새로 식별된 지구 맨틀 속의 층

지구의 핵과 지각 사이에 존재하는 2 900km의 두께에 이르는 지역이 맨틀(mantle)이다. 지구 부피의 약 70% 가까이를 차지하는 이 지구 맨틀 속을 파들어가면 갈수록 압력과 온도가 무섭게 올라간다. 과학자들은, 맨틀의 깊은 층 어딘가에서 압력과 온도의 극한적인 조건으로 인하여 물질이 아원자(subatomic) 차원에서 변화를 겪게 되는 지역이 있을 것이라는 의구심을 오래 전부터 가져왔다. 미국의 리버모어 (Livemore) 연구소의 한 연구팀이, 철(iron)의 전자들이 전자 상태 (electronic state)의 변화를 겪게 되는 사실을 확인하였다. 이 변화는 지진파의 수송에 중요한 영향을 미치게 된다. 지진파는 지구물리학자들에게 지구의 내부 구조를 연구할 수 있는 방편을 제공한다. Jung-Fu Lin과 동료 과학자들이 주축이 되어 이루어진 연구의 결과는 9월 21일자 Science 지에 실렸다. //이미지1// 

연구팀에 의하면, 내부 맨틀에서 압력은 22 Gpa에서 140Gpa(기가 파스칼)까지, 기온은 1 500도에서 3600도까지 변화한다. 맨틀의 이 깊은 부분을 이루는 두 개의 주요 성분은 ferropericlase(철, 마그네슘, 산소의 혼합물)과 Perovskite(철과 마그네슘의 혼합물)이다.

연구팀은 실험실에서 ferropericlase의 샘플을 맨틀 내부에서의 온도와 압력 조건과 유사한 조건에 처하게 했다. 96GPa의 압력에 도달하기 위해서 두 개의 다이아몬드 사이에서 ferropericlase의 샘플을 부서지게 하였고, 이어서 적외선 레이저를 가지고 샘플을 섭씨 1 727도까지 가열시켰다. 연구팀은 이러한 실험을 통해서 철 전자들의 스핀이 온도와 압력의 활동 아래서 어떻게 변화하는가를 관측할 수 있었고, 그리하여, 지각 아래 1000 ? 2200km 깊이에 위치하는 맨틀의 층에 철의 스핀의 변화 지점이 있다는 결론을 이끌어내게 되었다.

맨틀의 이 특정 지역에서 ferropericlase가 전자 상태의 변화를 겪게 됨으로 인하여 밀도, 탄성, 전류를 전하는 힘의 차원에서 ferropericlase가 가지고 있는 특성 자체가 영향을 받게 된다는 설명이다. 연구팀이 도전할 다음 단계는 Perovskite를 가지고 실험을 재현하는 것이다.

정보제공 : 한국과학기술정보연구원(KISTI) 해외과학기술동향
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