태양보다 높은 온도인 지구의 내핵은 왜 녹지 않는가?

by Argonne National Laboratory source:https://www.flickr.com/photos/argonne/14259873660

지구 중심의 내핵이라고 불리는 부분은 96%가 고체인 철로 구성되어 있지만 표면의 온도가 태양의 표면 온도보다 높다고 알려져 있습니다. 왜 내핵은 태양보다 온도가 높은데 녹지 않고 고체를 유지하는 원리는 과학자들에게 오랫동안 수수께끼로 여겨져 왔지만 그 수수께끼에 마침표를 찍을지도 모르는 논문이 발표되었습니다.

Stabilization of body-centred cubic iron under inner-core conditions : Nature Geoscience : Nature Research
http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2892.html

New theory explains how Earth’s inner core remains solid despite extreme heat | KTH
https://www.kth.se/en/aktuellt/nyheter/new-theory-explains-how-earth-s-inner-core-remains-solid-despite-extreme-heat-1.705398

New theory explains how Earth’s inner core remains solid despite extreme heat |  KTH

지구의 가장 중심에 가까운 내핵은 철 등의 결정체로 달만큼의 크기입니다. 상상도 할 수 없을 정도로 큰 내핵의 원자 수준의 결정구조는 모든 금속과 마찬가지로 주위의 온도나 압력에 의해 형상이 변화합니다. 통상의 온도나 대기압 아래에서는 철은 입방체형의 단위 격자의 각 정점과 중심에 원자가 위치하는 '체심 입방 격자 구조(BCC)'를 가지고 있지만 극도로 높은 압력이 가해지면 정육각기둥의 천면과 저면의 각각, 육각기둥의 내부에 원자가 위치하는 '육방 최밀 충전 구조(HCP)'로 변화합니다.

지구의 내핵은 대략 지표면의 약 350만 배의 압력이 가해지고 온도는 6000도 이상으로 이 환경 하에서 내핵의 철의 원자구조가 BCC에서 HCP로 변화할 것으로 추정되었지만 2017년 2월에 공개된 스웨덴 왕립공과대학의 연구팀에 의한 논문에서는 내핵에 철의 원자구조가 BCC를 유지하고 있다는 사실이 발표되었습니다. 연구를 이끌었던 아나토리 베로노슈코 박사에 따르면 과거 연구에서 다루어진 철보다 큰 철의 계산모델을 조사한 결과에서 BCC 구조를 가진 철은 내핵 환경 하에서 과거에는 보이지 않았던 원자 확산 패턴을 나타냈다고 합니다.

By Mark Rain source:https://www.flickr.com/photos/azrainman/

조사에서는 스웨덴에서 가장 큰 슈퍼컴퓨터 중 하나인 Triolith에서 시뮬레이션을 실시했는데 그 결과 원자의 BCC는 저온에서 불안정해지고 고온에서 안정화되는 것을 알게 되었다고 합니다. 통상 원자는 확산하며 결정구조가 파괴되어 고체에서 액체로 모습을 바꿉니다. 그러나 지구의 내핵 환경 하에서 원자구조는 확산되지만 다른 원자가 있는 곳으로 이동하는 형태로 BCC의 구조를 유지할 수 있다고 합니다.

How Earth's inner core remains solid despite heat - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=lOABzo9II3c

극단적으로 높은 온도와 압력이 가해지면 원자가 확산되기 시작하여 불안정해집니다. 원자가 불안정해지면 결정 구조를 유지하지 않고 액체가 되어 버립니다.

그러나 내핵의 극한의 환경 하에서는 마치 트럼프를 뒤섞었을 때와 같이 원자구조가 불안정하게 되지만 다른 원자와 위치를 바꾸며 결정구조를 유지한다고 합니다. 이로 인해 지구의 내핵의 철은 고체로서 유지되고 있다는 것입니다.