인류가 지금까지 파 내려간 가장 깊은 시추공은 약 12km 남짓이다. 대단해 보이지만, 지구 반지름이 약 6,400km이니 껍질을 겨우 0.2% 긁은 셈이다. 그런데 교과서는 지구가 지각-맨틀-외핵-내핵의 층으로 되어 있고, 외핵은 액체라고 단언한다. 아무도 거기까지 내려가 본 적이 없는데 어떻게 아는 걸까.
답은 파고 들어가는 대신 소리를 듣는 데 있다. 지진이 날 때마다 지구는 스스로 내부를 훑는 신호를 사방으로 보낸다. 그 신호를 읽어 지구의 단면을 그려내는 학문이 있다.
지진파는 지구 속의 무엇을 알려 주는가?
지진이 나면 크게 두 종류의 파동이 땅속을 지난다. 진행 방향으로 밀고 당기는 P파(종파)와, 위아래로 흔드는 S파(횡파)다. 둘의 성질 차이가 결정적 단서가 된다. P파는 고체·액체·기체를 모두 통과하지만, S파는 액체를 지나지 못한다. 매질을 옆으로 밀어 전달하는 파동인데, 액체는 그 옆미는 힘(전단력)을 버티지 못하기 때문이다.
그래서 큰 지진 뒤 관측소들을 살펴보면, 지구 반대편 어떤 각도 범위에서 S파가 통째로 사라지는 '그림자 영역'이 나타난다. 그 사이 어딘가에 S파를 삼켜 버린 액체 층이 있다는 뜻이다. 이것이 외핵이 액체라는 강력한 근거다. 파동이 층의 경계에서 꺾이고(굴절) 되튀는(반사) 각도까지 계산하면, 각 층의 깊이와 밀도까지 되짚을 수 있다.
이 현상을 다루는 학문은 무엇인가?
지구물리학(Geophysics)은 물리 법칙과 측정으로 지구 내부와 지각을 탐구하는 학문이다. 지진파를 다루는 지진학이 대표적이고, 지구의 중력장·자기장·열의 흐름을 읽는 분야도 여기에 속한다. 공통점은 '직접 볼 수 없는 것을 신호로 되짚는다'는 점이다.
이 발상은 별까지의 거리를 자 없이 재는 천체물리학과 닮았다. 손이 닿지 않는 대상을, 도달하는 신호의 성질로 역산한다는 점에서 형제 같은 학문이다.
고등학교에서 배운 무엇과 이어지나?
가장 곧게 이어지는 것은 지구과학의 지구 내부 구조와 지진파 단원이다. P파·S파의 속도 차이, 그림자 영역, 층 경계에서의 굴절이 이 학문의 기본 도구다. 여기에 통합과학1의 시스템과 상호작용에서 배운 판구조론이 겹친다. 판이 어디서 부딪치고 갈라지는지를 알려 주는 것도 결국 지진이 난 위치와 깊이의 분포다.
물리적으로는 파동의 반사·굴절·매질에 따른 속도 변화가 열쇠다. 빛이 물에서 꺾이는 것과 같은 원리가, 지구 속을 들여다보는 창이 되는 셈이다.
대학에서는 이걸 어떻게 배우나?
지구환경과학과·지질학과·지구물리학 관련 전공에서 다룬다. 지진학, 탐사지구물리(석유·지하수·지반 조사), 지구자기·중력 관측, 지구 내부의 열과 대류 연구 등으로 갈래가 나뉜다. 실제 관측 자료를 컴퓨터로 처리해 지하 단면 영상을 만드는 작업이 큰 비중을 차지한다. 세부 구성은 대학마다 다르므로 개설 과목과 연구 분야를 확인하는 편이 좋다.
여기서 뻗어 나갈 탐구 질문 3가지
- S파가 액체를 통과하지 못하는 이유를 '전단력'이라는 개념으로 어떻게 설명할 수 있을까?
- 지진파 그림자 영역의 각도 범위로부터, 외핵의 크기를 대략 어떻게 추정할 수 있을까?
- 같은 '보이지 않는 내부를 신호로 읽는' 방법이 의료 영상(초음파·MRI)에서는 어떻게 쓰이는가?
한 줄 요약
지구물리학은 땅을 파는 대신 지진파를 읽어, 아무도 가 본 적 없는 지구 속을 그려낸다.
'직접 못 보는 것을 어떻게 아는가'라는 질문은 과학 탐구의 심장이다. TimeLevelUp은 이렇게 시작한 궁금증이 탐구 활동으로 이어지도록 학습 기록을 잇는다.