대입 문제 뽀개기. 2017학년도 연세대학교 지구과학 논술

‘대입 문제 뽀개기’ 시리즈는 카페지기 커피사유가 대입 문제를 푼 것을 그냥 열거하는 포스트 시리즈입니다. 누군가에게 참고가 될 수 있는지는 잘 모르겠지만, 일단 나름의 대답이라도 올리는 거죠!

‘대입 문제 뽀개기’ 시리즈에 활용된 논술 문제의 출처는 매 포스트의 시작에 기입합니다. 참고하시기 바랍니다.

출처

이번 논술 문제는 2017학년도 연세대학교 수시모집 논술 시험 문제 지구과학입니다. 이 문제의 저작권은 연세대학교에 있으며, 이 포스트가 문제가 되는 경우 stevenoh0908@gmail.com으로 연락주시면 즉시 삭제하겠습니다.

문제와 풀이

Q1. 태양과 동일한 물리적 특성을 가진 중심 별 주변에 지구와 같은 물리적 특성을 가진 행성이 공전하는 외계 행성계와, 목성과 같은 물리적 특성을 가진 행성이 존재하는 외계 행성계를 제시문 (가)의 별가림 현상을 관측함으로써 확인하려고 한다. 제시문 (나)의 내용을 근거로, 각 행성계의 별가림 현상에 의해서 나타나는, 시간에 따른 밝기 변화를 논리적으로 추정하고 비교하시오. 단, 중심 별과 행성들은 완전한 구형임을 가정하고, 중심 별의 표면 밝기는 전체적으로 균일하다고 가정한다. 그리고 행성들은 중심 별의 가운데를 가로지르며, 원 궤도 운동을 한다고 가정하되, 궤도의 위치에 따라 관측되는 공전 속력의 변화는 무시해도 된다.

어떤 행성이 있을 때, 그 행성에 의한 중심별에 대한 식은, 결과적으로 겉보기에 행성이 중심별을 얼마나 가리는가에 따라 그 밝기 변화의 정도가 결정될 것이다.

두 항성-행성계와 지구 사이의 거리가 동일하다고 가정하고, 동시에 중심 별도 동일하다고 가정하자. 이러한 가정이 없다면, 두 외계 행성계는 원초적으로 비교할 수 없다.

이 경우, 뉴턴의 만유인력 법칙과 궤도 운동 조건을 생각해보면, 태양계와 마찬가지로 하여 그 질량이 큰 목성형 행성이 보다 중심별보다 먼 위치에 있을 것으로 기대된다. 게다가 목성형 행성의 경우, 제시문 (나)에서 제시된 바와 같이, 지구형 행성보다 반지름까지 크다. 따라서, 지구의 관측자가 보기에 행성의 시직경은 목성형 행성계가 지구형 행성계보다 클 것으로 예상할 수 있다.

앞선 두 행성계의 중심별은 동등하다는 가정에 의하여, 두 중심별의 밝기와 시직경은 동일하다고 생각될 수 있다. 따라서, 주기적 공전에 의한 중심별의 밝기 변화는, 시직경이 큰 목성형 외계 행성계에서 더 많은 중심별의 겉보기 면적이 가려지므로 더 클 것으로 예측된다. 반면, 케플러 제3법칙에 의하여 목성형 행성이 지구형 행성보다 공전 주기가 길 것이므로, 목성형 외계 행성계는 밝기 변화의 주기가 상당히 길 것으로 생각된다.

Q2. 제시문 (나)와 (다)에 주어진 내용을 근거로 지구의 대기에서 지구의 중심까지 구성 물질의 분포 특징에 대해 양적 관계를 통해 유추하고, 지구의 형성 시기에 그러한 구성 물질의 분포가 만들어진 과정에 대하여 추론해 보시오.

제시문 (나)에 따르면 지구의 평균 밀도는 $5.515 g/cm^3$로 고밀도인데, 저밀도인 물과 이산화탄소는 제시문 (다)에 따르면 지각, 수권, 기권의 경우는 전체 각각 7.2%, 1.5% 정도로 비교적 다량으로 포함되어 있으나, 맨틀의 경우는 그 함량비가 작고, 핵의 경우는 꽤나 작다. 기권과 수권의 경우는 잘 알려져 있다시피 이들이 기체나 액체의 형태로 존재한다. 지각의 경우는 이들 성분이 암석과 섞여 있을 때, 용융 온도를 낮추어 마그마의 형성을 쉽게 하는 역할을 하지만 지표에 가까우므로 암석이 고체 상태에 머물러있다. 맨틀 부분에는 일부 이산화탄소와 물 성분이 포함되어 있지만, 온도가 고온이므로(지온 구배상) 이들에 의해 마그마가 부분 용융되는 부분이 존재할 것으로 생각된다. 하지만 핵으로 갈 수록 이들 함량비가 작아지고, 압력이 증가하는 효과를 생각해볼 때, 온도 증가의 효과를 고려하여도 핵 부근의 암반은 고체 상태일 것으로 생각된다.

참고: 실제 지진파 탐사를 이용한 지구 내부 층상 구조의 경우, 지각은 고체 상태이고, 주로 함수 광물을 일부 포함한 규산염 광물 위주로 구성되며, 맨틀의 경우도 마찬가지이나 약권의 상부가 부분 용융되어 있다. 외핵은 알려졌다시피 액체 상태이고, 그 내부의 내핵은 고체 상태이다.

Q3. 제시문(라)의 그림에서 제시된 지온 구배율과 암석의 용융 곡선이 중앙 해령과 호상 열도에서는 각각 어떻게 변화할 지 유추해보시오. 또한 제시문 (다)의 내용과 같이 지표의 물과 대기 중의 이산화탄소가 비교적 일정한 양으로 유지될 수 있는 과정에 대하여, 제시문 (라)의 내용을 근거로 논술하시오.

발산형 경계에 해당하는 중앙 해령 부근은 지각 열류량이 높다. 이 부근에서는 하층의 맨틀에서 뜨거운 플룸이 상승하거나, 상승 대류가 형성되기 때문에, 이 부분에서의 지온 구배는 지표의 온도는 제시된 지온 구배보다 높으므로, 전반적으로 우측으로 증가 부분이 찌그러진 형태를 띠게 될 것으로 보인다. 반면, 호상 열도 부근의 경우는 호상 열도 하부의 베니오프대의 경우, 차가운 판이 섭입하고 있으므로 이 부근의 지온이 하강하는 효과가 나타난다. 따라서 호상 열도는 지표 부근은 높으나 하층의 지온이 더 낮게 나타나므로, 전반적으로 중앙 부근으로 찌그러든 형태의 지온 구배가 형성될 것으로 생각된다.

지표의 물과 대기 중의 이산화탄소가 비교적 일정한 양으로 유지될 수 있는 이유는, 판의 섭입형 경계에서 물과 이산화탄소를 포함하는 판이 섭입되어 맨틀에 융해되는 양과, 화산 활동이나 중앙 해령에서의 마그마 분출 활동 등에서 수증기, 이산화탄소의 기체 방출량이 균형을 이루기 때문이라고 생각된다.