츄 사이언스 - 맨틀 대류설과 열대류

맨틀 대류설과 판구조론

맨틀 대류설이란 홈즈가 주장한 것으로 맨틀이 열대류를 일으켜 대륙이나 판이 그 흐름을 타고 뗏목처럼 이동한다는 것입니다. 이 고전적인 맨틀 대류설은 1950년 말에 이르러 대륙 표류설이 부활하게 되면서 렁콘 등의 연구에 중요한 조건으로 이용되었고, 계속해서 해양저 확장설로 발전하게 되었습니다. 따라서 이 고전적 가설은 판구조론의 태동기에 이르기까지 대륙이동과 해양저 확장의 원동력 문제를 해결하는 중요한 실마리로 생각되었던 것입니다. 판구조론에서 지표 부근의 지구과학적 현상의 직접적인 원인은 판의 상대 운동만으로 거의 설명이 되지만, 판 운동의 원동력을 설명하기 위해서는 맨틀의 대류와 판구조론은 불가분의 관계를 가지게 됩니다. 또한 맨틀의 대류는 조산 운동의 원동력뿐만 아니라, 지구 내부의 열수송을 이해하는 데 매우 중요합니다. 그러나 지구 내부에 맨틀의 대류가 존재한다고 하더라도, 그것이 현재의 판의 운동과 어떠한 관계를 가지는지는 아직 확실하지 않습니다.

맨틀의 열대류

1. 열대류란?

일반적으로 열대류란 온도가 불균일하기 때문에 생긴 역학적인 불안정을 해소하기 위해 일어나는 운동입니다. 즉, 고온부는 열팽창으로 물질의 밀도가 작아져 부력이 생기고, 저온부는 반대의 현상이 나타나게 됩니다. 이것이 주위 매질의 점성 저항보다 커질 때 대류 운동이 시작되는 것입니다. 이 현상은 난로 위에서 끓고 있는 주전자 내부의 물의 운동을 생각하면 쉽게 이해가 될 것입니다. 지구 내부에서는 아래쪽으로 갈수록 고온이고, 같은 깊이라도 대륙 하부와 해저 하부에서의 온도가 다르기 때문에 열대류가 발생할 기본적인 조건은 갖추어져 있습니다. 그러나 맨틀은 점성 계수가 매우 크기 때문에 1억 년, 2억 년이라는 시간 범위 내에 부력이 점성 저항보다 커져 열대류가 발생할지는 확실치 않습니다. 이를 해결하기 위해서는 열대류를 지배하는 점성 유체의 운동 방정식, 열수송 방정식, 상태 방정식 등과 같은 여러 물리 법칙과 맨틀 물질에 대한 물리적 성질 등을 고려한 이론적 검토가 필요합니다.

2. 열대류의 특징

열대류의 발생에서 소멸까지 주기는 약 2억 년, 대류 속도는 1년에 약 5cm 정도입니다. 다만 맨틀의 점성 계수의 분포가 아직 불확실하기 때문에 실제로 어떠한 형태의 대류가 일어나는지 추정하기는 어려운 상태입니다. 대류는 점성 계수의 값과 대류층의 두께에 의해 정상적인 대류인지, 난류적인 대류인지 결정됩니다. 지구 내부의 점성 계수의 추정 값은 두 가지 가능성을 모두 나타냅니다. 한편, 맨틀은 지진학적으로 고체이고 더욱이 방사성 발열을 계속하고 있기 때문에 이 발열을 유효 적절하게 소모시키지 않으면 맨틀은 녹아버리고 맙니다. 열을 소모시키기 위해서는 열전도 만으로는 불충분하고 대류라는 열 수송이 필요합니다.

맨틀 대류의 모델

홈즈의 맨틀 대류설에서는 맨틀 대류가 솟구치는 곳에 대륙이 갈라지고 해양이 만들어진다고 설명하고 있지만, 그 대류의 깊이와 규모 등 정확한 대류의 모습을 밝히지는 못했습니다. 오늘날 대류현상은 규모에 있어 다소 다르지만, 여러 가지 대류에 대한 모델이 제시되고 있습니다. 첫째는 대류 세포의 크기와 관련되는 것으로 대륙과 해양저의 열류량에서 나타나는 특징들을 설명하는 모델입니다. 몇 가지 흥미 있는 연구 결과로부터 최근 지구 외곽 수백 km에서 일어나는 대류현상을 설명하는 모델이 제시되었습니다. 아래의 그림에서 대류 이동은 선으로 표시되어 있습니다. 상승하는 고온의 물질은 해저 산맥에서 분출하여 냉각, 고결된 후, 멀리 이동할수록 해양의 열전도로 냉각되어, 차갑고 깨어지기 쉬운 암석권을 형성합니다. 하강하는 대류, 즉 침강하는 암석권은 데워져서 다시 유동체로 되돌아가고, 지하 수천 km 아래에서 반대 방향으로 대류에 의해 이동되면서 대류의 순환은 완전히 이루어지게 됩니다. 가볍고 뜨거운 열기둥의 상승 부력과 무겁고 차가운 하강류에 의해 대류는 계속됩니다. 이 모델에 맞는 유동 속도가 계산되었는데, 이것은 해양저의 확장 속도와 일치하며, 지표에서의 열류량은 실측된 자료와 잘 부합됩니다. 또 다른 것으로는 대류 세포의 깊이와 관련되어 제안된 것으로 두 가지 모델이 있습니다. 즉 대류가 맨틀 전체에 걸쳐 일어나는 한 층 대류 모델과 상부 수백 km에 한정되어 상하 맨틀의 대류가 따로 있다는 두 층 대류 모델입니다. 최근에는 두 층 대류일 가능성이 많다는 의견이 유력한데, 그 이유 중 하나는 지구에 포함된 방사성 원소의 함량으로부터도 추정됩니다. 만일 한 층 대류의 경우 방사성 원소의 함량이 맨틀 전체에서 어느 정도 균일해야 할 것입니다. 그러나 실제 지각과 상부 맨틀에서 방사성 원소의 함량은 하부 맨틀보다 큽니다. 이것은 하부 맨틀의 대류가 상부 맨틀에 방사성 원소를 공급하고, 상부 맨틀은 아래에서 올라오는 방사성 원소를 받기만 할 것이며, 대류에 의해 각각 섞여서 상, 하부 맨틀 내의 방사성 원소의 함량이 서로 달라지게 되기 때문입니다. 이러한 이유로 연약권만을 한 층으로 하는 얇은 대류가 존재할 가능성이 큰 것으로 생각하고 있습니다. 그러나 맨틀 대류에 대한 모델은 아직까지도 가설의 수준을 넘지 못하고 있는 실정입니다. 적어도 대륙 이동의 메커니즘으로서 맨틀 대류는 이제 부정하지 못할 사실로 받아들인다 하더라도, 대류 세포의 규모에 관해 해결해야 할 문제점이 많이 남아 있으며, 지구 화학적으로 맨틀 조성의 불균일성에 관해서도 완전히 설명되지 못하고 있습니다. 이러한 문제점들은 판구조론이 앞으로 해결해야 할 과제로 남는 것입니다. 

열대류 현상을 설명하는 모델