지구 내핵이 하루의 길이를 몇 밀리초씩 늘였다 줄였다 한다

지구의 하루는 고정된 8만6,400초가 아니다. 수십 년에 걸친 시간 동안 하루의 길이는 몇 천분의 1초씩 늘어나고 줄어드는데, 새 연구는 그 변화의 대부분을 우리 발밑 5,000킬로미터 이상 깊은 곳에서 벌어지는 중력의 줄다리기로 설명한다.

앨버타대학교의 지구물리학자 장후이펑(Huifeng Zhang)과 마티외 덩베리(Mathieu Dumberry)는 Nature에 발표한 연구에서, 완전한 구형이 아닌 철 덩어리인 지구의 고체 내핵이 방향을 바꿀 때 맨틀의 밀도 높은 영역을 끌어당긴다고 보고했다. 이 인력은 암석질 맨틀과 우리가 사는 지각의 회전을 빠르게 하거나 늦추며, 그에 따라 하루의 길이도 달라진다. 핵과 맨틀의 경계에서는 다른 두 힘이 이에 맞서 작용한다.

이 결과는 지구물리학자들이 수십 년간 추적해 온 질문에 답을 제시한다. 이들은 해당 시간 규모에서 핵이 맨틀과 회전량을 주고받는다는 사실은 알고 있었지만, 어떤 물리적 연결고리가 그 교환을 매개하는지는 알지 못했다. 연구는 또한 지구 중심부에 관한 놀라운 사실을 보여준다. 내핵은 단단한 덩어리처럼 그대로 있는 것이 아니라 매우 느리게 흐르는 것으로 보인다.

흔들리는 철구가 시간을 움직일 수 있는 이유

지구 전체의 회전량, 즉 각운동량은 거의 일정하게 유지된다. 액체 외핵의 회전이 빨라지면 이를 보상하기 위해 맨틀은 느려져야 하며, 그 반대도 마찬가지다. 맨틀 회전의 이 미세한 변동이 수십 년 주기에 걸쳐 하루의 길이를 흔들리게 만든다.

남은 의문은 결합 방식이었으며, 후보는 세 가지였다. 전자기 결합은 자기장을 통해 작용하며 맨틀 최하부 층이 전기를 얼마나 잘 전도하는지에 좌우된다. 지형 결합은 핵-맨틀 경계의 돌출부를 압력이 밀어내면서 생긴다. 중력 결합은 질량에서 비롯된다. 내핵은 완전한 구가 아니며, 맨틀에는 밀도가 높은 암석이 불균일하게 뭉친 부분들이 존재한다.

액체 외핵의 흐름이 내핵을 밀어 맨틀에 대해 조금 회전시키면, 내핵의 돌출부는 تلك 밀도 높은 영역과의 정렬에서 벗어난다. 중력은 이를 다시 정렬 상태로 끌어당기며, 이 복원력인 중력 토크가 맨틀에 회전량을 전달한다. 연구에 따르면 내핵은 맨틀에 대해 약 2.35도씩 앞뒤로 흔들리고, 이 주기는 60~70년이다.

두 연구자는 Springer Nature의 연구 커뮤니티를 위해 작성한 연구 요약에서 “중력 토크는 관측된 지구 자전 변화를 설명하는 데 필요한 방향으로 작용하는 반면, 전자기 및 지형 토크는 대체로 이에 반대한다”고 썼다.

연구 방법

핵까지 도달할 수 있는 관측 장비는 없기 때문에, 연구진은 세 가지 간접 기록을 결합했다. 첫 번째는 원자시계와 천문 관측으로 추적한 하루의 길이 자체다. 두 번째는 위성이 측정한 지구 자기장을 바탕으로 재구성한 액체 외핵 흐름 모델들이다. 세 번째는 지구 심부 구조에 관한 지진학적 증거다.

연구진은 이를 마르코프 연쇄 몬테카를로라고 불리는 통계 기법에 입력했다. 이 기법은 알려지지 않은 양에 대해 방대한 수의 가능한 값을 시험하고, 관측 결과에 들어맞는 조합을 남긴다. 미지수에는 세 가지 결합 각각의 강도가 포함됐다. 이 모델은 중력 토크가 대부분의 역할을 하고 다른 두 힘이 제동장치처럼 작용할 때 약 60년간의 하루 길이 자료를 가장 잘 재현했다.

세 가지 메커니즘을 함께 검증하는 일은 중요하다. 이들은 동시에 작동하고 서로의 효과를 부분적으로 상쇄하기 때문이다. 하나의 결합만 살피는 모델은 실제 지구에서는 다른 작용에 의해 상쇄되는 효과를 해당 결합의 영향으로 돌릴 수 있다.

장은 “이처럼 서로 다른 정보 조각들이 결합하면 직접 관측하기가 극도로 어려운 지구 심부에 대해 더 일관된 그림을 제시할 수 있다”고 말했다.

몇 밀리초는 무엇을 기준으로 한 변화인가

이 효과는 하루 자체에 비하면 극히 작다. 8만6,400초 가운데 몇 밀리초는 1억분의 몇에 해당하는 변화로, 눈을 한 번 깜빡이는 시간보다도 훨씬 짧다. 누구도 이를 느끼지 못하지만, 원자시계와 위성항법을 위해 지구의 자세를 추적하는 시스템은 이를 감지한다.

하루의 길이를 바꾸는 힘은 또 있다. 바람과 해류는 며칠 및 계절 단위로 이를 바꾸고, 달의 조석 작용은 수백만 년에 걸쳐 지구 자전을 서서히 늦춘다. 수십 년 규모의 변동은 그 사이에 위치하며, 핵이 그 원인이라는 의심은 오래전부터 있었지만 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

이 연구는 지구 중심부가 얼마나 유연한지에도 수치를 부여한다. 가장 잘 들어맞는 모델은 내핵이 대략 10년에 걸쳐 형태를 이완한다는 것을 시사하며, 가능한 범위는 2년에서 31년까지다. 엄청난 압력 아래에서도 내핵은 고체 철이지만, 수년의 시간 규모에서는 극도로 뻣뻣한 퍼티처럼 변형된다. 연구진은 이 점성이 최근 철 합금 실험실 실험 결과와 일치한다고 보고했다.

중력의 세기는 맨틀에 대해서도 무언가를 말해준다. 이는 지진파가 유난히 느리게 이동하는 아프리카와 태평양 아래의 대륙 크기 암석 덩어리 두 곳이 뜨거울 뿐 아니라 주변 암석보다 화학적으로도 더 높은 밀도를 지닌다는 견해를 뒷받침한다.

아직 결론 나지 않은 문제

이 재구성은 불완전한 기록에 의존한다. 지구 심부의 지진 관측 범위는 고르지 않고, 자기 자료에서 도출한 핵 흐름 모델은 외핵의 가장 큰 구조만 포착한다. 내핵의 추정 형태와 맨틀 덩어리의 밀도는 직접 측정이 아니라 모델 적합 과정에서 나온 것이며, 내핵의 유연성에 대한 2~31년 범위도 넓다.

모델은 신호의 일부도 설명하지 못한다. 10~30년 시간 규모의 더 빠른 변화에는 추가 과정이 관여할 가능성이 크며, 하루 길이에서 나타나는 별도의 6년 진동은 장이 현재 조사 중인 미해결 문제로 남아 있다.

또 하나는 내핵의 회전 그 자체로, 지진학에서 가장 격렬한 논쟁이 이어지는 주제 중 하나다. 2023년 베이징대학교 연구팀과 2024년 서던캘리포니아대학교 연구팀의 연구는 내핵이 맨틀에 대해 보이는 운동이 2009~2010년 무렵 멈췄다가 역전되기 시작했다고 결론지었다. 2010년 무렵 방향 전환을 포함한 새 모델은 이 그림에 부합하지만, 다른 지진학자들은 내핵의 회전이 아니라 내핵 표면의 변화가 같은 지진 신호를 설명한다고 주장해 왔다. 연구진은 향후 내핵 회전의 변화가 과연 예측 가능한지 역시 미해결 문제로 꼽았다.

지구의 하루 길이에 관한 흔한 질문

하루는 왜 정확히 24시간이 아닌가?

24시간 하루는 관습적 기준이며, 지구의 실제 자전은 변한다. 바람과 해류는 며칠 및 계절 단위로 이를 바꾸고, 달의 조석 작용은 수백만 년에 걸쳐 하루를 길게 만들며, 핵과 맨틀 사이의 회전량 교환은 수십 년에 걸쳐 이를 몇 밀리초 바꾼다.

지구 내핵은 회전을 역전하고 있는가?

아니다. 지진학 연구는 내핵이 맨틀보다 약간 더 빠르거나 느리게 회전한다는 점을 시사하며, 따라서 지표면을 기준으로 보면 한 방향으로 이동했다가 다시 되돌아온다. 새 연구는 이를 60~70년 주기 동안 약 2.35도 흔들리는 운동으로 모델링했으며, 2010년 무렵 방향 전환이 일어났다.

내핵 때문에 하루가 눈에 띄게 길어지거나 짧아질까?

아니다. 변화량은 수십 년에 걸쳐 합쳐도 몇 밀리초에 불과해 사람이 알아차릴 수 있는 수준보다 훨씬 낮다. 다만 지구 자전을 밀리초의 일부 단위까지 추적하는 정밀 시각 측정, 위성항법, 지구물리학에서는 중요하다.

과학자들은 지구 핵 내부에서 무슨 일이 일어나는지 어떻게 아는가?

그곳까지 도달할 수 있는 탐사 장비는 없다. 연구자들은 핵을 가로질러 이동하는 지진의 지진파, 액체 외핵에서 발생한 자기장의 위성 측정값, 그리고 정밀한 지구 자전 기록을 결합한다. 이 연구는 세 가지를 모두 사용했다.

Nature는 이 연구를 2026년 9월 23일 게재했다. 연구진은 1970년대 초부터 2021년 사이 핵 과정이 하루의 길이를 몇 밀리초 변화시켰다고 밝혔다. 다음 검증 대상은 6년 주기다. 아직 동료 심사를 거치지 않은 2026년 6월 프리프린트에서 별도의 연구팀은 위성 중력 자료에서 이에 부합하는 6년 신호를 보고했으며, 이를 내핵과 맨틀 사이의 동일한 결합과 연결했다. 두 기록이 같은 흔들림을 보여준다면, 행성 중심의 금속 구체가 끌어당기는 힘은 시계뿐 아니라 궤도에서도 읽어낼 수 있게 된다.

참고문헌: Zhang and Dumberry, “Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10999-2

태그: earth science, geophysics, Mathieu Dumberry, University of Alberta, 내핵, 지구 자전