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남반구 지구 맨틀의 몇 가지 변화가 결정적인 역할

남극 대륙 아래에 중력 저하 지점이 존재한다.
내부 영향으로 발생하는 중력장이 남극에서 유독 약한 이유

숨겨진 함몰:
지구의 중력장에는 상당한 함몰 지점이 존재하며, 이는 남극 대륙 아래에 있다. 이곳에서는 지구 내부에서 발생하는 힘으로 인한 중력이 지구상의 다른 어느 곳보다 약하다. 지구물리학자들은 지구의 비정수압 지오이드에서 이 함몰 지점이 어떻게 형성되었는지 밝혀냈다. 연구 결과에 따르면 남반구 지구 맨틀의 몇 가지 변화가 결정적인 역할을 한다. 

▲ 남극 대륙 아래에는 중력 이상 현상이 존재합니다. 지구 내부 요인에 의해 생성된 중력장이 이곳에서 가장 약하다. © University of Florida

지구의 중력장은 구형보다는 감자 모양에 더 가깝다. 어떤 곳은 움푹 들어가 있고 어떤 곳은 볼록하다. 이는 지구의 중력이 평균보다 약한 곳(지오이드가 함몰되는 곳) 또는 특히 큰 질량이 지구의 중력을 증가시키는 곳(지오이드가 볼록한 곳)을 나타낸다. 지구 중력장의 형태는 해수, 빙상, 식생과 같은 지표면 요인의 영향을 받는다. 또한 지구 내부의 암석 분포와 해류 또한 중요한 역할을 한다.

남극 대륙 아래의 중력장 함몰

지구 내부 요인의 영향만을 고려하면, 이전에는 드러나지 않았던 이상 현상이 나타난다. 바로 남극 대륙 바로 아래에 지구상에서 가장 큰 중력장 함몰 지점이 존재한다는 것이다. 파리 지구물리학 연구소의 페타르 글리쇼비치(Petar Glišovic) 와 알레산드로 포르테(Alessandro Forte)는 "이 비정수압* 중력장의 최저점은 로스해 바로 아래에 있다"고 보고했다. 지구 중력장의 이 "구멍" 속에서 남극 대륙의 표면은 100미터 이상 깊이로 움푹 들어가 있다.

▲ 비정수압 지오이드의 최저점은 오늘날 남극 대륙 아래에 있다. 그렇다면 이러한 중력적 저지대는 어떻게 형성되었을까? © Glišovic and Forte / Scientific Reports, CC-by-nc-nd 4.0

*수압이 단순히 수심(수압계수)만으로만 결정되지 않고, 유동의 압력 변동(비정수압 성분)까지 함께 고려하는 압력 개념

절대적인 관점에서 보면, 남극 대륙 아래의 중력 이상은 그다지 커 보이지 않는다. 하지만 중력장 함몰은 예를 들어 남극 해안의 해수면에 영향을 미칠 만큼 충분하다. 중력이 약하기 때문에 남극 주변의 해수면은 평소보다 낮다. 남극해의 물은 지구의 중력이 더 강한 지역으로 흘러 들어간다.

시간 여행

그렇다면 비정수압 지오이드에서 가장 깊은 이 함몰은 어떻게 생겨났을까? 왜 하필 남극 대륙 아래에 위치할까? 두 지구물리학자는 이제 이 문제를 더 자세히 조사했다. 그들은 지진 데이터와 지구물리학적 3D 모델을 사용하여 현재뿐 아니라 지난 7천만 년 동안 남극 대륙 아래 지구 내부의 구조와 역학을 재구성했다.

"이 연구는 지구에서 가장 깊은 지오이드 함몰의 기원과 심부 맨틀 과정, 지표 지형, 그리고 지구 자전 운동과의 연관성을 명확히 밝혀준다"고 글리쇼비치와 포르테는 설명했다. 지구 맨틀 내부의 흐름과 질량이 특히 강한 영향을 미친다.

▲ 지구 최저 지오이드 지점의 예측된 지리적 위치의 시간 의존적 변화를 나타낸 그림다. 파란색 원은 과거 판 운동에 대한 지질학적 추정치와 일치하도록 조건을 두지 않는 시간 의존적 맨틀 대류 모델(N)을 사용하여 얻은 지오이드 예측값을 나타낸다. 빨간색 마름모는 내부 부력을 조정하여 과거 판 운동과 정확히 일치하도록 한 대류 모델(M)을 사용하여 얻은 지오이드 예측값을 나타낸다. 색상은 밝은 색(가장 밝은 색은 0 Ma)에서 어두운 색(가장 어두운 색은 70 Ma)까지 단계적으로 변화한다. 그림 2에서와 같이, 별표는 타원율 보정(노란색 별)과 등정적으로 보상된 지각의 중력 신호를 제거한 후의 지구 최대 비정수압 지오이드 함몰 지점의 현재 위치를 나타냅니다(자홍색 별). 검은색과 회색 선은 현재 판 경계와 해안선의 위치를 ​​보여준다. (출처: Published: 19 December 2025 / Cenozoic evolution of earth’s strongest geoid low illuminates mantle dynamics beneath Antarctica / Scientific Reports)

남대서양에서 남극까지

분석 결과, 남극의 중력 저지대는 약 7천만 년 동안 존재해 온 것으로 밝혀졌다. 그러나 초기에는 그 규모가 더 작았고, 지구 중력장에서 가장 깊은 함몰부는 아니었다. 연구진은 "당시 지구 중력장에서 가장 큰 함몰부는 남위 30도에서 45도 사이의 남대서양 아래에 위치한다"고 보고했다. 하지만 약 5천만 년 전, 이러한 상황이 바뀌었다. 지구 중력장의 함몰부가 남극 아래로 이동하면서 깊이가 30% 증가하여 새로운 지구 중력 저지대가 된 것이다.

글리쇼비치와 포르테는 이러한 변화의 원인 중 하나로 "약 5천만 년 전 지구 자전축의 급격한 수평 이동과 동시에 발생했다"고 설명한다. 이 극이동은 지구 맨틀의 흐름을 변화시켰고, 결과적으로 지구의 비정수압 중력장에도 영향을 미쳤다. 따라서 지구 중력장에서 가장 깊은 함몰부는 남극 아래로 이동하게 된 것이다.

상승류는 중력을 감소시킨다.

하지만 오늘날 남극 지오이드 저지대에는 두 번째 원인이 있다. 원래 맨틀류는 남대서양의 섭입대에서 밀도가 높고 무거운 암석 물질을 남극 웨델해 아래 하부 맨틀로 운반했다. 그러나 이러한 심층적인 지각판 무덤은 지구 맨틀에 난류를 발생시켜 더 뜨겁고 밀도가 낮은 물질을 상승시키는데, 이는 2010년 연구에서 이미 밝혀진 바 있다.

남극 아래에서도 정확히 이러한 현상이 발생했다. 글리쇼비치와 포르테는 "지난 4천만 년 동안 남극 아래의 상승류는 하부 맨틀에서 더 뜨겁고 밀도가 낮은 물질을 점점 더 지표면으로 끌어올렸다"며, "이로 인해 상부 맨틀의 상승류가 증가하고 남극 지오이드 저지대가 심화되었다”고 보고했다.

▲ 지난 6500만 년 동안 남극 지오이드 함몰부의 이동 및 심화. © Glišovic and Forte / Scientific Reports, CC-by-nc-nd 4.0

지오이드 함몰의 핵심 요인

이러한 지구 역학적 과정들은 지구의 비정수압 지오이드가 오늘날 남극 대륙 아래에 가장 낮은 지점을 갖는 이유, 즉 이 지오이드 함몰이 어떻게 형성되었는지를 설명한다. 글리쇼비치와 포르테는 "시간적 진화를 이해하는 핵심은 주로 로스만(灣) 아래에서 발생하는 비정상적으로 뜨거운 저층 맨틀 상승류의 영향에 있다"고 말했다. 이 상승류는 현재 남극 대륙 아래 지오이드 이상 현상의 주요 원인이다.

또한, 이 연구는 남극 대륙 아래 지구 맨틀의 지구 역학적 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. 연구진은 더 깊은 맨틀층과 상부 맨틀층에서 일어나는 과정들이 어떻게 상호작용하고 중력장에 영향을 미치는지 보여준다.

참고: Scientific Reports, 2026; doi: 10.1038/s41598-025-28606-1
출처: 플로리다 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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