# 지구의 밀도

지구의 밀도는 지구물리학에서 지구 내부 구조와 물질 조성을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하는 물리량이다. 지구는 단순한 균일한 구체가 아니라 여러 층으로 구성된 복잡한 구조를 가지고 있으며, 각 층마다 밀도가 다르게 나타난다. 이 문서에서는 지구 전체의 평균 밀도, 내부 각 층의 밀도 분포, 밀도 측정 방법, 그리고 이를 통해 추론할 수 있는 지구 내부의 물리적 특성에 대해 종합적으로 다룬다.

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## 개요

지구의 **평균 밀도**는 약 **5.51 g/cm³**(그램/세제곱센티미터)이다. 이 값은 지구 표면에서 흔히 발견되는 암석(예: 화강암, 현무암)의 밀도(2.5~3.0 g/cm³)보다 훨씬 높기 때문에, 지구 내부에는 밀도가 매우 높은 물질이 존재해야 한다는 결론을 유도할 수 있다. 이러한 사실은 지구 중심부가 주로 **철**(Fe)과 **니켈**(Ni)으로 구성되어 있다는 내핵 모델의 기반이 된다.

지구의 밀도는 직접적으로 측정할 수 없으므로, 지진파 속도, 중력장 데이터, 실험실에서의 고온고압 실험, 그리고 행성 형성 이론 등을 종합적으로 활용하여 추정된다.

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## 지구 내부 층별 밀도 분포

지구는 다음과 같은 주요 내부 층으로 나뉘며, 각 층은 깊이에 따라 밀도가 증가하는 경향을 보인다.

### 1. 지각 (Crust)

- **밀도**: 2.2 ~ 3.0 g/cm³
- **특징**:
  - 지구의 가장 바깥층으로, 두께는 대륙부에서 약 30~70 km, 해양부에서 약 5~10 km.
  - 대륙 지각은 주로 화강암질 암석으로 구성되어 밀도가 낮고(2.7 g/cm³), 해양 지각은 현무암질 암석으로 구성되어 밀도가 다소 높음(3.0 g/cm³).
  - 지각과 맨틀의 경계는 **모호로비치치 불연속면**(모호면)으로 정의된다.

### 2. 맨틀 (Mantle)

- **밀도 범위**: 3.3 ~ 5.7 g/cm³
- **세부 구조**:
  - **상부 맨틀**: 약 3.3 ~ 4.5 g/cm³
  - **하부 맨틀**: 약 4.5 ~ 5.7 g/cm³
- **특징**:
  - 전체 지구 부피의 약 84%를 차지하며, 주로 **규산염 광물**(올리빈, 피로그렌 등)로 구성.
  - 깊이가 깊어질수록 압력 증가로 인해 광물의 결정 구조가 변화하고 밀도가 증가.
  - 410 km 및 660 km 깊이에서 지진파 속도의 급격한 변화가 관측되며, 이는 상부 맨틀과 하부 맨틀의 전이대를 의미한다.

### 3. 외핵 (Outer Core)

- **밀도**: 9.9 ~ 12.2 g/cm³
- **상태**: 액체 상태
- **특징**:
  - 주로 **액체 상태의 철**(Fe)과 **니켈**(Ni)로 구성되며, 소량의 경원소(황, 산소, 실리콘 등)가 포함되어 있음.
  - 지진파 중 S파가 통과하지 못하는 것으로부터 액체임이 확인됨.
  - 지구 자기장을 생성하는 **지구발전기 이론**(Geodynamo)의 핵심 역할을 수행.

### 4. 내핵 (Inner Core)

- **밀도**: 약 12.8 ~ 13.1 g/cm³
- **상태**: 고체 상태
- **특징**:
  - 약 5,150 km 이상의 깊이에 위치.
  - 막대한 압력(약 360만 기압)으로 인해 철-니켈 합금이 고체 상태로 존재.
  - 지진파 속도 분석을 통해 고체임이 추론되며, 최근 연구에 따르면 내핵이 약간의 **결정 이방성**(anisotropy)을 가질 수 있음.

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## 지구 밀도의 측정 및 추정 방법

지구의 밀도는 직접 측정이 불가능하므로 다음과 같은 간접적인 방법을 사용한다.

### 1. 중력 측정과 질량 계산

- 지구의 질량은 **캐번디시 실험**(1798년)을 통해 최초로 측정됨.
- 실험을 통해 중력 상수(G)를 구하고, 지구 반지름과 중력 가속도(g)를 이용해 질량(M) 계산:
  $$
  g = \frac{GM}{R^2} \Rightarrow M = \frac{gR^2}{G}
  $$
- 이후 밀도는 $ \rho = \frac{M}{V} $ 공식으로 계산됨.

### 2. 지진파 속도 분석

- 지진파(특히 P파와 S파)의 속도는 매질의 밀도와 탄성에 따라 달라진다.
- **프레스네트-게임프 법칙**(Preliminary Reference Earth Model, PREM)은 지진파 속도 데이터를 바탕으로 깊이에 따른 밀도 프로파일을 제공한다.
- 일반적으로 지진파 속도가 증가할수록 밀도도 증가하는 경향이 있다.

### 3. 고압 실험 및 광물 물리학

- 실험실에서 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 등을 이용해 지구 내부 조건(고온고압)을 재현.
- 철 합금, 실리케이트 광물 등의 밀도를 측정하여 내부 조성과 비교.

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## 밀도 분포의 과학적 의미

지구의 밀도가 중심으로 갈수록 증가하는 것은 다음과 같은 중요한 지구물리적 함의를 가진다:

- **중력에 의한 성분 분리**(분화, differentiation): 초기 지구는 용융 상태였으며, 무거운 금속(철, 니켈)이 중심부로 침강하고 가벼운 규산염이 외부로 떠오르는 과정을 통해 현재의 층상 구조가 형성됨.
- **지구 자기장 생성 메커니즘**: 외핵의 액체 금속 흐름은 전도성 매질에서 전류를 발생시키며, 이는 자기장을 생성하는 원동력이 됨.
- **지각 운동 및 판 구조론**: 맨틀의 밀도 차이에 기인한 대류는 판의 이동을 유도하며, 지진, 화산, 산맥 형성 등의 지각 활동을 일으킴.

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## 관련 참고 자료

- **Preliminary Reference Earth Model (PREM)**: 지구 내부의 밀도, 속도, 압력 분포를 수치적으로 모델링한 표준 모델.
- **IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology)**: 지진파 데이터 및 지구 내부 구조에 대한 공개 자료 제공.
- **American Geophysical Union (AGU)**: 지구물리학 분야의 최신 연구 논문 및 리뷰.

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## 결론

지구의 밀도는 단순한 수치를 넘어 지구의 기원, 내부 동역학, 그리고 생명 유지 환경 형성과 직결되는 핵심 지표이다. 평균 밀도 5.51 g/cm³라는 값은 지구가 금속핵을 가진 분화된 행성임을 시사하며, 내부 층별 밀도 변화는 지진학, 중력학, 실험 물리학의 통합적 연구를 통해 밝혀졌다. 앞으로도 고해상도 지진 관측망과 고압 실험 기술의 발전은 지구 내부 밀도 구조에 대한 이해를 더욱 심화시킬 것으로 기대된다.