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1. 개요
명왕누대(冥王累代, Hadean Eon)는 선캄브리아 시대 가운데 시생누대 이전의 지질 시대에 대한 분류로, 지구 탄생 이래 최초의 누대(累代, Eon)를 가리킨다.국제층서위원회에서 정의하는 바에 의하면 그 기간은 기원전 45억 년부터 기원전 38억 년까지 약 7억 년 동안이다. 영문명 하디언(Hadean)의 어원은 그리스 신화의 지하 세계 신인 하데스이며, 한국어 명왕누대는 하데스가 명계(지옥)의 왕이므로 의역해 명왕이 된 것이다.[1]
단어에서 연상되듯 표면이 매우 뜨겁고 화산 활동이 활발한 시기였다. 이 시기의 지구의 육지는 뜨거운 용암이 끝없이 이어지고 화산 활동이 쉴 새 없이 진행되었다. 명왕누대 초반부인 지구의 강착 시절 이후 중기 명왕누대 시기 이후에는 맨틀, 지각이 생긴 시대이다. 당연히 우리가 대지라고 부르는 것이 이제야 만들어기 시작한 시기[2]이니 생명체와 화석 등의 생물학적 증거는 물론, 돌(지르콘)과 같은 지질학적 증거조차 발견되지 않은 시대이다.[3]
명왕누대라는 명칭은 미국의 지질학자 프레스턴 클라우드가 현재까지 알려진 지구 상에서 관측 역사상 가장 오래된 암석이 발견된 시기의 이전 시기를 지칭하기 위해 처음으로 사용되었으며, 이후에 Priscoan, Pre-Archean 등의 여러 명칭으로 불리게 되었다.
2. 거시적 분류
2.1. 용암 시대
초기 지구의 시대를 나누는 것은 초기 어떤 방사성 동위 원소가 존재했느냐에 따른다. 명왕누대도 여러 시대로 나눌 수 있는데 첫 번째로 알루미늄-26이 다량 존재하던 시대는 용암 시대이다. 용암 시대라고 부르는 이유는 매우 뜨거운 온도로 인해 가스형 행성의 형성은 가능했지만 거대한 암석형 행성들이 형성되기 어려웠기 때문이다.알루미늄-26이 항성 내부의 핵융합과 초신성 폭발 두 조건에서 대량 생성기 때문에 태양계 초기에 다량으로 존재했고, 이것이 붕괴하면서 방출하는 열기가 거대 암석형 행성을 증발시키기 충분했으므로 행성들은 소규모로 천천히 집적되었다. 행성들은 태양계 형성 500만 년 뒤인 기원전 45억 6300만 년, 알루미늄-26이 상당수 붕괴된 후에야 본격적으로 형성되기 시작한 것으로 보인다.
철의 동위 원소 분석을 통해 지구가 미행성 간 충돌이 아니라 밀리미터 단위의 작은 먼지들이 계속 집적되며 500만 년의 아주 짧은 기간에 형성됐다는 새로운 연구 결과가 나왔다.#, 해당 논문.
2.2. 열의 시대
지구의 강착이 끝나고 용암 바다가 시작된 기원전 45억 6천만 년, 지구가 성장한 후의 두 번째 시대는 열의 시대다. 열의 시대는 2가지로 분류가 되는데, 초기 열의 시대(기원전 45억 6천만~기원전 45억 4천만 년)와 얇은 지각이 형성된 후기 열의 시대(기원전 45억 4천만~기원전 45억 2천만 년)로 분류된다.초기 열의 시대 당시의 지구는 철-60, 팔라듐-107, 퀴륨-247과 같이 단반감기 동위 원소들이 알루미늄-26보다 위력이 약하고 양도 적게 형성되었음에도 철-60이 초신성 폭발에서 극대량으로 형성되는 동위체로서 다른 동위체보다는 훨씬 많이 생성되었다고 볼 수 있다. 즉 현존하는 니켈-60의 90% 이상은 철-60의 붕괴에서 생성되었다고 할 수 있을 만큼 철-60은 사실상 알루미늄-26 다음으로 가장 많이 형성되는 방사성 동위체라 할 수 있다.
이때 지구가 대부분 물로 덮였지만 시간이 지나며 물이 줄어들었다는 가설인 바다 행성설이 있다.
철-60이 어느 정도 붕괴하기 전까지는 지구는 매우 뜨거워 얇은 지각을 형성할 수 없었다. 즉 2,000만 년 동안 절반 가까이 용융된 용암 바다를 유지했다는 것이다. 45억 6천만 년 전의 지구는 시간당 5경 kW의 열원(현재는 470억 kW)을 내부에서 내뿜었으며 이로 인해 매우 뜨거웠는데, 대기압이 120기압이 넘어 물이 끓지 않아 수증기가 되지 않아서 고온의 액체 형태를 유지했다. 이 시기의 바다 밑바닥은 물에 의해 용암이 굳고, 내부의 열에 의해 다시 녹는 과정을 반복하여 화학적 작용과 맨틀 분화가 활발히 일어나는 데 도움을 주었다.
기원전 45억 4천만 년부터 후기 열의 시대로 얇은 지각이 생성되었는데, 아직 경도가 높지 않은 형태였다. 이 시기의 해저는 온통 해저 화산투성이였으며, 화산이 분화하면 뜨거운 용암이 무려 2천 도에 달하는 용암도 나왔다(물론 바닷물을 만나면서 금방 식었지만). 지구적으로 고르게 해저 초화산의 활동이 있었으며, 활동이 심한 경우에는 1만 년도 채 안 되어 1억 km³의 용암(화산 지수 13)을 전 지구적으로 분출하기도 하였다.[4]
한편 거대 충돌설에 따르면, 이 시기(지구가 생긴 후 대략 3,000만 년 후로 추정)에 테이아(Theia)라는 화성만 한 거대 충돌체가 비스듬히[5] 충돌해 지구의 맨틀을 비롯한 지구의 파편들이 우주로 날아갔고, 이 파편들이 고리를 형성하여 집적돼 달이 되었을 것으로 추정된다.
물론 다른 가설들도 있지만 달의 기원에 대해서는 달과 지구의 성분이 똑같다는 등의 증거로 거대 충돌설이 압도적인 지지를 받는 편이다. 자세한 내용은 달 참조.
철-60이 어느 정도 붕괴한 시점에 이르자 지각은 안정화되기 시작했다. 그로 인해 45억 2천만 년 전에는 지각이 단단하게 굳을 수 있었고, 이때를 열의 시대의 끝으로 본다. 또한 화산의 형태도 지금의 산 형태의 화산도 생성되었으나 해발 고도는 지금보다 낮아 언덕보다 조금 높은 화산이었고, 아무리 높아도 해발 500m도 채 되지 않았다. 이때부터 이미 지구는 지각 활동이 일어나기 시작했으나 지각의 두께가 얇아 미미했다.
2008년 9월에 콜로라도 대학교 연구진이 호주에서 찾아낸 약 44억 년 된 암석에 들어있는 지르콘[6]을 분석한 결과 흥미로운 가설을 내세웠는데, 바로 지구가 기원전 44억 년~기원전 43억 년에 판 운동을 했다는 것이다. 즉 맨틀 분화가 끝난 직후부터 말이다. 따라서 명왕누대 당시의 지구는 이미 어느 정도 온도가 낮아지고 대기와 표면이 안정된 상태였다는 것으로 풀이될 수 있다.
이때까지 대기는 금성과 비슷했다.# 다만 현재의 금성과 과거의 지구는 대기만 비슷했지 상황이 완전히 달랐다. 금성은 지금도 골디락스 존에 포함되지 않을 정도로 태양빛이 강했던 반면 명왕누대 시절 지구는 태양의 햇빛이 현대의 지구보다 30%나 적었다. 원시 지구 내부도 지금처럼 내부 대류 현상이 활발해 지구 자기장도 강력했던 반면# 현재 금성은 화성처럼 판 이동이 미약한 등의 차이로 인해 지구와 달리 금성은 지금도 생명체가 살기 어려운 환경이다.
지구의 물이 행성 형성 초기 대기에 풍부했던 수소와 용암 바다가 상호 작용해 만들어졌을 수 있다는 새로운 가설이 제기됐다.#
2.3. 맨틀 완성 시대
세 번째 시대는 맨틀 분화의 완성 시대(기원전 45억 1천만 년~기원전 44억 6천만 년)이다. 물론 지구 강착 시절에도 이미 맨틀 분화는 이루어졌지만 이 시대에 이르러 비로소 지구 내부까지도 맨틀 분화가 완성되었다. 다만 기원전 45억 3천만 년에 이미 맨틀 분화는 99% 완성되었지만 화학적 작용과 같은 질량, 구성 요소 등의 다양한 변화로 인해 1% 이하의 물질들의 분화가 지구 내부까지 아직 이루어지지 못했다. 또한 지구 내부의 밀도가 높아 맨틀 분화가 느리게 진행되었는데, 특히 하부 맨틀과 중심핵에 걸친 지구 내부에서는 일부 물질에 한해서 상당 기간 동안 맨틀 분화가 이루어졌다. 이것을 비교적 빠르게 이루게 해준 동위체는 나이오븀-92와 우라늄-236과 같은 동위체들의 존재이다. 이 동위체들 덕분에 맨틀 분화가 빠르게 완성될 수 있었다. 물론 행성 내부에 열원이 존재하여 녹아 있으면 어느 행성이나 맨틀 분화는 될 수 있지만 속도의 차이는 존재하는데, 나이오븀-92가 내뿜는 열이 마무리 맨틀 분화를 빨리 할 수 있도록 도와준 것이다. 세 번째 시대가 끝날 즈음의 대기압도 현재의 100~10배에서 2배 정도로 크게 줄어들었으며, 지구 표면 평균 온도도 섭씨 45℃까지 내려갔다.2.4. 안정 시대
2.4.1. 지각과 대륙의 형성
네 번째 시대는 안정된 대기와 열 시대다. 플루토늄-244와 같은 중반감기 동위체들 덕분이다. 이 시기는 기원전 44억 6천만 년부터 기원전 41억 년까지의 시기이다. 이 시기에 지구는 제법 많은 산들과 산맥들이 형성되고 화산 군도도 활발히 활동하였다. 일부 거대한 화산들은 엄청나게 많은 용암들을 내뿜어 내었고 최초의 육지를 형성하는 데 도움을 주었다.네 번째 시대의 후반기에 접어드는 기원전 43억 년에는 지각도 제법 두꺼워져 대륙 지각도 형성하게 되고, 최초의 대륙이 형성되었다.
플루토늄-244가 어느 정도 고갈되자 바다 밑바닥의 화산 군도도 많이 줄고 대륙도 제법 커지게 된다. 이때가 기원전 41억 년으로 추정된다. 이후 이 두 동위체들이 내뿜는 열기를 합쳐도 다른 동위체가 내뿜는 열기보다 못하게 된다. 기원전 41억 년에 알려진 가장 오래된 암석이 발견되었고, 이후에는 우라늄-235와 칼륨-40이 내뿜는 열이 주를 이루는 시대가 된다.
한편 기원전 42억 8천만 년에 태양의 광도는 약 [7]로 추정된다. 이로 인해 젊은 태양의 역설이 생겼다. 태양열이 부족해 지구 표면의 물이 액체 상태로 존재하기 힘들어 냉각된다는 역설. 하지만 이는 초기 지구의 대기에 메탄[8]과 이산화탄소 같은 온실가스 비율이 상당했으며 기압도 현재의 수배나 되어 온실 효과로 따뜻했을 것으로 해결되었다.
이후 아주 뜨거워 거의 온천이나 다름없었던 지구는 계속 식어 온도가 내려갔다. 작은 섬들은 판의 움직임으로 점점 합쳐져 커져가면서 대륙은 더 커지게 되며, 시생누대가 시작할 무렵 발바라(Vaalbara)라는 최초의 초대륙으로 성장하고, 최초 원핵생물의 출현과 제2폭격 시대가 끝나는 38억 년 전을 기점으로 명왕누대는 끝나게 된다. 명왕누대가 끝나면서 시생누대가 시작되었다.
2.4.2. 후기 대폭격
기원전 41억 년에서 기원전 38억 년 사이, 목성, 토성 혹은 해왕성 등 태양계 행성들의 궤도 변화에 따른 영향으로 수많은 혜성과 운석이 지구에 충돌하는 시기가 존재한 것으로 추정되며, 이를 제시하는 가설 상의 시대를 '후기 대폭격(LHB, Late Heavy Bombardment) 시대'라 한다.
2.4.3. 바다의 형성
바다가 어떻게 생겨났는지는 다양한 가설들이 있는데, 후기 대폭격 당시 혜성에 포함된 물들이 모여 바다가 되었다는 가설과 지구 내부의 수증기들이 화산 폭발로 방출되어 대기로 빠져나왔고, 오랫동안 비가 내려 바다가 생겨났다는 가설이 있다.[9] 어찌되었던 바다는 늦어도 이 시기에, 빠르면 열의 시대에 탄생한 것으로 보인다.달과 지구 사이의 거리는 이때 1억 9000만 미터[10]로 매우 가까웠고 지구의 자전 주기도 빨라 하루가 4시간이었다. 따라서 달의 인력이 크게 작용해 조수간만의 차도 심하게 났을 것으로 추정된다.
3. 미시적 분류
명왕누대가 지구 최초의 지질 시대이기도 하고, 너무나도 오래전인 데다 명왕누대 초기는 지구 지표면이 안정되기 전의 상태라서 그 시기에 생성된 지질학적 증거가 거의 없기 때문에 학계에서 공식적으로 수용된 하위 구분은 없다. 그러나 대개 달의 생성 과정을 통해 명왕누대를 크게 2개의 지질 시대로 분류한다.- 선넥타리안기: 달이 생성된 기원전 45억 5000만 년 전부터 기원전 39억 2000만 년 전까지의 시기
- 넥타리안기: 기원전 39억 2000만 년 전부터 달과 다른 천체의 충돌이 잦아드는 기원전 38억 5000만 년 전까지의 시기
최근 들어 학계에서 명왕누대 이전에 혼돈(Chatoian)과 선네펠레(Prenephelean)의 두 누대를 추가하고 명왕누대를 각각 두 기로 구성된 3개의 대로 세분화하여 새로 분류하자고 주장하는 학자들이 있다.
- 혼돈(Chaotian)누대
- 초혼돈(Eochaotian)대
- 네펠레(Nephelean)기
- 에레보스(Erebrean)기
- 신혼돈(Neochaotian)대
- 히페리온(Hyperitian)기
- 티타노마키아(Titanomachean)기
- 명왕(Hadean)누대
- 초명왕(Eohadean)대
- 헤파이스토스(Hephaestan)기
- 야코브(Jacobian)기
- 지르코늄(Zirconian)대
- 캐나다(Canadian)기
- 프로크루스테스(Procrustian)기
명왕누대라는 시기 자체가 앞서 말했듯이 워낙 지질학적 증거가 부족한 시기라서 이 주장이 큰 지지를 얻고 있지는 못하다. 다만 달의 명왕누대는 여러 시대로 분류되며, 은생누대의 분류들이 세분화된 것처럼 명왕누대도 곧 여러 대로 나눠질 것이다.
4. 생명
명왕누대 초기에는 지구 전체가 용암 바다 혹은 뜨거운 물의 바다였기에 생명체가 살 수 없었으나, 말기에 들어서고 바다가 식으며 생명체가 탄생하게 된다. 생명의 기원 참고. 최초의 생명체가 탄생하며 명왕누대는 막을 내리고 시생누대로 접어든다.지구의 생명 기원에 대해서는 화학 진화[11]가 설명하는데, 화학 진화의 가설 중에 판스페르미아(Panspermia)설[12]이 있다.
초기 지구는 거대한 주황색 산성 바다와 약환원성 대기[13]로 이루어져 있었다. 덕분에 생명이 바다에서 탄생할 수 있었다.
[1] 명왕성도 같은 신에서 유래됐기 때문에 명왕이 붙었다. 명왕성의 영문 명칭 플루토는 그리스 신화의 하데스의 로마식 이름이다.[2] 달 충돌 설에 의하면 테이아라는 행성과 부딪혀 지구가 한 번 산산조각난 상태이니 지질학적 증거고 뭐고 대지 전체가 뒤집어졌다가 다시 안정화 된 상태이다.[3] 시베리아 트랩이나 데칸 트랩 같은 초화산은 수억 년이 지나도 거대한 흔적이 지표면에 뚜렷하지만, 명왕누대 시절 이보다 규모가 더 컸던 초화산들은 그 흔적도 거의 없어 추정만 할 뿐이다.[4] 시베리안 트랩의 1,600배의 속도의 용암 분출 활동으로 예상된다.[5] 시네스티아(synestia) 가설에서는 정면으로 충돌했다고 주장한다.[6] 정방 정계의 광물로 각종 암석에서 산출된다. 지르콘을 분석하면 암석이 형성된 시기, 형성 과정 등을 알 수 있기 때문에 지질학계에서는 매우 중요한 자료로 쓰인다.[7] 280자 9040해 .[8] 이산화 탄소보다 20배 강력한 온실가스로 산소에 의해 많이 줄었지만 초기 지구에서는 지구의 온도를 높이는 데 많은 역할을 한 기체이다.[9] 참고로 지구 내부에 존재하는 수분에서 물이 기원했다는 가설도 있다. 링우다이트(Ringwoodite)는 이 가설의 증거다.[10] 현재는 3억 8400만 미터[11] 생명 탄생 과정을 규명하는 학문 분야.[12] 지구 생명체가 외계에서 기원했다는 가설으로, 한자로는 범종설이라 한다.[13] 처음에는 환원성 대기로 추측했다. 요즘에는 산화성 대기였다는 주장이 있으나 약환원성 대기가 지지를 더 많이 받는다.