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기하학적 반사율 예시
기하학적 반사율은 해당 천체의 표면 및 대기 특성에 따라 본드반사율보다 크거나 작을 수 있다. 몇 가지 예는 다음과 같다.
옥스포드 철자법
옥스포드 철자법, 옥스포드 스펠링(Oxford spelling), 옥스포드 영어 사전 철자법, 옥스포드 스타일, 옥스포드 영어 철자법은 옥스퍼드 대학교 출판부의 사용에서 이름을 따온 철자법 표준으로, realize 및 organization과 같은 단어에서 -ise 어미 대신 -ize 접미사와 결합하여 영국식 철자법을 사용하도록 규정한다.
옥스포드 철자법은 많은 영국 기반 학술 저널(예: 네이처)과 많은 국제 기구(예: 유엔 및 그 산하 기관)에서 사용된다. 이는 국제 독자층을 위한 학술, 공식, 기술 문서 작성에 흔히 사용된다. 디지털 문서에서 옥스포드 철자법은 IETF 언어 태그 en-GB-oxendict(또는 역사적으로 en-GB-oed)로 표시될 수 있다.
옥스포드 철자법 특징
옥스포드 철자법은 ‑lyse와 함께 접미사 ‑ize를 사용한다: organisation, privatise 및 recognisable 대신 organization, privatize 및 recognizable – analyse, paralyse 등과 함께. 옥스퍼드 대학교 출판부는 ‑ize가 오직 북미 변형이라는 믿음이 틀렸다고 말한다. 옥스포드 철자법은 약 200개의 동사에 영향을 미치며, 어원학적 근거로 선호되는데, ‑ize가 대부분의 ‑ize 동사의 그리스 어근인 -ίζω (‑ízō)에 더 가깝게 대응하기 때문이다.
접미사 ‑ize는 15세기부터 영국에서 사용되었으며, 북미 영어에서 사용되는 철자 변형이다. 옥스포드 영어사전은 ‑ise 형태의 단어를 "‑IZE의 빈번한 철자..."로 따로 나열한다.
옥스포드 철자법 특징
이 관행은 아마 프랑스에서 먼저 시작되었을 것이다. 현대 프랑스어에서는 접미사가 그리스어에서 온 단어들처럼 baptiser, évangéliser, organiser와 라틴어에서 그들을 모방하여 형성된 단어들처럼 civiliser, cicatriser, humaniser 모두 ‑iser로 변했다.
따라서 일부는 이 모든 단어에 대해 프랑스어에서처럼 영어에서도 ‑ise 철자를 사용했고, 일부는 라틴어 요소에서 프랑스어나 영어로 형성된 단어에는 ‑ise를 선호하고, 그리스어 요소에서 형성된 단어에는 ‑ize를 유지한다.
그러나 접미사 자체는 어떤 요소에 추가되든 간에 원래 그리스어 ‑ιζειν, 라틴어 ‑izāre에서 유래했다. 그리고 발음도 z로 되므로, 영어에서 특별한 프랑스어 철자를 따를 이유가 없으며, 이는 어원론적이고 음성학적인 것과 일치한다. 이 사전에서는 어미가 일관되게 ‑ize로 쓰인다. (그리스어 ‑ιζ‑, i는 짧았고, 원래 라틴어에서도 그랬지만, 이중 자음 z (= dz, ts)가 음절을 길게 만들었다. z가 단순 자음이 되었을 때, /‑idz/는 īz가 되었고, 여기서 영어 /‑aɪz/가 유래했다.)
옥스포드 철자법 특징
옥스포드에서 ‑ize를 사용하는 것은 그리스어 ‑izo, ‑izein 접미사에서 유래하지 않은 단어의 철자에는 적용되지 않는다. 그러한 단어 그룹 중 하나는 analyse, paralyse, catalyse와 같이 ‑lyse로 끝나는 단어들인데, 이는 그리스어 동사 λύω, lyo에서 유래하며, 이 동사의 완료형(아오리스트) 어간은 ‑lys-이다. 이들 단어에는 ‑lyse가 더 어원학적인 철자이다. 다른 단어로는 advertise, arise, compromise, chastise, disguise, improvise, prise(열다의 의미), televise 등이 있다.
OUP의 "옥스포드" 브랜드 사전 외에도, ‑ize 접미사를 먼저 나열하는 다른 영국 사전 출판사로는 카셀, 콜린스, 롱맨이 있다.
옥스포드 철자법 사용법
옥스포드 철자법은 옥스퍼드 대학교 출판부 (OUP)가 옥스포드 영어사전과 영향력 있는 영국식 스타일 가이드 Hart's Rules를 포함한 영국 출판물에 사용하며, 메리엄-웹스터에 따르면 "어원을 의식하는" 다른 출판사들도 사용한다.
옥스포드 철자법(특히 Concise Oxford English Dictionary, 제12판에 처음 등재된 형태)은 유엔 체계에 속하는 국제 기구의 스타일 가이드에서 사용되는 공식 또는 사실상의 철자 표준이다. 여기에는 세계보건기구, 국제전기통신연합, 국제 노동 기구, 세계 식량 계획, 국제사법재판소, 유네스코 및 세계 인권 선언과 같은 모든 유엔 조약 및 선언이 포함된다.
이 표준을 따르는 다른 국제 기구로는 국제 표준화 기구 (ISO), 국제전기기술위원회 (IEC), 세계무역기구 (WTO), 북대서양 조약 기구 (NATO), 국제 원자력 기구 (IAEA), 국제형사경찰기구 (인터폴), 국제 적십자 위원회 (ICRC), 세계자연기금 (WWF), 국제앰네스티 (AI), 세계 경제 포럼 (WEF), 그리고 세계생물다양성정보기구 (GBIF)가 있다.
옥스포드 철자법 사용법
옥스포드 철자법은 런던 기반의 과학 저널 네이처와 다른 모든 영국 기반 "네이처" 브랜드 저널, 왕립학회의 철학적 거래, Journal of Physiology를 포함한 다수의 학술 출판물에서 사용된다. The Times Literary Supplement, 브리태니커 백과사전, 케임브리지 대학교 출판부에서도 사용한다. 영국 신문과 잡지에서는 일반적으로 -ise를 사용한다. 타임스의 스타일 가이드는 1992년 -ise로 전환하기 전까지 -ize를 권장했다. 이 신문의 편집장 리처드 딕슨(Richard Dixon)은 이 변화에 대해 다음과 같이 썼다.
옥스포드 철자법 사용법
위대한 -ize 대 -ise 논쟁에서, 타임스는 학문적 지식보다는 단순함을 선택했다... 그러나 1992년 스타일 가이드에 다음 항목이 나타났다: "-ise, -isation: 거의 모든 경우에 z 형태를 피하라. 이것은 일반적인 사용이 고전적 어원학의 지각을 변형시키는 화산 지대이다. 이 지침은 그리스 제타 어근 어미를 라틴어 어미와 일반적인 사용 방향으로 개정한 것이다: apologise, organise, emphasise, televise, circumcise. 유일하게 정말 어색한 결과는 capsize인데, 이는 그리스식 평화 상태로 두어야 한다."
킹 제임스 성경과 셰익스피어의 작품 모두에서 -ize 어미가 전반적으로 사용된다. 옥스포드 철자법을 사용하는 잘 알려진 문학 작품으로는 J. R. R. 톨킨의 반지의 제왕, 애거사 크리스티의 그리고 아무도 없었다, C. S. 루이스의 사자, 마녀, 그리고 옷장 등이 있다.
옥스포드 철자법이 반드시 옥스퍼드 대학교 직원들에게도 적용되는 것은 아니다. 2016년에 마지막으로 업데이트된 대학의 스타일 가이드는 내부 사용을 위해 -ise 사용을 권장했다.
옥스포드 철자법 언어 태그 비교
다음 표는 다섯 가지 주요 영어 철자 규칙과 비교를 위한 프랑스어 철자 규칙 간의 몇 가지 일반적인 철자 차이를 요약한다. 참고: en-GB는 단순히 영국 영어를 의미하며, -ize 또는 -ise를 사용해야 하는지는 지정되지 않는다. 그러나 언어 태그 en-GB-oxendict는 -ize 및 -ization 사용을 요구한다.
탈기 (가스 기술)
탈기 또는 아웃개싱(outgassing), 특히 실내 공기질과 관련하여 오프가싱(offgassing)은 어떤 물질에 용해되거나, 갇히거나, 결빙되거나, 흡수되었던 기체가 방출되는 현상이다. 탈기는 승화 및 증발 (물질이 기체로 상전이하는 현상)뿐만 아니라 탈착, 균열이나 내부 부피로부터의 삼출, 그리고 느린 화학 반응의 기체 생성물을 포함할 수 있다. 끓음은 액체가 같은 물질의 증기로 상전이하는 현상이기 때문에 일반적으로 탈기와는 별개의 현상으로 간주된다.
탈기 (가스 기술) 진공 환경에서
탈기는 깨끗하고 높은 진공 환경을 만들고 유지하는 데 있어 어려운 과제이다. NASA와 ESA는 우주선에 사용하기에 적합한 낮은 탈기 특성을 가진 재료 목록을 관리하는데, 탈기 생성물은 광학 요소, 열 방사체 또는 태양 전지에 응축되어 이들을 가릴 수 있기 때문이다. 일반적으로 흡수성이 없다고 여겨지는 재료도 산업 또는 과학적 진공 공정을 방해할 만큼 충분한 경량 분자를 방출할 수 있다. 수분, 실런트, 윤활유, 그리고 접착제가 가장 일반적인 원인이지만, 심지어 금속과 유리도 균열이나 불순물에서 기체를 방출할 수 있다. 탈기 속도는 온도가 높을수록 증기압과 화학 반응 속도가 증가하기 때문에 빨라진다. 대부분의 고체 재료의 경우, 제조 및 준비 방법으로 탈기 수준을 크게 줄일 수 있다. 표면 세척, 또는 개별 부품이나 전체 조립품을 가열하는 과정("베이크아웃"이라고 함)은 휘발성 물질을 제거할 수 있다.
탈기 (가스 기술) 진공 환경에서
스타더스트 우주 탐사선은 항법 카메라의 CCD 센서에 응축된 알려지지 않은 오염물질로 인해 이미지 품질이 저하되었다. 카시니 우주 탐사선의 협각 카메라도 비슷한 문제에 직면했지만, 시스템을 4 °C로 반복적으로 가열하여 해결했다. ESA의 로제타 우주선에 대해서는 질량 분석기를 사용하여 탈기 효과에 대한 포괄적인 특성화를 얻을 수 있었다.
혜성에서는 자연적인 탈기가 흔하다.
탈기 (가스 기술) 암석으로부터
탈기는 지구형 행성이나 위성의 희박한 대기의 가능한 원인이다. 많은 물질은 우주 공간의 극심한 진공에 비해 휘발성이 강하며, 주변 온도에서 증발하거나 심지어 끓을 수도 있다. 달 표면의 물질은 오래전에 완전히 탈기되어 태양풍에 날려갔지만, 휘발성 물질은 깊은 곳에 남아 있을 수 있다. 달의 대기는 아마도 표면 아래 따뜻한 물질의 탈기로부터 기원할 것이다.
일단 방출되면, 기체는 거의 항상 주변의 암석과 모래보다 밀도가 낮아 표면으로 스며든다. 화산의 폭발성 분화는 용암 돔 등에 갇힌 마그마에서 탈기된 물이나 기타 휘발성 물질의 결과이다. 새로운 지각이 생성되는 지구의 판 발산 경계에서는 헬륨과 이산화 탄소가 맨틀 마그마에서 탈기되는 휘발성 물질 중 일부이다. 원시 방사성 핵종 (및 그 붕괴 생성물)의 알파 붕괴는 지구형 행성의 암석에서 계속해서 방출되는 헬륨의 대부분을 생성한다.
우라늄 광석, 인산염 암석, 셰일, 화강암, 편마암, 편암과 같은 화성암 및 변성암과 같이 라듐-226을 포함하는 암석은 방사성 라돈을 탈기할 수 있으므로 라돈 저감이 필요하다.
탈기 (가스 기술) 밀폐된 환경에서
공기가 정체되거나 재순환되는 밀폐된 환경에 축적되면 탈기가 중요할 수 있다. 예를 들어, 새 차 냄새는 밀폐된 자동차 내부에서 열에 의해 방출된 탈기된 화학 물질로 구성된다. 심지어 거의 냄새가 없는 목재와 같은 물질도 밀폐된 상자에 몇 달 동안 보관하면 강한 냄새가 축적될 수 있다. 많은 산업 제품, 특히 플라스틱에서 방출되는 가소제와 용매가 인체 건강에 해로울 수 있다는 우려가 있다. 용매 증기에 장기간 노출되면 만성 용매 유발 뇌병증 (CSE)이 발생할 수 있다. 독성 가스의 탈기는 자급식 재순환 대기를 가져야 하는 잠수함과 우주정거장의 설계에서 큰 관심사이다.
탈기 (가스 기술) 건설 분야에서
굳어가는 콘크리트 표면 근처의 작은 기포가 탈기되면 구조물에 영구적인 구멍 (일명 버그홀)이 생겨 구조적 무결성을 손상시킬 수 있다.
화산 작용
화산 작용(volcanism),  화산 활동 또는 화산 현상은 고체, 액체, 기체 및 이들의 혼합물이 행성이나 위성과 같은 고체 표면 천체의 표면으로 분출하는 현상이다. 이는 일반적으로 천체 내에서 내부적으로 생성된 열원의 존재로 인해 발생하며, 열은 방사성 붕괴 또는 조석 가열과 같은 다양한 과정을 통해 생성된다. 이 열은 천체 내의 고체 물질을 부분용융시키거나 물질을 기체로 변화시킨다. 이동된 물질은 천체 내부를 통해 상승하여 고체 표면을 뚫고 나올 수 있다.
화산 작용 원인
화산 활동이 발생하려면 맨틀의 온도가 녹는점의 약 절반까지 상승해야 한다. 이 시점에서 맨틀의 점성도는 약 1021 파스칼-초까지 떨어질 것이다. 대규모 용융이 발생하면 점성도는 103 파스칼-초 또는 그 이하로 급격히 떨어지며, 열 전달 속도는 백만 배 증가한다.
화산 활동이 발생하는 이유는 부분적으로 용융된 물질이 생성된 물질보다 이동성이 높고 밀도가 낮아 표면으로 상승할 수 있기 때문이다.
화산 활동에 필요한 열을 생성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 외태양계 달의 화산 활동은 주로 조석 가열에 의해 구동된다. 조석 가열은 상호 중력 인력으로 인한 천체의 변형으로 인해 발생하며, 이는 열을 생성한다. 조석 가열은 목성의 위성 이오에서 화산 활동의 원인이다. 지구는 달로부터 조석 가열을 경험하며, 최대 1미터(3피트)까지 변형되지만, 이는 지구 전체 열의 주요 부분을 차지하지 않는다.
화산 작용 원인
행성 형성 과정에서 행성은 미행성의 충돌사건으로 인한 가열을 경험했을 것이며, 이는 공룡 멸종을 초래한 소행성 충돌보다 훨씬 더 거대한 규모였을 것이다. 이 가열은 행성 분화를 촉발하여 행성을 더욱 가열할 수 있다. 천체가 클수록 열을 더 느리게 잃는다. 예를 들어 지구와 같은 큰 천체에서는 이 원시 열이 여전히 천체 내부 열의 많은 부분을 차지하지만, 지구보다 작은 달은 이 열의 대부분을 잃었다.
또 다른 열원은 방사성 붕괴로 인한 방사능 열이다. 알루미늄-26의 붕괴는 행성 배아를 상당히 가열했을 것이지만, 짧은 반감기 (백만 년 미만)로 인해 그 흔적은 오래전에 사라졌다. 일반적인 광물에는 불안정한 동위 원소의 미량 흔적이 있으며, 모든 지구형 행성과 달은 이러한 가열을 일부 경험한다. 외태양계의 얼음 천체들은 밀도가 그리 높지 않고 규산염 물질이 많지 않기 때문에 (방사성 원소는 규산염에 농축된다) 이러한 열을 훨씬 적게 경험한다.
해왕성의 위성 트리톤과 아마도 화성에서는 극저온 간헐천 활동이 일어난다. 열원은 내부가 아닌 외부(태양열)에서 온다.
화산 작용 원인
감압 용융은 천체 깊은 곳에 있는 고체 물질이 위로 상승할 때 발생한다. 물질이 위로 상승하면 압력이 감소하고, 따라서 녹는점도 감소한다. 따라서 주어진 압력과 온도에서 고체인 암석은 온도가 일정하게 유지되더라도 압력, 즉 녹는점이 감소하면 액체가 될 수 있다. 그러나 물의 경우, 압력이 증가하면 0.208 GPa의 압력에 도달할 때까지 녹는점이 감소하며, 그 이후에는 압력과 함께 녹는점이 증가한다.
플럭스 용융은 물이나 이산화탄소와 같은 휘발성 물질을 첨가하여 녹는점이 낮아질 때 발생한다. 감압 용융과 마찬가지로 온도 증가가 아닌 녹는점 감소로 인해 발생한다.
화산 작용 원인
극저온 화산 활동은 균일한 지하 해양에서 발생하는 대신, 개별적인 액체 저장소에서 발생할 수 있다. 이러한 저장소가 형성되는 첫 번째 방법은 따뜻한 얼음 기둥이 솟아올랐다가 다시 가라앉아 대류를 형성하는 것이다. 유로파에 대한 이러한 영향을 조사하기 위해 개발된 모델은 조석 가열 에너지가 이 기둥에 집중되어 기둥이 옆으로 퍼질 때 얕은 깊이에서 용융이 발생할 수 있음을 발견했다. 다음은 액체로 채워진 균열의 수직 전파에서 수평 전파로의 전환이다. 또 다른 메커니즘은 얼음 표면에서 침투하는 얼음 껍질의 균열의 측면 움직임을 통한 응력 해제로 인한 얼음 가열, 심지어 큰 충돌로 인한 가열도 이러한 저장소를 생성할 수 있다.
화산 작용 원인
행성체의 물질이 녹기 시작하면, 용융은 특정 고에너지 위치, 예를 들어 결정립계 교차점 및 다른 결정이 반응하여 공융액을 형성하는 곳에서 작은 주머니 형태로 처음 발생하며, 이들은 처음에는 암석 내에 갇혀 서로 분리된 상태로 남아있다. 용융된 물질의 접촉각이 용융물이 결정면을 젖음시키고 결정립계를 따라 흐를 수 있도록 허용하면, 용융된 물질은 더 많은 양으로 축적된다. 반면에 접촉각이 약 60도보다 크면, 모암에서 분리되기 전에 훨씬 더 많은 용융물이 형성되어야 한다. 지구의 암석 연구에 따르면, 뜨거운 암석 내의 용융물은 퍼컬레이션 모델과는 대조적으로, 미정 크기보다 훨씬 큰 주머니와 혈맥으로 빠르게 모인다. 용융물은 원암에서 균일하게 흘러나오는 대신, 작은 흐름을 통해 흘러나와 더 큰 혈맥을 형성한다. 부력의 영향으로 용융물은 상승한다. 다이어피르는 비규산염 천체에서도 형성될 수 있으며, 따뜻한 물질을 표면으로 이동시키는 데 비슷한 역할을 한다.
화산 작용 원인
암맥은 수직으로 유체로 채워진 균열이며, 역학적인 관점에서 보면 물로 채워진 틈새가 뒤집힌 형태이다. 마그마가 수직 균열로 상승하면, 주변 암석보다 마그마의 밀도가 낮기 때문에 압력이 주변의 밀도가 높은 암석에서보다 덜 급격하게 떨어진다. 마그마와 주변 암석의 평균 압력이 같으면, 암맥 상단에서는 암맥의 압력이 주변 암석보다 높고, 암맥 하단에서는 암석의 압력이 암맥보다 높다. 따라서 마그마는 균열 상단을 위로 밀어 올리지만, 균열 하단은 탄성 반응으로 인해 닫히게 된다 (용수철이 있는 소파에 사람이 앉을 때 옆으로 튀어나오는 것과 유사하다). 결국 꼬리 부분이 너무 좁아져 거의 끊어지고, 더 이상 새로운 마그마가 균열로 상승하지 않게 된다. 균열은 독립적인 마그마 덩어리로 계속 상승한다.
이 화산 분출 모델은 마그마가 암석권 내의 단단한 개방형 통로를 통해 상승하여 정역학적 평형 수준에 정착한다고 가정한다. 이 모델은 (새로운 모델이 설명할 수 없는) 서로 가까운 화산의 고도 일치와 같은 관측을 잘 설명하지만, 이로부터 유도된 암석권 두께가 단단한 개방형 통로라는 가정을 유지하기에는 너무 커서 정확할 수 없으며 현재는 신뢰도가 낮다.
화산 작용 원인
용융물이 얕은 지각에 도달할 때까지 자체 부력으로 상승할 수 있는 규산염 화산 활동과는 달리, 극저온 화산 활동에서는 물 (극저온 마그마는 일반적으로 물 기반이다)이 그 위의 얼음보다 밀도가 높다. 극저온 마그마가 표면에 도달할 수 있도록 하는 한 가지 방법은 물의 밀도를 낮춰 부력을 부여하는 것이다. 이는 음의 부력을 역전시키는 다른 화합물의 존재를 통해서나, 이전에 극저온 마그마에 용해되어 있던 가스 기포 (극저온 마그마의 밀도를 낮추는)를 추가함으로써, 또는 얼음 껍질에 밀도를 높이는 물질의 존재를 통해 가능하다. 다른 방법은 유체를 가압하여 음의 부력을 극복하고 표면에 도달하도록 하는 것이다. 지하 해양 위의 얼음 껍질이 두꺼워지면 전체 해양을 가압할 수 있다 (극저온 화산 활동에서 얼어붙은 물이나 염수는 액체 형태보다 밀도가 낮다). 액체 저장소가 부분적으로 얼면, 남아있는 액체는 같은 방식으로 가압된다.
얼음 껍질의 균열이 위로 전파되려면, 그 안에 있는 유체가 양의 부력을 가져야 하거나 외부 응력이 얼음을 뚫고 나갈 만큼 충분히 강해야 한다. 외부 응력에는 위에서 설명한 대로 조석이나 동결로 인한 과압력이 포함될 수 있다.
극저온 화산 용융물의 상승에 대한 또 다른 가능한 메커니즘이 있다. 물이 있는 균열이 해양이나 지하 유체 저장소에 도달하면, 물은 정역학적 평형 수준, 즉 표면까지의 약 90% 지점까지 상승할 것이다. 얼음 껍질에 압축과 인장을 유발하는 조석은 물을 더 위로 펌프질할 수 있다.
1988년 한 논문은 목성의 달인 유로파의 지하 해양에서 위로 전파되는 균열의 가능성을 제안했다. 이 논문은 위로 전파되는 균열이 그 끝에 낮은 압력 영역을 가질 것이며, 이는 물에 용해된 휘발성 물질이 가스로 용출되도록 할 것이라고 제안했다. 얼음 껍질의 탄성적 특성은 균열이 표면에 도달하는 것을 막을 가능성이 높으며, 균열은 대신 닫히면서 가스와 액체를 가둘 것이다. 가스는 부력을 증가시켜 균열이 표면에 도달하도록 할 수 있다.
충돌조차도 마그마의 상승을 촉진하는 조건을 만들 수 있다. 충돌은 지각의 상부 몇 킬로미터를 제거할 수 있으며, 분지와 주변 지형 높이의 차이로 인한 압력 차이는 그렇지 않았다면 표면 아래에 머물렀을 마그마의 분출을 허용할 수 있다. 2011년 한 논문은 충돌 분지의 가장자리에서 마그마 상승이 강화되는 지역이 있을 것이라고 보여주었다.
이러한 메커니즘 중 전부는 아니며, 어쩌면 하나도 특정 천체에서 작동하지 않을 수도 있다.
화산 작용 유형
규산염 화산 활동은 규산염 물질이 분출되는 곳에서 발생한다. 지구에서 발견되는 것과 같은 규산염 용암류는 약 1000도 셀시우스에서 응고된다.
압력을 받는 유체와 가스가 표면으로 분출하여 진흙을 함께 가져올 때 이화산이 형성된다. 이 압력은 유체 위에 놓인 퇴적물의 무게가 유체를 아래로 눌러 탈출을 막거나, 퇴적물에 갇힌 유체가 더 깊은 퇴적물에서 다른 퇴적물로 이동하거나, 퇴적물 내의 화학 반응으로 인해 발생할 수 있다. 이들은 종종 조용히 분출하지만, 때로는 메테인과 같은 인화성 가스를 분출하기도 한다.
극저온 화산 활동은 휘발성 물질이 어는점 이하의 환경으로 분출하는 것이다. 그 배경에 있는 과정은 규산염 화산 활동과는 다른데, 극저온 마그마(대개 물 기반)가 일반적으로 주변보다 밀도가 높아서 자체 부력으로 상승할 수 없기 때문이다.
황 용암은 규산염 용암과는 다른 행동을 보인다. 첫째, 황은 약 120도 셀시우스의 낮은 녹는점을 가지고 있다. 또한, 약 175도 셀시우스까지 냉각된 후에는 지구에서 발견되는 것과 같은 규산염 용암과는 달리 점성도를 급격히 잃는다.
화산 작용 용암 유형
마그마가 행성 표면으로 분출하면 용암이라고 불린다. 점성도가 높은 용암은 짧고 뭉툭하며 유리질이 풍부한 흐름을 형성한다. 이들은 일반적으로 물결 모양의 응고된 표면 질감을 가진다.
더 유동적인 용암은 화산학자들이 네 가지 유형으로 분류하는 응고된 표면 질감을 가진다. 베개 용암은 종종 용암이 물과 접촉할 때와 같은 자극으로 인해 용암류가 급격히 냉각될 때 형성된다. 이로 인해 용암 표면이 깨지고, 마그마는 종종 흐름의 전면에 쌓여 베개라고 불리는 구조를 형성하는 자루로 모인다. 아아 용암은 클링커라고 불리는 용암 파편으로 만들어진 거칠고 가시가 있는 표면을 가지고 있다. 블록 용암은 또 다른 유형의 용암으로, 아아 용암보다 덜 들쭉날쭉한 파편을 가진다. 파호이호이 용암은 지구와 아마도 다른 지구형 행성 모두에서 가장 흔한 용암 유형이다. 이 용암은 둔덕, 움푹 들어간 곳, 주름이 있는 부드러운 표면을 가진다.
화산 작용 온화/폭발적 활동
화산 분화는 단순히 물질이 행성 표면으로 쏟아져 나오는 것일 수도 있지만, 일반적으로 고체, 액체, 기체의 복잡한 혼합물이 복잡하게 행동하는 것을 포함한다. 일부 폭발성 분출 유형은 같은 질량의 TNT의 4분의 1에 해당하는 에너지를 방출할 수 있다.
지구의 화산 분출은 가스가 풍부한 물질에서 가스가 고갈된 물질로 진행되는 것으로 일관되게 관찰되었지만, 분출은 가스가 풍부한 물질에서 가스가 고갈된 물질로, 또는 그 반대로 여러 번 번갈아 나타날 수 있다. 이는 암맥이 표면을 뚫을 때 방출되는 가스에 의해 암맥 상단의 마그마가 농축된 후, 아래쪽에서 가스가 농축되지 않은 마그마가 뒤따르기 때문으로 설명할 수 있다.
마그마에 용해된 가스가 마그마가 표면에 가까워질 때 분리되는 이유는 온도와 압력이 가스 용해도에 미치는 영향 때문이다. 압력은 가스 용해도를 증가시키고, 용해된 가스가 있는 액체가 감압되면 가스는 액체에서 용출(분리)되는 경향이 있다. 이에 대한 예는 탄산음료 병을 빨리 열 때 일어나는 현상이다. 밀봉이 열리면 압력이 감소하고 이산화탄소 가스 기포가 액체 전체에 나타난다.
화산 작용 온화/폭발적 활동
유동성 마그마는 조용히 분출한다. 마그마에서 용출된 가스는 표면에 도달하기 전에도 쉽게 빠져나온다. 그러나 점성 마그마에서는 가스가 용출된 후에도 마그마 내에 갇혀 마그마 내부에 기포를 형성한다. 이 기포는 압력 감소로 인해 마그마가 표면에 가까워지면서 커지고, 마그마는 상당히 부풀어 오른다. 이 사실은 이러한 물질을 분출하는 화산이 '폭발'하는 경향을 부여하지만, 폭발과 관련된 압력 증가 대신 화산 분출에서는 압력이 항상 감소한다.
일반적으로 폭발성 극저온 화산 활동은 이전에 극저온 마그마에 용해되어 있던 휘발성 물질의 용출에 의해 유발되며, 이는 아래에 주로 다루는 지구에서 관찰되는 폭발성 규산염 화산 활동과 유사하다.
화산 작용 온화/폭발적 활동
규산이 풍부한 마그마는 분출하기 전에 표면 아래에서 냉각된다. 이 과정에서 기포가 마그마에서 용출된다. 마그마가 표면에 가까워지면서 기포의 부피, 따라서 마그마의 부피가 증가한다. 결과적으로 발생하는 압력은 결국 표면을 뚫고 나오며, 압력 방출은 더 많은 가스를 폭발적으로 용출시킨다. 가스는 초당 수백 미터의 속도로 팽창하여 위로 그리고 바깥으로 퍼져나갈 수 있다. 분출이 진행됨에 따라 연쇄 반응이 발생하여 마그마가 점점 더 빠른 속도로 분출된다.
화산 작용 온화/폭발적 활동
격렬하게 팽창하는 기체는 마그마를 분산시키고 파열시켜 가스와 마그마의 교질인 화산재를 형성한다. 가스가 팽창하면서 재에서 냉각되면 마그마 파편이 냉각되어 종종 이전 액체 기포의 벽 부분으로 인식할 수 있는 작은 유리 조각을 형성한다. 더 유동적인 마그마에서는 기포 벽이 구형 액체 방울로 재형성될 시간을 가질 수 있다. 교질의 최종 상태는 액체 대 기체의 비율에 크게 의존한다. 가스가 적은 마그마는 작은 공동이 있는 암석으로 냉각되어 기포질 용암이 된다. 가스가 풍부한 마그마는 평균 밀도가 물보다 낮고 거의 맞닿아 있는 공동이 있는 암석으로 냉각되어 경석을 형성한다. 한편, 다른 물질은 가스와 함께 가속되어 화산탄이 될 수 있다. 이들은 엄청난 에너지를 가지고 이동하여 큰 것은 지면에 부딪혔을 때 충돌구를 만들 수 있다.
화산 작용 온화/폭발적 활동
화산 가스와 마그마의 콜로이드는 화산쇄설류라고 불리는 밀도류를 형성할 수 있다. 이는 분출된 물질이 표면으로 다시 떨어질 때 발생한다. 콜로이드는 가스에 의해 어느 정도 유동화되어 퍼질 수 있다. 화산쇄설류는 종종 장애물을 넘을 수 있으며, 인명에 막대한 피해를 입힌다. 화산쇄설류는 지구의 폭발성 화산에서 흔히 볼 수 있는 특징이다. 금성에서도 화산쇄설류가 발견되었는데, 예를 들어 디오네 레지오 화산에서 그러하다.
압력을 받는 뜨거운 물이 감압될 때 수증기 분화가 발생할 수 있다. 감압은 물의 끓는점을 낮추므로, 감압되면 물이 갑자기 끓는다. 또는 지하수가 갑자기 가열되어 증기로 급변할 때 발생할 수도 있다.
수증기 분화에서 물이 증기로 변하면 음속으로 팽창하며, 원래 부피의 1,700배까지 팽창할 수 있다. 이는 단단한 암석을 부수고 암석 파편을 수백 미터까지 던질 수 있을 만큼 충분하다.
수성 마그마 분출은 뜨거운 마그마가 물과 접촉하여 폭발을 일으킬 때 발생한다.
폭발성 극저온 화산 활동의 한 메커니즘은 극저온 마그마가 클라스레이트 수화물과 접촉하는 것이다. 클라스레이트 수화물은 따뜻한 온도에 노출되면 쉽게 분해된다. 1982년 한 논문은 따뜻한 상승 마그마와 접촉하는 클라스레이트 수화물의 불안정화 시 압력을 받는 가스 생성물이 표면을 뚫고 폭발을 일으켜 폭발성 극저온 화산 활동을 유발할 가능성을 지적했다.
얼음 천체의 균열이 표면에 도달하고 상승하는 물 기둥이 대부분의 얼음 천체 표면의 거의 진공 상태에 노출되면, 수증기압이 주변 압력보다 훨씬 높기 때문에 즉시 끓기 시작할 것이다. 뿐만 아니라 물에 용해된 휘발성 물질도 용출될 것이다. 이러한 과정의 조합은 액체 방울과 증기를 방출하여 균열을 따라 상승하여 기둥을 생성할 수 있다. 이는 엔셀라두스의 얼음 기둥의 부분적인 원인으로 생각된다.
화산 작용 발생
지구에서는 지각판이 발산 경계하거나 수렴 경계하는 곳에서 화산이 가장 자주 발견되며, 지구의 판 경계 대부분이 수중이기 때문에 대부분의 화산은 수중에 있다. 예를 들어, 대서양 중앙 해령과 같은 해령은 발산하는 지각판으로 인해 화산이 발생하는 반면, 환태평양 조산대는 수렴하는 지각판으로 인해 화산이 발생한다. 화산은 또한 동아프리카 지구대와 북미의 웰스 그레이-클리어워터 화산지대 및 리오 그란데 지구대와 같이 지각판이 늘어나고 얇아지는 곳에서도 형성될 수 있다. 판 경계에서 벗어난 화산 활동은 지구 깊숙한 곳인 3000킬로미터(1900마일) 깊이의 핵-맨틀 경계에서 상승하는 다이어피르에서 비롯된다고 가정되었다. 이는 열점 화산 활동으로 이어지며, 하와이 열점이 그 예시이다. 화산은 일반적으로 두 지각판이 서로 미끄러지는 곳에서는 생성되지 않는다. 1912-1952년 북반구에서는 이 기간 동안 대규모 분출이 없어 겨울이 더 따뜻했다는 연구 결과가 있다. 이러한 연구는 이러한 분출이 지구 대기 내에 변화를 일으킬 수 있음을 보여준다.
화산 작용 발생
대규모 분출은 화산재와 황산 방울이 태양을 가려 지구의 대류권을 냉각시키면서 대기 온도에 영향을 미칠 수 있다. 역사적으로 대규모 화산 분출 후에는 재앙적인 기근을 초래한 화산 겨울이 뒤따랐다.
지구의 달에는 큰 화산이 없고 현재 화산 활동도 없지만, 최근 증거에 따르면 여전히 부분적으로 녹은 핵을 가지고 있을 수도 있다. 그러나 달에는 달의 바다 (달에서 보이는 더 어두운 부분), 달의 계곡 및 달 돔과 같은 많은 화산 지형이 있다.
화산 작용 발생
행성 금성의 표면은 90%가 현무암으로 이루어져 있어 화산 활동이 표면을 형성하는 데 중요한 역할을 했음을 나타낸다. 행성은 약 5억 년 전 대규모 전지구적 재포장 사건을 겪었을 수 있으며, 이는 과학자들이 표면의 충돌 분화구 밀도를 통해 알 수 있다. 용암류는 널리 퍼져 있으며 지구에는 없는 화산 활동 형태도 발생한다. 행성 대기의 변화와 번개 관측은 현재 진행 중인 화산 분출에 기인하지만, 금성이 여전히 화산 활동을 하는지는 확인되지 않았다. 그러나 마젤란 탐사선의 레이더 탐사 결과, 금성에서 가장 높은 화산인 마트 몬스 정상과 북쪽 측면 근처에서 화산재류 형태의 비교적 최근 화산 활동의 증거가 발견되었다. 그러나 이 흐름을 화산재류로 해석하는 것에 대해서는 의문이 제기되었다.
화성에는 여러 개의 사화산이 있으며, 그 중 4개는 지구의 어떤 화산보다 훨씬 큰 거대한 순상 화산이다. 여기에는 아르시아 몬스, 아스크라에우스 몬스, 헤카테스 톨루스, 올림푸스산, 그리고 파보니움 몬스가 포함된다. 이 화산들은 수백만 년 동안 활동을 멈췄지만, 유럽 마스 익스프레스 우주선은 화성에서 최근에도 화산 활동이 일어났을 수 있다는 증거를 발견했다.
화산 작용 발생
목성의 위성 이오는 목성과의 조석 상호작용 때문에 태양계에서 가장 화산 활동이 활발한 천체이다. 이오는 황, 이산화 황, 그리고 규산염 암석을 분출하는 화산으로 덮여 있으며, 그 결과 이오의 표면은 끊임없이 재형성되고 있다. 태양계에서 활발한 활동으로 인해 화산을 쉽게 볼 수 있는 천체는 지구와 이오뿐이다. 이오의 용암은 태양계에서 가장 뜨거운 것으로 알려져 있으며, 온도가 1,800K(1,500°C)를 초과한다. 2001년 2월, 태양계에서 기록된 가장 큰 화산 분출이 이오에서 발생했다.
유로파, 목성의 갈릴레이 위성 중 가장 작은 위성도 활발한 화산 시스템을 가지고 있는 것으로 보이지만, 그 화산 활동은 전적으로 물의 형태이며, 이 물은 극심하게 추운 표면에서 얼음으로 언다. 이 과정은 극저온 화산 활동으로 알려져 있으며, 태양계의 외행성 위성에서 가장 흔히 나타나는 것으로 보인다.
1989년 보이저 2호 우주선은 해왕성의 달인 트리톤에서 얼음화산을 관측했고, 2005년 카시니-하위헌스 탐사선은 토성의 달인 엔셀라두스에서 분출하는 얼어붙은 입자 분수 사진을 찍었다. 분출물은 물, 액체 질소, 암모니아, 먼지 또는 메테인 화합물로 구성될 수 있다. 카시니-하위헌스 탐사선은 또한 토성의 위성 타이탄에서 메테인을 뿜어내는 극저온 화산의 증거를 발견했으며, 이는 타이탄 대기에서 발견되는 메테인의 중요한 원천으로 여겨진다. 극저온 화산 활동이 카이퍼 벨트 천체 콰오아에서도 존재할 수 있다는 이론이 제기되었다.
2009년에 경유법으로 감지된 외계 행성 COROT-7b에 대한 2010년 연구는 행성과 매우 가까운 모항성 및 이웃 행성으로부터의 조석 가열이 이오에서 발견되는 것과 유사한 강렬한 화산 활동을 생성할 수 있음을 시사했다.
미생물 매트
미생물 매트(Microbial mat)는 주로 세균 및 고세균으로 구성된 미생물 군체의 다층 시트 또는 미생물막이다. 미생물 매트는 다양한 유형의 물질 사이의 계면에서 주로 물에 잠기거나 습한 표면에서 자라지만, 일부는 사막에서도 생존한다. 일부는 동물의 내부 공생체로 발견된다.
미생물 매트는 최대 몇 센티미터 두께에 불과하지만, 광범위한 내부 화학 환경을 조성하므로 일반적으로 해당 수준에서 지배적인 화학 물질을 먹거나 적어도 견딜 수 있는 미생물 층으로 구성되어 있으며, 이들은 보통 밀접하게 관련된 종들이다. 습한 환경에서는 매트가 일반적으로 미생물이 분비하는 끈적한 물질에 의해 함께 유지된다. 많은 경우 일부 세균은 얽힌 필라멘트 망을 형성하여 매트를 더 질기게 만든다. 가장 잘 알려진 물리적 형태는 평평한 매트와 스트로마톨라이트라고 불리는 짧은 기둥이지만, 구형 형태도 있다.
미생물 매트
미생물 매트는 3,500,000,000년 전부터 시작되는 좋은 화석 증거가 있는 지구상의 가장 초기의 생명체 형태이며, 지구 생태계의 가장 중요한 구성원이자 유지자였다. 원래 그들은 에너지와 화학적 "먹이"를 위해 열수분출공에 의존했지만, 광합성의 발달로 매트는 더욱 널리 이용 가능한 에너지원인 햇빛을 활용하여 이러한 환경 밖으로 증식할 수 있게 되었다. 이러한 해방의 마지막이자 가장 중요한 단계는 산소 생성 광합성의 발달이었다. 그 이유는 이것의 주요 화학 입력물이 이산화 탄소와 물이기 때문이다.
결과적으로, 미생물 매트는 오늘날 우리가 아는 대기를 생산하기 시작했으며, 이 대기에서 자유 산소는 필수적인 구성 요소이다. 거의 같은 시기에 그들은 모든 다세포 생물을 구성하는 더 복잡한 진핵생물 유형의 세포의 탄생지였을 수도 있다. 미생물 매트는 캄브리아기 기질 혁명 전까지 얕은 해저에 풍부하게 존재했으며, 이때 얕은 바다에 사는 동물들이 굴착 능력을 증가시켜 매트 표면을 부수고 산소가 공급된 물이 더 깊은 층으로 침투하여 그곳에 살던 산소 불내성 미생물들을 죽였다. 이 혁명으로 인해 매트가 얕은 바다의 부드러운 바닥에서 사라졌지만, 암석 해저와 해안, 초염분 및 기수 석호 등 굴착이 제한되거나 불가능한 많은 환경에서 여전히 번성하고 있다. 그들은 또한 심해 해저에서도 발견된다.
미생물 매트가 거의 모든 것을 "먹이"로 사용할 수 있는 능력 때문에, 특히 수처리 및 오염 정화를 위한 매트의 산업적 사용에 상당한 관심이 있다.
미생물 매트 묘사
미생물 매트는 조류 매트 및 세균 매트라고도 불릴 수 있다. 이는 육안으로 볼 수 있을 만큼 크고 적당한 물리적 스트레스를 견딜 수 있을 만큼 견고한 미생물막의 한 유형이다. 이러한 세균 군체는 다양한 유형의 계면 표면에서 형성된다. 예를 들어, 물과 바닥의 퇴적물 또는 암석 사이, 공기와 암석 또는 퇴적물 사이, 토양과 기반암 사이 등이다. 이러한 계면은 수직적 화학적 기울기, 즉 화학 조성의 수직적 변화를 형성하여 다양한 수준이 다양한 유형의 세균에 적합하게 만들고, 따라서 미생물 매트를 층으로 나눈다. 이 층들은 날카롭게 구분될 수도 있고 점진적으로 서로 섞일 수도 있다. 다양한 미생물은 "나노와이어"를 사용하여 대사 반응에서 전자를 퇴적물 깊이 최대 2센티미터까지 이동시켜 확산의 한계를 넘어설 수 있다. 예를 들어, 퇴적물 깊은 곳의 황화수소 관련 반응에서 전자를 물속의 산소로 전달할 수 있으며, 산소는 전자 수용체 역할을 한다.
미생물 매트 묘사
가장 잘 알려진 미생물 매트 유형은 대략 수평인 표면에 형성되는 평평한 층상 매트와, 미생물이 물에 의해 퇴적된 퇴적물에 덮이는 것을 피하기 위해 천천히 위로 이동하면서 만들어지는 짧은 기둥인 스트로마톨라이트이다. 그러나 암석이나 다른 단단한 물질의 펠릿 외부에 형성되거나 퇴적물 구체 내부에 형성되는 구형 매트도 있다.
미생물 매트 묘사
미생물 매트는 여러 층으로 구성되어 있으며, 각 층은 주로 세균과 같은 특정 유형의 미생물에 의해 지배된다. 개별 매트의 구성은 환경에 따라 다르지만, 일반적으로 각 미생물 그룹의 부산물은 다른 그룹의 "먹이" 역할을 한다. 사실상 각 매트는 고유한 먹이 사슬을 형성하며, 한두 그룹이 최상위 먹이 사슬에 위치한다. 이는 그들의 부산물이 다른 그룹에 의해 소비되지 않기 때문이다. 다양한 유형의 미생물은 해당 층에서 살기 위한 비교 우위에 따라 다른 층을 지배한다. 즉, 그들은 절대적으로 가장 편안한 위치가 아니라 다른 그룹보다 우위를 점할 수 있는 위치에 산다. 다양한 그룹 간의 생태학적 관계는 경쟁과 협력의 조합이다. 세균의 대사 능력(무엇을 "먹을" 수 있고 어떤 조건을 견딜 수 있는지)은 일반적으로 계통 발생에 따라 달라지기 때문에(즉, 가장 밀접하게 관련된 그룹이 가장 유사한 대사를 가짐), 매트의 다른 층은 공동체에 대한 다양한 대사 기여와 계통 발생적 관계에 따라 나뉜다.
미생물 매트 묘사
햇빛이 주요 에너지원인 습한 환경에서, 가장 위쪽 층은 일반적으로 호기성 광합성을 하는 남세균(엽록소를 가지고 있어 파란색-녹색을 띠는 세균)이 지배하는 반면, 가장 아래쪽 층은 일반적으로 혐기성 황산염 환원 세균이 지배한다. 때로는 통성 혐기성 세균이 서식하는 중간 층(낮에만 산소가 공급됨)이 있다. 예를 들어, 멕시코 게레로 네그로 근처의 초염분 연못에서는 다양한 종류의 매트가 조사되었다. 광합성하는 보라색 세균이 서식하는 중간 보라색 층이 있는 매트도 있다. 다른 매트에는 화학영양 황산화세균이 서식하는 흰색 층이 있고, 그 아래에는 광합성 녹색황세균과 종속영양생물 세균이 서식하는 올리브색 층이 있다. 그러나 이러한 층 구조는 하루 동안 변하지 않는 것이 아니다. 일부 남세균 종은 한낮의 강한 햇빛과 자외선 복사를 피하기 위해 아침에는 더 깊은 층으로 이동하고, 저녁에는 다시 돌아온다.
미생물 매트는 일반적으로 자신이 분비하는 끈적한 세포 외 고분자 물질에 의해 서로 결합되고 기질에 부착된다. 많은 경우 일부 세균은 필라멘트(실)를 형성하여 얽히고설켜 군체의 구조적 강도를 높인다. 특히 필라멘트가 외피(단단한 외부 덮개)를 가지고 있다면 더욱 그렇다.
미생물 매트 묘사
점액과 얽힌 실의 이러한 조합은 매트 공동체의 일부가 되는 다른 미생물들을 끌어들인다. 예를 들어, 일부는 매트를 형성하는 세균을 먹이로 삼는 원생동물과 종종 얇은 양피지 같은 덮개로 잠긴 미생물 매트의 표면을 봉인하는 돌말류가 있다.
해양 매트는 두께가 몇 센티미터까지 자랄 수 있으며, 이 중 상위 몇 밀리미터만 산소화된다.
수중 미생물 매트는 국부적인 화학적 기울기(즉, 화학적 조성의 변화)를 활용하고 어느 정도 변형시키면서 살아가는 층으로 묘사되어 왔다. 더 얇고 덜 복잡한 미생물막은 많은 육상 환경, 예를 들어 암석, 모래와 같은 광물 입자, 토양 내부에 서식한다. 그들은 액체 물 없이 장기간 생존해야 하며, 종종 휴면 상태에 있다. 시페위세트 염습지에서 발견되는 것과 같이 조간대에 서식하는 미생물 매트는 물 없이 몇 시간 동안 생존할 수 있는 많은 비율의 유사한 미생물을 포함하는 경우가 많다.
미생물 매트와 덜 복잡한 유형의 미생물막은 –40°C에서 +120°C까지의 온도 범위에서 발견되는데, 이는 압력 변화가 물이 액체 상태로 유지되는 온도에 영향을 미치기 때문이다.
그들은 심지어 일부 동물, 예를 들어 일부 극피동물의 뒷창자에서 내부 공생체로 나타나기도 한다.
미생물 매트는 지구상에서 진화한 모든 유형의 대사와 먹이 섭취 전략을 사용한다. 즉, 무산소 및 산소성 광합성; 혐기성 및 호기성 [[화학영양생물|화학영양](햇빛 대신 화학 물질을 에너지원으로 사용); 유기 및 무기 호흡 및 발효(즉, 산소를 사용하거나 사용하지 않고 음식을 에너지로 전환); 독립영양(무기 화합물에서 음식을 생산) 및 종속영양(포식과 부식성의 일부 조합으로 유기 화합물에서만 음식을 생산)이다.
대부분의 퇴적암과 광물 침전물은 물에서 "떨어져" 나온 것이 아니라 암초와 같은 축적을 통해 성장했으며, 이러한 축적은 미생물의 활동에 최소한 영향을 받았거나 아마도 때로는 유발되었을 것이다. 스트로마톨라이트, 바이오헤름(내부적으로 스트로마톨라이트와 유사한 돔 또는 기둥), 생체층(뚜렷한 퇴적물 층)은 이러한 미생물에 영향을 받은 축적물 중 일부이다. 다른 유형의 미생물 매트는 해양 퇴적물에 주름진 "코끼리 피부" 질감을 생성했지만, 이러한 질감이 매트의 생흔화석으로 인식되기까지는 오랜 세월이 걸렸다. 미생물 매트는 많은 광물 침전물에서 금속 농도를 증가시켰으며, 이것이 없었다면 광물을 채굴하는 것이 불가능했을 것이다. 예를 들어 철(황화물 및 산화물 광석), 우라늄, 구리, 은, 금 침전물이 포함된다.
미생물 매트 생명의 역사에서의 역할
미생물 매트는 생명의 가장 오래된 명확한 징후 중 하나이며, 3,480,000,000년 전에 형성된 미생물 유도 퇴적 구조가 서호주에서 발견되었다. 그 초기 단계에서 매트의 구조는 광합성 세균을 포함하지 않는 현대 매트의 구조와 이미 유사했을 수 있다. 4,000,000,000년 전만큼 일찍 비광합성 매트가 존재했을 가능성도 있다. 만약 그렇다면, 그들의 에너지원은 열수분출공(수중 화산 주변의 고압 온천)이었을 것이고, 세균과 고세균 사이의 진화적 분화도 이 무렵에 일어났을 수 있다.
초기 매트는 에너지와 화학적 "먹이"를 모두 공급하기 위해 열수분출공에 의존했던 작은 단일 종의 화학영양체 미생물막이었을 수 있다. 짧은 시간 내에(지질학적 기준으로는) 죽은 미생물의 축적은 청소성 종속영양생물을 위한 생태적 지위를 만들었을 것이고, 아마도 메탄 방출 및 황산염 환원 세균이 매트의 새로운 층을 형성하고 생물학적으로 유용한 화학 물질 공급을 풍부하게 했을 것이다.
미생물 매트 생명의 역사에서의 역할
일반적으로 빛으로부터 화학 에너지를 생물학적으로 생성하는 광합성은 3,000,000,000년 전(30억) 직후에 진화했다고 생각된다. 그러나 동위 원소 분석은 산소성 광합성이 3,500,000,000년 전만큼 일찍 널리 퍼졌을 수 있음을 시사한다. 광합성 반응에는 여러 가지 유형이 있으며, 세균 DNA 분석은 광합성이 처음에는 무산소성 자색세균에서 발생했으며, 남세균에서 훨씬 나중에 식물에서 나타난 산소성 광합성이 가장 마지막에 진화했음을 나타낸다.
초기의 광합성은 적외선 빛에 의해 구동되었을 수 있으며, 원래는 열수분출공에서 나오는 적외선 열 방출을 감지하는 기능이 있었던 색소의 변형된 버전을 사용했을 수 있다. 광합성 에너지 생성의 발달은 미생물들이 먼저 열수분출공 주변의 더 넓은 지역을 식민지화한 다음 햇빛을 에너지원으로 사용할 수 있게 했다. 열수분출공의 역할은 이제 특정 지역의 생명을 주로 지탱하는 것이 아니라 전체 해양으로 환원된 금속을 공급하는 것으로 제한되었다. 종속영양 청소부들은 "열수분출공 게토"에서 벗어나는 광합성체들을 동반했을 것이다.
미생물 매트 생명의 역사에서의 역할
산소를 생성하거나 사용하지 않지만 산소를 견딜 수 있는 자색세균의 진화는 매트가 국부적으로 비교적 높은 농도의 산소를 가진 지역을 식민지화할 수 있게 했다. 산소는 적응하지 못한 유기체에게는 독성이다. 미생물 매트는 산화층과 환원층으로 나뉘어졌을 수 있다.
미생물 매트 진화의 마지막 주요 단계는 남세균의 출현이었다. 남세균은 산소를 생산하고 사용하는 광합성생물이다. 이로 인해 해저 매트는 전형적인 현대적 구조를 갖게 되었다. 즉, 산소가 풍부한 남세균 최상층; 산소를 견딜 수 있는 광합성 자색 세균층; 그리고 주로 메탄 방출 및 황산염 환원 유기체인 종속영양 청소부들의 산소 없는 H2S 지배적인 하층부이다.
미생물 매트 생명의 역사에서의 역할
산소성 광합성의 출현은 생물학적 생산성을 100배에서 1,000배까지 증가시킨 것으로 추정된다. 모든 광합성 반응은 환원제를 필요로 하지만, 산소성 광합성의 중요성은 물을 환원제로 사용한다는 점이다. 물은 이전에 광합성이 의존했던 지질학적으로 생산된 환원제보다 훨씬 풍부하다. 미생물 매트의 최상층에 있는 광합성 세균 개체수의 결과적인 증가는 하층에 서식하며 각각 광합성생물의 부산물과 다른 매트 유기체의 사체 및 살아있는 몸체를 먹이로 삼는 화학영양 및 종속영양 미생물 개체수의 상응하는 증가를 유발했을 것이다. 이러한 증가는 미생물 매트를 지구의 지배적인 생태계로 만들었을 것이다. 이때부터 생명체 자체는 지구화학적 과정보다 필요한 자원을 훨씬 더 많이 생산했을 것이다.
미생물 매트 생명의 역사에서의 역할
미생물 매트의 산소성 광합성은 또한 산소를 직접 방출하고, 매트가 분자 수소(H2)를 방출했는데, 이 중 일부는 자유 산소와 다시 결합하여 더 많은 물을 형성하기 전에 지구 대기에서 벗어났기 때문에 지구 대기의 자유 산소 함량을 증가시켰을 것이다. 따라서 미생물 매트는 자유 산소를 처음에는 견디고 나중에는 에너지원으로 사용할 수 있는 유기체의 진화에 중요한 역할을 했을 가능성이 높다. 산소는 산소에 적응하지 못한 유기체에게는 독성이지만, 산소에 적응한 유기체의 대사 효율을 크게 증가시킨다. — 예를 들어 혐기성 발효는 포도당 분자당 세포의 내부 "연료"인 아데노신 삼인산 두 분자의 순수 산출량을 생산하는 반면, 호기성 호흡은 36개의 순수 산출량을 생산한다. 대기의 산소화는 모든 다세포 생물이 구성되는 더 복잡한 진핵생물 유형의 세포 진화에 필수적이었다.
미생물 매트 생명의 역사에서의 역할
남세균은 모든 매트 형성 유기체 중에서 가장 완전한 생화학적 "도구 키트"를 가지고 있다. 즉, 녹색황세균과 자색 세균의 광합성 메커니즘; 산소 생산; 그리고 이산화 탄소와 물을 탄수화물과 설탕으로 전환하는 캘빈 회로이다. 그들은 이러한 많은 하위 시스템을 수평적 유전자 이동과 내부 공생에 이은 융합의 일부 조합을 통해 기존 매트 유기체로부터 획득했을 가능성이 높다. 원인이 무엇이든, 남세균은 매트 유기체 중에서 가장 자급자족적이며, 부유 매트로서 그리고 대부분의 해양 먹이 사슬의 기반을 형성하는 최초의 식물성 플랑크톤으로서 스스로 독립적으로 나아가기에 잘 적응했다.
미생물 매트 생명의 역사에서의 역할
진핵생물이 처음 나타난 시기는 여전히 불확실하다. 1,600,000,000년 전에서 2,100,000,000년 전 사이로 추정되는 화석이 진핵생물을 나타낸다는 합리적인 증거가 있지만, 오스트레일리아 셰일에서 스테레인의 존재는 진핵생물이 2,700,000,000년 전에 존재했음을 나타낼 수 있다. 진핵생물의 기원에 대한 논쟁은 여전히 진행 중이며, 많은 이론이 세균이 먼저 혐기성 고세균의 내부 공생체가 된 다음 융합하여 단일 유기체가 되었다는 생각에 초점을 맞추고 있다. 만약 그러한 내부 공생이 중요한 요인이었다면, 미생물 매트는 이를 촉진했을 것이다. 이 시나리오에는 두 가지 알려진 변형이 있다.
매트의 산소 공급 구역과 무산소 구역 사이의 경계는 밤에 광합성이 중단되면 위로 이동하고, 다음 일출 후 광합성이 재개되면 다시 아래로 이동했을 것이다. 독립적인 호기성 및 혐기성 유기체 간의 공생은 둘 다 산소 "조석"의 영향을 받는 구역에서 편안하게 살 수 있게 했을 것이며, 이후의 내부 공생은 그러한 파트너십을 더욱 이동성이 높게 만들었을 것이다.
~1,200,000,000년 전의 미생물 매트는 육상 영역의 생명에 대한 첫 번째 증거를 제공한다.
에디아카라 생물군은 다세포 동물의 가장 널리 받아들여지는 초기 증거이다. 미생물 매트의 특징인 "코끼리 피부" 질감을 가진 대부분의 에디아카라기 지층에는 화석이 포함되어 있으며, 에디아카라기 화석은 이러한 미생물 매트가 없는 지층에서는 거의 발견되지 않는다. 아돌프 자일라허는 동물들을 다음과 같이 분류했다. "매트 부착자"(매트에 영구적으로 부착됨);
"매트 스크래처"(매트를 파괴하지 않고 표면을 뜯어먹음); "매트 스티커"(매트에 부분적으로 박혀 있는 부유 섭식자); 그리고 "매트 아래 채굴자"(매트 아래를 파고 들어가 분해되는 매트 물질을 먹이로 삼음).
그러나 초기 캄브리아기에는 유기체들이 보호나 먹이를 위해 수직으로 굴을 파기 시작하여 미생물 매트를 파괴했고, 이로 인해 물과 산소가 표면 아래로 상당한 거리까지 침투하여 하층의 산소 불내성 미생물들을 죽였다. 이러한 캄브리아기 기질 혁명의 결과로, 해양 미생물 매트는 굴착 활동이 없거나 무시할 수 있는 환경에 국한되었다. 즉, 매트를 파괴하는 굴착 유기체가 살 수 없는 초염분 석호 또는 기수 하구와 같은 매우 가혹한 환경; 굴착자가 침투할 수 없는 암석 "바닥"; 오늘날 굴착 활동이 혁명 이전의 얕은 연안 해역과 비슷한 수준인 심해 해저 등이 이에 해당한다.
캄브리아기 기질 혁명은 동물에게 새로운 생태적 지위를 열어주었지만, 미생물 매트에게는 파괴적이지 않았고, 그 범위만 크게 줄였다.
미생물 매트 고생물학에서의 미생물 매트의 활용
대부분의 화석은 껍데기와 같은 유기체의 단단한 부분만을 보존하므로, 그러한 구조에 대한 직접적인 정보만을 제공한다. 이로 인해 연체동물 화석(연체동물의 유해 및 보통 껍데기와 같은 단단한 부분만 발견되는 유기체의 연체 부분)이 보존되는 희귀한 경우는 극히 귀중하다. 미생물 매트는 다음과 같은 방식으로 연체동물 화석을 보존하는 데 도움이 된다.
미생물 매트 산업적 활용
미생물 매트 군집이 광범위한 "먹이"를 활용할 수 있는 능력은 최근 산업적 활용에 대한 관심을 불러일으켰다. 인간용 수처리 및 양어업에서 미생물 매트의 시험이 있었고, 기름 유출 정화 잠재력에 대한 연구도 진행되었다. 상업적 잠재력의 증가로 인해, 주로 오염 물질 및 폐기물 정화를 위한 미생물 매트의 성장, 설치 및 사용과 관련된 특허 신청 및 허가가 있었다.