P파와 S파 차이점｜지진파로 알아낸 지구 내부 구조의 비밀
P파와 S파 차이점
지구 속은 어떻게 생겼을까요?
우리는 지구 중심까지 직접 들어가 본 적이 없습니다.
인류가 지금까지 땅속으로 가장 깊이 파고든 깊이도 약 12km 정도에 불과합니다.
지구 반지름이 약 6,400km라는 점을 생각하면, 우리는 지구의 겉껍질도 제대로 뚫어보지 못한 셈입니다.
그런데 과학자들은 지구 안에 지각, 맨틀, 외핵, 내핵이 있다는 사실을 알고 있습니다.
외핵은 액체 상태이고, 내핵은 고체 상태라는 것도 밝혀냈습니다.
도대체 어떻게 알았을까요?
그 비밀의 열쇠가 바로 지진파, 그중에서도 P파와 S파입니다.
지구의 속을 읽는 방법
수박이 잘 익었는지 확인할 때 겉을 두드려보는 경우가 있습니다.
속을 직접 보지는 못하지만, 소리와 진동을 통해 어느 정도 상태를 짐작할 수 있죠.
지구 내부를 연구하는 방식도 이와 비슷합니다.
지진이 발생하면 땅속에서 에너지가 사방으로 퍼져나갑니다.
이때 생기는 파동을 지진파라고 합니다.
지진파는 지구 내부를 통과하며 속도가 빨라지기도 하고, 느려지기도 하고, 방향이 꺾이기도 합니다.
또 어떤 파동은 특정한 층을 통과하지 못하고 사라지기도 합니다.
과학자들은 이 지진파의 움직임을 전 세계 지진계로 기록했습니다.
그리고 그 기록을 분석해 지구 내부가 여러 층으로 나뉘어 있다는 사실을 알아냈습니다.
말하자면 지진파는 지구가 스스로 보내는 거대한 초음파 검사 같은 역할을 한 셈입니다.
P파는 무엇일까
P파는 Primary Wave의 줄임말입니다.
이름 그대로 지진이 발생했을 때 지진계에 가장 먼저 도착하는 파동입니다.
P파는 종파입니다.
파동이 나아가는 방향과 진동하는 방향이 나란합니다.
스프링을 앞뒤로 밀었다 당기면 촘촘해졌다가 느슨해지는 움직임이 생기는데, P파가 바로 그런 방식으로 이동합니다.
P파의 특징은 속도가 빠르다는 점입니다.
그리고 고체, 액체, 기체를 모두 통과할 수 있습니다.
이 점이 매우 중요합니다.
P파는 단단한 암석뿐 아니라 액체 상태의 물질도 지나갈 수 있기 때문에, 지구 내부 깊은 곳을 탐사하는 데 중요한 단서를 줍니다.
S파는 무엇일까
S파는 Secondary Wave의 줄임말입니다.
P파 다음으로 도착하는 두 번째 지진파입니다.
S파는 횡파입니다.
파동이 나아가는 방향과 진동하는 방향이 서로 수직입니다.
기타 줄을 튕기거나 밧줄을 위아래로 흔들 때 생기는 출렁이는 움직임을 떠올리면 이해하기 쉽습니다.
S파는 P파보다 느리지만, 흔들림이 더 크게 느껴지는 경우가 많습니다.
그래서 지진 피해와도 깊은 관련이 있습니다.
무엇보다 S파의 가장 중요한 특징은 고체만 통과할 수 있다는 점입니다.
액체나 기체는 S파를 전달하지 못합니다.
이 성질 덕분에 과학자들은 지구 외핵이 액체라는 사실을 알아낼 수 있었습니다.
P파와 S파 차이점 정리
P파와 S파의 가장 큰 차이는 속도와 통과할 수 있는 물질입니다.
P파는 빠르고, 고체·액체·기체를 모두 통과할 수 있습니다.
반면 S파는 P파보다 느리고, 고체만 통과할 수 있습니다.
쉽게 기억하면 이렇게 볼 수 있습니다.
P파는 먼저 도착하는 빠른 파동입니다.
S파는 나중에 도착하지만 더 크게 흔드는 파동입니다.
지진이 났을 때 처음 “쿵” 하고 짧게 느껴지는 진동은 P파와 관련이 있고, 뒤이어 건물이 크게 흔들리는 진동은 S파와 관련이 있습니다.
물론 실제 큰 피해는 S파뿐 아니라 더 늦게 도착하는 표면파와도 관련이 큽니다.
P파와 S파가 지구 내부 구조를 밝힌 이유
지진파는 지구 내부를 지나가며 물질의 성질에 따라 속도와 방향이 달라집니다.
단단하고 밀도가 높은 물질을 지나갈 때는 속도가 빨라질 수 있고, 성질이 다른 층을 만나면 굴절되거나 반사되기도 합니다.
이 변화가 바로 지구 내부의 지도 역할을 했습니다.
과학자들은 지진파가 어느 지점에서 빨라지고, 어느 지점에서 꺾이고, 어느 지역에는 도달하지 않는지를 분석했습니다.
그 결과 지구가 하나의 균일한 덩어리가 아니라, 여러 층으로 이루어져 있다는 사실을 알아냈습니다.
지각과 맨틀의 경계, 모호면
1909년, 크로아티아의 지진학자 안드리야 모호로비치치는 지진파 기록에서 이상한 점을 발견했습니다.
진앙에서 가까운 관측소보다 먼 관측소에 지진파가 예상보다 빠르게 도착한 것입니다.
그는 지하 일정 깊이에 지진파 속도가 갑자기 빨라지는 경계가 있다고 생각했습니다.
이 경계 아래에는 더 단단하고 밀도가 높은 암석층이 있다는 뜻이었습니다.
이 경계면이 바로 모호로비치치 불연속면입니다.
줄여서 모호면이라고 부릅니다.
모호면은 지각과 맨틀을 나누는 중요한 경계입니다.
우리가 밟고 있는 지각은 생각보다 얇고, 그 아래에는 훨씬 두껍고 거대한 맨틀이 자리하고 있습니다.
이 사실도 지진파 분석을 통해 밝혀졌습니다.
S파가 사라진 곳, 외핵의 발견
지진파 연구에서 가장 중요한 발견 중 하나는 외핵의 존재입니다.
과학자들은 어느 순간 이상한 현상을 발견했습니다.
지진이 발생했는데, 지구 반대편의 특정 지역에서는 S파가 전혀 관측되지 않았습니다.
이렇게 지진파가 도달하지 않는 지역을 암영대라고 합니다.
앞에서 말했듯이 S파는 고체만 통과할 수 있고, 액체는 통과하지 못합니다.
그런데 S파가 지하 약 2,900km 부근에서 사라진다는 것은, 그 아래에 액체 상태의 거대한 층이 있다는 뜻이었습니다.
이렇게 밝혀진 층이 바로 외핵입니다.
외핵은 뜨거운 철과 니켈이 녹아 있는 액체 상태의 층으로 이해됩니다.
이 발견 덕분에 우리는 지구 내부가 단순한 암석 덩어리가 아니라는 사실을 알게 되었습니다.
P파가 다시 알려준 내핵의 존재
처음에는 지구의 핵 전체가 액체일 것이라고 생각하기도 했습니다.
하지만 1936년, 덴마크의 지진학자 잉에 레만은 더 깊은 비밀을 발견했습니다.
그녀는 P파 기록을 정밀하게 분석하다가, 일부 P파가 예상과 다르게 지구 중심부를 지나 다시 도달하는 현상을 확인했습니다.
P파는 액체도 통과할 수 있지만, 액체 외핵을 지나면서 속도가 느려집니다.
그런데 지구 중심부 근처에서 다시 속도가 달라지는 흔적이 나타났습니다.
이는 외핵 안쪽에 더 단단한 고체 상태의 중심부가 있다는 뜻이었습니다.
이렇게 발견된 것이 바로 내핵입니다.
내핵은 매우 높은 온도에도 불구하고, 엄청난 압력 때문에 고체 상태를 유지하는 것으로 이해됩니다.
외핵과 내핵의 경계는 잉에 레만의 이름을 따서 레만 불연속면이라고 부릅니다.
P파와 S파를 알면 지구가 다르게 보인다
P파와 S파는 단순히 시험에 나오는 지구과학 용어가 아닙니다.
이 두 파동은 우리가 직접 볼 수 없는 지구 내부를 알려준 핵심 단서였습니다.
P파는 빠르게 이동하며 여러 물질을 통과했고, S파는 액체를 통과하지 못한다는 성질로 외핵의 존재를 알려주었습니다.
두 파동의 속도 차이, 도착 시간, 굴절, 반사, 암영대가 모여 지구 내부 구조의 지도가 완성되었습니다.
생각해 보면 정말 신기합니다.
우리는 지구 중심으로 직접 내려간 적이 없지만, 땅이 흔들릴 때 생기는 파동을 읽어 지구의 속을 알아냈습니다.
작은 진동 하나가 거대한 행성의 비밀을 알려준 셈입니다.
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이 글은 티스토리용으로 가볍게 정리한 요약판입니다.
P파와 S파의 차이, 지진파가 지구 내부를 통과하는 방식, 모호면과 구텐베르크 불연속면, 외핵과 내핵의 발견 과정을 더 자세히 보고 싶다면 아래 완전판에서 이어서 읽어보실 수 있습니다.
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[P파와 S파 차이점: 지진파로 알아낸 지구 내부 구조]
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보이지 않는 지진파가 지구 내부의 구조를 밝혀냈듯이, 작은 단서들을 따라가다 보면 우리가 사는 세계의 깊은 원리도 조금 더 선명하게 보입니다.