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눈덩이 지구
눈덩이 지구(Snowball Earth, 지구 동결, 스노볼 지구, 눈덩이 지구 현상)은 지구 전체가 적도 부근을 포함하여 완전히 얼음에 덮인 상태를 말한다.
개요[편집]
눙덩이 지구는 빙하기로 인해 지구 전체가 꽁꽁 얼었을 때 표현하는 학명이다. 작은 의미론 크리오스진기 눈덩이 지구를 의미한다.
빙하기, 빙하 시대와 차이점은 적도 지방까지 모두 얼어붙기 때문에 일반적인 신생대의 빙하기보다 더 기온이 낮았다. 가령 지구 온난화가 진행 중인 현재도 지구는 빙하기로 그중에서 온난한 간빙기인데 지구 평균온도는 15~16도로 빙하기가 아닌 시절 평균온도인 25도보다 10도나 떨어진 추운시기다. 북위도가 빙하에 덮인 빙기 시절에도 평균온도는 10도 정도이나 눈덩이 지구시절엔 단단한 눈덩이 지구 기준으로 평균 영하 50도 까지 보고 고위도는 영하 100도 이하로 추정한다.
한반도에서도 7억 년전경에 퇴적된 지층에서 눈덩이 지구를 증명할 수 있는 증거가 국도변에서 2015년 즈음에 발견되었다.
비슷하게 24억 년 ~ 21억 년전에 해당하는 라이악스기에 지구 전체가 얼어붙었다고 추측되는 설의 경우 Huronian Glaciation으로 표기한다.
가설[편집]
선캄브리아 시대가 끝날 무렵인 6억에서 8억 년 전, 빙하 시대가 존재했다고 하는 생각이 지구사를 연구하는 학자들 사이에 주류가 되고 있다. 이것을 눈덩이 지구 이론이라고 하는데, 1992년에 캘리포니아 공대 죠 카슈빙(Joseph Kirschvink) 교수가 아이디어로 전문지에 발표한 것이 시작이다. 그 후 1998년에는 하버드대 교수 폴 호프만(Paul F. Hoffman)은 남아프리카의 나미비아에서 캡 카보나이트(cap carbonates) 조사한 결과의 정리를 바탕으로 과학잡지 사이언스에 투고하여 큰 반향을 얻게된다.
이 가설에 대해 주목할 점은 전 지구가 얼어붙는 엄청난 환경 변화가 원생 생물의 대량 멸종과 함께 생물의 진화를 가져왔다고 여겨지는 것이다. 예를 들면 산소로 호흡하는 생물의 탄생이나, 에디아카라 동물군(Ediacara biota)이라 불리는 다세포 생물의 출현 등도 눈덩이 지구 현상과 밀접하게 관계된다고 보는 것이다.
눈덩이 지구 가설 이전[편집]
이 설이 제안되기 전에는 지구는 탄생 직후 마그마 바다에 덮여 데워져 있는 상태에서 서서히 차가워지고 이 후 따뜻한 날씨의 온난기와 다시 차가워지는 한랭기, 빙하기를 거치면서 현재에 이른 것으로, 결국 지구 전체가 적도까지 완전히 얼어붙은 시기는 없다고 하는 것.
지구 궤도에 오는 태양 광선의 열수지를 생각해 볼 때, 만일 지구 전체가 동결했다고 한다면 그 반사율(albedo)로 태양빛 대부분은 우주 공간에 반사하여 한번 얼어 붙은 지구를 영원히 녹일 수 없다고 생각하는 것이다. 고로 지금도 동결 상태이어야 한다는 의미.
따라서 현재 지구가 따뜻한 날씨를 가지며 액체 상태의 바다를 이루고 있다는 것이 지구 전체가 얼어붙은 일은 단 한번도 없었다는 증거라고 일컬어 왔다.
눈덩이 지구 해소 가설[편집]
눈덩이 지구 가설에 있어 얼어붙은 상태를 해소하는 방법으로 화산 활동과 바다의 이산화탄소 흡수 현상을 들고 있다. 화산 활동이 일어날 때 발생하는 이산화탄소 등 온난화 가스는 온실 효과를 일으켜 눈덩이 지구 때 약 영하 50도 정도인 지구의 평균 온도를 약 100도 가까이 상승 시켰고 이때 지구가 뜨거워져 얼음이 전부 녹게 된다. 그 다음에는 덥혀진 액체 상태의 바다가 대기 중의 이산화탄소를 흡수하기 때문에 어느 정도 온난화 가스 농도가 약해지고 이 후에 등장한 광합성 생물에 의해 이산화탄소의 농도가 극적으로 감소하여 지구가 식어 현재와 같은 온도가 되었다는 것. 한편 눈덩이 지구 때 바다가 동결한 상태라고 하더라도 화산에서 나온 이산화탄소는 바다에 흡수될 수 없었기 때문에 동일한 온실 효과가 발생하여 바다가 녹았다고 설명할 수 있다.
최근의 연구에 의하면 선캄브리아 시대 말기에 약 2억년 정도 동안 4회 정도의 지구 동결 효과가 일어났고 그 이전인 약 22억년 전 무렵에도 지구 전체의 한랭화가 발생(휴로니안 빙하기, Huronian glaciation)했다고 볼 수 있다.
눈덩이 지구의 증거[편집]
과거의 지구는 완전히 얼음으로 덮여 있었다. 온난화가 진행되는 시대에 살고 있는 우리는 이를 상상하기 어렵겠지만, 지구는 적도 부근까지 얼음으로 뒤덮인 적이 있다고 생각된다. 이런 엄청난 가설을 뒷받침하는 증거가 세계 각지에서 발견되고 있다.
남극 이외의 세계 각지에서 빙하 퇴적물이 발견되고 있다. 고지자기학 분석으로 확인해 볼 때 여기에는 당시 적도 주변에 있었다고 추정되는 장소도 포함된다.
빙하 퇴적물의 윗쪽 층에서 두꺼운 탄산염 바위층(캡 카보나이트, 덮개석회암층)이 발견되는 사례가 많다. 이것은 한랭화 종료와 동시에 급속도의 이산화탄소의 고착화가 발생한 것을 의미한다. 아프리카 남부의 나미비아 등지에서 발견된 예에서는 탄산염 바위가 매우 급속히 침전했음이 판명되었다. 최덕근 외(2012)는 대한민국 충청 분지에 분포하는 옥천 누층군 명오리층의 금강석회암층원을 덮개석회암층으로 해석했다.
적도 부근의 '빙하 퇴적물'[편집]
오른쪽 사진은 캐나다 온타리오 주에서 촬영한 약 22억 년 전의 지층이다. 사진은 캐나다 온리오 주에서 촬영한 약 22억 년 전의 지층이다. 사진 가운데에 보이는, 주위와는 이질적인 흰 영역은 지층을 파고든 암석이다. 사진 가운데에 보이는 '주위와는 이질적인 흰 영역'은 지층을 파고든 암석이다. 이것을 '드롭스톤(Dropstone)'이라고 한다.
'드롭스톤'은 육지를 천천히 이동하는 빙하에 휩쓸린 암석이 바다를 건너 해안에서 멀리 떨어진 장소에 퇴적해 생긴 것이다. 주위에 있는 지층의 입자와 크기가 분명히 서로 다른 암석이 갑자기 퇴적되려면 빙하에 의해 운반되었다고 생각할 수밖에 없다. 빙하에 의해 위치가 바뀐 드롭스톤 등을 '빙하 퇴적물'이라고 하며, 전 세계의 같은 연대 지층에서 발견된다. 그러나 전 세계의 지층에 빙하가 있었던 것을 나타내는 증거가 있다고 해서, 당시의 지구가 모두 얼음으로 뒤덮였다고 생각할 수는 없다. 대륙은 지구 표면을 뒤덮은 단단한 암반인 '판(Plate)'의 움직임에 의해 조금씩 이동한다. 그래서 대륙은 예로부터 계속해서 같은 장소에 있었던 것은 아니다.
1980년대에 일부 연구자들의 조사를 통해, 약 6억 3500만 년 전의 지층에 보이는 빙하 퇴적물이 저위도에서 만들어진 것이라고 보고되었다. 하지만 미국 캘리포니아 공과대학 교수 '죠 카슈빙(Joseph Kirschvink)' 박사 등은 그 결과가 어떤 착오라고 생각했다. 박사는 기록된 지구 자기의 자취를 조사함으로써, 그 암석이 정말 저위도에서 생긴 것인지를 다시 조사했다. 그러나 박사의 의심과는 달리, 그 조사 결과는 빙하 퇴적물이 적도 부근에서 생겼음을 결정적으로 확인해 주었다.
줄무늬 철광상[편집]
오른쪽 사진은 오스트레일리아 서부 '카리지니 국립공원(Karijini National Park)'에서 촬영한 약 25억년 전 무렵의 지층에서 발견되는 줄무늬 철광상이다. 철 원료의 태반은 이런 줄무늬 철광상에서 채굴된 산화철로 조달된다. 실은 6~7억 년 전의 지층에도 '빙하 퇴적물'과 함께 '줄무늬 철광상'이 발견된다. 철 등의 금속 원소는 해저에 있는 '열수 분출공'이라는 고온의 물이 솟아 나오는 곳으로부터 물과 함께 분출된다. 그러나 단지 금속 원소가 바닷속에 있는 것만으로는 이 사진과 같은 커다란 광상이 생기지 않는다. '줄무늬 광상'이 생기려면 대량의 철이 한꺼번에 산화되고 침전되어야 한다.
원인[편집]
시발점이라 할 수 있는 빙하의 확장 원인으로 제시되는 것은 다음과 같다.
휴로니안 눈덩이 지구[편집]
광계 II 광합성]의 등장과 태양계 궤도 안정으로 인한 운석 및 혜성 충돌이 뜸해지고 이로 인해 단세포생물인 남조류가 폭주하게 된다
광합성을 하는 남조류는 처음 등장한 35억년 전만해도 광계 I 광합성만을 했기 때문에 빛만 있어도 광합성이 가능했지만 이산화탄소와 물을 소비하는 광계 II 광합성에 비해서 에너지 효율도 적고 산소나 포도당을 생성하지 못했다. 그러나 수억년간 진화에 따라 지천에 널려있는 물과 이산화탄소를 이용한 광계 II 광합성이 가능해지면서, 대기중의 온실가스인 이산화탄소를 소비하여 대량의 산소를 방출하였다.
시생누대 시절엔 초화산도 많고 운석들이 자주 떨어졌기 때문에 이렇게 만들어진 공기중의 산소를 주기적으로 소비해줬고, 멜라토닌 호르몬이 등장 전이라 폭주한 남세균은 자신이 만든 산소 독성으로 죽어서 산소 농도가 그렇게 폭주하지는 않았다. 그러나 10억년동안 지구도 충분히 식고 운석 충돌도 뜸해지고, 멜라토닌 같은 항산화제가 진화하여, 광계 II를 사용하는 다량의 호기성 남세균이 번식하고 대사부산물로 대량의 산소를 대기중에 방출하는 산소 대참사가 일어난다. 이때 방출된 산소는 처음에는 당시 바다에 녹아있던 철을 소비하여 산화철로 만들었다. 철이 모두 소비된 이후에는 대기중으로 퍼져 당시 온실효과의 원인이던 대기 중의 메탄과 결합하여 그 농도를 일정 수준 이상으로 떨어뜨렸다. 이산화탄소와 메탄 두 대표적인 온실가스가 크게 줄어들었고, 이로 인해 온실효과가 사라진 것. 당시에는 태양의 햇빛이 지금보다 20~15% 더 약했기 때문에 온실가스가 사라지자 지구의 온도가 급격하게 내려가면서 거의 3억년간 눈덩이 지구가 시작된다.
이 사태로 인해 아티카와 누나브이아 초대륙은 얼음 속에 파뭍혀 갈라지고 말았다.
크리오스진기 눈덩이 지구[편집]
로디니아 초대륙이 아프리카 지역과 충돌하여 분리되면서 분출된 용암으로 대규모 현무암 지대가 만들어지고 규산염이 탄산염으로 바뀌면서 이산화탄소를 흡수했기 때문이라고 추정한다. 이로 인해 온실효과를 일으키던 이산화탄소가 일정 수준 이상 떨어지며 온실효과가 사라졌다. 이 당시에는 태양의 햇빛이 지금보다 10% 더 약했는데 추가적으로 초대륙이 분리되면서 폭발한 화산의 이산화황이 가뜩이나 약한 햇빛을 가렸다. 또한 이 때, 화산 활동도 많지 않았다.
이러한 약한 태양열과 온실가스의 상실로도 눈덩이 지구가 시작되었다. 첫 번째로 발생한 빙하기를 스투르티아 빙하기, 두 번째로 발생한 빙하기를 마리노스 빙하기라고 한다.
녹는 과정[편집]
휴로니안 눈덩이 지구[편집]
1차 눈덩이 지구가 해동된 과정은 운석 충돌로 보인다. 호주 커틴대학의 연구팀이 과학저널 Nature Communications 최신호에 발표한 바에 따르면, 지금까지 남아있는 소행성 충돌구 중 가장 오래된 것은 22억 2900만 년(오차 범위 ± 500만 년)전에 생성된 호주의 야라부바 충돌구라고 한다. 이 시점은 이 지역에서 빙하가 사라지고 1차 눈덩이 지구가 끝난 시점과 일치하므로, 이 운석 충돌로 인해 대량의 온실가스를 방출한 것이 지구 해동에 도움이 되었다는 것이 이들의 주장이다.
크리오스진기 눈덩이 지구[편집]
2차 눈덩이 지구가 해동된 과정은 화산 활동에 의해 대기 중에 이산화탄소가 대량으로 뿌려지고, 얼어붙은 대양과 지면이 이것을 흡수하지 못했기에 점점 온실효과가 심해졌으며, 그것이 한계에 도달한 순간 얼음이 녹아내리면서 해동이 이루어졌다고 한다.
그러나 이건 지구의 판 운동이 지속될 경우에만 가능한 방법이다. 판 운동이 멈추면 대륙 이동은 물론이고 화산 활동도 멈추게 되며, 그러면 이산화탄소를 대기 중에 공급할 방법이 사라지므로 지구를 녹일 수가 없다. 다만 지구의 판 운동은 명왕누대 이후로 항상 활발했기 때문에 해당 가설은 설득력이 있다.
전 지구 동결에서 생물은 어떻게 살아남았을까?[편집]
그런데 우리 인간의 조상은 눈덩이 지구라는 가혹한 환경 속에서 어떻게 살아남았을까? 이것은 눈덩이 지구 가설의 최대 수수께끼이다. 적어도 '막가닌 빙하 시대(약 23억 년 전)' 이전부터 지구에는 박테리아 등 비교적 단순한 생물이 존재했다고 생각된다. 그리고 6~7억 년 전 무렵의 전 지구 동결 때는 그 후 나타나는 다세포 동물로 이어지는 복잡한 생물이 존재했을 것이다.
'죠 카슈빙' 박사는 '온천'이 눈덩이 지구라는 가혹한 환경에서 생물의 '핫 스폿(Hot Spot)'이 되었던 것은 아닐까 지적한다. 확실히 화산 분화에 의해 이산화탄소가 대기에 공급되었다면 지상에 온천같은 것이 솟아 나오고 있었다고 해도 이상하지 않다. 지열로 얼음이 녹고 있거나 바다의 얼음이 얇아져 빛이 물이 있는 장소까지 이르고 있었다면, 생물은 거기서 광합성 등을 해서 살고 있었을지도 모른다.
근년에는 사이노박테리아 등의 미생물이나 광물이 모여 '크리오코나이트(Cryoconite)'라는 입자 모양의 형태가 됨으로써 얼음 표면에 남아 있었을 가능성도 지적된다. '크리오코나이트'는 시아노박테리아를 비롯한 여러 가지 미생물과 광물이 밀집해 생긴 입자이다. 실제로 평균 기온이 어는점 아래에 이르는 남극의 얼음 위 등에는 사진과 같은 크리오코나이트가 보이며, 거기에는 여러 가지 미생물이 서식한다. 크리오코나이트는 거무스레한 색깔을 띠기 때문에 태양광을 받으면 열을 지니며, 얼음에 깊이 40cm 정도까지의 구멍을 만든다. 구멍 내부에는 물이 고이기 때문에 물이 불지 않는 한 온도는 약 10℃ 가까이 유지된다. 크리오코나이트는 '시아노박테리아' 외에도 '곰벌레', '녹조류' 등 여러 가지 미생 물이 존재한다. 이들 미생물은 '물'과 '시아노박테리아의 광학성에 의해 생기는 유기물'이나 '미생물의 사체'를 먹이로 삼아 구멍 속에서 계속 살아갈 수 있다.
'눈덩이 지구'는 '산소 농도의 급상승'을 일으켰다.[편집]
'전 지구 동결'은 '대기의 산소 농도 상승', 나아가 '생명의 진화'에서 매우 중여한 사건이었을 가능성이 높다고 생각된다. 현재 대기에는 산소가 약 21% 들어 있다. 대기에 산소가 들어 있게 된 것은 27억 년 전 무렵에 탄생한 '시아노박테리아'에 의한 광합성 덕분이다. 하지만 산소 농도는 '시아노박테리아'의 탄생부터 서서히 높아진 것이 아니라, 2회에 걸쳐 급격히 상승한 것으로 보인다. 그리고 산소 농도의 급상승 직전에는 지구가 완전 동결 상태로 있었다는 것이다.
'산소 농도의 급상승'과 '눈덩이 지구'에는 어떤 관계가 있을까? 약 23억 년 전에 눈덩이 지구로부터 온난한 화경으로 되돌아오려면 현재의 1000배 이상의 이산화탄소 농도가 필요했으리라고 생각된다. 그리고 얼음이 녹기 시작하면 기온이 급격히 상승하기 때문에, 바닷물의 증발량이 늘어나 대량의 비가 내린다. 기온이 높으면 풍화의 진행도 빨라지기 때문에 지상으로 부터는 금속 원소 등이 바다로 대량으로 유출된다. 실은 이때 시아노박테리아의 성작에 필요한 '인(P)' 등도 함께 바다로 운반되었다. 그 결과 전 지구 동결이라는 가혹한 환경에서 살아남은 시아노박테리아는 얼음이 녹은 후 폭발적으로 번식했으리라 생각된다.
멸종 위기로부터 벗어나 엄청난 번영을 이룬 시아노박테리아는 광합성을 함으로써 대기 속의 이산화탄소를 차츰 소비해 산소를 만들었다. 이리하여 원래는 현재의 10만 분의 1 이하였던 산소 농도는 '막가닌 빙하 시대' 직후에는 일시적으로 현재의 값까지 이르렀다. 그 후 1억~2억 년에 걸려 철 등의 산화에 의한 '산소 소비'와 '광합성에 의한 산소 생성'이 균형을 이루는 현재의 100분의 1 내지 1000분의 1의 값까지 낮아졌다고 한다. 산소 농도는 그 후 10억 년 이상 안정적으로 유지되었다가 6~7억 년 전의 눈덩이 지구 때 다시 급상승했다고 한다. 현재 대기의 산소 농도는 이렇게 형성되었다고 생각된다.
. 폭발적인 산소의 증가'가 '생명의 진화'를 재촉한 것 같다.[편집]
눈덩이 지구에서 겨우 살아남았다고 해도 '산소 농도의 급상승'에 적응할 수 없는 생물은 멸종되었다. 그래서 지구가 2회에 걸쳐 경험한 '산소 농도 급상승'에 의해, 지구상에 존재하던 생물의 세력에도 커다란 변화가 있었으리라고 생각된다. 우리 인류는 다수의 세포로 이루어지는 '다세포 동물'이며, 세포 안에 핵이 있고 산소를 이용하는 '진핵 생물'이다. 실은 가장 오래된 다세포 동물의 화석은 '스터트 빙하시대'의 직후인 6억 3000만 년 전의 지층에서 발견된다. 광합성을 하는 세포라면 몰라도, 다세포 동물이라는 복잡한 생물이 전 지구 동결이라는 가혹한 시대에서 살아남았으리라고 생각되지는 않는다. 지구의 얼음이 녹고 나서 500만 년 정도밖에 틈이 없기 때문에 상당히 의문도 많지만, 산소 농도의 상승에 생명이 적응하는 과정에서 급격한 진화가 일어났으리라고 생각될 수 있다.
나아가 약 19억 전의 지층에서는 가장 오래된 '진핵 생물'의 화석이 발견된다. 그 이전 시대의 생물은 산소를 거의 이용할 수 없었으리라고 생각된다. 어쩌면 약 20억 년 전에 산소 농도의 급상승이 일어남으로써 산소를 이용할 수 있는 생물이 살아남고, 그 후 진행 생물로 진화를 했다고 볼 수도 있다. 어디까지나 가설에 불과하지만, 만약 지구가 지금까지 한 번도 지구 동결을 경험하지 않았더라면, 지구에는 지금 시아노박테리아 같은 단순한 생물밖에 존재하지 않았을지도 모른다.
지구는 다시 눈덩이가 될 가능성이 있을까?[편집]
그러면 지구가 다시 얼음으로 뒤덮일 가능성은 없을까? 지구는 옛날에 비해 얼어붙기 어려운 상황이 되고 있다고 생각된다. 지구의 기온은 태양으로부터 얻는 에너지의 양에 크게 좌우된다. 실은 마지막으로 지구가 완전히 얼어붙은 약 6억 년 전에 비해 현재 태양에서 나온 빛의 에너지는 약 6% 강해지고 있다. 지구가 도달하는 에너지가 증가하는 만큼 지구는 옛날에 비해 훨씬 얼어붙기 어려운 상황이 된 것이다.
그렇다고 해서 절대로 얼지 않는다고 할 수도 없다. '죠 카슈빙(Joseph Kirschvink)' 박사에 의하면, 예컨대 세계적으로 핵전쟁 등이 일어나는 등의 이유로 예측할 수 없는 환경의 변동이 일어나면 지구가 다시 얼어붙을 가능성도 있다고 한다. 나아가 장래에 만약 지구가 얼어붙는 경우에는 거기서 탈출할 때 커다란 문제가 생길 가능성도 있다. 중요한 점은 그때의 '이산화탄소 농도'와 '태양광의 세기'이다.
눈덩이 상태에서 빠져나올 수 있었다고 해도 경우에 따라서는 지구가 지나치게 온난화되어 금성처럼 어떤 생물도 생존할 수 없는 고온의 행성이 될지도 모른다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈눈덩이 지구〉, 《위키백과》
- 〈눈덩이 지구〉, 《나무위키》
- 〈눈덩이지구〉, 《기상학백과》
- 〈눈덩이 지구〉, 《고생물산책》
- surpriser, 〈눈덩이 지구(Snowball Earth)〉, 《티스토리》, 2023-02-22
같이 보기[편집]
