[include(틀:다른 뜻1, other1=본 문서는 지구의 탄생과 그 시기의 측정에 관한 과학사를 설명합니다. 지구의 역사, rd1=지질 시대)] [목차] == 개요 == 이 주제가 어려운 이유는, 지구의 탄생부터 38억 년 전까지인 [[명왕누대]]에는 지표면 전체가 용암 지대였기 때문에 지질학적 증거, 즉 당대의 지층과 암석이 남아있지 않고, 따라서 단순한 연대 측정을 통해서는 38억 년 전 이전으로 거슬러 올라가는 지구의 나이를 알 수 없기 때문이다. [[클레어 패터슨]]이 운석 파편의 납 연대 측정으로 간접 지질 조사한 바로는 '''지구의 나이는 45.4(±0.5)억 년이다.''' > 납 연대 측정을 통해 지구의 연대를 측정한 [[http://www.mantleplumes.org/WebDocuments/Patterson1956.pdf|클레어 패터슨의 논문]] [br] 와일드의 [[http://www.geology.wisc.edu/~valley/zircons/Wilde2001Nature.pdf|확인 자료]] [[지구]]는 [[목성]]보다는 훨씬 늦게 형성됐고, 현재의 형태로 된 것은 38억 년 전에야 어느 정도 형태가 잡혔다. 반면 목성은 태양보다 약 100만 년 늦었고 __목성이 태어난 지 500만 년 이내에 현재의 형태와 거의 비슷하게 완성__됐다. 목성 문서를 보면 알겠지만 목성은 태양이 아니라 태양 이전에 태양 자리에 있던 항성이 폭발하면서 남은 물질들이 모여서 생성됐기 때문에 태양과 동시기에 형성된 것이다. [[태양]] 생성과 동시기에 생성된 [[목성형 행성]]들이 훨씬 먼저 생겨나고, 그 다음의 남은 잔해들이 태양의 인력으로 모여서 [[지구형 행성]]을 만들었다. == 패터슨 이전의 생각 == === 고대에서 중세까지 === ==== 고대 ==== * 고대 [[인도]]에서는 약 90억 년마다 세계가 재창조된다고 생각하였다. * [[고대 그리스]]의 [[스토아 학파]]는 주기를 알 수는 없지만 일정한 시기마다 지구와 우주가 재창조된다고 믿었다. * 고대 그리스의 [[아리스토텔레스]]는 세계는 시작도 없고 끝도 없이 영원할 것이라 생각했다. ==== 중세 ==== * [[유럽]]의 성서학자들은 지구의 나이가 6,000년 미만일 것이라고 예측하였다. 이는 천지 창조 6,000년 후에 최후의 심판이 일어날 것이라고 믿었기 때문이다. * 유럽의 [[종교 개혁]] 당시 [[마르틴 루터]]는 지구의 탄생 연도는 기원전 3961년이라고 주장했다. * 11세기 전후 [[아랍]]의 학자 [[이븐 알하이삼]]은 지층에 있는 물고기 [[화석]]을 근거로 지구가 매우 오랜 시간 동안 존재해왔다는 주장을 펼쳤다. * 중세 유럽의 일부 학자들은 밤하늘의 별은 3만 6,000년을 주기로 천천히 회전한다는 계산을 토대로 세계가 3만 6,000년의 주기를 가지고 있을 것이라는 주장을 펼쳤다. * 그러나 [[프랑스]]의 철학자인 [[장 뷔리당]]은 별만 기준으로 하는 3만 6,000년 주기설에 대해 행성을 포함한 모든 별의 주기는 3만 6,000년을 훨씬 뛰어넘는다며 반박했다. === [[과학혁명]] 이후 === ==== 17세기 ==== * 1687년 [[아이작 뉴턴]]은 그의 저서인 [[프린키피아]]를 통해서 지구와 같은 크기의 속이 차있는 불덩어리 쇠공이 당시의 평균기온까지 냉각되는 데 5만 년 이상 걸릴 것이라고 계산하였다. * 프린키피아를 본 뷔퐁 백작 조르주루이 르클레르는 실제로 쇠공을 이용한 실험을 수행하여 지구 크기의 쇠공이 식는 데는 9만 6670년 132일이 걸린다는 것을 계산해냈다. * 뷔퐁 백작의 연구를 본 조제프 푸리에는 푸리에 열전도 방정식을 만들고 뷔퐁 백작의 연구내용에 사용하려고 했었다. 푸리에의 계산결과는 남아있지는 않지만, 풀어보면 1억 년가량이 나온다. * 아일랜드의 성공회 대주교 제임스 어셔는 성경을 토대로 천지 창조를 기원전 4004년 10월 23일이라고 주장했는데, 이걸 인정하는 기독교 신학자는 없다. 창조과학자 중에 젊은 지구를 신봉하며 BCE 4004년설에 추종하는 무리가 있는데, 성경을 잘 모르고 이러한 주장에 동조한 것이다. ==== 18세기 ==== * 1748년 지질학자인 드 마일렛은 익명으로 쓴 책에서 초기 지구는 [[바다 행성|완전히 물로 덮여 있었다는 가정을 세워,]] 그 물이 점점 줄어들어 지금에 이르기까지 걸리는 시간이 약 20억 년일 것이라고 주장했다. * [[1785년]], 지질학자인 제임스 허턴은 땅이 지구 내부로부터 해수면 위까지 올라와 대륙이 된 것이라고 주장했다. 당시 이 정도의 지각운동이 가능할 정도의 시간이면 인간이 관찰할 수 있는 시간의 범주를 뛰어넘는다고 한다. ==== 19세기 ==== * 1862년, 물리학자인 윌리엄 톰슨은 땅의 깊이에 따른 온도 변화율과 암석의 열전도도, 가정된 지구 내부의 초기온도를 이용해서 지구의 나이가 2000만 년에서 4억 년 사이일 것이라고 주장했다. * 1867년 남작 작위를 받아 [[제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨|켈빈 남작]]이 된 윌리엄 톰슨은 태양과 지구의 나이가 동일하다는 가정 아래에서 태양이 중력수축으로 빛과 열이 발생한다는 헬름홀츠의 주장을 받아들여 태양이 소모하는 열량을 통해 태양의 나이가 2000만 년이라 추정했다. * 1895년, 물리학자이자 [[제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨|켈빈 경]]의 제자인 존 페리는 지구 내부의 물질이 지표와 같지 않다는 것을 증명하며, 지구의 나이에 하한은 있지만 상한을 정할 수는 없다며 켈빈 경의 주장을 반박했다. * 1895년, 물리학자 [[베크렐|앙리 베크렐]]은 우라늄에서 [[방사선]]이 방출된다는 사실을 발견하였다. ==== 20세기 ==== * 1902년, 물리학자인 [[어니스트 러더퍼드]]와 프레더릭 소디는 원소핵이 붕괴하면 다른 원소핵이 된다는 사실을 발견했고, 이 사실을 기반으로 방사성 동위원소 연대측정의 개념이 등장했다. >지질학도: 교수님, 지구의 나이가 얼마라고 생각하세요? >러더퍼드: 자네는 얼마라고 생각하는가? >지질학도: 한 1억 년 즈음 아닐까요? >러더퍼드: (우라늄 광석 조각을 들어올리며) 이게 '''7억 년''' 된 거야. * 1903년, [[피에르 퀴리]]와 알베르 라보르드(Albert Laborde)는 [[라듐]]으로부터 나오는 열을 측정했다. [[어니스트 러더퍼드]]는 방사선으로 인해 켈빈 경이 예상하지 못했던 '''지구 내부로부터 새로 생성되는 열''' 때문에 지구가 식지 않은 것이라고 주장했다. == 패터슨의 계산, 그리고 그 이후 == === 원리 === 패터슨의 연구 이전에 엄청나게 긴 연대를 측정할 수 있는 방사성 동위원소 [[연대측정법]]을 발견하기는 했지만, 지구의 나이를 아는 것은 불가능하다고 여겨졌었다. 38억 년 전에 시작된 [[시생누대]] 이전인 [[명왕누대]]에는 지표면 전체가 용암 지대였기 때문에 연대 측정을 통해서는 38억 년 전의 지구의 나이를 알 수 없기 때문이다. 패터슨의 지도교수인 해리슨 브라운은 이러한 한계를 극복하기 위해 운석의 납 동위원소를 사용하는 방법을 제안하였고, 아무도 하지 않자 자기 대학원생인 패터슨을 부려먹기 시작했다. 1948년에 받은 졸업 과제를 위해 운석을 모으던 패터슨은 1953년 아리조나의 캐니언 디아블로까지 얻어내자 그 당시 최고의 질량 분석기가 있던 아르곤 연구소에서 질량 분석을 하게 된다. 일반적인 방사성 동위원소 연대 측정과는 다르게 방사성을 띠지 않는 납-204, 납-206, 납-207, 납-208이 얼마나 포함되었는지 확인하고, 각각의 납 동위원소의 구성비를 납-204를 기준으로 계산하게 된다. 납-204는 방사성 붕괴 계열의 최종 부산물이 아니기 때문에 태양계를 만든 성운에 원자가 골고루 퍼졌다고 한다면 납-204는 훌륭한 기준이 될 수 있다. [[파일:OfrUvIy.png|width=60%]] 운석 [math(a)]와 운석[math(b)]가 있을 때, 두 운석의 납 성분비의 기울기 ([math( \text {Pb}^{206} / \text {Pb}^{207} )])는 아래처럼 쓸 수 있다. [math(\LARGE{ \frac {\Delta \text {Pb}^{206}}{\Delta \text {Pb}^{207}} = \frac {R_{1a} - R_{1b}} {R_{2a} - R_{2b}}})] 여기서 납-206과 납-207은 각각 우라늄-238과 우라늄-235가 포함되어 있는 방사성 붕괴 계열의 생성물이다. [math(k)]를 현재 우라늄-238과 우라늄-235의 비로 두고([math( \text {U}^{238}/ \text {U}^{235} = 137.8 )]), 우리가 구하고자 하는 지구의 나이를 [math(t)]로 두면, [math(\LARGE{ \frac {\Delta \text {Pb}^{206}}{\Delta \text {Pb}^{207}} = \frac { N_{01}~ e^{ - \lambda_1 t } } { N_{02}~ e^{ - \lambda_2 t }} = \frac {1} {k} \frac { (e^{ \lambda_1 t }-1) } { (e^{ \lambda_2 t }-1)} } )] 로써, 위 운석들이 그리는 직선의 기울기를 통해 지구의 나이 [math(t)]를 구할 수 있다. 여기서 [math(\lambda_1)]은 최종으로 납-207이 나오는 악티늄 계열 중 반감기가 가장 긴 우라늄-235의 붕괴상수([math(9.72 \times 10^{-10} ~ y^{-1})])이며, [math(\lambda_2)]는 최종으로 납-206이 나오는 우라늄 계열에서 가장 반감기가 긴 우라늄-238의 붕괴상수([math(1.537 \times 10^{-10} ~ y^{-1})])이다. 반감기가 가장 긴 동위원소가 다른 동위원소에 비해 엄청나게 길기 때문에 모든 붕괴 과정의 반감기를 더해서 계산해도 큰 차이가 없다. 거기다가 연속적인 붕괴가 일어나는 과정에서 한 종류의 방사성 붕괴가 아닌 베타 붕괴와 알파 붕괴가 함께 나타나는 분기가 있기 때문에 골치아파진다. === 계산 === ||<|2>