지구과학

지질과학 연구

개요

지질과학이란 지구를 연구하는 자연과학의 한 분야로서 특히 지각의 구성물질·구조·성인 및 지구의 역사를 규명하는 학문이며, 궁극적으로는 지구와 지구를 구성하는 물질 및 지구상에 존재하는 모든 생물의 역사를 밝히려는 학문이다.

이밖에도 지질학적인 지식으로 인간의 생활을 윤택하게 해주는 응용과학이기도 하다. 지질과학은 여러 전문분야로 나누어지며, 이들은 점진적으로 각각 독립적인 과학분야로 발전하고 있다. 지질과학에서는 여러 가지 전문분야가 일반지질학이라는 커다란 분야로 묶이는데 이에는 광물학, 기재암석학(記載岩石學)과 성인론적인 암석학, 고체상태의 지구의 구조를 연구하는 구조지질학, 퇴적층을 연구하는 층서학, 화석을 연구하는 고생물학 및 지형학이 포함된다. 이러한 자연적인 실재물의 발달사를 연구하는 분야를 지사학(地史學)이라 한다.

지구물리학과 지구화학은 위에서 언급한 분야들 중에서 많은 분야와 겹친다.

지구물리학은 넓은 의미에서 지구 내의 모든 부분에 대한 물리적 성질 및 역학(力學)에 대하여 다루는 분야이며, 지구화학은 지구의 조성 및 자연에서 일어나는 화학적 변화를 다루는 분야이다. 경제지질학·지질공학 및 여러 가지 응용지질학 분야는 지구물리학과 지구화학의 이론과 기술을 실질적으로 적용할 것을 요구하는 분야이다. 지구화학 및 지구물리학과 밀접하게 연결되어 있는 분야로는 천체지질학이 있는데, 이는 비교적 새로운 분야로 태양계의 다른 행성체와 이들의 위성·소행성·유성체·텍타이트(tektite) 등을 다루는 분야이다.

지구의 조성에 대한 연구

광물학·암석학·경제지질학·지구화학이 포함된다.

광물학이란 지각을 구성하는 암석의 기본단위인 광물을 연구하는 학문이다. 광물의 감정·분류·특성·성인을 다루며, 이러한 연구는 지구의 구성물질을 밝히는 기초가 되고 암석을 연구하는 필수적인 정보를 제공해준다. 광물을 구성하는 결정의 내부구조 및 기하학적인 성질을 연구하는 분야는 결정학(結晶學)이라고 한다(→ 광물학). 암석학은 화성암석학·퇴적암석학·변성암석학의 3분야로 나누어진다.

화성암석학은 마그마의 고결로 형성된 화성암을 연구하는 전문분야로서 화성암의 분류·진화·성인 및 마그마의 결정화 작용을 다룬다. 화성암은 면적이나 깊이에 있어 지각의 상당 부분을 차지하며 시간적으로도 지구의 초기부터 현재까지 상당히 흔하므로, 그 연구범위는 넓다. 퇴적암석학은 퇴적물의 기계적인 퇴적이나 화학적 및 생화학적인 침전으로 형성되는 퇴적암의 특성을 기재·분류하고 퇴적작용·퇴적환경·속성작용을 다룬다.

변성암석학이란 지하에서 암석이 열·압력과 같은 조건의 변화로 기존 암석이 변해 이루어진 변성암을 연구하는 분야이다. 경제지질학은 지각 중에 들어 있는 경제적 가치가 있는 유용광물의 농집체를 연구하는 학문으로, 금속광상을 연구하는 광상학과 석유를 연구하는 석유지질학을 포함하며, 석탄·석재·점토 및 기타의 비금속광상도 경제지질학의 연구대상이 된다.

지구화학은 지구의 화학적인 특성을 이용해 지질학에 관한 제문제를 규명하는 학문이다. 연구대상은 우주와 지구의 화학조성에 관한 연구와 같은 대규모적인 것에서부터 결정구조 내에서 이온의 운동과 같이 미시적인 것에 이르기까지 매우 다양하다.

지구화학은 다른 지질학 분야에 많은 정보를 제공해주는 동시에, 지하자원 탐사 및 환경오염 연구에도 폭넓게 이용된다.

지구의 구조연구

측지학·지구물리학·구조지질학·화산학이 포함된다.

측지학은 지구의 크기와 모양을 결정하는 분야이다. 과거의 측지학은 위와 같은 내용을 연구하는 순수학문적인 성격을 띠었으나, 오늘날에는 다소 응용적인 성격을 띠며, 주로 고속도로와 같은 대형 인공구조물 건설시 기초자료로 이용된다. 지구물리학이란 물리학의 방법과 이론을 이용해 지구를 연구하는 학문이다. 지구물리학의 실질적인 영역은 온도가 수천℃에 달하며 압력이 수백만 기압인 지구 심부 조건에 대한 연구에서부터, 대기권과 수권을 포함하는 지구 외곽에 대한 연구에 이르는 지질학 연구대상의 모두를 포함한다.

구조지질학은 암석 내에 형성된 지질구조를 연구하는 학문으로, 여기에서 다루는 연구대상은 결정 내의 격자 결함, 습곡, 단층, 절리, 중앙해령, 해구, 변환단층 등 매우 다양하다. 구조지질학은 대형 구조물의 지반조사(地盤調査)에 매우 중요하게 이용된다. 화산학은 화산의 구조와 성인 및 화산암의 특성을 연구하는 학문이다.

화산을 연구하는 이유 중 하나는 지구 대기 및 수권의 형성과 밀접한 관계가 있기 때문이다. 이밖에도 화산연구는 화산폭발의 시기·장소·강도의 예보에 관한 정보를 제공해준다(화산활동).

지표면의 특성 및 작용에 대한 연구

지형학과 빙하지질학이 포함된다.

지형학은 지구의 형태적인 특성, 특히 지표면의 형태적인 특성을 연구하는 학문으로 지형의 분류·기재·성인을 다룬다. 지형은 대개 침식작용, 풍화작용, 토양화작용, 유수·바람·퇴적물의 운반작용, 빙하작용, 화산작용과 같은 지질작용의 산물이므로 이러한 작용들은 지형학의 중요한 연구대상이 된다. 빙하지질학은 빙하와 빙하에 의한 여러 가지 현상, 빙하와 기후의 관계, 눈이 빙하로 변하는 결정화과정, 빙하 내 얼음의 유동, 빙하에 의한 침식작용 및 퇴적작용을 연구하는 분야이다.

지구의 역사

층서학·지사학·고생물학·천체지질학이 포함된다.

지질학의 궁극적인 목표 중 하나는 지구가 형성된 후 현재까지의 역사를 규명하는 것이다. 지구의 역사를 규명하는 데 있어 가장 중요하고 기본적인 것은 암석이나 지층의 생성순서를 밝히는 것인데, 지층간의 상호관계에 의한 생성순서를 규명하는 학문을 층서학이라고 한다. 지사학이란 층서학을 비롯한 각종 지질학 자료를 종합해 지구의 역사를 확립하는 지질학의 최종적인 분야이다.

지사학은 동일과정의 법칙이나 지층누중의 법칙과 같은 몇 가지 기본적인 원리를 이용해 연구한다. 20세기 초기까지는 상대연령으로 만족했으나 동위원소 지질학의 발달로 절대연령을 측정할 수 있게 되었다(방사성 연대측정법). 고생물학은 화석을 이용해 과거에 살던 생물을 연구하여 암석이나 지층의 선후관계를 밝히며, 지질시대의 시간과 환경에 대한 중요한 정보를 제공해주는 학문이다.

연구대상에 따라 무척추고생물학, 척추고생물학, 미화석을 연구하는 미고생물학, 식물의 화석을 연구하는 고식물학, 포자(胞子) 및 화분(花粉) 화석을 연구하는 화분화석학 등으로 세분된다(표준화석, 화석의 기록). 천체지질학은 태양계 내의 행성·소행성·위성의 지질과 지구상에 낙하한 텍타이트 및 운석을 연구하는 자연과학 분야이다.

지구 주변의 다른 행성이나 위성에 대한 연구는 지구의 진화과정을 이해하는 데 상당한 도움을 준다. 이 분야는 전에는 천문학의 연구분야였으나, 근래 들어 우주선의 발달로 다른 행성이나 소행성을 직접 관찰하고 이들의 암석 시료를 채취하여 직접 분석할 수 있게 됨에 따라 점차 지질학의 연구분야로 바뀌어가고 있는 추세이다.

실용적 응용분야

에너지와 광물자원 탐사 및 지진의 예보와 조절 등에 이용된다.

지난 1세기 동안 산업의 빠른 발전, 인구의 급격한 증가 및 생활수준의 향상으로 인간의 에너지 자원과 광물자원에 대한 수요는 상당히 증가했다. 지질학 및 지구물리학은 화석연료(석탄·석유·가스), 지열 에너지, 금속광상을 포함하는 각종 에너지 자원 및 광물자원을 찾는 데 상당한 역할을 하고 있다. 지진은 인간에게 커다란 피해를 주는 재앙이다. 지진학자들은 지진이 일어날 가능성이 있는 지역에 대한 예방조치를 취함으로써 지진을 조절하기도 한다.

지질공학은 암반이나 사면의 안정성 및 투수성처럼 공학에 필요한 지질학적 정보를 제공해주며, 환경지질학과 도시지질학은 각각 인간의 자연환경 및 도시환경에 영향을 미치는 모든 지질학적인 요인을 연구하는 분야이다.

수문과학 연구

개요

수문과학은 지구상에 존재하는 물을 연구하는 학문이다.

수문과학은 대기 중의 물·바다·내해·호수에 존재하는 물 및 육지 표면에 존재하는 빙하를 포함한 모든 형태의 물을 연구대상으로 하지만, 일반적으로는 지하수·하천수와 같이 육지 표면 부근의 물만을 연구대상으로 한다(수권). 수문과학은 수문학(水文學), 해수를 연구하는 해양학(海洋學), 호수 및 내해의 물을 연구하는 육수학(陸水學), 빙하를 연구하는 빙하학(氷河學)의 전문분야로 세분되기도 하지만, 이들은 모두 물의 순환이라고 하는 기본적인 개념에 의해 서로 연결되어 있다.

수문학

지표면에 내린 빗물이 증발과 증산에 의해 대기 중으로 돌아가거나 지표수와 지하수로 되었다가 바다로 유입되기 전까지의 부분적인 순환을 주로 다루는 학문이다(강수). 따라서 수문학에서는 주로 지표면 근처에 존재하는 물의 성질·분포·이동을 다룬다.

수문학은 연구대상에 따라 물의 역학을 연구하는 수력학, 물의 분포에 대해 연구하는 수계지리학, 대기 중의 물을 연구하는 수문기상학, 지표수의 유속이나 유량을 측정하는 유속측정학, 지하수를 연구하는 지하수학 또는 수리지질학으로 세분된다. 수문학의 주요목적 중 하나는 물의 순환과 수지(收支)를 예측하고, 이를 인간생활에 유용하게 이용하는 데 있다.

물의 순환은 다양한 변수에 의해 조절되므로 매우 복잡하지만, 오늘날에는 컴퓨터의 발달로 점차 예측이 용이해지고 있고 결과도 정확해지고 있다. 최근들어 수문학에서 중요시되는 관심사는 바로 수질(水質)에 관한 문제이다. 특히 오염된 물로 인한 수질 악화는 매우 심각한 문제를 일으키고 있기 때문에 수문학자들은 오염된 물의 경로를 미리 예측해 이들이 대규모 식수원과 섞이지 않도록 노력하고 있다(수질오염).

육수학

자연호수나 인공호수의 물리적·화학적 특성, 생태, 다른 환경과의 관계를 연구하는 학문이다.

하천이나 늪지와 같은 육지 내에 존재하는 다른 수권의 특성도 육수학의 연구대상에 포함된다. 고육수학(古陸水學)이란 과거에 존재했던 호수의 특성을 연구하는 학문으로 주로 퇴적층을 이용해 연구한다. 육수학의 주된 연구대상은 수심에 따른 수온과 광도의 변화에 관한 호수의 물리적 특성, 호수의 생태계, 호수 내의 물순환이며 홍수조절과 수질에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.

해양학

대양(大洋)과 소해(小海)를 다루는 과학분야이다.

해양학은 연구대상에 따라 물리해양학·화학해양학·해양지질학·생물해양학의 4개의 전문분야로 나누어진다. 물리해양학은 해수의 성질, 해빙(解氷), 해수의 운동 및 대양과 대기의 상호작용을 연구하는 분야이다. 화학해양학은 해수의 조성 및 시간과 장소에 따른 해수의 변화를 지배하는 물리적·생물학적·화학적 작용을 연구하는 분야이다. 해양지질학은 해양분지(海洋盆地)의 진화를 연구하는 분야이며, 생물해양학 또는 해양실태학은 주로 바다에 사는 식물과 동물을 연구하는 분야이다.

빙하학

육상에 존재하는 고체상태의 물, 즉 빙하를 연구하는 학문분야이다.

빙하학에서 다루는 주요 연구내용으로는 빙하의 물리적·화학적 특성, 빙하와 빙모(氷帽)의 형성작용과 분포, 빙하의 운동, 기후와 빙하생성과의 관계 등이 있다. 또다른 연구대상으로는 과거에 존재했던 빙하가 있다. 빙하학자들에 의해, 오늘날의 빙하는 대륙면적의 약 10％에 불과하지만 홍적세 빙하시대 동안의 빙하는 현재의 약 3배에 달하는 지역을 덮었던 것으로 밝혀졌다.

실용적 응용분야

물은 지구상에서 가장 풍부한 물질인 동시에 인간을 포함한 모든 생물에게 가장 중요한 자원이며, 농업·임업·산업·수력발전·휴양 및 인간의 기본적인 생활에도 필수적인 자원이다.

수문과학은 실생활에서도 상당히 폭넓게 응용되는데, 주요응용분야로는 지하수를 포함한 각종 수자원에 대한 관리·개발 및 수질평가가 있다. 또한 물의 순환과정에 대한 연구로 오염된 물이 대규모 식수원으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 대책도 제공해준다. 기후도 근본적으로는 대기 중에 있는 물의 순환에 의해 조절되는 현상이므로 수문과학적인 가뭄과 같은 이상기후에 의한 자연재해를 예상할 수 있는 정보를 제공해줄 뿐만 아니라, 인공강우와 같은 대책을 통해 이들을 예방할 수 있게 해준다.

대기과학 연구

개요

대기과학은 지구대기의 구조 및 역학을 주로 다루는 분야이다.

대기과학은 전통적으로 기상학·기후학·고층대기물리학의 세 분야로 나누어진다. 기상학은 하층 대기에서 짧은 기간 내에 일어나는 일기변화를 다루는 분야이다. 기후학은 전지구적 규모로 약 1주일에서 수백만 년 동안 장기간에 걸쳐 일어나는 일기변화를 연구하는 학문으로, 이 분야의 연구자들은 지역에 따라 기후가 다른 이유 및 기후와 자연환경 내의 다른 효과의 관계를 규명하는 것을 목적으로 한다.

고층대기물리학은 하부 성층권 위에 있는 대기를 연구하는 분야로 야광(夜光)·자기폭풍(磁氣暴風)·오로라 및 광화학적 작용을 다룬다.

일기예보는 대기과학의 여러 응용분야 중에서 가장 직접적인 효과를 가지고 있다. 오늘날의 일기예보는 지상의 관측소와 특별히 기상관측 장비를 갖추고 지구궤도를 공전하는 인공위성 및 전세계적인 관측망을 통해 이루어진다.

단시간에 얻은 막대한 기상자료를 처리하여 정확한 일기예보를 하기 위해 고속(高速) 컴퓨터가 이용된다. 대기과학의 다른 응용분야로는 최근들어 상당한 관심을 끌고 있는 기상조절 분야가 있다. 이러한 기상조절의 예로는 강수량을 증가시키거나, 폭풍을 약화시키거나 혹은 우박이나 안개를 제한시키려는 노력이 있다.

대기의 수직 구조에 대한 연구

대기는 수직 온도분포에 따라 여러 층으로 분리되며, 대부분의 기상 현상은 대류권(對流圈)에서 일어난다.

대기권은 다음과 같은 몇 개의 층으로 구분된다.

① 대기경계층은 인간생활과 직접 관련되는 지표층으로 지표의 영향을 많이 받으며, 안정도에 따라 1.5~3㎞의 고도를 가진다. 안정도의 요인으로는 온도경도에 의한 부력 에너지와 바람 시어에 의한 기계 에너지의 비인 리처드슨 수(Ri)를 사용한다.

Ri〈0이면 대기가 불안정하여 난류운동이 우세하고 혼합도가 높아지나, Ri〉0.25이면 대기가 안정하여 선형운동(線形運動)이 강하고 경계층 높이가 낮아진다. 경계층 내의 온도·기압·바람·습도·복사량·구성비 등은 기상탑, 레이더, 광선 레이더, 음향 등으로 관측된다.

② 자유대기와 대류권계면은 경계층 위의 지면의 영향이 적은 층으로 대부분의 구름이 이곳에서 형성된다.

구름은 강제 상승에 의한 냉각으로 발생하는 층운과 불안정 대기의 대류에 의해 발생하는 적운으로 크게 구분되며, 발생 방법과 고도에 따라 10종으로 세분된다. 대류권계면의 상층은 등온(等溫)의 안정층으로 대류권의 기상현상이 위층으로 확산되는 것을 억제한다. 매일 2회의 정기적인 라디오존데 등의 관측과 연속적인 도플러 레이더, 프로파일러, 관측 비행기의 특별 관측에 의해 자유대기층에 대한 관측이 이루어지고 있다.

③ 고층대기는 대류권계면 위의 층으로, 오존의 자외선 흡수로 온도가 상승하는 성층권(成層圈：50㎞), 대류 운동이 일어나는 중간권(中間圈：90㎞), 태양 활동에 따라 500~2,000K의 온도변화가 있는 열권(熱圈：250㎞)으로 구분된다.

또한 구성비가 일정한 균질층(혼합층)과 고도에 따라 달라지는 비균질층, 이온 농도가 커서 전파반사가 일어나는 전리층(이온층), 자기폭풍 현상이 있는 자기권 등으로 구분하기도 한다. 로켓이나 인공위성에 의해 관측이 이루어지므로 대류권 대기에 비해 자료가 많지 않으며 밝혀진 사실도 적다.

대기의 수평 구조에 대한 연구

전지구적 종관(縱觀) 관측과 1960년대 이후의 수치 모델에 의한 연구로 대기의 수평운동과 구조, 물리과정 등이 밝혀졌다.

이심률이 0.016인 타원의 지구 공전궤도와 23.5° 기울어진 자전축 때문에 입사되는 태양 에너지의 양은 위도와 시간에 따라 다르다(→ 태양복사). 연중 무덥고 변화가 적은 열대, 변화가 심한 온대와 한대 지역으로 구분되었고, 불균등한 에너지를 분배하기 위한 흐름과 그 흐름이 수렴되는 극전선과 열대수렴대가 형성되었다.

적도 지역의 열대수렴대에서 상승한 공기는 권계면에서 발산하여 위도 30° 부근에서 하강하며 아열대고압대를 형성해 그 지역에 고온건조한 사막기후를 유발시킨다. 이러한 열역학적 순환을 해들리(Hadley) 순환이라 한다.

북쪽으로 이동한 고온습윤한 공기는 한랭건조한 극기단과 60° 부근에서 만나 극전선을 형성하며, 중위도 저압대를 발달시킨다.

30°부근의 권계면에는 온도의 남북 경도와 지구회전에 의해 강한 서풍인 제트류가 형성된다. 대륙과 해양의 열전도 차와 입사되는 태양 에너지의 계절 변화에 따라 대륙 경계면 지역에 계절풍이 나타나며, 거대한 남북 방향의 산맥에 의해 흐름이 영향을 받는다. 그리하여 중·고위도 지역의 일기는 극고기압과 아열대고기압의 세기, 극전선의 위치, 중위도 저기압의 이동, 계절풍, 지형 등에 따라 달라진다(→ 대기순환).

구름에 대한 연구

수증기가 쉽게 응결하기 위해서는 응결핵이 필요한데, 대기 중에는 많은 응결핵이 존재하여 과포화되기 전에 수적(水滴)이 형성된다.

빙정핵의 수는 적고 －39~0℃의 과냉각 상태에서도 승화되지 않는 경우도 있으나, 그 이하의 온도에서는 모두 승화해 빙정을 형성한다. 0℃ 이상의 온난구름에서는 응결핵에 의한 용액효과, 수적 크기의 곡률효과, 낙하속도 차에 의한 충돌-병합에 의해 100만 개의 수적이 모여 1㎜ 크기의 빗방울로 성장한다. 0℃ 이하의 한랭구름에서는 수적과 빙정의 포화수증기압차에 의한 확산과정과 충돌-병합에 의해 빙정이 성장해 온도에 따라 눈이나 비로 내린다.

이러한 운물리(雲物理) 연구는 실험실의 운실조절이나 비행기의 구름 속 운행을 통한 수적과 빙정의 수집에 의해 이루어진다.

실생활에의 응용

대기과학은 기상예보 및 기상조절에 응용된다.

전지구의 기상관측소에서 관측한 지상 및 표준기압면 자료를 근거로 단기와 중·장기 기상예보를 한다. 12시간 이후의 예보는 비선형 방정식의 수치해(數値解)를 초대형 컴퓨터를 활용해 계산하는 수치 모델을 이용하고, 12시간 이내의 예보는 지상관측, 레이더 및 위성관측 자료 등을 외삽(外揷)하는 방법을 이용한다. 태풍과 라인스콜 등의 중규모계 예보는 감시 체계 자료를 이용해 20㎞ 이내의 미세격자 수치 모델로 예보한다. 인류는 기상예보 외에도 인류에게 이롭게 기상을 조절하기 위해 노력해왔다.

구름 내에 요오드화은을 살포해 빙정핵을 증가시키거나, 드라이 아이스를 살포해 구름 온도를 냉각시킴으로써 강수량을 증가시키고 안개를 소산(消散)시킨다. 또한 뇌우에서는 빙정핵을 증가시킴으로써 빙정크기를 감소시켜 우박의 생성을 억제시키며, 태풍 내에 요오드화은 응결핵을 살포함으로써 조기 약화와 진로 변경 등도 시도하고 있다.

공업화와 산림 훼손으로 CO₂ 양이 증가해 지구 기온이 상승되므로 에어로졸의 수를 증가시켜 기온 상승을 억제하려 하지만 그결과는 아직 확실하지 않다.