큰 지진이 일어나면 전 세계의 지진 관측소가 몇 분 사이에 차례로 흔들림을 기록합니다. 그런데 이상하게도 진앙에서 일정한 거리만큼 떨어진 관측소에는 지진파가 제대로 도착하지 않습니다. 마치 지구 안에 그늘이 드리운 것처럼 지진파가 비켜 가는 이 띠 모양의 지역을 ‘지진파 암영대(Seismic Shadow Zone)’라고 부릅니다.

지진파 암영대란 쉽게 말해 ‘지구 내부를 지나던 지진파가 핵에서 꺾이거나 막혀 지표에 직접 도달하지 않는 지역’을 의미합니다. 1906년 영국의 지질학자 리처드 딕슨 올덤(Richard Dixon Oldham)은 지진 기록을 분석해 지구 중심에 성질이 다른 핵이 있다고 처음 주장했습니다. 이어 1914년 독일 태생의 지진학자 베노 구텐베르크(Beno Gutenberg)는 암영대의 위치를 바탕으로 핵의 경계가 깊이 약 2,900km에 있다고 계산했습니다.

본 자료에서는 암영대를 만드는 지진파의 종류, P파와 S파가 만드는 두 가지 암영대, 암영대가 밝혀낸 외핵과 내핵, 그리고 오늘날 암영대가 쓰이는 곳까지 차례로 살펴보겠습니다.

지진파가 비켜 가는 곳, 지진파 암영대

1. 암영대를 만드는 지진파

지진이 일어나면 땅속에 쌓였던 에너지가 파동이 되어 사방으로 퍼져 나갑니다. 이 가운데 지구 내부를 통과해 전달되는 파동을 실체파라고 하며, 암영대를 만드는 주인공도 바로 이 실체파입니다.

(1) P파
P파(Primary wave)는 물질이 파동의 진행 방향과 같은 방향으로 밀리고 당겨지며 전달되는 종파입니다. 가장 빨라서 관측소에 가장 먼저 도착하며, 고체와 액체를 모두 통과할 수 있습니다.

(2) S파
S파(Secondary wave)는 물질이 진행 방향과 수직으로 흔들리는 횡파입니다. P파보다 느려 두 번째로 도착하고, 비틀림을 버티지 못하는 액체 속은 지나가지 못합니다.

(3) 각도로 재는 거리
지진학에서는 진앙과 관측소 사이의 거리를 지구 중심에서 잰 각도, 즉 각거리로 나타냅니다. 진앙이 0°, 지구 정반대편이 180°이며, 암영대의 위치도 이 각도로 표시합니다.

2. P파 암영대와 S파 암영대

지구 속이 처음부터 끝까지 같은 암석이라면 지진파는 지표 어디에나 도착해야 합니다. 그러나 실제 관측 기록에는 지진파가 비어 있는 구간이 나타나며, 그 모양은 P파와 S파가 서로 다릅니다.

• P파 암영대(P-wave Shadow Zone): 각거리 약 103°~142° 사이의 띠로, P파가 외핵 경계에서 크게 꺾여 직접 도달하지 않는 지역입니다.
• S파 암영대(S-wave Shadow Zone): 각거리 약 103°보다 먼 지역 전체로, 액체인 외핵이 S파를 통과시키지 않아 생깁니다.
• 굴절(Refraction): 파동이 성질이 다른 물질의 경계를 지날 때 속도가 바뀌면서 진행 방향이 꺾이는 현상입니다.

(1) P파가 꺾이는 이유
P파는 맨틀에서 외핵으로 들어갈 때 속도가 갑자기 느려집니다. 이때 진행 방향이 안쪽으로 크게 꺾이면서 103°~142° 구간을 건너뛰고 142°보다 먼 곳에 도착합니다.

(2) S파가 사라지는 이유
S파는 액체를 지나지 못하므로 외핵에 닿으면 더 나아가지 못합니다. 그래서 외핵을 거치지 않고 맨틀만 지나 도착할 수 있는 103° 안쪽에서만 직접 관측됩니다.

(3) 넓은 S파 그늘
결국 진앙 반대편의 넓은 지역에서는 S파가 직접 관측되지 않습니다. 이 넓은 그늘은 외핵이 액체라는 가장 강력한 증거가 되었습니다.

3. 암영대가 밝혀낸 외핵과 내핵

사람은 지구 중심까지 직접 파 내려갈 수 없습니다. 지금까지 가장 깊이 판 구멍인 러시아의 콜라 초심층 시추공도 약 12km에 그쳤습니다. 그래서 과학자들은 지진파가 남긴 흔적, 특히 암영대를 실마리로 지구 속을 들여다봤습니다.

(1) 핵의 발견
1906년 올덤은 지구 중심 가까이를 지나온 지진파가 예상보다 늦게 도착한다는 점에 주목했습니다. 그는 이를 근거로 지구 안쪽에 맨틀과 성질이 다른 핵이 있다고 주장했습니다.

(2) 핵 경계의 깊이
구텐베르크는 암영대가 시작되는 각도를 이용해 맨틀과 핵의 경계가 깊이 약 2,900km에 있다고 계산했습니다. 이 경계는 오늘날 구텐베르크 불연속면이라고도 불립니다.

(3) 내핵의 발견
1936년 덴마크의 지진학자 잉에 레만(Inge Lehmann)은 P파 암영대 안에서도 약한 P파가 기록된다는 사실에 주목했습니다. 그녀는 이를 액체 외핵 안쪽에 단단한 내핵이 있어 P파를 다시 꺾어 보낸 결과로 해석했습니다.

4. 오늘날 암영대는 어떻게 쓰일까

암영대는 교과서 속 옛 발견에 머물지 않습니다. 전 세계 관측망이 쌓아 온 지진파 기록은 지금도 지구 내부를 더 자세히 그리는 데 쓰입니다.

(1) 지구 내부 모형
지진파의 도착 시간과 암영대의 경계를 모아 만든 모형은 지각, 맨틀, 외핵, 내핵의 깊이와 성질을 숫자로 정리합니다. 1981년 발표된 예비 참조 지구 모형(PREM)이 대표적인 예입니다.

(2) 지진파 단층 촬영
병원의 CT처럼 수많은 지진파 경로를 겹쳐 분석하면 맨틀 속의 뜨거운 부분과 차가운 부분을 입체 영상으로 볼 수 있습니다. 이를 지진파 단층 촬영(Seismic Tomography)이라고 합니다.

(3) 다른 행성 탐사
2018년 화성에 내린 미국 항공우주국(NASA)의 인사이트(InSight) 탐사선은 화성의 지진을 기록했습니다. 과학자들은 이 기록으로 화성 핵의 크기를 추정하며, 지구에서 쓰던 방법을 다른 행성으로 넓혔습니다.

지구 속을 직접 볼 수는 없어도, 지진파가 닿지 않는 곳은 그 자체로 귀한 정보가 됩니다. 파동이 사라진 자리에도 이유가 있다는 단순한 생각, 그것이 지진파 암영대 이해의 첫걸음입니다.