제18호 초고온·안전한 슬롯사이트 재생실험을 통한 지구 내부 접근
No18 초고온, 안전한 슬롯사이트 재현 실험
지구 내부에 접근 중
행성재료안전한 슬롯사이트소 요시노 키와미 교수
지구의 내부 핵과 맨틀은 최대 약 섭씨 5,500도, 대기 365만 기압에 달하는 극도로 높은 온도와 압력을 받고 있으며, 그곳의 물질은 우리의 상상을 초월하는 방식으로 거동합니다 그러한 환경에 분포하는 광물의 물리적 특성과 구조는 무엇이며, 액체와 물은 어떻게 행동하는가? 행성재료연구소 키와미 요시노 교수는 특수 프레스를 이용해 고온과 안전한 슬롯사이트을 재현해 지구 깊은 곳의 알려지지 않은 진실을 밝혀낸다
--행성 재료 안전한 슬롯사이트소(이하 행성 재료 안전한 슬롯사이트소)에서는 어떤 종류의 안전한 슬롯사이트가 수행됩니까?
행성안전한 슬롯사이트소는 지구를 포함한 행성의 기원과 진화 과정을 해명하는 것을 목표로 하고 있습니다 이에 대한 접근법은 크게 두 가지가 있는데, 하나는 외계 천체의 샘플을 채취하거나 관찰하여 분석하는 것이고, 다른 하나는 행성 내부의 환경을 재현하는 실험을 하는 것이다 전자에 대해서는 우주탐사선 하야부사가 가지고 온 시료를 분석한 것으로 잘 알려져 있는데, 후자에 대한 안전한 슬롯사이트에서도 좋은 결과가 나왔습니다
지구 내부는 맨틀과 핵 등의 구조로 이루어져 있다 지구의 중심인 핵은 최고 온도 5,500도, 기압 365만기압에 달하는 반면, 외측 맨틀은 4,000도, 130만기압이라는 초고온, 압력 환경을 갖고 있다 이러한 환경에는 상온, 상압에서 안정한 존재를 유지하지 못하는 물질이 많으며, 우리에게 익숙한 물질이라도 평소에는 상상하지 못했던 행동을 보입니다 우리 안전한 슬롯사이트 실험반에서는 안전한 슬롯사이트 장비와 히터를 사용하여 그 환경을 재현하고 지구 내부를 조사하고 있습니다
-행성 연구소가 안전한 슬롯사이트 실험의 세계 최고의 센터라고 들었습니다
그렇게 말씀하셔도 될 것 같아요 첫째, 실험에 꼭 필요한 고온, 안전한 슬롯사이트을 발생시키는 기술은 세계 최고 수준입니다 안전한 슬롯사이트을 재현하기 위해 안전한 슬롯사이트 발생기라는 특수 프레스 기계가 사용됩니다 일반적으로 사용되는 다이아몬드 앤빌 셀은 안전한 슬롯사이트이지만 안전한 슬롯사이트 하에서 수십 미크론 크기의 샘플만 처리할 수 있습니다 본 연구실에서 주로 사용하고 있는 대용량 멀티 앤빌은 약 1,000배 정도의 시료량을 처리할 수 있어 실험 범위가 크게 확대되지만 발생시킬 수 있는 압력이 작은 것이 단점이다 행성연구소는 멀티 앤빌의 최대 압력 증가에 세계를 선도하고 있으며, 현재 소결 다이아몬드를 사용하는 독자적인 기술을 이용해 멀티 앤빌로 재현할 수 있는 세계 최고 압력인 120만 기압을 달성했습니다 장비는 5,000톤급 프레스기를 포함하여 총 5대의 프레스기를 구비하고 있으며, 이와 같은 기계는 세계적으로도 몇대 되지 않습니다
고온에 관해서는 행성연구소 박사후 연구원과 대학원생들이 연구한 '다이아몬드 히터'를 이용해 섭씨 4,000도의 온도를 달성하는 데 성공했다 고온에 견디는 안정성을 지닌 붕소와 다이아몬드를 결합해 전도성을 띠고, 전류를 흘려 고온을 발생시킨다 이는 기존 히터의 한계가 섭씨 2,500도 정도였던 점에서 큰 발전이며, 이전에는 측정이 불가능했던 물질의 점도 등 측정이 가능해지며 해외 연구자들로부터 문의도 받고 있다 행성연구소가 세계의 선구자로서 안전한 슬롯사이트 실험 연구에 앞장서고 있는 사례입니다
--요시노 교수님, 구체적으로 어떤 안전한 슬롯사이트를 하고 계시나요?
지구 내부의 열전도도와 전기전도도를 이용한 안전한 슬롯사이트를 진행하고 있습니다 예를 들어, 지구의 핵 온도는 약 6,000K(섭씨 약 5,700도)인 반면, 우주의 배경 복사 온도계는 27K(섭씨 약 -270도)에 불과하며 지구는 우주에 의해 계속해서 냉각되고 있습니다 맨틀과 핵을 구성하는 광물의 열전도율과 기타 물리적 특성을 측정함으로써 열이 얼마나 빨리 우주로 빠져나가는지 추정할 수 있습니다
또한 지구 내부에 물이 얼마나 있는지, 그 물이 어디서 나오는지 등을 주요 이슈로 안전한 슬롯사이트하고 있습니다 우주선 하야부사2호는 현재 소행성 류구(Ryugu)를 조사하기 위해 이동 중입니다 지구는 소행성의 집합체로 형성되었다고 알려져 있으며, 류구에는 지구를 탄생시킨 원시 물질이 다량 포함되어 있다고 생각됩니다 지구를 형성한 소행성에는 풍부한 물이 포함되어 있었던 것으로 추정되며, 원시 지구에 존재했다고 생각되는 물의 양은 오늘날 지구에 존재하는 바닷물의 양보다 훨씬 많습니다 그렇다면 지구가 형성될 당시 사용 가능했던 물은 모두 어디로 갔을까요? 우주로 탈출한 걸까요, 지구 내부에서 잠을 자고 있던 걸까요, 아니면 애초에 물이 거의 없었던 걸까요? 그 답을 찾으려면 현재 지구 내부에 물이 얼마나 있는지 알아야 합니다
또한, 맨틀의 거동은 수분 함량에 따라 크게 영향을 받으며, 물이 많은 곳은 지반 강도가 낮아 지진 발생 가능성이 높아지는 등 지구 내부의 물의 양과 분포는 지진과 화산 이동에 큰 영향을 미칩니다 지구의 물 분포를 아는 것은 우리 삶에 유용합니다
--지구 내부의 물의 양을 측정할 수 있는 방법이 있습니까?
가장 효과적인 방법 중 하나는 전기 전도성을 이용하는 방법이다 태양에서 방출되는 자기장이 지구 자기장에 의해 교란되면 지구 내부에 유도 전류가 발생하여 지구 내부의 전기 저항 분포를 이해할 수 있습니다 물이 많은 지역에서는 더 큰 전류가 흐르기 때문에 이를 통해 지구 내부의 물의 양을 추정할 수 있습니다
이 방법을 사용한 안전한 슬롯사이트의 몇 가지 예는 다음과 같습니다 맨틀의 약간 더 깊은 부분인 전이층에 포함된 미네랄은 자체 중량의 약 2%에 해당하는 많은 양의 물을 흡수할 수 있는 결정 구조를 가지고 있습니다 여기에는 많은 양의 물이 저장되어 있을 것으로 생각됐으나, 전기전도도를 이용해 실제로 흡수되는 물의 양을 계산해 보니 무게의 약 01%에 불과한 것으로 나타났다 이 결과는 2008년 유명 과학저널 '네이처(Nature)'에 게재됐다
이 방법을 이용하면 온도가 높아질수록 물에 의한 전기 전도도 증가 효과가 감소한다는 사실과 지구 판이 섭입하는 곳의 맨틀에 액체 상태의 물이 층으로 존재하는 것으로 추측되는 등 다양한 결과를 얻을 수 있었습니다
--안전한 슬롯사이트 실험을 수행하기 위한 구체적인 절차는 무엇입니까?
지구상의 목표 위치에 존재할 물질의 성분을 준비하고, 프레스나 히터를 사용하여 원하는 온도와 압력에 놓는다 해당 환경에서 안정적인 물질이 생성되면 이를 수집하여 물리적 특성을 측정하고 원하는 온도와 압력에서 거동을 다시 검사합니다 파괴되거나 변형되었을 때 일어나는 변화를 조사하는 것 외에도 보다 정밀한 환경 재현이나 현장 관찰이 필요한 경우에는 효고현에 있는 싱크로트론 방사 시설 SPring-8을 활용하는 경우도 있습니다
--향후 안전한 슬롯사이트 계획에 대해 알려주십시오
맨틀의 깊은 부분과 핵에 포함된 물의 양은 아직 완전히 이해되지 않았습니다 또한 암석으로 이루어진 맨틀과 달리 핵은 주로 철로 구성되어 있어 핵과 맨틀의 경계에서 어떤 현상이 일어나고 있는지도 흥미롭다 대용량 프레스를 이용한 실험으로는 지구핵의 환경을 재현하기는 어렵지만, 현재의 기술로는 수성, 달 등 더 작은 천체의 환경을 재현하는 것이 가능하므로 이를 바탕으로 핵의 성질에 관한 안전한 슬롯사이트부터 시작하고자 한다
또한 지구와 행성의 내부를 구성하는 물질의 물리적 특성을 측정하기 위한 신기술 개발도 고려하고 있으며, 단시간에 보다 정밀한 환경 설정과 역동적인 관찰이 가능한 방법을 개발하고 있습니다 이것은 싱크로트론 방사선도 필요하기 때문에 매우 어려운 실험이지만 가능하다면 지진이 발생했을 때 암석의 언제, 어느 부분이 파괴되는지, 응력이 어디에 축적되는지 등 암석의 분포를 시각화하는 것이 가능할 것입니다 또한, 운석 낙하로 인해 공룡이 멸종하게 되면서 지구 내부에는 어떤 변화가 일어났는지 밝혀낼 수도 있을 것입니다
-안전한 슬롯사이트 경력을 쌓기로 결정한 이유는 무엇입니까?
아버지도 안전한 슬롯사이트원이셨는데, 오로라 같은 고층빌딩에 대해 안전한 슬롯사이트하셨어요 3차 남극탐험에도 참여했기 때문에 내 이름에 붙은 '극'도 남극의 이름을 따서 지은 것이다 저는 아버지를 보면서 안전한 슬롯사이트가 재미있을 수 있다는 것을 어릴 때부터 알았습니다
저는 학생 때 지질학을 전공하고 히말라야 등지에서 현장조사를 했습니다 지질학은 암석, 지질학 등 기존의 '효과'를 바탕으로 과거 사물의 '원인'을 탐구하는 과학이다 지질학에 종사하면서 압력 등의 조건, 즉 '원인'을 설정하고, 일어나는 일의 '효과'를 조사하는 학문 분야인 안전한 슬롯사이트 실험에 관심을 가지게 되었습니다 안전한 슬롯사이트적인 실험 연구자가 현장 실무 경력을 갖고 있다는 것은 드문 일이라는 인상을 받았지만, 자연 현상의 복잡성과 다각적인 접근 방법을 배울 수 있는 것이 저의 장점 중 하나라고 생각합니다
전기
요시노 다카시
1970년생 도쿄대학교 이학대학원에서 박사과정 수료, 지질학 전공, 박사 (과학) 도쿄대학 지진연구소, 오카야마대학 고체지구연구센터, 지구재료과학연구센터에서 박사후 연구원을 거쳐 2008년 오카야마대학 지구재료과학연구센터 부교수를 거쳐 현재 행성재료연구소 교수로 재직 중이다 고압 지구 및 행성 과학을 전문으로 합니다 고온 및 고압 하에서의 전기 전도도 측정에 관한 과학 저널 "Nature"에 3편의 논문을 게재했습니다 2014년부터 SPring-8의 사용자 커뮤니티인 지구행성과학연구그룹의 대표를 맡아왔다
(19.4.23)