First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
본 연구는 제일원리 계산을 활용하여 지구 외핵 조건 하에서의 액체 철-황(Fe-S) 합금의 구조적, 동역학적 및 열역학적 특성을 규명하였으며, 황 농도가 10.2에서 11.4 wt% 사이일 때 핵의 밀도는 설명할 수 있으나 음속은 설명하지 못한다는 점을 밝힘으로써, 황 단독으로는 존재하는 경원소의 유일한 성분이 될 수 없음을 나타냈다.
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우리 발밑 깊은 곳, 직접적인 시야에서 숨겨진 채, 지구의 자기장을 구동하고 행성의 내부 열을 형성하는 요동치는 금속의 바다가 존재합니다. 이것이 바로 외핵이며, 고체 상태인 내핵과의 경계로부터 위쪽의 맨틀까지 뻗어 있는 액체 철의 층입니다. 우리는 이 영역을 뚫고 들어갈 수는 없지만, 지진학자들은 의사가 체내를 보기 위해 음파를 사용하는 것처럼, 지구의 진동이 그곳을 통과해 이동하는 것을 들을 수 있습니다. 이러한 측정값들은 액체 핵이 그 엄청난 압력 하에서의 순수 철보다 밀도가 낮다는 것을 밝혀냈으며, 이는 핵이 더 가벼운 원소들과 섞여 있음을 시사합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 가벼운 원소들 중 무엇이—아마도 산소, 규소, 또는 황일—이 우주적 수프의 주요 성분인지에 대해 논쟁해 왔습니다. 정확한 레시피를 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 핵의 밀도와 그곳을 통과하는 소리의 속도는 지구가 어떻게 자기 방어막을 생성하고 수십억 년 동안 어떻게 냉각되어 왔는지를 알려주기 때문입니다.
한 연구팀은 이제 이 퍼즐의 한 조각을 풀기 위해 강력한 컴퓨터 시뮬레이션에 주목했으며, 특히 황(sulfur)에 초점을 맞추었습니다. 물리 법칙의 근본적인 원리로부터 원자들의 거동을 계산하는 방법을 사용하여, 그들은 외핵에서 발견되는 극한의 압력과 온도 조건 하에서 다양한 양의 황이 섞인 액체 철을 모델링했습니다. 그러한 깊이에서 수행하기가 매우 어려운 실제 물리 실험에 의존하는 대신, 그들은 철과 황의 원자들이 어떻게 움직이고, 결합하며, 상호작용하는지 관찰할 수 있는 가상의 실험실을 구축했습니다. 그들은 순수 철부터 무게 기준으로 거의 15%의 황이 섞인 혼합물까지 테스트하며, 이러한 변화가 물질의 밀도와 소리가 통과하는 속도에 어떤 영향을 미치는지 관찰했습니다.
시뮬레이션 결과, 황이 액체 철에 첨가됨에 따라 원자들이 스스로를 재배열한다는 사실이 드러났습니다. 황 원자는 더 작고 가볍기 때문에 철과 더 단단하게 결합하여 원자 사이의 평균 거리를 더 가깝게 끌어당깁니다. 이러한 구조적 변화는 물질의 특성에 명확한 영향을 미칩니다. 즉, 혼합물의 밀도는 떨어지는 반면, 소리가 통과하는 속도는 증가합니다. 연구진은 압력이 황의 양보다 이러한 특성을 변화시키는 데 훨씬 더 큰 역할을 한다는 것을 발견했지만, 황의 함량 또한 뚜렷한 흔적을 남긴다는 점을 확인했습니다. 시뮬레이션된 결과와 지구 핵으로부터 얻은 실제 지진 데이터를 비교함으로써, 그들은 존재할 수 있는 황의 양을 좁힐 수 있었습니다.
이 연구는 만약 황이 핵에 섞인 유일한 가벼운 원소라면, 관측된 밀도와 일치하기 위해 무게 기준으로 약 10~11% 정도를 차지해야 한다고 제안합니다. 이 특정 농도는 핵이 얼마나 무거운지에 대한 지진 측정값과 부합합니다. 그러나 연구진이 음속을 살펴볼 때 심각한 문제가 발생합니다. 동일한 농도의 황에서, 시뮬레이션된 파동은 지진학자들이 실제로 측정하는 것보다 너무 빠르게 이동합니다. 모델에 따르면, 음속을 맞추기 위해서는 핵에 훨씬 적은 양의 황, 아마도 9% 미만의 황이 포함되어야 하지만, 그 양으로는 핵의 밀도를 설명하는 데 실패하게 됩니다.
밀도와 음속 사이의 이러한 불일치는 명확한 결론으로 이어집니다. 즉, 황 단독으로는 지구 외핵의 조성을 설명할 수 없다는 것입니다. 데이터는 황과 함께 존재하는 또 다른 보이지 않는 가벼운 원소가 반드시 있어야 방정식이 성립함을 시사합니다. 연구진의 작업은 극한의 조건에서 철과 황이 어떻게 함께 행동하는지에 대한 정밀하고 자기 일관적인 기준을 제공하며, 이는 아마도 지구의 숨겨진 심장을 완전히 풀기 위해 세 번째 혹은 네 번째 원소를 포함해야 할 미래 연구들을 위한 견고한 토대가 될 것입니다. 그들의 발견은 황이 유력한 후보이기는 하지만, 우리 행성 핵의 진짜 레시피는 단순한 두 가지 재료의 혼합물보다 더 복잡하다는 것을 확인시켜 줍니다.
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