지구 내부의 철과 니켈이 외핵 온도에서 액체로 존재하는 이유가 무엇인가요?

Question

지구 내부의 철과 니켈이 외핵 온도에서 액체로 존재하는 이유를, 심해보다 훨씬 높은 압력 조건에서도 열에너지가 금속 원자 간의 결합력을 이겨내고 불규칙한 흐름을 유지하는 상평형 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

지구 외핵에서 철과 니켈이 액체로 존재하는 이유는 거대한 압력을 이겨낼 만큼 내부 열에너지가 압도적으로 높기 때문입니다. 일반적으로 물질은 압력이 가해지면 원자 사이의 거리가 좁아지며 규칙적인 격자 구조를 형성해 고체가 되려는 성질을 갖습니다. 압력이 높아질수록 응고점, 즉 녹는점 역시 상승하게 되는데, 이는 심해와 비교할 수 없을 만큼 강력한 외핵의 초고압 환경에서도 마찬가지입니다.

​하지만 상평형 관점에서 볼 때, 외핵이 위치한 깊이에서의 실제 온도는 압력에 의해 상승한 철과 니켈 합금의 녹는점을 상회합니다. 즉, 압력이 원자들을 결합해 고체로 묶어두려는 힘보다, 뜨거운 온도가 원자들에게 부여하는 운동 에너지가 더 강한 상태인 것입니다. 금속 원자들은 강력한 열에너지로 인해 격자 구조에 고정되지 못한 채 끊임없이 위치를 바꾸며 무질서하게 움직이게 됩니다.

​이때 금속 결합 특유의 유연성 덕분에 원자들이 불규칙한 흐름을 유지하면서도 서로의 인력을 완전히 잃지 않고 액체 상태의 유체로 존재할 수 있습니다. 결과적으로 외핵은 열역학적 자유 에너지가 액체 상태일 때 더 낮은 구간에 놓여 있으며, 이러한 액체 상태의 흐름이 지구 자기장을 형성하는 원동력이 됩니다. 반면 더 깊은 내핵은 압력 증가 폭이 온도를 추월하여 다시 고체가 되는 상전이가 일어납니다.

Answer 2

안녕하세요.

지구 내부에서 철과 니켈이 외핵에서 액체 상태로 존재하는 이유는, 압력과 온도가 동시에 작용하는 상평형 때문인데요, 일반적으로 압력이 높아지면 원자들이 더 조밀하게 배열되기 때문에 고체 상태가 안정해지는 경향이 있지만, 동시에 온도가 매우 높아지면 원자들의 열운동이 극도로 커져 결합을 유지하기 어려워집니다. 외핵은 대략 4,000~6,000 K에 이르는 높은 온도를 가지는데, 이 열에너지가 철과 니켈 원자 사이의 금속 결합을 지속적으로 교란하여 규칙적인 결정 구조를 유지하지 못하게 만듭니다. 상평형 관점에서 물질의 상태는 압력과 온도에 따라 결정되는 상도표로 설명됩니다. 철의 경우 압력이 증가하면 녹는점도 상승하지만, 외핵의 온도는 그 상승된 녹는점보다 여전히 높거나 근접한 수준에 위치하기 때문에 따라서 그 조건에서는 고체보다 액체 상태의 자유에너지가 더 낮아져 액체가 안정한 상이 됩니다. 즉, 높은 압력에도 불구하고 열에너지가 금속 원자 간 결합을 약화시켜 장거리 규칙성을 무너뜨리고, 원자들이 서로 미끄러지듯 이동할 수 있는 액체 상태를 유지하게 됩니다. 또한 외핵에는 순수한 철과 니켈뿐 아니라 황, 산소, 규소 같은 가벼운 원소들이 일부 섞여 있는데, 이러한 불순물은 결정 격자를 방해하여 녹는점을 추가로 낮추는 역할을 합니다. 반면 더 깊은 내핵(에서는 압력이 훨씬 더 커지면서 녹는점이 크게 상승하여, 동일한 온도 조건에서도 고체 상태가 더 안정해지는 것입니다. 감사합니다.