터 크기의 자갈부터 시작하여, 결국 수 킬로미터 크기의 미행성체로 성장했다. 이 미행성체들은 중력적으로 서로를 끌어당겨 더 큰 천체를 형성하는 기반이 되었다.

태양 성운 내 물질의 분포와 응집 과정은 태양으로부터의 거리에 따라 달라졌다. 태양에 가까운 내태양계 지역은 고온으로 인해 휘발성 물질(얼음, 가스 등)이 증발하여 남은 비휘발성 암석 물질(규산염, 금속)이 주를 이루었다. 이로 인해 지구와 같은 암석 행성이 형성되었다. 반면, 태양에서 먼 외태양계 지역은 저온으로 인해 휘발성 물질이 얼음 형태로 풍부하게 존재할 수 있어, 목성과 같은 거대 가스 행성의 핵을 빠르게 형성할 수 있었다.

태양 성운 가설은 다음과 같은 주요 관측 증거에 의해 지지받는다.

이 가설은 18세기 이마누엘 칸트와 피에르시몽 라플라스에 의해 처음 제안되었으며, 이후 관측과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 정교하게 발전해 왔다.

태양 성운 내부에서 미행성체들은 서로의 중력에 의해 끌어당겨지며 충돌과 병합을 반복했다. 이 과정은 원시 지구의 성장을 이끈 주요 기제였다. 초기에는 작은 입자들이 응집하여 수 킬로미터 크기의 미행성체를 형성했고, 이후 이들의 충돌은 점점 더 격렬해졌다.

충돌 에너지는 열로 전환되어 원시 지구의 온도를 상승시켰다. 특히, 마르스 크기 정도의 거대 천체가 원시 지구에 충돌하여 달을 형성한 사건은 지구의 각운동량과 초기 상태에 결정적인 영향을 미쳤다[1]. 이러한 대규모 충돌들은 지구를 거의 완전히 용융 상태로 만들었다.

미행성체의 충돌과 성장은 단순한 크기 증가뿐 아니라 물질의 분화를 촉진했다. 무거운 원소들, 주로 철과 니켈은 중력에 의해 가라앉아 핵을 형성하기 시작했고, 비교적 가벼운 규산염 물질은 상부에 남아 맨틀과 지각의 재료가 되었다. 이 시기의 충돌 빈도와 규모는 시간이 지남에 따라 점차 감소했다.

이러한 과정을 통해 지구는 약 1억 년에 걸쳐 현재 질량의 대부분을 확보하게 되었다. 충돌 과정에서 공급된 휘발성 물질은 이후 원시 대기와 원시 해양 형성의 기초가 되었다.

지구의 내부 구조가 핵, 맨틀, 지각으로 분화된 과정은 지구 형성 초기의 열적 사건과 밀접하게 연관되어 있다. 미행성체의 충돌과 방사성 동위원소의 붕괴로 발생한 막대한 열은 초기 지구를 거의 완전히 용융된 상태, 즉 마그마 바다로 만들었다. 이 고온의 용융 상태에서 무거운 원소들은 중력에 의해 중심으로 가라앉고, 가벼운 원소들은 위로 떠오르는 중력 분화가 일어났다.

주로 철과 니켈로 구성된 무거운 물질은 지구 중심부로 모여 핵을 형성했다. 이 과정은 비교적 빠르게 진행되었으며, 핵의 형성은 지구 자기장을 생성하는 데 결정적인 역할을 했다. 상대적으로 가벼운 규산염 광물들은 핵을 둘러싸는 맨틀을 이루었다. 가장 가벼운 물질들은 최외곽에서 냉각되어 고체 지각을 형성하기 시작했다.

분화 과정은 일회성 사건이 아니라 단계적으로 진행되었다. 최초의 원시 지각은 현대의 대륙 지각과는 성질이 매우 달랐을 것으로 추정된다. 아래 표는 지구 내부 층상 구조의 주요 특징을 요약한 것이다.

이러한 층상 구조의 형성은 지구의 지질 활동, 즉 판 구조론, 화산 활동, 지진의 근본적인 원인이 되었다. 또한, 맨틀 대류는 표면의 지각을 재순환시키고, 액체 외핵의 대류는 지구 다이너모를 유지하여 자기장을 생성한다. 이 자기장은 태양풍으로부터 지구를 보호하는 중요한 방패 역할을 했다.

미행성체의 충돌과 중력 수축, 그리고 방사성 동위원소의 붕괴열로 인해 원시 지구는 상당한 열을 축적했다. 이로 인해 지구 내부는 광범위하게 용융되어 거대한 마그마 바다가 형성되었다. 이 마그마 바다는 지구 표면 전체 또는 대부분을 덮는 거대한 용암의 바다였다.

마그마 바다 단계에서 중요한 분화 과정이 일어났다. 무거운 원소들, 주로 철과 니켈은 중력에 의해 가라앉아 중심부로 모여 지구핵을 형성했다. 반면, 비교적 가벼운 규산염 광물들은 위로 떠올라 맨틀을 이루었다. 이 과정은 지구 내부의 열적 대류를 촉발시켰다.

마그마 바다는 점차 냉각되기 시작했고, 표면부터 고체화되어 최초의 지각의 싹이 되었다. 그러나 이 초기 지각은 매우 불안정했으며, 아래의 뜨거운 맨틀 대류와 계속되는 운석 충돌로 인해 쉽게 재용융되거나 파괴되었다. 마그마 바다의 냉각과 고화는 수천만 년에 걸쳐 진행된 것으로 추정된다.

이 시기의 물리적 상태는 지구의 후속 진화에 결정적인 영향을 미쳤다. 맨틀 대류의 시작은 판 구조론의 기초를 마련했으며, 핵의 형성은 지구 자기장을 생성하는 원동력이 되었다. 또한, 마그마 바다에서 방출된 다양한 휘발성 물질들은 원시 대기의 주요 공급원이 되었다.

지구의 원시 대기는 행성이 물리적으로 형성되는 과정에서 내부로부터 방출된 휘발성 물질들로 구성되었다. 이 방출 과정을 탈기라고 부른다. 원시 지구가 미행성체들의 충돌과 병합을 통해 성장하던 시기, 강력한 충돌 에너지는 지구 표면을 반복적으로 용융시켰다. 또한, 방사성 동위원소의 붕괴와 중력 에너지의 방출로 인해 지구 내부는 점점 더 뜨거워졌다. 이로 인해 지구는 초기에 거대한 마그마 바다 상태에 있었다.

이러한 고온의 용융 상태에서, 지구를 구성하는 물질에 갇혀 있던 휘발성 원소와 화합물들이 방출되었다. 주요한 탈기 경로는 화산 활동과 마그마의 탈기였다. 마그마가 상승하여 압력이 낮아지면, 그 속에 녹아있던 가스 성분들이 거품을 이루며 빠져나왔다. 이 과정을 통해 방출된 주요 물질들은 다음과 같다.

이러한 가스들은 지구 표면으로 방출되어 원시 대기를 형성했다. 특히, 수증기와 이산화탄소는 매우 풍부하게 존재했으며, 이는 이후 원시 해양 형성과 탄산염-규산염 순환의 기초를 마련했다. 탈기 과정은 지구의 물리적 형성이 어느 정도 안정된 후에도 수십억 년에 걸쳐 지속적으로 진행되어, 오늘날의 대기와 해양 성분을 공급하는 데 결정적인 역할을 했다.

원시 지구의 초기 대기는 주로 태양 성운에서 유래한 가벼운 기체들로 구성되었다. 이 대기의 주요 성분은 수소(H₂)와 헬륨(He)이었으며, 이들은 우주에서 가장 풍부한 원소들이다. 또한 암모니아(NH₃), 메탄(CH₄), 수증기(H₂O), 그리고 소량의 아르곤과 네온 같은 비활성 기체도 포함되었다[3]. 이 대기는 지구가 미행성체들로부터 물질을 강착하는 과정에서 포획된 것으로, 매우 두껍고 환원성 환경을 이루었다.

초기 대기의 구체적인 조성은 정확히 알려져 있지 않으나, 태양 성운 가설과 운석 분석, 그리고 다른 태양계 천체들의 대기를 참고하여 추정한다. 아래 표는 추정되는 주요 성분과 그 특징을 요약한 것이다.

이러한 초기 대기는 오래 지속되지 못했다. 지구의 중력이 상대적으로 약하고, 당시 강력했던 태양풍과 자외선 복사에 의해 가벼운 기체인 수소와 헬륨은 우주 공간으로 빠르게 날아가버렸다. 이 과정을 대기 탈출이라고 한다. 결과적으로, 이 1차 원시 대기는 지구 역사의 매우 초기 단계에서 소실되었고, 이후 지구 내부에서 방출된 가스들에 의해 완전히 새로운 2차 대기가 형성되는 기반이 되었다.

지구가 형성된 직후 존재했던 첫 번째 대기는 주로 태양 성운에서 유래한 가벼운 기체들, 즉 수소와 헬륨으로 구성되어 있었다. 이 대기는 행성의 중력에 의해 붙잡혔지만, 그 당시 지구의 중력은 상대적으로 약했고, 특히 젊은 태양에서 방출되는 강력한 태양풍과 자외선 복사에 지속적으로 노출되었다.

태양풍은 하전 입자들의 흐름으로, 이 흐름은 원시 지구 대기의 상층부 기체 분자들에 에너지를 전달했다. 이 과정에서 많은 수소와 헬륨 원자들이 지구의 중력을 이겨내고 우주 공간으로 탈출했다. 이 현상을 대기 탈출이라고 부르며, 특히 가벼운 기체일수록 탈출하기 쉬웠다. 또한 강한 자외선 복사는 기체 분자를 이온화하거나 높은 열 에너지를 부여하여 탈출을 가속화했다.

결과적으로, 이 첫 번째 원시 대기는 지질학적 시간尺度로 볼 때 매우 짧은 기간 내에 대부분 소실되었다. 이 소실 과정은 지구가 이후 형성할 두 번째 대기의 기반을 마련하는 중요한 전환점이 되었다. 첫 번째 대기가 남아 있었다면, 지구의 대기 환경은 목성이나 토성과 같은 가스 행성과 유사한 상태로 남아 생명체 탄생에 부적합했을 가능성이 크다.

이러한 대기 소실 이후, 지구 내부의 화산 활동 등에서 방출된 가스들이 새로운 대기, 즉 2차 대기를 형성하기 시작했다.

태양풍에 의해 초기의 가벼운 대기가 날아간 후, 지구의 대기는 주로 내부에서 방출된 가스들로 다시 채워졌다. 이 과정을 통해 형성된 대기를 2차 대기라고 부른다. 2차 대기의 주요 공급원은 지구 내부의 활발한 지질 활동, 특히 화산 활동이었다. 지구 내부가 냉각되면서 맨틀 대류가 시작되었고, 이는 맨틀 물질의 부분 용융을 일으켜 화산을 통해 수많은 휘발성 물질을 표면으로 방출했다.

화산 가스의 주요 성분은 수증기(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 질소(N₂), 황화수소(H₂S), 일산화탄소(CO), 염화수소(HCl) 및 소량의 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃) 등이었다. 이 가스들은 탈기 과정을 통해 지구 내부에서 유래했다. 당시의 대기는 산소가 거의 없었으며, 현재와는 완전히 다른 환원성 대기였다. 높은 농도의 이산화탄소는 강한 온실 효과를 일으켜, 당시 약했던 태양 복사에도 불구하고 지표 온도를 물이 액체로 존재할 수 있는 수준으로 유지하는 데 기여했다.

2차 대기의 조성은 시간이 지남에 따라 변화했다. 수증기는 응결되어 원시 해양을 형성했고, 대기 중 이산화탄소는 해수에 용해되거나 규산염 광물과 반응하여 탄산염 광물로 고정되기 시작했다. 이로 인해 대기 중 이산화탄소 농도는 점차 감소했다. 반면, 화학적으로 불활성한 질소는 대기 중에 축적되기 시작하여 점차 주요 성분으로 자리 잡았다. 이 시기의 대기는 생명의 출현을 위한 전제 조건을 마련했다.

지구 표면이 충분히 냉각되면서, 대기 중의 수증기가 응축하여 최초의 강우가 시작되었다. 이 과정은 지구 형성 후 약 1억 년에서 2억 년 사이에 일어난 것으로 추정된다. 뜨거운 화산 가스로 방출된 수증기는 초기 대기를 구성하는 주요 성분 중 하나였으며, 표면 온도가 응결점 이하로 떨어지면서 액체 상태의 물로 변하기 시작했다.

초기 강우는 지표를 적시기보다는 뜨거운 암석 표면에 닿자마자 다시 증발하는 사이클을 반복했을 가능성이 높다. 그러나 지속적인 냉각과 강우가 이어지면서, 지표의 낮은 지형에 물이 고이기 시작했고, 이는 최초의 원시 해양을 형성하는 기반이 되었다. 이 단계의 강수는 오늘날의 비와는 달리 매우 산성일 수 있었는데, 대기 중에 풍부했던 염화수소, 황화수소 등의 가스가 녹아 들어갔기 때문이다.

이러한 응축과 강우 과정은 단순히 물을 공급하는 것을 넘어, 지표의 화학적 풍화를 촉진하고 용해 및 침전 작용을 통해 해양과 대기의 조성을 서서히 변화시켰다. 또한, 물의 순환은 지구의 열 균형을 조절하는 중요한 역할을 시작하게 되었다.

초기 바다는 지구의 물리적·화학적 과정이 종합적으로 작용하여 형성된 독특한 화학적 환경을 지녔다. 이 바다는 오늘날의 바다와는 근본적으로 다른 성질을 가지고 있었으며, 그 구성은 주로 화산 활동을 통해 대기 중으로 방출된 다양한 가스들이 응축되어 생성된 강우와, 지표를 구성하는 암석과의 상호작용에 의해 결정되었다. 초기 해수는 염화수소, 플루오린화 수소 같은 강산성 가스가 녹아들어 강한 산성을 띠었을 것으로 추정된다. 이러한 산성 조건은 지각을 구성하는 규산염 광물과 반응하여 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘 등의 양이온을 용출시켰다.

양이온의 용출과 더불어, 염소, 브로민, 황 같은 음이온은 주로 화산 가스에서 기원했다. 특히 염소는 염화수소 형태로 대기에 풍부하게 존재했으며, 이는 해수에 녹아 염화물 이온의 주요 공급원이 되었다. 시간이 지남에 따라 산성 해수는 규산염 광물과의 반응을 통해 중화되었고, 용해된 이온들의 농도가 점차 증가하여 오늘날 바닷물의 특성에 가까워져 갔다. 그러나 초기 해양은 아직 현대 해양처럼 높은 염분 농도를 갖추지 못한 상태였다.

초기 바다의 화학적 성질을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하는 것은 대양 지각을 구성하는 현무암과 같은 고대 암석의 기록이다. 또한, 호주의 질록 산맥에 분포하는 약 35억 년 전의 쇄설성 침전물은 당시 이미 액체 상태의 물이 존재했음을 보여준다. 이 퇴적암 내부의 화학적 퇴적물을 분석한 결과, 초기 해수가 나트륨과 칼륨 이온은 상대적으로 적고, 칼슘과 철 이온은 더 풍부한 특이한 이온 조성을 가졌을 가능성이 제기되기도 한다.

이러한 화학적 조건, 특히 산소가 없는 환원성 환경과 다양한 무기물의 존재는 후에 생명의 기원에 필요한 유기 화합물 생성 및 축적에 중요한 장을 제공했다. 초기 해양은 단순한 염수 덩어리가 아니라, 지구의 지질학적·대기적 진화와 생명 탄생의 무대가 된 역동적인 화학 시스템이었다.

광합성을 수행하는 생명체의 출현은 지구 대기 조성에 근본적인 변화를 가져왔다. 약 35억 년에서 27억 년 전 사이에 나타난 시아노박테리아와 같은 초기 광합성 생물은 태양 에너지를 이용하여 물과 이산화탄소로부터 유기물을 합성하면서 부산물로 산소를 대기 중으로 방출하기 시작했다[8]. 이 과정은 초기에 생성된 산소가 해수에 용존된 철 이온과 반응하여 캐나다의 슈퍼오어 크랫론이나 호주의 해머슬리 분지와 같은 지역에 광대한 밴드형 철광층을 형성시키는 결과를 낳았다. 이 철광층은 대기로 방출된 산소가 즉시 광물과 화학적으로 결합하여 제거되었음을 보여주는 결정적인 지질학적 증거이다.

초기에는 광합성에 의해 생성된 산소가 해양과 지각의 환원성 물질(철, 황 등)에 의해 빠르게 소모되었기 때문에 대기 중 산소 농도는 현저히 낮은 수준에 머물렀다. 이 시기를 '산소 위기' 또는 '산소 재앙'이라고도 부르며, 당시의 혐기성 생물에게 산소는 독성 물질에 가까웠다. 그러나 시간이 지남에 따라 해양과 육지의 환원성 물질이 대부분 산화되자, 광합성에 의해 지속적으로 방출되는 산소가 더 이상 완전히 소모되지 않고 대기 중에 점차 축적되기 시작했다.

이러한 산소 축적은 약 24억 년 전에 일어난 대산소사건으로 이어져 대기 중 산소 농도가 급격히 상승하는 전환점을 마련했다. 이 사건은 광합성 생물의 번성과 함께 지구의 화학적 환경이 변화한 결과였다. 산소 농도 증가는 생물권에 혁명적인 영향을 미쳐, 효율적인 산소 호흡을 하는 진핵 생물의 출현과 다양화를 가능하게 하는 동시에, 대기 상층부에 오존층이 형성되어 지표면에 도달하는 유해한 자외선을 차단하는 중요한 역할을 하게 되었다.

약 24억 년에서 22억 년 전 사이에 일어난 대산소사건은 지구 대기의 구성과 지구 생태계에 근본적인 변화를 가져온 사건이다. 이 사건은 광합성을 수행하는 남세균과 같은 초기 생명체의 번성으로 인해 대기 중에 산소가 급격히 축적되기 시작하면서 발생했다. 그 이전의 대기는 주로 질소, 이산화탄소, 메테인, 수증기 등으로 이루어진 환원성 대기였으나, 이 사건을 계기로 산화성 대기로 전환되었다.

대산소사건의 직접적인 증거는 대륙괴에서 발견되는 띠철광층의 형성과 소멸에서 찾을 수 있다. 띠철광층은 해수에 용해된 이온 상태의 철이 산소와 반응하여 불용성의 산화철로 침전되어 형성된 퇴적층이다. 약 18억 년 전을 기점으로 이러한 퇴적층의 형성이 급격히 줄어들었는데, 이는 해양에 용해되어 있던 철이 모두 산화되어 침전되었고, 이후 대기와 해양에 자유 산소가 남아 있게 되었음을 시사한다[9]. 또한, 적색층과 같은 산화 환경에서 형성되는 퇴적암의 출현도 대기 중 산소 증가를 지시하는 중요한 지질학적 기록이다.

이 산소의 급증은 당시 존재하던 대부분의 혐기성 생물에게는 치명적인 환경 변화였다. 자유 산소는 그들에게 독성이 강했기 때문에 대량 멸종을 초래했을 것으로 추정된다. 반면, 산소를 이용하는 효율적인 에너지 생산 방식인 호흡을 가능하게 했으며, 이는 보다 복잡한 진핵생물의 등장과 진화에 결정적인 계기를 제공했다. 또한, 대기 중 산소가 증가하면서 오존층이 형성되기 시작했고, 이는 지표에 도달하는 유해한 자외선을 차단하여 생명체가 육상으로 진출할 수 있는 환경적 토대를 마련했다.

대산소사건은 생명 활동이 지구 전체의 화학적 환경을 근본적으로 바꿀 수 있음을 보여주는 최초의 사례이다. 이 사건은 생물권과 대기권, 수권, 암석권이 서로 긴밀하게 상호작용하는 지구 시스템 과학의 핵심 개념을 잘 설명한다.

지질학적 기록은 지구 초기 역사를 연구하는 가장 직접적인 증거를 제공한다. 가장 오래된 암석인 지르콘 결정은 약 44억 년 전까지 거슬러 올라가며, 이 결정 내부의 산소 동위원소 비율 분석을 통해 당시에 이미 액체 상태의 물이 존재했음을 시사한다[11]. 또한 그린스톤 벨트와 같은 고대의 퇴적암 층은 원시 해양의 존재와 초기 퇴적 작용을 입증한다.

화석 기록은 생명체의 출현과 대기 변화를 연결 짓는 결정적 단서가 된다. 스트로마톨라이트는 약 35억 년 전의 것으로 추정되는 가장 오래된 생물학적 구조물 중 하나로, 광합성을 하는 시아노박테리아의 군집체이다. 이들의 광합성 활동은 대기 중 산소 농도를 서서히 증가시키는 원동력이 되었다. 대산소사건 직전 시기의 대철층 형성은 해수에 용해되어 있던 이산화철이 산소와 반응하여 침전된 결과로, 대기 중 산소 농도 증가의 간접적 증거로 해석된다.

연구자들은 다양한 지질학적 표지자들을 종합하여 대기 조성의 변화를 재구성한다.

이러한 기록들은 지구 대기가 환원성 상태에서 산화성 상태로 변모하는 장구한 과정을 보여준다. 최근 연구는 더 정교한 동위원소 분석 기술과 미세 화석 분석을 통해 생명체와 대기, 해양 간의 복잡한 상호작용을 더욱 세밀하게 파악하고 있다.

운석, 특히 콘드라이트 운석은 태양계 초기 물질의 조성을 보존하고 있어 지구 형성 연구의 중요한 기준점을 제공한다. 이 운석들은 태양 성운에서 응축된 최초의 고체 물질로 간주되며, 지구와 다른 행성들의 구성 물질 원형에 가깝다. 과학자들은 운석 내 방사성 동위원소의 비율과 희토류 원소 패턴을 분석하여 지구 물질의 기원과 응집 시기를 추정한다. 또한 운석 내에 포획된 고령의 광물 입자는 태양계 형성 직후의 조건에 대한 직접적인 증거가 된다.

컴퓨터 모델링은 이러한 물리적 증거들을 통합하고 지구 형성의 역학적 과정을 재구성하는 핵심 도구이다. N체 시뮬레이션은 미행성체들의 충돌과 병합 과정을 모의하여 행성 성장의 타임라인과 메커니즘을 제시한다. 또한 유체역학 모델은 거대 충돌 사건[12]의 결과나 마그마 바다의 냉각, 핵-맨틀 분화 과정에서의 원소 분배를 계산한다. 대기 진화 연구에서는 광탈기 모델을 통해 태양풍에 의한 초기 대기 소실 속도를, 그리고 화학 평형 계산을 통해 화산 가스로부터 2차 대기가 형성되는 과정을 시뮬레이션한다.

이 두 방법론은 상호 보완적으로 활용된다. 운석 분석으로 얻은 화학적 및 동위원소적 제약 조건들은 컴퓨터 모델의 초기 입력값과 결과 검증의 기준으로 사용된다. 반대로, 모델링을 통해 도출된 가설, 예를 들어 특정 원소가 지구 핵으로 얼마나 침강했을지에 대한 예측은 운석 데이터와의 비교를 통해 검토된다. 최근에는 고해상도 모델과 정밀한 운석 분석 데이터의 결합을 통해 지구의 물과 휘발성 물질의 기원에 대한 논의[13]가 더욱 심화되고 있다.