지구 ()

과학기술
개념
인류가 살고 있는 천체로 태양으로부터 세 번째 궤도를 도는 행성.
내용 요약

지구는 인류가 살고 있는 천체로 태양으로부터 세 번째 궤도를 도는 행성이다. 인류가 사는 천체로 달을 위성으로 가지고 있다. 대기권, 수권, 암석권 및 내권으로 나눌 수 있다. 우리나라에서 지구라는 용어는 김만중의 『서포만필』(1687)에서 처음 보인다. 김석문, 이익 등은 지구가 둥글다는 ‘지원설’을 설명했다. 홍대용은 지구가 둥글 뿐만 아니라, 스스로 돈다는 지전설을 『의산문답』(1766)에서 서술했다. 최한기는 『지구전요』(1857)에서 태양 둘레를 공전하는 하나의 행성으로서 지구를 다루고 있다.

정의
인류가 살고 있는 천체로 태양으로부터 세 번째 궤도를 도는 행성.
개설

인류가 사는 천체로 을 위성으로 가지고 있으며, 우리가 살고 있는 땅덩어리로 태양계에 속하는 행성 중 하나이다. 지구는 태양에서 볼 때 세 번째 행성으로 금성보다는 바깥에서, 화성보다는 안쪽에서 태양 둘레를 돌고 있다. 이러한 운동을 공전(公轉)이라 하는데, 위에서 내려다보았을 때 시계 반대방향으로 돌고 있다.

지구의 평균 공전속도는 29.8km/s인데 계절에 따라 변한다. 그 이유는 지구가 타원궤도로 공전하며, 요하네스 케플러(Johannes Kepler, 1571~1630)의 행성운동 제2법칙인 ‘면적속도 일정의 법칙[행성이 단위시간 동안 휩쓸고 지나간 면적은 항상 일정하다]’에 따라 태양에서 가까울 때는 빨리 돌고, 멀 때는 천천히 돌기 때문이다.

지구의 공전 주기는 별을 기준으로 하면 365.2564일(항성년)이고, 계절을 기준으로 하면 365.2422일(회귀년)이다. 이와 같이 공전 주기의 차이가 나타나는 이유는 지구의 자전축이 황극(皇極)을 중심으로 서서히 변하는 세차운동(歲差運動) 때문이다.

또한 지구는 북극과 남극을 연결한 지축을 중심으로 시계 반대방향으로 자전(自轉)을 한다. 자전 주기는 별을 기준으로 23시간 16분 4초(항성일)이고, 태양을 기준으로 24시간 3분 57초(태양일)이다.

지축은 공전 궤도면의 수직 방향에서 23.5° 기울어져 있다. 따라서 한 지점에서 태양 빛을 받는 각도가 지구의 공전 궤도 위치에 따라 달라지므로 계절의 변화가 일어난다. 지구에서 태양까지의 평균 거리는 1억 4,960만㎞(1.4960×108km)인데, 이 거리를 1천문단위(天文單位, AU: astronomical unit)라고 한다.

전통적으로 땅을 뜻하는 한자어는 지(地)거나 곤(坤)이었다. ‘땅이 둥글다’는 뜻의 ‘지구’라는 용어는 15세기까지는 없었던 말이었다. 이탈리아 출신 예수회 선교사였던 마테오 리치(Matteo Ricci, 1552-1610)가 중국에 와서 선교활동의 일환으로 서양과학을 소개했을 때 처음으로 창안한 용어로 보인다.

그가 1605년에 편찬한 『건곤체의(乾坤體儀)』에는 “해는 지구보다 크고, 지구는 달보다 크다(日球大於地球, 地球大於月球)”라는 표현에서 지구라는 명칭을 찾을 수 있다.

우리나라에서 지구라는 용어는 조선 후기의 문신이며 학자인 김만중(金萬重)『서포만필(西浦漫筆)』(1687년)에서 처음 보인다. 그는 땅이 둥글다는 것을 의심하는 것은 우물 안의 개구리나 여름 벌레와 같은 소견(井蛙夏蟲之見)이라고 하면서, “‘만약 땅이 하늘을 따라서 돈다면 사람들이 거꾸로 매달리게 되지 않겠는가?’고 의심할 것이나, 바로 이것이 땅이 둥글다는 이치와 맞는다(地若隨天輪轉, 人將疑於倒懸, 正與地球一理)”고 서술하고 있다.

또한 김석문(金錫文, 1658~1735)은 『역학도해(易學圖解)』(1697년)에서 지구가 구형이며 움직인다는 설을 주장하였고, 이익(李瀷, 1681~1763)도 지구가 둥글다는 지원설(地圓說)을 설명한 바 있다. 홍대용(洪大容, 1731~1783)은 지구가 둥글뿐만 아니라, 스스로 돈다는 지전설(地轉說)을 『의산문답(毉山問答)』(1766년)에서 서술하였으며, 박지원(朴趾源, 1737~ 1805)도 홍대용의 지전설을 소개한 바 있다.

지구라는 명칭을 책의 제목으로 붙인 사람은 최한기(崔漢綺, 1803~1877)가 처음이었다. 그는 『지구전요(地球典要)』(1857년)에서 우리가 살고 있는 땅이라는 개념을 넘어서 태양 둘레를 공전하는 하나의 행성으로서 지구를 다루고 있다.

지구의 모양, 크기, 질량

(1) 모양

지구의 표면은 에베레스트산(8,848m)과 같은 높은 곳과 마리아나 해구(11,034m)와 같은 깊은 곳이 있어 높낮이가 있지만 지구의 반지름에 비하면 아주 작은 요철에 불과하다.

1957년 10월 4일 최초로 인공위성 발사에 성공한 인류는 지구 밖에서 지구를 볼 수 있게 되었는데, 그 결과는 거의 완벽한 구와 같다는 것이다. 보다 정확한 지구의 모양은 적도 반지름(6388.136±1km)이 극 반지름(6356.784km)보다 약간 큰 타원체이다.

(2) 크기

지구의 크기를 과학적인 방법으로 측정한 사람으로는 그리스의 에라토스테네스(Eratosthenes, B.C. 276∼194)를 들 수 있다. 그는 지구가 공처럼 둥글며 태양 광선은 평행이라고 가정하여, 당시 이집트의 알렉산드리아와 시에네 사이의 거리를 기준으로 지구의 둘레를 구하였다. 그가 구한 지구의 반지름을 오늘날의 값으로 환산하면 크기는 약 7,360km로 오늘날의 평균값(6,378km)에 상당히 가깝다.

(3) 질량

지구의 질량은 5.9736×10^24㎏이다. 지구의 질량은 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)이 만유인력의 법칙을 발견하게 되면서 구할 수 있게 되었다. 이후 1798년 헨리 캐번디시(Henry Cavendish, 1731-1810)에 의해서 만유인력상수(gravitational constant)인 G가 구해졌고, 1881년에는 필립 폰 욜리(Phillip von Jolly, 1809~1884)에 의해 큰 천칭을 이용하여 지구의 질량을 측정하는 데 성공했다. 오늘날 지구의 질량은 인공위성의 궤도와 인공위성의 공전 속도를 이용하여 구한다.

지구의 구역

지구는 대기권, 수권, 암석권 및 내권으로 나눌 수 있다.

(1) 대기권

대기권은 지구를 둘러싸고 있는 대기의 층으로 지표면에서 약 1,000km까지의 공간을 말한다. 대기권은 고도에 따른 기온의 변화를 기준으로 대류권(지표∼약 10km), 성층권(약 10∼50km), 중간권(약 50∼80km), 열권(약 80∼1,000km)으로 구분한다.

인간이 활동하는 영역인 대류권에서는 1km 올라갈수록 평균 6.5℃씩 낮아지며, 대기 중의 물 때문에 각종 기상현상이 나타난다. 대기의 성분은 질소(77%)와 산소(21%)가 대부분이며, 소량의 이산화탄소 · 아르곤 · 메탄 · 수증기 등이 있다.

(2) 수권

수권은 물이 있는 곳으로 바다 · 호수 · 강 등이 있다. 남극과 북극에 있는 빙하와 지하수도 수권에 속하지만 학자에 따라서는 빙하를 빙권으로 부르기도 한다. 수권의 구성 성분은 주로 물이며, 염소나 나트륨과 같은 무기물질이 녹아 있다.

(3) 암석권 및 내권

지구의 내부는 직접 볼 수가 없다. 그러므로 지진파의 전달방식을 조사하여 간접적으로 지구 내부 구조를 추정한다. 1909년 안드리야 모호로비치치(Andrija Mohorovičić, 1857~1936)는 발칸반도에서 일어난 지진을 분석한 결과, 약 30km 깊이에서는 지구의 껍질 부분과 다른 암석층으로 되어 있음을 알아냈다. 이 경계선은 발견자의 이름을 따 모호로비치치 불연속면(간단히 ‘모호면’이라고 함)이라 한다. 이 경계면을 기준으로 위 부분이 지각, 아래 부분이 맨틀(Mantle)이다.

1913년 베노 구텐베르크(Beno Gutenberg, 1889~1960)는 지구 내부 2,900km 깊이에 또 다른 경계면(구텐베르크 불연속면)이 있음을 발견하였고, 맨틀 안에 핵이 있음을 알게 되었다. 1936년에 잉게 레만(Inge Lehmann, 1888~1993)은 다시 5,100km 깊이에서 새로운 경계면이 있음을 밝혀냈다. 이 경계면(레만 불연속면)이 바로 외핵과 내핵으로 나누는 기준이다.

지각은 다시 대륙지각과 해양지각으로 나눈다. 대륙지각은 두께가 30∼50㎞ 정도인데, 상부는 화강암질 암석으로 하부는 현무암질 암석으로 구성되어 있다. 해양지각의 두께는 약 5㎞이며 현무암질 암석으로 되어 있다.

맨틀의 상부는 감람석 · 휘석 · 석류석 등의 광물로 이루어진 감람암으로 이루어진 것으로 추정된다. 맨틀의 하부는 감람석보다는 휘석이 많은 암석으로 생각된다. 특히 맨틀에서는 대류가 일어나 판(板)운동을 시키는 것으로 알려져 있다.

외핵은 S파가 전달되지 않는 것으로 보아 액체 상태일 것으로 추정된다. 외핵의 밀도는 철과 니켈의 합금을 용융시킨 것보다 10% 정도 작다. 그러므로 외핵은 철과 니켈 이외에 비교적 가벼운 암석이 다량으로 녹아있을 것이다. 최근의 열역학적 연구나 우주화학적 연구에 의하면 황과 같은 물질은 물론 산소나 수소와 같은 가벼운 원소도 핵 속에 녹아 있다고 한다. 지구 자유진동의 연구로 내핵은 고체라는 사실이 밝혀졌다. 내핵의 밀도(10∼13g/㎤)는 그것이 철과 니켈의 합금임을 시사하고 있다.

지구의 탄생과 역사

(1) 생성

지구의 생성에 관해서는 고온기원설과 저온기원설이 있다. 고온기원설이란 태양이 먼저 만들어졌고, 태양의 일부가 떨어져 식어서 지구가 생겼다는 가설로 오늘날에는 지지하는 학자가 거의 없다.

저온기원설은 우리 은하 나선팔에 존재했던 거대 성간운이 초신성 폭발에 의해 압축되고 자체 중력으로 수축되면서 분열된 작은 성간운이 태양계 성운이 되었고, 이 태양계 성운에서 중력에 의해 점차 모이면서 태양을 비롯한 행성 · 위성 · 운석 등과 같은 태양계가 만들어졌다는 가설이다.

태양계 성운이 자체 중력에 의해 천천히 수축하면서 중심에 원시 태양이 만들어졌고, 서서히 빛을 발하게 되자 휘발성 물질은 멀리 날아가 목성형 행성이 되었고, 비휘발성 물질만 태양 가까이 모여 지구형 행성을 만들었다는 것이다. 태양계 내의 운석이나 달에서 채취한 돌 및 지구상에 존재하는 납의 동위원소를 분석한 결과 지구는 약 46억년 전에 만들어진 것으로 추정된다.

원시 지구가 현재의 1/2정도 크기였을 때 1년에 평균 1,000개 이상의 미행성체가 충돌했을 것으로 추정된다. 미행성체의 충돌은 원시 지구를 고온 및 고압 상태를 만들었고, 미행성체가 갖고 있던 물이나 이산화탄소 등의 성분은 증발하여 원시 대기를 형성했을 것이다. 특히 수증기에 의한 온실효과로 미행성체의 충돌에너지는 지구 밖으로 내보내지 않고 지구 전체를 녹였다.

지구 표면은 마그마의 바다였으며, 중력에 의해 철과 같은 무거운 원소들은 중심으로 들어가고, 알루미늄 · 나트륨 · 칼륨 · 산소 등의 가벼운 성분은 지표로 분출하여 동심층상구조를 만들었다. 어느 정도 시간이 지나자 지구가 식게 되고 대기를 가득 채웠던 수증기가 물로 변하여 큰비가 되어 원시 바다를 만들었고, 지표면은 식어 원시 대륙을 만들었다.

이와 같이 지구의 핵, 지각, 바다, 대기는 거의 같은 시기에 만들어진 것으로 생각된다. 이 기간은 지구가 태어난 지 대략 10억년 정도 지난 다음으로 약 35억년 전에 지금과 같은 구조를 이루었다고 본다. 이것은 현재 지구상에 가장 오래된 암석의 나이가 최고 35∼40억년인 점과도 일치한다

(2) 역사

지구의 역사는 암석 속에 보존된 화석과 부정합과 같은 지질구조 기준으로 선캄브리아 시대(Precambrian, 46억년 전∼5억 4200만년 전), 고생대(5억 4200만년 전∼2억 5100만년 전), 중생대(2억 5100만년 전∼6550만년 전), 신생대(6550만년 전∼현재)로 나눈다.

선캄브리아 시대의 지층은 캐나다 · 발트해 주변지역 · 아프리카 · 오스트레일리아 등 순상지(楯狀地)에 널리 분포하고 있으며, 세계 여러 곳에 국지적으로 분포하고 있다. 오스트레일리아 서부의 바라우나층(35억년 전)에서 발견된 남조류(藍藻類)의 미화석(微化石)이 지금까지 알려진 것 중 가장 오래된 화석이다. 이것들을 스트로마톨라이트(stromatolite)라고 하는데, 선캄브리아 시대의 지층에서 종종 찾을 수 있다.

남아프리카의 피그트리층(Figtree Series, 약 32억년 전)에서는 세포모양의 미소한 구조가 발견된다. 캐나다 온타리오주의 건플린트 처어트층(Gunflint Chert Series, 약 20억년 전)에서는 호상철광층(縞狀鐵鑛層, banded-iron formation, 줄무늬 철광층)이 있는데, 여기에는 단일한 세포 모양 이외에 그것들이 모인 필라멘트(filament, 線條:가는선 구조)가 보인다. 가장 진화된 해파리나 절지동물 등과 비슷한 화석은 약 6억 7000만년 전의 지층에서 발견되는 데, 이것을 에디아카라 동굴군(Ediacara fauna)이라 한다.

고생대 캄브리아기(Cambrian Period)에 들어서면 삼엽충(三葉蟲, Trilobite)이나 두족류(頭足類, Cephalopod)와 같은 화석이 갑자기 증가한다. 최초의 척추동물인 어류는 오르도비스기(Ordovician Period)에 나타났다. 실루리아기(Silurian Period)에는 관다발식물이 생겨나 그때까지 육상으로 진출했으며, 바다에 살던 전갈도 뭍으로 올라왔다. 데본기(Devonian Period)에는 현존하고 있는 어류가 번성했고, 서서히 양서류로 진화되어 육상으로 올라오기 시작하였다. 석탄기(石炭紀, Carboniferous Period)에는 육상에 양치식물이 번성했으며, 그 후기에 파충류가 출현하였다. 페름기(Permian Period) 중엽에는 고생대형 식물에서 중생대형 식물로의 변화가 일어났고, 페름기 말에는 대멸종이 일어나 삼엽충 · 푸줄리나(Fusulina) · 사사산호(四射珊瑚, Tetracorallia) 등이 전멸하였다.

중생대가 되자 바다에서는 암모나이트(Ammonite) · 벨렘나이트(Belemnite) · 이매패(二枚貝,bivalve) 등이 번성했고, 육지에서는 공룡과 같은 파충류가 번성했다. 쥐라기(Jurassic Period)에는 시조새가 출현했고, 백악기(白堊紀, Cretaceous Period) 말에는 공룡이 완전히 멸종했으며, 암모나이트 · 벨렘나이트 등도 전멸하였다. 이 시대에 생물체의 멸종은 소행성 충돌과 관련 있는 것으로 해석된다.

신생대에 접어들자 중생대에 출현한 포유류가 환경에 적응하여 폭발적으로 진화하였다. 인류의 조상인 원인(原人, Homo erectus)은 150만년 전에 출현하였다.

지구의 환경문제

하나밖에 없는 지구를 가장 위태롭게 만드는 것은 바로 인간들이다. 특히 산업혁명 이후부터 심각하게 환경을 파괴하고 있다. 화석연료의 사용으로 대기 중의 이산화탄소 농도를 증가시켰고, 온실효과에 의해 지구의 평균기온이 올라갔다.

그로 말미암아 해수면이 상승하고 사막화가 진행되는 등의 기상이변이 생겼다. 프레온가스의 발명과 사용은 생각지도 못했던 오존층을 파괴하여 지구상 모든 생명에 위협을 가하고 있다.

대기오염에 따른 산성비는 토양과 물을 오염시켰다. 에너지 자원을 포함한 지구상 자원의 한계와 인구의 폭발적인 증가 역시 심각한 문제가 된다.

백악기 말에 공룡이 멸종한 원인으로 생각되는 소행성 충돌은 대략 5,000만년에 한 번 정도 일어날 수 있다. 이러한 문제를 슬기롭게 헤쳐 나가기 위해서는 전지구적인 협력과 연구 및 노력이 필요할 것이다.

참고문헌

『서포만필(西浦漫筆)』(김만중, 1687)
『역학도해(易學圖解)』(김석문, 1697)
『의산문답(毉山問答)』(홍대용, 1766)
『지구전요(地球典要)』(최한기, 1857)
『건곤체의(乾坤體儀)』(Matteo Ricci, 1605)
『지구환경과학 I』(한국지구과학회 편, 대한교과서주식회사, 2000)
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