수십억 년 전, 어린 태양 주위를 도는 거대한 먼지, 가스, 암석 물질 원반에서 점점 더 큰 천체가 합쳐져 결국 오늘날 행성, 달, 소행성이 탄생했다.
과학자들이 지구가 어떻게 형성되었는지 연구할 수 있는 한 가지 방법은 행성 내부 깊은 곳에서 흘러나오는 마그마를 조사하는 것이다. 이 샘플의 화학적 서명에는 지구를 형성하기 위해 함께 모인 물질의 특성과 타이밍에 대한 기록이 포함됐다. 이는 화석이 지구의 생물학적 과거에 대한 단서를 제공하는 방식과 유사하다.
미국 캘리포니아 공대(California Institute of Technology, Caltech) 연구에 따르면 초기 지구는 뜨겁고 건조한 물질로 생성, 지구의 물은 지구 형성 역사에서 늦게 생겨났음을 나타낸다.
인간은 지구 내부로 여행할 수 있는 방법이 없지만 지구 깊숙이 있는 암석은 자연스럽게 용암형태로 지표면으로 이동할 수 있다. 이 용암이 원천인 마그마는 지표면 아래 약 15km에서 시작하여 약 680km에 걸쳐 있는 상부 맨틀과 같이 지구 내의 다양한 깊이에서 발생할 수 있다. 또는 680km 깊이에서 우리 발 아래 약 2,900km에 있는 핵-맨틀 경계까지 이어지는 하부 맨틀이다.
케이크의 여러 층(프로스팅, 필링, 스폰지)을 샘플링하는 것처럼 과학자들은 서로 다른 깊이에서 발생하는 마그마를 연구하여 지구 층의 다양성, 즉 내부에서 발견되는 화학 물질과 서로에 대한 비율을 이해할 수 있다.
지구의 형성은 순간적이지 않고 대신 시간이 지남에 따라 물질이 축적되기 때문에 하부 맨틀과 상부 맨틀의 샘플은 지구가 축적되는 동안 시간이 지남에 따라 어떤 일이 발생했는지에 대한 다른 단서를 제공한다.
새로운 연구에서 팀은 초기 지구가 주로 건조하고 암석이 많은 물질로 구성되어 있음을 발견했다. 행성 내부의 화학적 신호는 물과 요오드와 같이 쉽게 증발되는 물질인 소위 휘발성 물질이 부족함을 보였다. 대조적으로, 상부 맨틀의 샘플은 하부 맨틀에서 발견된 것보다 3배 더 높은 비율의 휘발성 물질을 나타냈다.
이러한 화학적 비율에 기초하여 Liu는 지구가 뜨겁고 건조하며 바위 같은 물질로 형성, 물을 포함하여 생명에 필수적인 휘발성 물질의 주요 추가가 지구 형성의 마지막 15%(또는 그 미만) 동안에만 발생했음을 보여주는 모델을 만들었다.
이 연구는 최근 수십 년 동안 여러 패러다임 변화를 겪었고 여전히 활발한 과학적 논쟁이 특징인 분야인 행성 형성 이론에 중요한 기여를 했다. 이러한 맥락에서 새로운 연구는 유사하게 건조한 물질로 형성되었을 것으로 예상되는 다른 지구형 행성(수성과 금성)의 구성 요소의 특성에 대한 중요한 예측 한다.
중국과학원 대학 등 국제 연구팀이 참여한 이 연구는 지구화학 조교수이자 Heritage Medical Research Institute 조사관 Francois Tissot 실험실에서 수행했다. Caltech 대학원생 Weiyi Liu는 이 논문의 첫 번째 저자다.
연구 논문은 Science Advances 저널에 게재됐다.
