지구에 있는 '물'은 어디서 왔는가?

지구에 있는 '물'은 어디서 왔는가?

최근 알려진 바로는 달표면 지하에도 얼음이 있는 것으로 알려지고 있다. 그런데 지구에는 풍부한 물이 존재하고 있는데, 만약 물이 지구상에 존재하지 않았다면 생명의 존재도 없었을 것이다. 

당연하게 존재하는 물이지만, '지구상의 물은 어디에서 왔는가?'라는 수수께끼는 많은 과학자들의 골머리를 앓아온 문제이다. 이러한 지구의 물의 기원에 대해서, 애리조나주립대학의 연구자가 「지구의 물은 단일의 기원을 가지는 것이 아니고, 다양한 기원을 가지는 것으로 복합적이다」라고 하는 설을 주장하고 있다. 

애리조나주립대학교 연구팀은 지구상의 물이 소행성의 충돌로 초래된 물질에서 유래한 것과 태양계 형성 후 태양계를 떠돌던 태양계 성운가스의 잔류가스에서 유래한 것이 존재한다는 설을 발표했다. 지구의 물은 단일 기원을 가진 것뿐만 아니라 여러 요인에 의해 초래된 것이라고 연구팀은 주장한다. 

많은 과학자들은 지구상의 물이 행성 형성 때부터 갖추어진 것이라고 생각하지 않으며, 어떤 원인으로 인해 지구 밖에서 지구 내부로 초래되었다고 생각한다. 역사적으로 가장 간단한 설명은 지구가 형성된 초기에 소행성의 충돌로 인해 물이 지구로 초래됐다는 것이다. 이 설은 소행성에 존재하는 수소가 지구의 바닷물에 포함된 수소와 같은 비율의 중수소를 가지고 있다는 점에서 뿌리 깊게 지지를 받고 있다. 또 소행성 충돌 시 큰 열과 에너지가 발생해도 지구상에는 소행성으로부터의 물이 남는다는 것이 과거 연구자들에 의해 나타나고 있다는 것이다. 

그러나 지구상의 물이 소행성에 의해 초래되었다는 가설로는 설명이 안 될 수도 있다. 바닷물과 지구 중심 근처에서 모아진 수소의 시료를 비교하면 반드시 각각의 전체 수소 중에서 차지하는 중수소의 비율이 일치하지 않고, 땅속 중심 근처에서 채취된 수소는 중수소의 비율이 바닷물보다 낮다고 한다. 이 결과는 지구 내부의 수소는 소행성에서 온 것이 아니라는 생각을 뒷받침하는 것이다. 

애리조나주립대 물리학 교수이자 이번 연구팀에 참여하고 있는 Steven Desch는 지구 맨틀 등에서 채취되는 수소의 중수소 비율을 고려할 때 지구는 소행성 충돌 이외의 방법으로 물을 얻는 공급원을 갖고 있었을 것이다. 소행성보다 중수소 비율이 적은 수소를 공급할 가능성이 있는 것은 태양계 성운가스다라고 말했다. 

태양계는 태양계 성운가스가 점차 항성이나 행성 등의 형태를 취하여 형성된 것으로 생각되며, 이전에는 행성 형성 후에는 태양계 성운가스가 사라지는 것으로 추측했다. 그런데 최근 연구에서 행성 형성 후에도 주위에는 태양계 성운가스가 감돌았을 가능성이 높아졌고, 행성 형성 후 남아있던 태양계 성운가스에서 지구 내부로 수소가 유입됐다는 설을 연구팀은 검토하기 시작했다. 

연구팀은 지구가 형성된 후 물을 보유한 소행성의 충돌이 시작됐고, 그와 동시에 태양계 성운가스에서도 수소가 지구로 유입된 것으로 보고 있다. 이 설에 입각하면 지구 물의 대부분은 소행성이 기원이지만 0.1~0.2% 가량은 태양계 성운가스에서 가져온 수소에 의해 형성되고 있다는 것이다. 현재로서는 이 설은 어디까지나 모델에 의해 검증된 단계에 불과하기 때문에 이 설을 실증하기 위해서는 더 많은 맨틀의 샘플을 채취하여 분석해야 한다. 

이러한 주장은 물이 풍부한 소행성에서 멀리 떨어진 곳에 있는 행성에서도 성운가스에 의해 물이 초래되고 있을 가능성을 시사하는 것이다. Desch는 "지구만큼은 아니더라도 많은 행성상에 얼마 안 돼도 물이 존재할 수 있다"고 말했다. 또 행성이 형성되자마자 성운가스에서 물이 공급될 경우 기존 설보다 더 빠른 속도로 거주 가능한 행성이 형성될 수도 있다는 것이다. 

애리조나주 투손의 행성연구소 연구자인 David p.o.Brien 는 이번 연구 결과에 대해 기존 연구의 상당수는 여러 물의 기원을 개별로 검토하고 있었지만 이번 연구는 여러 요인이 서로 겹쳤다는 설을 검토하고 있다는 데 의미가 있다. 또 지구상의 수소와 중수소의 비율에 관한 사실은 이번 모델을 뒷받침하는 것이라고 말했다. 

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Origin of Earth's Water: Chondritic Inheritance Plus Nebular Ingassing and Storage of Hydrogen in the Core-Wu--Journal of Geophysical Research: Planets-Wiley Online Library
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018JE005698

The origins of Earth's water are a big mystery-but we may have one more piece of the puzle | Popular Science
https://www.popsci.com/earth-water-asteroid-solar-gas