외핵

외핵

외핵(外核, outer core)은 지구 내부 구조를 이루는 층 중 하나로, 지구의 맨틀 아래와 내핵 위에 위치한 액체 상태의 층이다. 지구과학 및 지질학 분야에서 널리 인정된 개념이다.

위치와 범위

외핵은 지구 표면으로부터 약 2,889km 깊이의 핵-맨틀 경계에서 시작하여 약 5,150km 깊이의 외핵-내핵 경계까지 이르는 층이다. 두께는 약 2,260km에 달하며, 지구 반지름의 약 36%, 지구 부피의 약 15.6%를 차지한다. 외핵의 반지름은 약 3,483km로 추정되며, 이는 지진파 분석을 통해 약 5km의 오차 범위 내에서 결정되었다.

물리적 특성

외핵은 내핵과 달리 액체 상태이다. 이는 지진파 분석을 통해 확인되었는데, 전단파(S파)가 외핵을 통과하지 못한다는 관측 결과가 외핵이 유체 상태임을 뒷받침한다. 외핵이 액체 상태를 유지하는 이유는 내핵과 유사한 조성을 가지지만, 고체 상태를 유지하기에 충분한 압력이 가해지지 않기 때문이다.

외핵의 온도는 외부 지역에서 약 3,000~4,500K, 내핵 경계 부근에서는 약 4,000~8,000K로 추정된다. 외핵은 고온으로 인해 점성이 낮은 유체이며, 격렬한 대류 운동을 한다.

구성 성분

외핵은 주로 철과 니켈로 구성되어 있으며, 그 밖에 황, 산소, 규소, 탄소, 수소 등의 가벼운 원소를 포함하는 것으로 추정된다. 외핵의 밀도는 순수한 철이나 철-니켈 합금의 밀도보다 약 5~10% 낮은 것으로 측정되는데, 이는 가벼운 원소들이 외핵의 일부를 구성하기 때문으로 해석된다. 2023년 기준 추정에 따르면 외핵은 중량 기준으로 철과 함께 약 5%의 니켈, 1.7%의 황, 0.8~5.3%의 산소, 0~4.0%의 규소, 0.2%의 탄소, 0~0.26%의 수소를 포함하는 것으로 알려져 있다.

지구 자기장과의 관계

외핵은 지구 자기장의 생성에 핵심적인 역할을 한다. 다이너모 이론(dynamo theory)에 따르면, 액체 상태의 철-니켈 유체가 외핵 내에서 대류하며 발생하는 와전류가 지구 자기장의 주요 원천이다. 외핵의 평균 자기장 세기는 약 2.5밀리테슬라로 추정되며, 이는 지구 표면에서 측정되는 자기장보다 약 50배 강한 값이다.

외핵의 대류는 열 대류와 화학적 대류로 구분된다. 내핵이 성장하면서 가벼운 원소들이 외핵에서 배제되어 위로 떠오르는 화학적 대류는 지구 자기장을 구동하는 지오다이너모에 에너지를 공급한다. 추정에 따르면 화학적 대류와 열 대류는 각각 지오다이너모 동력의 약 80%와 20%를 기여한다.

내핵과의 관계

지구의 핵이 냉각됨에 따라 외핵-내핵 경계에서 액체가 고체화되면서 내핵이 성장하고 있다. 내핵은 연간 약 1mm씩 성장하는 것으로 추정되며, 이는 초당 약 8만 톤의 철이 고체로 굳어지는 것에 해당한다. 핵이 완전히 고체화되어 자기장이 소멸하기까지는 약 910억 년이 걸릴 것으로 추정되지만, 이는 태양이 적색거성으로 팽창하여 지구가 소멸할 것으로 예상되는 시점보다 훨씬 이후이다.

연구 방법

외핵은 직접적인 시료 채취가 불가능한 깊이에 위치하므로, 그 특성은 주로 지진파 분석, 고압 실험, 지구의 형성 모델, 탄소질 콘드라이트 운석과의 비교 등을 통해 간접적으로 연구된다. 외핵의 가벼운 원소 조성에 대한 정확한 제약은 지구의 형성 및 핵 분화 과정에 대한 이해를 높이는 데 중요한 역할을 한다.