다른 행성에서의 대류 현상

“행성 내부에서의 대류 현상의 유무”에 대한 고찰

 

2019 강남서초학생탐구발표대회 제출 작품요약서

 

1. 탐구(연구) 동기
    1학기 과학 시간에 판의 이동과 맨틀의 대류 현상을 배우고 난 뒤, 나는 이러한 현상이 다른 행성에서도 나타날지 궁금했고, 이를 조사해 보고 싶었다. 그래서 이번 기회에 다른 행성에서의 대류 현상의 유무(有無)에 대해 조사했다.

2. 탐구(연구) 내용

     가. 선행 연구 고찰 및 탐구의 독창성
 대류 현상은 맨틀이나 외핵 등 유동성이 있는 물질이 열이나 다른 외부의 힘을 받아서
 일어나는 현상이다. 지구에서 대류 현상은 판을 움직이는 원동력이며, 지진이나 화산 등을
 발생시키고, 자기장이 생성되는 원인이기도 하다.

     나. 탐구 절차 및 방법
 1) 행성에서 대류 현상이 일어나는 원인을 조사한다.
 2) 조사한 자료를 바탕으로 대류 현상이 일어나지 않는 행성이 있을지, 있다면 어떻게
 그러한 현상이 가능한 것인지를 생각해 본다.
 3) 실제로 대류 현상이 일어나지 않는 행성이 존재하는지 그 예시를 찾아보고, 왜 대류
 현상이 일어나지 않는지 알아본다.

     다. 작품의 주요 내용
 대류 현상을 일으키는 원인에는 크게 세 가지가 있다. 보통 이 세 가지는 물질의 밀도, 지구의 자전,
 물질의 식음 현상 등이다. 나는 이 세 가지 원인을 분석하여 대류 현상이 일어나지 않는 행성의 특징을 예상하고,

 실제 특징과 비교해 보았다.

3. 탐구(연구) 결과
대류 현상이 일어나지 않는 행성은 존재하며, 그 이유는 대류 현상에 필요한 열 방출이 원활하지 않기 때문이다.

 

2019 강남서초학생탐구발표대회 제출 작품보고서

 

1. 동기

1학기 과학 시간에 대륙 이동설에 대해서 배웠는데, 그때 대륙 이동의 원인, 즉 맨틀의 대류에 대해서도 배웠었다. 그 후 나는 지구 외에 다른 행성들 내부에서도 이러한 대류 현상이 나타나는지, 그리고 그렇지않은 행성이 있다면 왜일지 궁금해졌다. 그래서 이번 기회에 나는 대류 현상의 원인과 다른 행성에서도 발생하는지에 대해 알아보고자 했다.

 

2. 선행연구

대류 현상이란 무엇일까? 대류 현상(이 보고서에서 대류 현상은 행성 내의 서의 현상을 나타냄)은 행성 내에서 액체 또는 유동성 있는 고체 상태인 물질이 열 또는 외부의 힘에 영향을 받아 이동하는 현상이다. 이때 대류 운동을 하는 이 물질은 주로 위, 아래로 이동한다. 지구에서 대류 현상은 판의 이동을 일으키는 작용을 하고, 화산이나 지진 현상을 일으키며, 자기장이 생성되는 원인이라고 알려져 있다.

Mantle Convection - Wikipedia

3. 연구 절차 및 방법

1) 행성에서 대류 현상이 일어나는 원인을 조사한다.
2) 조사한 자료를 바탕으로 대류 현상이 일어나지 않는 행성이 있을지, 있다면 어떻게 그러한 현상이 가능한 것인지를 생각해 본다.
3) 실제로 대류 현상이 일어나지 않는 행성이 존재하는지 그 예시를 찾아보고, 왜 대류 현상이 일어나지 않는지 알아본다.

 

4. 내용

“What Causes Convection Currents on the Mantle?” http://sciencing.com/causes-convection-currents-mantle-6581412.html
에 따르면, 지구 내부에서 대류 현상이 일어나는 원인은 약 세 가지이다. 첫 번째 원인은 물질의 밀도 변화라고 할 수 있다. 모든 물질은 열을 받아 온도가 높아지면 팽창하는데, 그것은 지구의 맨틀을 이루는 물질도 가진 성질이다.

BC Opentextbooks 'Chemistry' chapter 9.2

따라서 맨틀의 안쪽, 즉 지구의 외핵과 가까운 쪽에서는 맨틀을 이루는 물질의 온도가 매우 높아지면서 팽창한다. 이때 이 온도가 높아진 물질은 밀도가 높아진. 그 말은 단위 면적당 물질의 질량이 주변(맨틀의 바깥)보다 상대적으로 적다는 뜻이기도 하다. 이처럼 더 ‘가볍기’ 때문에 밀도가 낮은 물질은 높은 물질보다 위에 위치하려는 성질이 있다. 따라서 지구 내부에서 온도가 높아졌을 때 밀도가 낮아진 맨틀의 물질은 상대적으로 밀도가 높은 다른 물질보다 위에 위치하게 된다. 후에 온도가 낮아진 이 물질은 다시 수축하여 밀도가 높아지고, 다시 맨틀의 안쪽 부분으로 내려가게 된다.
또 다른 대류 현상의 원인으로는 지구의 자전이 있다. 지구가 자전할 때, 회전운동은 맨틀 내부의 물질을 이동하게 한다. 다른 말로는, 지구의 자전은 맨틀의 대류의 방향이나 위치 등에 영향을 준다.
마지막으로, 맨틀의 물질이 식는 과정도 대류 현상에 영향을 준다. 지구는 자전하면서 열에너지 일부를 우주 공간으로 방출한다. 이때 맨틀의 가장 바깥쪽에 있는 물질도 이 반응에 참여하면서 열을 잃게 된다. 열을 잃어 온도가 낮아진 이 물질은 수축하여 다시 맨틀의 안쪽으로 가라앉는다. 이 과정이 반복되면 대류 현상이 일어나는 것이다.
그렇다면 대류 현상이 일어나지 않으려면 행성은 어떤 환경이어야 할까? 조사한 결과를 바탕으로, 나는 대류 현상이 일어나지 않는 행성의 특징을 예측하여 정리해 보았다. 나의 생각에 따르면, 이러한 행성들은 지각이 두꺼울 것이다. 지각이 두꺼운 경우, 행성 내부의 열이 잘 방출될 수 없으므로 대류 현상이 잘 일어나지 않을 것이다. 또 하나의 특징은 행성 내부의 온도가(상대적으로) 낮다는 것이다. 온도가 낮을 경우, 대류 현상이 일어날 수 있는 부분인 핵이나 맨틀 등이 유동성을 잃을 것이기 때문이다.
추가로 조사를 한 결과, 대류 현상이 일어나지 않는 행성은 매우 가까이에서 있었다. 금성은 핵에서 대류현상이 일어나지 않는다. https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/why-is-earth-magnetized-and-venus-not-magnetized/
캘리포니아 대학의 프랜시스 니모에 따르면, 핵 대류 현상은 핵으로부터 그 위의 층으로의 열 이동이 필수적이다. 지구는 판 이동으로 열 전달이 가능하다. 그러나 금성에는 이러한 열을 전달하는 메커니즘이 없기 때문에 대류 현상이 일어날 만큼 열이 핵으로부터 빠르게 빠져나올 수 없다.

Why is Earth Magnetized and Venus Not? - skyandtelescope

5. 결과

조사한 결과, 행성 내에서 무조건 대류 현상이 일어나는 것은 아니며, 대류 현상이 일어나지 않는 것도 꽤 있다. 그러한 행성 중 하나의 예시는 금성이며, 판의 이동이 일어나지 않으며 열이 방출되기가 어렵기 때문이다. 내가 생각했던 대류 현상이 일어나지 않는 행성의 특징 중 열의 방출이 잘 일어나지 않는다는 점은 조사 결과와 같다.

 

6. 전망 및 활용성

우리가 살고 있는 지구는 대류 현상이 지속적으로 일어나고, 그로 인해 판이 움직인다. 이러한 현상들은 생명체가 살아가는 데 어떠한 영향을 준다고 알려져 있다. 외계 행성들 중 사람이 살 곳을 찾을 때, 평가 조건으로 대류 현상의 유무를 넣을 수 있다. 대류현상은 생명체가 사는 데 주로 긍정적인 영향을 끼치기 때문이다.