지구 형성 초기 마그마의 바다 상태에서 철, 니켈 등의 무거운 금속 성분들은 중심 쪽으로 가라앉아 핵이 되었고, 규소, 산소 등의 밀도가 작은 원소들은 표면쪽으로 이동하여 맨틀이 되었다. 지구는 지각, 맨틀, 핵으로 이루어졌다. 미행성체의 충돌이 줄어들면서 지구가 서서히 식어감에 따라 표면이 단단히 굳었다. 대기의 수증기가 물방울이 되어 구름을 만들었다. 구름에서 내린 비가 땅에 고여 최초의 바다가 되었다. 땅, 대기, 바다가 갖추어진 것이다. 선(先) 캄브리아 시대의 지층에서는 화석이 거의 발견되지 않아 당시 환경이나 생물을 알기 어렵다. 긴 시간 동안 여러 차례 지각 변동을 받아 화석이 변형되거나 사라졌기 때문이다.
고생대 석탄기에는 양치식물이 거대한 삼림을 이루었고 이로 인해 대기 중 산소 함량이 약 35%로 급격히 증가했다. 현재의 21%에 비하면 아주 높은 함량이다. 인류가 수직으로 가장 깊게 뚫은 구멍의 깊이는 12km에 지나지 않는다. 이 길이는 지구 반지름(6400km)을 감안하면 사과 표면을 살짝 긁어낸 정도에 지나지 않는다. 지진파는 통과하는 물질의 성질에 따라 전파 속도가 변한다. 과학자들은 지진파의 전파 속도가 특정 깊이에서 불연속적으로 변하는 지점을 분석하여 지구 내부 구조를 밝혔다.
암석을 이루는 다양한 알갱이들을 광물이라 한다. 지금까지 알려진 광물의 종류는 4,000여종이고 매년 새 것들이 발견된다. 실제로 암석을 구성하는 주요 광물은 30여종이다. 이들을 조암(造巖) 광물이라 한다. 석영(quartz)은 전기 에너지를 받으면 일정하고 정확하게 초당 32, 768번 진동한다. 각 광물은 저마다 특정한 정출(晶出) 온도와 고유의 결정형을 갖는다. 암석들에는 수억년 동안 지구가 겪어온 변화와 사건의 흔적이 고스란히 새겨져 있다. 동굴은 형성 과정에 따라 석회동굴과 용암동굴로 나뉜다. 우리나라 용암동굴은 제주도에서만 존재한다. 용암동굴은 용암이 흘러가는 동안 표면은 차가운 공기와 만나 빠르게 굳고 내부의 용암은 빠져나가면서 형성된다.
지구 표면(판)은 여러 조각으로 이루어진 축구공 같으나 축구공과 달리 끊임없이 움직인다. 속도는 느리지만 거대한 판들의 움직임은 판의 경계에서 엄청난 사건을 만든다. 태평양 불의 고리에서 나타나는 판 경계는 대부분 섭입형 경계다. 이곳에서는 밀도가 큰 판이 밀도가 작은 판 아래로 들어가면서 지진과 화산 활동이 자주 일어난다. 현재 태평양은 좁아지고 있고 대서양은 넓어지고 있다. 이는 판구조론으로 설명할 수 있다. 태평양 가장자리에 수렴형 경계가 있고 대서양 한가운데 발산형 경계가 있다. 대서양을 이루는 판들이 서로 멀어짐에 따라 생긴 빈 공간으로 마그마가 올라와 새로운 해양 지각을 형성한다.
일상에서 우리에게 가해지는 대기압은 약 1기압이다. 대기압은 높은 곳으로 갈수록 낮아진다. 지구는 대기로 둘러싸여 있다. 대기의 무게로 인해 우리가 받는 힘을 대기압이라 한다. 1기압이란 해수면에서의 대기압이다. 높은 산에 올라가면 우리를 누르는 공기 무게가 줄어들어 1기압보다 낮아지고 깊은 물속에 들어가면 공기의 무게에 물의 무게가 더해져 1기압보다 높아진다. 높은 산에 오르면 과자 봉지 속 압력은 1기압이지만 대기압은 기압보다 낮아 기압 차이가 없어질 때까지 과자 봉지의 부피가 점점 부풀어 오른다.
하늘의 구름은 기체가 아닌 액체 상태다. 물방울의 반지름이 약 0.02mm로 매우 작기 때문에 하늘에 떠 있을 수 있다. 외부와 열 교환 없이 공기의 부피가 팽창하면 온도가 낮아진다. 이를 단열팽창이라 한다. 스프레이(에어로졸)를 뿌릴 경우가 예이다. 지구도 자외선 차단제를 바른다. 최초의 지구에는 자외선을 막아주는 오존층이 없었다. 바닷속 남세균의 광합성으로 대기 중 산소가 축적되면서 오존층이 생겨났다. 지구 최초의 생명체는 육지가 아닌 바다에서 생겨났을 것이다. 자외선으로부터 안전한 곳이기 때문이리라. 현재 지구 대기의 주성분은 질소와 산소다. 지구 탄생 초기 원시 대기에는 질소는 있었지만 산소는 거의 없었다.
산소는 바닷속 남세균의 광합성으로 만들어졌고 대기로 방출되어 산소가 쌓이기 시작했다. 이렇게 만들어진 대기 중 산소 분자는 태양으로부터 온 자외선과 반응하여 산소 원자 두 개로 분리된다. 산소 원자와 아직 분리되지 않은 산소 분자가 오존층을 형성하였다. 오존의 90% 이상은 고도 약 20~30km 사이에 모여 있다. 이를 오존층이라 한다.
해양 지각의 평균 두께는 5km이고 대륙 지각의 평균 두께는 35km이다. 그 아래 2900km까지가 맨틀이다. 핵은 그 아래에서 지구 중심까지로 암석이 아닌 금속으로 이루어져 있다. 바다의 평균 수심은 약 3,5km다. 해수는 깊이에 따라 수온이 달라지는 세 개의 층으로 나뉜다. 지구 표면의 70% 이상이 푸른 바다로 덮여 있다. 심해(深海)는 태양 복사 에너지가 도달하지 않아 차갑고 어둡다. 해수면에 도달한 태양 복사 에너지는 약 200미터 이내에서 모두 흡수되기에 그보다 깊은 바다에는 태양 복사에너지가 닿지 않는다.
해수 온도는 깊이가 깊어질수록 낮아질까? 대체로 그렇지만 해수는 깊이에 따라 수온이 일정하거나 낮아지는 세 개의 층으로 나뉜다. 가장 얕은 곳에는 깊이에 따라 수온이 일정한 혼합층이 나타난다. 혼합층은 대기와 가장 가까운 곳이므로 바람의 영향을 받는다. 바람이 불면 표층의 물이 고르게 섞이기에 수온 차이가 없어진다. 혼합층 아래에는 수온 약층이 있다. 깊어지수록 수온이 급격히 낮아지는 곳이다. 수온 약층 아래에는 심해층이 있다. 태양 복사에너지가 거의 도달하지 못하기에 깊이에 관계 없이 수온이 일정하다. 심해층의 수온은 대체로 0~4°C로 일정하다.
바다 속에는 눈에 보이지 않는 거대한 컨베이어 벨트가 존재한다. 이 벨트는 전 세계 바닷물을 끊임없이 순환시키며 지구의 기후를 조절한다. 바닷물이 흐르지 않는다면 지구의 기후는 심각하게 불균형해지고 우리의 일상도 크게 달라질 것이다. 이 거대한 순환의 이름은 해양 컨베이어 벨트다. 해수의 순환은 표층에만 한정되지 않는다. 해류는 깊이에 따라 표층 해류와 심층 해류로 나뉜다. 이 두 해류가 연결되어 이루는 해수 순환은 사람의 혈액 순환과 같다. 표층 해류의 원인이 바람과 수육 분포라면 심층 해류는 해수의 밀도 차이로 인해 발생한다. 해수의 밀도는 수온이 낮고 염분이 높을수록 증가한다.
고위도 지역은 태양 복사 에너지가 적게 들어와 해수의 수온이 낮아진다. 해수가 얼 때는 순수한 물만 얼기에 남은 해수의 염분이 높아진다. 이로 인해 밀도가 높아진 해수는 표층에서 심층으로 침강하며 해류를 형성한다. 침강이 일어나는 대표적 장소는 그린란드와 남극 주변의 웨델해다. 그린란드 해역에서 침강한 해수는 남쪽으로 흘러 북대서양 심층수가 되고 웨델해에서 침강한 해수는 북쪽으로 흘러 남극 저층수가 된다. 이 두 해류는 대서양 심층 순환의 핵심을 이루며 단순히 지역적인 현상이 아니라 전 지구적인 해양 순환과 기후 시스템에 중요한 역할을 한다. 심층 해류와 표층 해류는 서로 연결되어 저위도와 고위도간 에너지를 수송한다. 저위도는 태양 복사 에너지가 남아돌지만 고위도는 태양 복사에너지가 부족하여 에너지가 필요하다. 해류는 이 잉여 에너지를 고위도로 수송하며 지구의 에너지 균형을 유지하게 한다. 해류 순환이 멈추면 일부 지역에서는 폭염과 한파가 극단적으로 나타나고 해양 생태계에도 큰 변화가 생길 것이다.
한류와 난류가 만나는 동해는 황금어장이다. 한류와 난류가 만나는 곳을 조경수역(潮境水域)이라 한다. 세포막을 경계로 농도가 다른 두 용액이 있을 때 저농도 용액에서 고농도 용액쪽으로 물이 이동하는 현상을 삼투(滲透)라 한다. 바닷물을 마시면 사람 세포 내 물이 바닷물보다 농도가 낮기 때문에 삼투 작용으로 세포 내부의 물이 세포 밖으로 빠져나간다. 갈증이 해소되기는커녕 탈수 증상이 생긴다. 바다에 사는 물고기는 아가미의 특별한 세포 때문에 필요한 정도의 염류만 흡수하고 나머지는 물 밖으로 배출할 수 있다.
염류란 바닷물에 녹아 있는 물질로 바닷물에서 짠맛이나 쓴맛이 나는 원인이 된다. 염류란 암석을 이루는 물질이 강물이나 빗물에 녹아 바다로 흘러가거나 해저 화산 활동이 일어날 때 공급된다. 염류에는 소금으로 알려진 염화나트륨 외에도 염화 마그네슘, 황산 마그네슘, 황산 칼슘 등이 있다. 갯벌은 지구의 콩팥에 해당한다. 인간의 콩팥이 몸속 노폐물을 걸러내는 것처럼 바다와 육지 사이에서 각종 오염 물질을 흡수하고 정화하는 필터 역할을 한다. 갯벌의 진흙 사이에 오염 물질이 달라붙으면서 이루어지는 물리적 정화뿐 아니라 갯벌에 사는 생물들이 오염 물질을 흡수하거나 분해하는 생물학적 정화도 이루어진다.
보통 우리나라 해안에서는 하루에 만조(滿潮) 두 번, 간조(干潮) 두 번이 일어난다. 만조, 간조, 만조, 간조 순서다. 주기적으로 해수면이 낮아지는 현상을 조석(潮汐)이라 한다. 만조시와 간조시의 해수면 차이를 조차(潮差)라 한다. 조차가 가장 크게 나타나는 시기를 사리, 가장 작게 나타나는 시기를 조금이라 한다. 명왕성은 행성이 지나는 길에 공전을 막는 방해물이 없어야 한다는 조항을 만족시키지 못해서 행성의 지위에서 내려왔다. 명왕성을 처음으로 발견한 사람은 미국의 천문학자 클라이드 톰보다. 발견 장소는 로웰 천문대다. 퍼시벌 로웰이 세운 곳으로 로웰은 명왕성의 존재를 이론적으로 예측했다.
별이 죽으면서 남긴 잔여물은 별과 별 사이를 채우는 성간 물질이 된다. 이때 생긴 성간 물질은 또 다른 별을 만드는 재료로 쓰인다. 질량을 가진 모든 물체는 서로 당기는 중력이 있다. 성운 안의 성간 물질들도 중력에 의해 한곳으로 모인다. 이렇게 성운이 수축하면서 그 중심부는 밀도와 온도가 높아진다. 수축이 계속되어 중심부 온도가 1,000만K에 도달하면 별의 중심부에서 수소 핵융합 반응이 일어난다. 주계열성 단계에 이른 것이다. 청년기에 해당한다. 태양도 주계열성 단계다. 별은 일생의 대부분을 주계열성으로 보낸 뒤 죽음을 맞이한다. 별은 죽으면서 자신을 구성하고 있던 물질들을 우주 공간으로 방출한다. 이 성간 물질은 과거의 별이 남긴 흔적이자 미래의 별이 될 가능성이다.
별은 표면 온도가 높을수록 푸른색을, 낮을수록 붉은색을 띤다. 휜색 별은 표면 온도가 10,000K 정도로 푸를 만큼은 아니지만 꽤 높은 편이다. 백색왜성의 크기는 지구 정도이지만 질량은 태양과 비슷하므로 밀도가 큰 편이다. 백색왜성은 태양의 미래다. 태양은 주계열성 단계에서 중심핵의 수소가 소진되면 적색거성 단계로 들어간다. 주계열성 단계보다 표면 온도가 낮아지고 크기는 내행성들을 삼킬 정도로 커진다. 적색 거성 이후 태양은 주기적으로 수축과 팽창을 반복하며 밝기가 변한다. 맥동 변광성 단계에 이른 것이다. 이 정도면 태양은 거의 죽음 단계에 이른 것이다. 태양도 외곽부 물질을 우주 공간으로 방출한다. 행성상 성운이 되는 것이다. 중심부 물질은 쪼그라들어 크기가 작고 밀도가 커진다. 백색왜성으로 최후를 맞는 것이다.
지구의 인공위성은 수천 개이지만 자연위성은 달 하나다. 우리는 언제나 달의 같은 면만 볼 수 있다. 달이 동주기(同週期) 자전을 하기 때문이다. 오로라는 모두 고위도 지역에서만 볼 수 있다. 지구 자기장이 태양풍을 막아 준다. 자기장이 태양풍의 대전(帶電)입자를 붙잡아 지구로 들어오지 못하게 한다. 붙잡힌 대전입자들은 극지방으로 간다. 지구 자기장이 극지방 쪽에서 열려 있기 때문에 대전입자들은 그곳으로 끌려가 극지방 대기의 상층부까지 들어간다. 이곳에서 태양으로부터 온 대전입자와 지구 대기의 질소, 산소 분자들이 충돌하며 아름다운 빛을 낸다.
어떤 대기 분자가 어느 높이에서 충돌하느냐에 따라 오로라의 색이 결정된다. 태양 활동이 강해지면 우리나라에서도 오로라를 볼 수 있다. 조선왕조실록에 우리나라 밤하늘에 붉은 기운이 나타났다는 기록이 200여회나 등장한다. 태양 활동이 활발할수록 태양풍이 강해지는데 이때 오로라가 더 낮은 위도까지 확대되어 나타난다. 오로라를 볼 수 있다는 점 말고 태양 활동이 활발해져서 좋은 것은 없다. 흑점 수가 많을수록 태양 활동이 활발하고 태양풍도 강해진다. 저자는 지구과학이 좋아서 교사가 된 것이 아니라 교사가 되고 나서 지구과학이 좋아졌다고 말한다.
