뿌리학습 · 고등 과학탐구
지구시스템과 권역 간 상호작용
지구를 이해할 때는 지구를 하나의 시스템으로 보아야 한다. 시스템이란 여러 구성요소가 서로 영향을 주고받으며 하나의 전체로 작동하는 것을 말한다.
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개념 정리
지구시스템은 지권, 수권, 기권, 생물권, 외권으로 이루어진다. 여기서 중요한 것은 이 권역들이 따로 작동하지 않는다는 점이다. 권역들은 경계에서 끊임없이 물질과 에너지를 주고받는다. 비가 내리는 것은 기권의 물이 수권과 지권으로 이동하는 일이고, 식물이 광합성을 하는 것은 기권의 이산화 탄소가 생물권으로 들어가는 일이다.
그리고 지구시스템 자체도 더 큰 시스템의 일부다. 지구는 태양계라는 시스템의 구성요소이며, 태양에서 에너지를 받고 우주로 에너지를 내보낸다. 지구를 완결된 세계로 생각하기 쉽지만, 에너지 면에서 지구는 열려 있다. 외권은 그 통로다. 태양 에너지가 외권을 지나 들어오고 지구가 내보내는 에너지가 외권을 지나 나간다.
이제 권역 사이에서 무엇이 오가는지 보자. 물질과 에너지인데, 두 가지는 움직이는 방식이 다르다.
물질은 순환한다. 반면 에너지는 여러 형태로 바뀌면서 흐르다가 결국 우주로 빠져나간다. 물을 예로 들어 보자. 바다의 물이 증발해 기권으로 올라가고, 구름이 되어 비로 내려 지권과 수권으로 돌아온다. 일부는 생물의 몸을 거쳐 다시 나온다. 여기서 물은 사라지거나 새로 생기는 것이 아니다. 액체에서 기체로, 다시 액체로 상태만 바꾸며 권역 사이를 이동할 뿐이고 지구 전체의 총량은 거의 일정하다.
탄소도 마찬가지다. 탄소를 이산화 탄소로만 생각하기 쉽지만, 탄소는 여러 권역에 나뉘어 있다. 대기에는 이산화 탄소로, 해양에는 물에 녹은 형태로, 생물권에는 생물의 몸을 이루는 물질로, 지권에는 석회암과 화석 연료로 저장되어 있다. 광합성으로 대기의 탄소가 생물로 들어가고, 호흡과 연소로 다시 대기로 나가며, 생물의 유해가 쌓이고 묻혀 오랜 시간에 걸쳐 암석이나 화석 연료의 형태로 탄소가 저장되기도 한다.
에너지는 다르다. 에너지는 순환하지 않는다. 태양에서 들어와 여러 권역을 거치며 형태를 바꾸다가 결국 우주로 빠져나간다. 한 방향의 흐름이다. 물질은 돌고 에너지는 흐른다고 기억하면 된다.
여기서 하나 더 짚을 것이 있다. 지구시스템의 에너지원이 태양뿐인 것은 아니다. 지구 내부에도 열이 있다. 지구 표면에서 일어나는 대부분의 현상은 태양 에너지로 일어나지만, 판을 움직이고 화산과 지진을 일으키는 것은 지구 내부의 에너지다. 두 에너지원을 구분해야 한다.
이제 지구 내부 에너지가 일으키는 변화를 자세히 보자.
지구의 표면은 여러 개의 판으로 나뉘어 있고, 이 판들은 아주 느리게 움직인다. 판을 움직이는 힘은 지구 내부의 열에서 나온다. 맨틀이 매우 느리게 대류하면서 그 위의 판을 움직이고, 다른 판 아래로 밀려 들어가는 판이 나머지 부분을 끌어당기는 힘도 함께 작용한다. 판의 운동으로 지권에 일어나는 변화를 설명하는 이론을 판구조론이라고 한다.
판구조론은 지진과 화산만 설명하는 것이 아니다. 판의 경계는 판이 어떻게 만나는지에 따라 세 가지로 나뉘고, 경계마다 만들어지는 지형이 다르다.
두 판이 서로 멀어지는 발산형 경계에서는 벌어진 틈으로 마그마가 올라와 화산 활동이 일어나고, 바다에서는 해령이라 불리는 해저 산맥이 만들어지며 새로운 해양 지각이 생긴다.
두 판이 부딪치는 수렴형 경계에서는 한쪽 판이 다른 판 아래로 밀려 들어가 깊은 해구가 생기고, 그 부근에서 강한 지진과 화산 활동이 일어난다. 두 대륙이 부딪치는 곳에서는 지층이 밀려 올라가 히말라야와 같은 높은 습곡 산맥이 만들어진다.
두 판이 어긋나며 스쳐 지나가는 보존형 경계에서는 변환 단층이 발달하고 지진이 일어난다. 다만 마그마가 올라오는 통로가 생기지 않아 화산 활동은 잘 일어나지 않는다.
대륙의 위치가 오랜 시간에 걸쳐 달라진 것도 판의 운동 때문이고, 암석이 만들어지고 부서지고 다시 만들어지는 순환에도 판의 운동이 관여한다.
가장 중요한 것은 지권의 변화가 지권에서 끝나지 않는다는 점이다. 이것이 시스템으로 보는 관점의 핵심이다.
화산이 분출하면 화산재와 기체가 기권으로 들어간다. 화산재가 햇빛을 가리면 그 지역, 때로는 지구 전체의 기온이 일시적으로 낮아진다. 해저에서 지진이 일어나면 수권에 지진 해일이 생겨 멀리 떨어진 해안까지 영향을 미친다. 이런 변화는 생물권으로 이어진다. 기온이 달라지면 생물의 분포가 달라지고, 대규모 지각 변동은 서식지 자체를 바꾼다.
반대 방향도 있다. 대륙의 배치가 달라지면 해류의 흐름이 바뀌고 그에 따라 기후가 달라진다. 판의 운동으로 높은 산맥이 만들어지면 바람의 흐름이 바뀌어 강수 분포가 달라진다.
이렇게 한 권역의 변화가 다른 권역으로 이어지기 때문에, 지구에서 일어나는 현상을 이해하려면 권역을 하나씩 따로 보는 것이 아니라 서로 연결된 시스템으로 보아야 한다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [10통과1-03-02]지권의 변화를 판구조론 관점에서 해석하고, 에너지 흐름의 결과로 발생하는 지권의 변화가 지구시스템에 미치는 영향을 추론할 수 있다.
자주 하는 착각
지구시스템의 구성
- 지구시스템의 권역들이 각각 따로 작동한다고 본다. 권역을 나누어 배우기 때문이다. 권역은 경계에서 끊임없이 물질과 에너지를 주고받는다. 시스템이라는 말 자체가 구성요소들의 상호작용을 뜻한다.
- 지구시스템을 지구 안에서 닫힌 것으로 본다. 지구를 하나의 완결된 세계로 보기 때문이다. 지구시스템은 태양계의 구성요소이며, 태양에서 에너지를 받고 우주로 내보낸다.
- 외권을 지구와 무관한 바깥 공간으로 본다. 지구 밖이기 때문이다. 외권을 통해 태양 에너지가 들어오고 지구의 복사 에너지가 나가며, 유성체가 들어오기도 한다. 지구시스템과 우주가 만나는 통로다.
물질 순환과 에너지 흐름
- 물질과 에너지가 같은 방식으로 움직인다고 본다. 함께 다뤄지기 때문이다. 물질은 권역을 돌며 순환하고, 에너지는 태양에서 들어와 우주로 나가는 한 방향으로 흐른다. 물질은 돌고 에너지는 흐른다.
- 물의 순환을 물이 사라졌다 생기는 것으로 본다. 증발하면 없어진다고 생각하기 때문이다. 물은 상태만 바꾸며 권역 사이를 이동할 뿐 총량은 거의 일정하다.
- 탄소가 대기에만 있다고 본다. 이산화 탄소로 먼저 배우기 때문이다. 탄소는 대기, 해양, 생물, 암석에 나뉘어 있으며 권역 사이를 오간다. 석회암과 화석 연료도 탄소가 저장된 형태다.
- 지구 내부 에너지도 태양에서 온 것이라고 본다. 지구의 에너지원을 태양으로만 알기 때문이다. 지구시스템에는 태양 에너지 외에 지구 내부의 열도 있다. 판을 움직이고 화산 활동과 지진을 일으키는 근원은 지구 내부 에너지다.
판구조론과 지권의 변화
- 판구조론을 지진과 화산만 설명하는 이론으로 본다. 그 사례로 먼저 배우기 때문이다. 판의 운동은 산맥과 해구의 형성, 대륙의 이동, 암석의 순환까지 지권의 변화 전반을 설명한다.
- 지권의 변화가 지권 안에서만 영향을 미친다고 본다. 권역을 나누어 생각하기 때문이다. 화산 분출은 기권에 화산재와 기체를 내보내 기후에 영향을 주고, 해저 지진은 수권에 지진 해일을 일으키며, 그 결과가 생물권에 미친다.
- 판을 움직이는 에너지를 태양 에너지라고 본다. 지구 표면의 현상 대부분이 태양 에너지로 일어나기 때문이다. 판을 움직이는 것은 지구 내부 에너지이며, 맨틀의 운동과 밀려 들어가는 판에서 생기는 힘 등이 함께 작용한다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
지구시스템의 각 권역은 서로 독립적으로 작동하며, 다른 권역과 물질이나 에너지를 주고받지 않는다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
권역을 기권, 수권, 지권, 생물권처럼 나누어 따로따로 배우다 보면, 각 권역이 독립된 단위로 작동한다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 '시스템'이라는 말 자체가 구성 요소들이 서로 상호작용한다는 뜻을 담고 있어요. 각 권역은 경계에서 물질과 에너지를 끊임없이 주고받으며, 한 권역의 변화가 다른 권역에도 영향을 미쳐요.
지구시스템은 태양으로부터 에너지를 받고 우주로 에너지를 내보내는 열린 시스템이다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
지구를 하나의 완결된 세계로 바라보다 보면 지구시스템이 외부와 단절된 닫힌 것이라고 생각하기 쉬워요. 실제로는 지구시스템은 태양계의 한 구성요소로서, 태양에서 에너지를 꾸준히 받아들이고 그 에너지를 다시 우주로 내보내는 열린 시스템이에요.
외권은 지구와 무관한 바깥 공간이므로 지구시스템에 포함되지 않는다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
지구 밖에 있다는 점 때문에 외권을 지구와 상관없는 공간으로 여기기 쉬워요. 실제로는 외권을 통해 태양 에너지가 지구로 들어오고, 지구의 복사 에너지가 외권으로 빠져나가며, 유성체가 지구로 유입되기도 해요. 이처럼 외권은 지구시스템과 우주가 서로 연결되는 통로 역할을 하기 때문에 지구시스템의 한 권역으로 포함돼요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반