산소가 풍부한 대기를 원한다면? 산소의 친구들을 맨틀에 채워 넣어라.
Source: Ars Technica
탄소와 황을 지구 내부로 끌어들이는 것이 산소 이야기에 한몫할 수 있다.
지구는 꽤나 훌륭한 특성을 가지고 있다. (부정적인 평가는 주로 직원과 고객에 관한 것이다.) 긍정적인 요소 중 가장 높은 순위에 있는 것은 풍부하게 산소가 함유된 대기이다. 하지만 이것은 수십억 년에 걸쳐 진화하고 축적된 결과이며, 결국 우리와 같은 동물 생활에 적합한 세계를 만들었다.
과학자들은 산소가 증가한 원인에 대해 여러 가지 가설을 제시하고 있으며, 그 중 다수가 아마도 옳을 — 단일 요인만으로는 설명할 수 없다는 것이 일반적인 견해다. 생명은 이야기의 일부로, 광합성 생물이 산소를 배출한다. 고체 지구의 화학도 역할을 하는데, 이는 광합성 생명을 지원하고 대기와 행성 내부 깊은 암석 사이에 산소를 이동시키는 역할을 한다.
청두공업대학(Chengdu University of Technology)의 Wei Shi 교수가 이끄는 새로운 연구는 판구조판이 섭입(지구 내부로 사라지는 과정)되는 방식의 변화 증거가 산소 농도 급증 시점과 일치한다는 것을 보여준다.
Reference: The complicated history of how the Earth’s atmosphere became breathable (Ars Technica, May 2023)
Cooling off
지구는 시간이 지남에 따라 점차 식어 왔으며, 초기 역사의 희미한 흔적들은 주요 지질학적 과정이 그 결과로 크게 진화했음을 보여줍니다. 초기에는 차갑고 밀도가 높은 표면 암석이 뜨거운 맨틀 암석을 통과해 현재의 판구조론과는 거의 닮지 않은 방식으로 가라앉았을 것입니다. 오늘날 우리가 보는 대륙은 45억 년에 걸친 건설 프로젝트의 산물이며, 초기에는 어떤 모습이었는지를 상상해야 합니다.
이는 부드럽고 직선적인 진화가 아니었습니다—그 지질학적 역사에는 전환점이 존재하는 것으로 보입니다. 지구 대기의 산소화도 직선적이지 않았습니다. 약 24–20억 년 전의 Great Oxygenation Event 동안 급격히 증가했다가 멈추고, 8억5억 년 전 사이에 다시 진행되었으며, 마지막으로 4.5억2.5억 년 전 사이에 다시 상승해 현재 수준에 이르렀습니다.
Hypothesis
연구팀은 섭입(subduction) 변화가 탄소와 황—두 물질 모두 산소와 쉽게 결합한다—이 지구 내부 깊숙이 얼마나 운반되는지를 조절함으로써 대기 중 산소에 영향을 미쳤을 가능성을 제시했습니다.
- 맨틀이 더 뜨거우면, 탄소와 황은 섭입된 암석과 함께 멀리 내려가지 못하고 얕은 맨틀에서 방출됩니다. 이들은 화산을 통해 대기로 다시 돌아와 산소를 소모합니다.
- 반대로, 차가운 맨틀에 잠기는 판은 더 많은 황과 탄소를 유지합니다.
섭입된 암석이 다시 지표면으로 떠오르는 지점에서는, 그 안에 포함된 광물과 미묘한 화학 조성이 이동 중 겪은 온도와 압력을 기록합니다. 연구팀은 이러한 온도‑압력 데이터를 비교함으로써 섭입 역사의 전반적인 모습을 구성했습니다. 가설이 맞다면, 저온 섭입은 대기 중 산소 증가와 일치해야 합니다.
Findings
데이터는 실제로 일치하는 것으로 보입니다:
- 22~18억 년 전: 저온 섭입이 초기 Great Oxygenation Event와 일치합니다.
- 잠시 중단된 기간(“Boring Billion”) 이후: 지난 8억 년 동안 저온 섭입이 지배적이었으며, 이는 두 번째와 세 번째 산소 급증을 포함합니다.
따라서, 더 차가운 섭입이 일어나는 시기가 대기 중 산소의 주요 상승과 상관관계가 있음을 보여주며, 깊은 지구 내부 과정이 지구의 서식 가능성을 조절하는 데 기여했음을 뒷받침합니다.
지각 변동
이 기본 화학 모델을 사용해 섭입 역사를 실행한 결과, 연구자들은 산소화 타임라인을 대략 재현할 수 있음을 발견했습니다.
그들은 이야기가 시작되는 시점이 초기 “초대륙”(판게아를 떠올리면 됨)인 **Columbia**의 형성일 수 있다고 말합니다. 해수면 위에 상당량의 육지가 존재함에 따라, 침식 작용이 충분한 영양분을 바다로 운반해 대량의 광합성 시아노박테리아가 번성할 수 있었습니다. 우리는 이러한 증거를 유기탄소가 풍부한 해저 퇴적암에서 확인할 수 있습니다.
Columbia의 분열은 저온 섭입의 첫 징후와 일치합니다. 이는 콜럼비아 주변 얕은 물에 축적된 유기탄소와 탄산염이 더 많이 맨틀 깊숙이 섭입될 수 있게 했습니다.
그 다음은 Boring Billion(지루한 10억 년) 시기로, 이때는 맨틀 대류와 판 구조 이동이 모두 둔해 보였습니다. 이후 초대륙 Gondwana와 Pangaea의 형성과 분열이 진행되면서, 현재와 같은 많은 저온 섭입이 일어나는 판 경계 지도가 형성되었습니다.
예를 들어 오늘날 태평양 주변의 “불의 고리”(Ring of Fire)는 탄소와 황이 풍부한 퇴적물을 지속적으로 맨틀 깊숙이 운반하는 거대한 섭입대입니다. 이러한 형태의 섭입이 일반화되면서 지구의 산소 균형이 대기로 더 많이 기울어질 수 있었습니다.
생물학적·지질학적 측면에서 이야기할 내용은 훨씬 더 많습니다. 우리에게 산소가 풍부한 대기는 복잡한 상호작용들의 산물입니다. 그러나 연구자들은 다음과 같이 적습니다. “이러한 과정들은 모두 지구 내부와 외부 사이의 탄소(및 황) 순 플럭스에 의해 정의된 기본선 위에서 작동했으며, 이는 냉각되는 지구에서 차가운 섭입 효율이 진화함에 따라 제어되었다고 우리는 주장한다.”
PNAS, 2026. DOI: 10.1073/pnas.2534056123 – DOI에 대하여
저자
Scott K. Johnson – 스콧은 2011년부터 프리랜서로 Ars Technica에서 지구과학 및 에너지 관련 글을 써 왔습니다.
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