지구 핵에서 희귀 동위원소 헬륨가스 누출

2022. 4. 4. 17:55지식인/과학,우주

원시 가스를 누출시키고 있는 지구의 핵

 

"지구는 살아있다"

라는 다큐멘터리를 재미있게 보았던 기억이 납니다.

지난 3월말 과학계에서는 미스터리 지구에 대한 중대한 발표가 있었습니다.

최근 지구 핵에서 희귀 동위원소인 헬륨 가스가 누출되고 있다는 연구 발표입니다. 

수십억 년을 거쳐 변해오는 지구는 여전히 밝혀지지 않은 미스터리입니다.

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빅뱅에서 만들어진 동위 원 소

 

 

지구는 수십억 년에 걸쳐 변했지만 행성의 기원은 여전히 ​​미스터리로 남아 있습니다.

빅뱅 직후 생성된 극히 희귀한 유형의 헬륨이 지구의 금속 코어에서 누출되고 있으며 

헬륨-3이라고 불리는 이 가스의 대부분은 약 138억 년 전 빅뱅 발생 직후에 생성되었을 것으로 보고 있습니다. 

 

또한 지구 핵에는 헬륨-3의 동위원소가 다량 저장되어 있을 가능성이 있다는 증거이며 

이로 인해 지구는 태양 성운 내부에서 형성되었다는 생각을 뒷받침하는 증거라고 연구원들은 말합니다

 

헬륨-3는 지구 상에서 헬륨의 0.0001%를 차지하는 희소 가스입니다.

이것은 수소의 희귀 방사성 동위 원소인 삼중수소의 방사성 붕괴와 같은 다양한 과정에서 비롯됩니다.

그러나 헬륨은 우주에 존재하는 최초의 원소 중 하나이기 때문에 대부분의 헬륨-3은 빅뱅에서 나온 것입니다.

지구 과학자계에서는  매년 지구 내부에서 약 4.4파운드(2kg)의 헬륨-3가 누출되고 있다는 것을 이미 알고 있었으며

대부분이 지각판이 만나는 중앙 해령 시스템을 따라 나온다고 밝혔습니다.  

그러나 과학자들은 지구 핵에서 나온 헬륨-3의 양이 얼마인지 

그리고 핵에 저장되어 있는 이 가스 양이 얼마인지는 알지 못합니다. 
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지구 형성과정이 밝혀지나?

 

20세기 후 과학의 발전은 눈부시게 진화했지만 여전히 지구에 대한 미스터리는 풀리지 않습니다. 

지구 핵에서 누출되는 헬륨- 3로 지구는 가스농도가 높은 태양 성운에서 형성되었음을 나타냅니다. 

 

조사연구팀은 고대 형성된 이 헬륨-3의 풍부도를 조사하고, 40억 년 전 화성 크기의 거대한 물체와 지구가 충돌하면서 달이 탄생했다고 생각했습니다. 

이 사건으로 지구의 지각을 녹이고 지구 내부 핵에 있던 헬륨이 누출할 수 있게 되었다는 이론입니다. 
 

그러나 지구는 그 당시에 모든 헬륨-3을 잃지 않았습니다. 

여전히 스며 나오는 희귀 가스를 보면 아직도 핵에는 가스 저장고가 있음을 알 수 있고

지구의 시스템은 지구가 외부의 큰 충격과 지각판 변동 같은 흔들림에도 대체적으로 덜 취약함을 보여주며

지구의 핵은 가스의 저장장소로 좋은 위치입니다.   

 

 

연구원들은 현대 헬륨-3 누출률을 계산한 결과  220억 파운드(10 테라 그램)에서 2조 파운드(1 펜타그램)의 헬륨-3이 핵에 저장되어 있을 것으로 예상하며

이렇게 많은 양으로 보야 지구가 가스농도가 높은 태양 성운에서 형성되었음을 말한다고 발표했습니다.

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 지구와 태양의 관계 

  


지구 상의 헬륨은 두 가지 안정 동위 원소로 제공됩니다. 지금까지 가장 흔한 것은 2개의 양성자와 2개의 중성자를 포함하는 핵을 가진 헬륨-4입니다. 헬륨-4는 지구상의 모든 헬륨의 약 99.99986%를 차지합니다.

지구 헬륨의 약 0.000137%를 차지하는 다른 안정 동위원소는 2개의 양성자와 1개의 중성자를 포함하는 헬륨-3입니다.

헬륨-4는 주로 여기 지구에서 만들어진 우라늄과 토륨의 방사성 붕괴의 산물입니다. 대조적으로, 헬륨-3은 빅뱅 직후에 형성되는 대부분 원시적이지만 삼중수소의 방사성 붕괴에 의해 생성될 수도 있습니다.

헬륨-3 동위원소는 대부분 중부 화산 능선 시스템을 따라 지구 내부에서 누출되는 것으로 감지되어 지각을 탈출하는 속도에 대한 좋은 지표를 제공합니다.

그 비율은 연간 약 2,000그램(4.4파운드)입니다. 뉴멕시코 대학의 지구 물리학자인 Peter Olson은 "책상 크기의 풍선을 채울 수 있는 정도"라고 설명합니다.

"이 동위원소가 지구 내부에 여전히 상당량 존재한다는 것은 자연의 경이이자 지구의 역사에 대한 단서입니다."

덜 명확한 것은 출처입니다. 맨틀에 있는 헬륨-3의 양과 코어에서 나오는 헬륨-3의 양.

이것은 우리에게 동위 원소의 출처를 알려줄 것입니다. 

 

지구가 형성될 때, 새로 태어난 태양 주위를 떠다니는 먼지와 가스에서 물질을 축적함으로써 동위원소가 지구 핵에 결합되었으며

이 동위 원소가 지구 내부에 상당 양 존재한다는 증거이며 지구의 역사를 밝히는 중요 단서가 될 것입니다.   

 

상당한 양의 헬륨-3가 지구 행성 핵 내부에 있을 수 있는 유일한 방법은 그것이 번성하는 성운에서 형성되었을 때뿐입니다.  

 

원시 행성이 형성되면서 헬륨이 축적되고 통합되는 과정에 형성된 것입니다. 
 
천문학자들은 이 물질이 핵에 형성 과정이 화성 크기의 물체가 아주 어린 지구에 부딪혀 파편이 지구의 궤도로 날아가게 하고 결국 재결합하여 달을 형성할 때라고 말을 합니다.
지구 핵 코어는 충격에 영향을 덜 받으며 헬륨-3을 유지하는 데 매우 효과적인 저장소가 될 수 있음을 시사합니다.
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태양 성운에서만 만들어지는 헬륨-3

 

 
헬륨-3은 비교적 소량으로 지표면에서 측정되었습니다. 

그러나 과학자들은 여전히 맨틀이라고 하는 지구 중간층이 아닌 핵에서 얼마나 많은 양이 누출되고 있는지 알지 못합니다.  

새로운 연구는 헬륨-3의 주요 공급원은 오직 지구 핵뿐으로 규정하고 있습니다.

일부 자연에서의 이 가스는 중수소의 방사성 붕괴와 같은 과정을 통해 생성할 수 있지만

헬륨-3은 주로 우주가 생성되던 초기의 원소이기 때문에 대부분이 태양 성운에서 만들어집니다.

때문에 헬륨-3은 빅뱅까지 거슬러 올라갈 수 있습니다.

 

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