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- 지구 핵은 지구상에서 가장 큰 수소 저장소
- 지구 핵이 무게 기준으로 0.07%에서 0.36%의 수소를 함유
- 전 세계 바다에 있는 수소의 9배에서 45배에 달하는 양
- 이번 결과는 수소가 지구 형성 과정에서 유래했음을 시사

지구 핵: 최대 45개의 바다를 채울 만큼의 수소
고압 실험으로 지구 핵의 수소 함량을 더욱 정밀하게 측정

지구 핵은 지구상에서 가장 큰 수소 저장소다. 고압 실험을 통해 확인된 바에 따르면, 지구 핵에는 지구 맨틀과 전 세계 바다에 있는 수소를 모두 합친 것보다 더 많은 수소가 저장되어 있다. 이 실험은 지구 핵의 수소 함량을 이전보다 훨씬 더 정밀하게 측정했다. 연구진은 "네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)"에 발표한 논문에서 지구 핵이 무게 기준으로 0.07%에서 0.36%의 수소를 함유하고 있으며, 이는 전 세계 바다에 있는 수소의 9배에서 45배에 달하는 양이라고 밝혔다. 그렇다면 이 수소는 어디에서 오는 것일까? 

▲ 지구의 핵은 우리가 직접 접근할 수 없다. 따라서 연구자들은 핵의 구성 성분을 간접적인 방법으로만 파악할 수 있다. © Lyash01/ Getty Images

지구 핵은 지구상에서 가장 극한적이고 불가사의한 곳이다. 핵의 미세 구조는 무엇인지, 고체 상태의 내핵이 언제 결정화되었는지, 그리고 핵을 구성하는 철-니켈 혼합물이 정확히 무엇으로 이루어져 있는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 현재의 가설에 따르면, 지구 핵의 금속 합금에는 다른 가벼운 원소들도 포함되어 있어야 한다. 이것은 지구의 단단한 핵이 상대적으로 부드러운 이유나, 외핵 가장자리에서 규소를 함유한 철 조각들이 결정화되는 이유를 설명해 준다.

하지만 지구 핵에 어떤 가벼운 원소들이 어떤 양으로 포함되어 있는지는 여전히 논쟁의 여지가 있다. 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 동양 황(Dongyang Huang)과 그의 동료들은 "지구 핵에 포함된 수소의 비율은 10ppm에서 10,000ppm까지 4자릿수에 걸쳐 다양하게 추정된다"고 설명했다. 이러한 값들은 일반적으로 지구 핵의 극한 조건에서 철 합금에 얼마나 많은 수소가 용해되는지를 조사하는 고압 실험에서 얻어졌다.

규소를 측정 도구로 활용

황 교수 연구팀은 이제 다른 접근 방식을 택했다. 고압 실험에서 그들은 철이 풍부한 핵과 주변 맨틀을 모두 재현했다. 연구진은 "이를 위해 규산염 유리로 둘러싸인 철 시료를 레이저로 가열했다"고 밝혔다. 최대 5,300도의 온도와 약 85GPa(기가파스칼)의 압력에서 지구 핵 바깥쪽에는 작은 "마그마 바다"가 형성되었고, 안쪽에서는 액체 상태의 지구 핵이 발달했다.

이러한 극한 조건에서 규산염에서 규소, 산소, 수소가 방출돼 용융된 철 핵으로 이동한다. 그곳에서 식으면서 철과 세 가지 가벼운 원소가 혼합된 나노 클러스터를 형성한다. 황과와 그의 동료들은 "수소와 규소는 항상 1:1 비율로 산소와 결합한다"고 보고했다.

▲ 회수된 금속 시료에 대한 APT 분석 결과 (Si-O-H가 풍부한 나노구조). a. 완전 재구성된 원자 지도. Fe가 풍부한 용매(녹색), O가 풍부한 계면(파란색), 그리고 급속 냉각 과정에서 형성된 Si-O-H가 풍부한 용리물(주로 SiH+ 및 SiOH+ 이온으로 증착되어 적색과 분홍색으로 표시됨)을 보여준다. b. y축을 따라 나타낸 1차원 조성 프로파일. 시간에 고정된 Si-O-H가 풍부한 급랭 구조의 나노 규모 동역학을 보여준다(본문 참조). c. Si-O-H가 풍부한 나노구조에서 유래한 내인성 H의 증거. 가장 풍부한 증착 SiH+ 이온(파란색 곡선)이 Si 동위원소의 자연 존재비(빨간색 수직선)와 일치함을 보여준다. (출처: Published: 10 February 2026 / Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core / nature communications)

수소는 9개-45개의 바다를 형성할 수 있을 정도

연구팀의 핵심은 "지구 핵의 규소 함량을 이제 비교적 정확하게 한 자릿수 범위로 좁힐 수 있었다"는 점이라고 설명했다. 고압 실험에서도 규소는 수소보다 더 정확하게 정량화할 수 있다. 황 교수와 그의 동료들은 측정 데이터와 모델 계산을 이용해 지구 핵에 포함된 수소의 양을 이전보다 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있었다. 이는 금속 합금 내에 다량의 수소가 존재할 수 있다는 가능성 때문이다.

결과는 지구 핵이 지구상에서 가장 큰 수소 저장소라는 사실을 확인시켜 준다. 지구 핵에는 바다, 지각, 맨틀을 모두 합친 것보다 더 많은 수소가 들어 있다. 연구진은 "측정 결과에 따르면 지구 핵은 무게 기준으로 0.07~0.36%의 수소를 함유하고 있다"고 밝혔다. "이는 지구 바다에 있는 수소의 9~45배에 해당하는 양이다." 이 새로운 수소 함량은 이전의 일부 추정치 및 모델보다 다소 낮다.

황과 그의 동료들은 "지구 핵의 밀도 부족을 설명하려면 화성 핵처럼 가벼운 원소들이 혼합되어 있어야 한다"고 설명했다. 즉, 수소는 지구 핵을 구성하는 가벼운 원소들의 중요한 구성 요소이지만, 유일한 구성 요소는 아니다.

▲ Si-O-H가 풍부한 나노구조 표면에서 채취한 또 다른 금속 시료에 대한 APT 분석 결과다. a. 철이 풍부한 용매(녹색), 산소가 풍부한 계면(파란색), Si-O-H가 풍부한 클러스터 표면, 그리고 20원자% O를 포함하는 등위면(녹색 표면)을 보여주는 3D 원자 지도. b. 20원자% O 등위면에 대한 1D 근접도, 즉 정의된 등위면에서 특정 거리만큼 떨어진 곳에 존재하는 원소들의 농도. 철이 풍부한 매트릭스에서 최대 4원자%까지 검출된 H는 APT 챔버에 잔류하는 H로 인해 인위적으로 생성된 것일 수 있다. (출처: Published: 10 February 2026 / Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core / nature communications)

수소는 어디에서 온 것일까?

새로운 측정 결과는 수소가 지구 핵으로 어떻게 유입되었는지에 대한 단서를 제공한다. 지금까지 이 문제는 논쟁의 대상이었다. 지구 형성 당시 수소, 산소, 규소 및 기타 원소들이 이미 핵에 갇혀 있었던 것일까? 아니면 가벼운 원소들이 지구 맨틀에서 핵으로 오랜 시간에 걸쳐 점진적으로 확산되어 왔고, 지금도 여전히 확산되고 있는 것일까?

연구진에 따르면, 이번 결과는 수소가 지구 형성 과정에서 유래했음을 시사한다. "지구는 대부분 물을 주요 형성 단계에서 받았을 것이다"고 연구진은 밝혔다. 이는 원시 성운의 먼지와 행성 구성 요소들이 이미 물을 함유하고 있었다는 것을 의미한다.

참고: Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-68821-6
출처: Nature Communications

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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