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요원들은 모두 응답하라. 여기는 지구방위대 본부다! 지구는 현재 비상사태다. 잠자고 있던 태양이 깨어나 거대한 태양폭풍을 만들고 현재 수만 개의 소행성이 지구로 접근해 오고 있다는 소식이 전해졌다! 이런…! 더 비극적인 소식이다. 태양폭풍과 소행성 충돌을 가까스로 피하더라도 석탄, 석유 등의 에너지 자원이 수십 년 내에 모두 바닥난다고 한다. 새로운 에너지 자원을 찾지 못하면 더 이상 인류는 지구에서 살 수가 없다…!

지구방위대 요원들, 상황이 긴박하다. 지구는 우리가 지켜야 한다. 방법을 찾아 보고하라!


 

태양이 잠에서 깨어났다

지구의 전기시스템을 마비시킬 정도의 강력한 폭풍이 2013년 5월에 온다…? 대체 태양폭풍의 정체가 뭔가, 요원!

본부, 응답하라. 여기는 우주 날씨를 담당하고 있는 위성 스테레오 요원이다. 지난 8월 1일, 태양에서 이상한 낌새가 포착됐다. 갑자기 태양 표면에서 폭발이 일어나면서 강한 X선과 높은 에너지 입자가 지구로 쏟아진 것이다.

흑점의 수도 늘고 있다. 평소 90개 정도이던 흑점의 수가 지난 2008년 12월부터 증가해 지금은 100여 개까지 늘어났다. 태양은 보통 11년 주기로 활동이 왕성해졌다가 조용해지기를 반복하는데, 흑점수가 많을 때 활동이 활발하다. 따라서 2020년까지 태양의 활동이 활발할 것으로 보이며, 특히 2013년 5월에 가장 왕성할 것으로 예측된다. 이처럼 태양의 활동이 활발할 때는 태양폭풍이 더 강하게, 자주 일어난다. 심한 경우 지구의 전기 시스템을 마비시킬 정도로 강력하다!
 

태양폭풍의 정체

태양폭풍은 태양을 이루고 있는 물질이 거대한 힘에 의해 태양 밖으로 뿜어져 나오는 현상이다. 태양은 거대한 자석과 같아서 서로 반대되는 극성을 가진 자기장 고리들이 표면을 뒤덮고 있다. 이 고리들은 핵에서 수십만 ㎞ 높이의 태양 대기까지 치솟았다가 다시 가라앉는다. 이 과정에서 서로 다른 극의 자기장 고리가 만나면서 폭발이 일어나고, 이것이 태양폭풍으로 이어진다. 이 때 뿜어져 나오는 에너지는 *플라즈마 상태로, 원자폭탄 10억 개의 폭발 에너지와 비슷하다


*플라즈마 : 고체, 액체, 기체와 함께 제 4의 물질상태로 불린다. 기체에 계속 열을 가해 만들 수 있으며 기체보다 높은 에너지를 가지고 있다.

스테레오 요원
소속 : 미국항공우주국(NASA).
임무 : 태양 관측을 위한 우주 기상 전용 위성.
능력 : 쌍둥이 스테레오 위성과 함께 각각 태양의 반대편에서 태양 표면적의 90%를 찍어 태양활동의 3차원 영상을 만들어 지구로 보낸다.



태양폭풍이 지구를 위협한다

지구에서 1억 4960만㎞나 떨어져 있는 태양에서 일어난 폭발이 지구의 전기 시스템을 마비시킬 수도 있다니! 이게 가능한 일인가?

문제는 태양폭풍이 뿜어내는 높은 에너지 입자다. 태양에서 폭발이 일어나면 태양풍은 강한 X선과 함께 전기를 띤 플라즈마 입자를 지구로 날려 보낸다. 이 입자가 지구의 자기장과 충돌하 면 자기력선이 변하면서 지구 표면과 땅 속에 강력한 전류를 만들어 낸다. 이 전류는 전기와 통신 시스템을 마비시킬 수 있다.

피해를 줄이기 위해서는 태양의 상태가 어떻게 변하고 있는지를 계속해서 관찰해야 한다. 현재는 나를 비롯해 태양활동관측위성(SDO)과 일본과 유럽연구진이 개발한 히노데(HINODE)위성이 태양을 관찰하고 있다.

미국항공우주국 역시 2013년에 올 것으로 예측되는 강력한 태양폭풍을 대비해, 2012년에 방사선 대 폭풍 관측위성(RBSP)요원을 태양 궤도 쪽에 투입할 예정이다. 한국도 태양폭발이 일어나는 위치를 알아내는 감지기를 개발해 태양활동과 태양풍의 속도 등 우주 환경의 변화에 대해 예보할 계획이다.



지구의 보호막, 지구 자기장

지구의 자기장은 태양풍을 막아 지구를 보호하는 역할을 한다. 지구는 거대한 자석과 같아서 지구를 중심으로 자기력선이 생긴다. 자기력선은 태양폭풍에 실려온 플라즈마와 X선 등을 튕겨 낸다.



 

태양풍이 만드는 오로라
지구의 자기장은 태양풍에서 받은 높은 에너지 입자를 지구 자기력선에 따라 극지방으로 보낸다. 오로라는 이 입자가 대기권 내의 분자나 원자와 부딪히면서 빛을 내는 현상이다. 지난 8월 4일, 태양폭발이 일어난뒤 보통 극지방에서만 일어나던 오로라가 유럽과 북미 북부에서도 관찰됐다.



강력한 태양폭풍이 불면?

위성
태양에서 뿜어져 나온 고에너지 입자는 인공위성을 그대로 통과해 전자부품과 반도체를 망가뜨리고 소프트웨어에 오류를 일으킬 수 있다.

또 태양폭풍에 실려온 자외선과 X선을 흡수해서 밀도가 높아진 대기는 인공위성의 속도와 궤도를 바꿔 놓는다.


인간
우주에서 활동하는 우주비행사들에게 태양 폭풍은 치명적이다. 태양폭풍이 내뿜는 고에너지 입자는 세포 속을 뚫고 들어가 염색체를 파괴해 암을 일으킨다. 남극과 북극 하늘을 비행하는 항공기에 탄 승객들도 고에너지 입자와 함께 전달되는 X선이나 방사선에 노출 될 수 있다.


통신시스템과 항공기
배나 비행기에서 통신을 주고받을 때 쓰는 주파수가 방해를 받게 되어지상과 연락이 어려울 수 있다.


이동통신
스마트폰이나 휴대전화가 위성과 접속할 때 교신 상태가 나쁘고 잡음이 생길 수 있다.



소행성이 지구와 충돌한다?

과거에 비해 우리는 전기와 통신을 많이 쓰고 있는 만큼 태양폭풍이 거세게 부는 날엔…! 그 피해는 상상할 수 없이 크겠군! 2013년까지 계속해서 지켜봐야겠어. 자, 이제 소행성 상황도 보고해 주게!

망원경 PS1 요원입니다. 저는 소행성 및 혜성을 연구하는 프로젝트인 ‘팬 스타스(Pan-Stars)’에 참여하고 있습니다. 얼마 전 소행성들의 궤도를 관찰하던 중 행성 2010ST3이 지구로 돌진, 10월 중순 지구와 충돌할 가능성이 있다는 것을 발견했습니다. 곧바로 궤도를 추적해 본 결과 아슬아 슬하게 지구를 스쳐간 것으로 보입니다. 하지만 지난 9월에도 소행성 2개가 지구와 불과 8만㎞ 만 을 남겨놓고 비껴가는 일이 있었습니다. 또 지난 해 10월에는 소행성이 지구와 충돌해 상공에서 폭발하기도 했지요.


망원경 PS1 요원
활약 : 소행성 및 혜성을 연구하는 프로젝트인 ‘팬스타스(Pan-Stars)’에 참여해 2010ST3이 10월 중순 지구를 스쳐지나갈 것이라고 예측했다.
능력 : 너비 1.8m의 60개 주반사경과 14억 화소성능의 카메라가 장착돼 있다. 매일 밤하늘에서소행성을 찾아 하루 4000장의 사진을 찍을 수 있다.



소행성 2개, 가까스로 지구를 스쳐가다!

지름 9~20m 크기의 소행성 2010RX30에 이어 비슷한 크기의 소행성 2010RF12이 지구와 약 7만 9000㎞만을 남겨 놓고 아슬아슬하게 비껴간 것으로 확인됐다. 같은 날 두 소행성이 지구를 스쳐가기는 이번이 처음이다. 한국천문연구원 문홍규 선임연구원은 “만약 이 두 소행성 이 지구와 충돌했다면 상층 대기에서 폭발했을 가능성이 높고, 그 충격으로 근처 건물의 창문이 흔들리며 깨 졌을 것”이라고 전했다.



소행성 지구와 충돌해 상공에서 폭발

8일 오전 11시, 지름 10m 크기의 소행성이 지구와 충돌해 인도네시아 남슬라웨시 상공에서 폭발했다. 당시 폭발음은 1만 6000㎞ 밖에서도 측정됐으며, 하늘에서 흰색 연기가 관측돼 지진이라고 생각한 주민들이 대피하기도 했다. 시속 7만 2420㎞로 지구 대기권과 충돌한 소행성은 핵폭탄 5만 톤의 폭발력과 비슷했으며, 히로시마에 투하된 원자폭탄의 3배 규모였던 것 으로 확인됐다.


소행성, 지구와 정말 충돌할까?

"소행성 ‘아포피스’가 2036년에 지구와 충돌할 확률은 약 25만 분의 1이에요. 대개 소행성과 지구가 충돌할 확률은 몇 십만 분의 1이지요. 무척낮죠? 그렇다면 상어에게 물려 죽을 확률은 얼마나 될까요? 약 3억 분의 1이에요. 하지만 이 낮은 확률에도 상어에 물려 죽는 사람이 있지요.이 확률에 비하면 소행성이 지구와 충돌할 몇 십만분의 1 확률은 오히려 높지요.

즉, 확률이 낮다고 100% 안전하다고 할 수 없어요. 하루에도 약 5000만 개의 소행성과 혜성이 지구 주위를 지나가고 있어요. 미국항공우주국에 따르면, 지구 근처를 도는 소행성 중 지금까지 발견된 것만 7391개(2010년 10월 17일 기준)에 이른답니다. 또 지구와 실제 충돌했던 소행성의 흔적도 1990년대 에 발견된 것만 172 곳이 넘어요"  문홍규 (한국천문연구원 선임연구원)



소행성이 지구와 충돌한다면?

휴~, 지구로 다가오는 소행성이 비켜갔다니 천만다행이군! 요원, 그런데 만약 충돌했다면 지구에 어느 정도 타격을 줄 수 있는가?

지구에 미치는 피해는 충격에너지가 클수록 심각해집니다. 충격에너지는 소행성이 무겁고, 떨어지는 속도가 빠를수록 커지지요. 암석으로 된 작은 소행성보다, 크고 금속으로 이뤄진 소행성이 충격에너지가 더 크답니다. 장소에도 영향을 받죠. 뉴욕이나 서울같이 사람이 많이 모여 있는 도시에 떨어지는 것이 산이나 사막에 떨어지는 것보다 피해가 클 수밖에 없습니다. 해안가는 사람도 많이 살고 전파, 통신시설이 많은데다가 충격을 받으면 쓰나미가 일어날 수 있어 가장 위험한 장소죠.

만약 지름 10㎞ 급에 금속으로 이뤄진 소행성이 대도시나 해안가에 수직으로 쿵 떨어진다면…? 히로시마 원자폭탄 30억 개 정도로 큰 위력을 갖습니다. 이 정도 위력이라면 대부분의 생물종이 죽어 지구가 멸망할 수도 있지요. 하지만 이런 경우는 극히 드물어요. 보통 50m 미만의 암석질로 이뤄진 소행성은 지구 대기권에서 폭발하니, 너무 걱정하지는 않으셔도 될 것 같습니다.



 

미국 애리조나 주의 디아블로 협곡 동쪽에 있는 소행성 충돌 흔적.

학자들은 약 지름 30~50m 크기에 니켈과 아연 등 금속으로 구성된 소행성으로 약 5만 년 전인 신생대에 떨어진 것으로 추정하고 있다. 충돌 당시 반경 10㎞까지 불길이 번지며 폭발이 일어나고, 반경 24㎞ 내 동물은 죽거나 큰 부상을 입었을 것으로 보고 있다.

 

1908년 중앙 시베리아 퉁구스카 상공에서 소행성이 폭발하면서 주변나무들이 모두 쓰러진 모습이다. 소행성의 지름은 약 50m로 추정된다.

당시 발생한 충격파로 제주도만 한 면적이 초토화 되었다. 이 때 발생한 충격음은 영국 런던에서도 들을 수 있었으며, 시베리아 횡단철도를 달리던 열차가 탈선되는 등 많은 피해를 주었다.
 

지구와 소행성의 충돌을 막는 방법

실제 소행성과의 충돌을 피하기 위한 방법으로 소행성의 궤도를 바꾸거나 폭파시키는 방법이 가장 많이 연구된다.

 

달에서 미래 자원을 캐다

태양 폭풍과 소행성 충돌에 대해 요원들이 계속해서 잘 관찰하고 있군! 그렇다면 나도 좋은 소식을 전해 줘야겠군. 지구의 화석자원 고갈 문제는 바로 나, 가구야 요원이 해결할 수 있을 듯하다. 나는 달에서 약 100㎞ 정도 떠서 궤도를 돌며 달 표면을 관찰하고 있던 중 놀라운 사실을 발견했다. 달에…, 자원이 가득하다! 철, 알루미늄, 실리콘부터 원자력 발전에 쓰이는 우라늄과 핵융합 원료로 쓸 수 있는 헬륨3가 섞여 있는 일메나이트도 있다! 또 휴대전화, 반도체 등 첨단 산업에 많이 쓰이는 희토류 원소들도 보인다!


위성 가구야 요원
소속 : 일본 항공 우주국(JAXA)의 달 탐사
프로젝트 ‘셀레네’.
임무 : 달 궤도를 돌며 달에서 나오는 감마선을 분석해 달 표면 물질을 알아낸다.
 

왜 달에서 자원을 캘까?

"달은 지구에서 가장 가까운 천체로, 아폴로 프로그램이 시작된 1960년대부터 약 50년간 가장 연구가 많이 된 천체이기도 해요. 또한 달에는 대기가 없어 광물 대부분이 땅 속이 아닌 달 표면에 드러나 있기 때문에 땅을 파지 않고도 채취할 수 있어요. 특히 달의 표면에는 태양풍이 뿜어낸 헬륨3가 고스란히 축척되어 있답니다. 헬륨3는 석탄이나 석유에 비해 에너지 효율이 월등히 뛰어나 미래 자원으로 주목받고 있지요." 김경자 (한국지질자원연구원 책임연구원)



 

우라늄
핵분열의 원료로 쓰인다

희토류 원소
희토류 원소는 TV 화면인 디스플레이 패널과 반도체 등 첨단산업 전반에 쓰이는 물질로, 지구에서는 희귀해 그 가치가 높다. 지구에서는 중국이 희토류 원소의 95%를 생산하고 있다.
일메나이트
달에 있는 일메나이트는 헬륨3를 가득 담고 있다. 헬륨3는 핵융합의 원료로 쓰여 막대한 전기에너지를 만들어 낸다. 천문학자 해리슨 슈밋에 따르면, 일메나이트가 많은 평온의 바다와 고요의 바다에는 20㎢ 크기로 3m만 파도 헬륨3를 약1000㎏를 얻을 수 있다고한다. 이 정도 양이면 1000만 명이 1년간 쓸 수 있는 전기를 만들 수 있다.
 

2025년, 달에 광물 기지가 건설된다

달 자원 지도는 달에서 자원을 얻기 위한 시작에 불과해. 달에서 광물을 캘 수 있는 채광로봇과 광물 기지를 만들 기술을 개발해야지. 지금 달 자원 개발을 위해 나, 위성 가구야를 쏘아올린 일본우주항공연구개발기구를 비롯해 중국과 인도가 장어 1, 2호와 찬드리얀 1 호를 각각 쏘아 올렸지. 미국도 달 정찰 궤도 탐사선(LRO)을 달로 보낸 것에 이어 2024년 까지 우주선 착륙장과 도로, 자원 채취장, 거주 시설, 탐사 로봇를 비롯해 사람이 살 수 있 는 달 기지를 건설할 계획이야. 러시아도 2020년까지 달에 헬륨3 채취를 위한 광물 기지를 세울 것이라고 발표했지.
 

우리나라는 지금!

한국은 지난 2008년 12월부터 미국과 영국, 캐나다,프랑스, 일본, 독일, 인도와 함께 달 표면으로 착륙선을 보내 함께 달을 탐사하는 프로그램에 참여하고 있다. 아직 달 탐사 경험이 없는 우리나라는 이를 발판으로 2023년에는 달 궤도 위성을, 2025년에는 착륙선을 보낸 뒤, 2030년에는 탐사 로봇으로 달 표면의 샘플을 채취한다는 계획이다. 현재는 달 궤도로 쏘아 올리기 위한 한국형 발사체를 개발하고 있으며, 그 첫 단계가 바로 나로 호다.
 

다음 목표는 소행성!

소행성에는 희귀 금속과 희귀 광물이 많다. 특히 화성과 목성 사이에 분포하는 소행성에 많다고 알려졌다. 천문학자 존 루이스에 따르면, 지름 1㎞의 금속 소행성 하나에 전세계 광물 생산량의 5배가 넘는 양이 매장돼 있다고 한다. 게다가 달보다 훨씬 가까운 거리를 통과하는 소행성이 많아 지구까지 자원을 가져오는 운송비용도 절약할 수 있다. 이에 세계 각국은 소행성 탐사선을 우주로 보내고 있다.

핫 인터뷰 일본 달 탐사 프로젝트 셀레네 연구책임자를 만나다 하세베 노부유키(와세다대학교 과학공학과 교수)

셀레네 프로젝트의 진행 상황이 궁금해요.

일본은 본격적인 달 자원 개발을 위해 지난 2007년 9월 인공 위성인 가구야를 달 궤도에 띄웠어요. 지금은 2016년에 달로 보낼 착륙선과 로봇을 개발하고 있답니다. 로봇은 달 표면에 있는 암석과 입자를 조사하고 수집해 착륙선으로 가져오는 역할을 해요. 이 자료를 분석하면 어떤 종류의 자원이 어디에 얼마나 많은지 자세히 알 수 있지요.


요즘 어떤 연구를 하고 계신가요?

밤이 되면 영하 173.5℃까지 온도가 떨어지는 추운 달에서도 끄떡없는 착륙선을 만들기 위해 연구 중이에요. 그동안 착륙선에 사용돼 왔던 부품들은 대부분은 영하 100℃ 이하에 서 금방 고장나 버려요. 그래서 추위에도 버틸 수 있는 새로운 부품 재료를 찾고 있어요. 동시에 낮에 충전해 밤에 쓸 수 있는 재충전이 가능한 연료전지도 개발하고 있답니다.

지구방위대 요원들, 모두 수고했다. 자네들의 활약 덕분에 태양폭풍과 소행성, 에너지 자원고갈 문제에 빠진 지구가 해결책을 찾을 수 있을 거라고 믿는다! 하지만 아직은 안심할 단계가 아니야! 더 많은 관심과 연구가 필요하다! 그래서 지금부터 ‘어린이과학동아’친구들을 명예 지구 방위대 요원으로 임명하기로 했다. 모두들 지구를 지키는 일에 늘 관심을 갖고 우주 소식에도 귀기울여 주길 바란다. 이상!


한 눈에 이해가 쏙쏙 특집 한 걸음 더!

여기는 본부다. 지구와 똑 닮은 행성이 발견됐다는 정보가 입수됐다! 즉 그 행성에도 우리와 비슷한 생명체가 살 가능성이 아주 높다는 뜻! 하지만 스티븐 호킹 박사의 말대로 외계생명체가 지구를 침략할 수도 있다! 그 행성에 대해 신속히 보고하기 바란다. 오버!
 

지구를 쏙 빼닮은 행성, 글리제 581g

위치 | 지구로부터 20억 광년(약 193조 ㎞) 거리.

기후 | 평균 영하 31 ~ 12℃로 낮다. 중심별을 향하는 쪽은 매우 뜨겁고 반대편은 꽁꽁 얼어 있다.
생명체 거주 예상 지역 | 학자들은 ‘명암 경계선’이라 불리는 양지와 음지의 중간지대에 생명체가 살것으로 보고 있다. 물도 존재할 것으로 예측하고 있다.

특이사항 | 인간이 서서 똑바로 걸을 수 있을 정도로 충분한 중력이 존재한다.
 

외계생명체가 살 만한 행성의 조건!

❶ 액체생태의 물 존재 액체상태의 물은 동식물이 삶을 유지하는 데 필수 요소다. 또 대기 현상과 광합성 등 행성이 유지되는 데도 중요하다.
❷ 태양과의 적당한 거리 태양과의 거리가 멀면 온도가 낮고, 반대로 가까우면 뜨겁기 때문에 생명체가 살아갈 수 없다.
❸ 나이는 최소 30억 년 이상 지구에서는 약 30억 년 전 남조류와 같이 광합성 으로 산소와 같은 유기분자를 만들 수 있는 생명체가 생겨났다. 현재의 인류가 나타난 건 불과 12만 년 전이다. 따라서 행성이 탄생하고 최소 30억년은 지나야 지능을 가진 생명체가 있을 가능성이 있다고 본다.
❹ 암석으로 이뤄진 행성 생명체가 기반을 잡고 살아가기 위해서는 암석으로 이뤄진 단단한 고체 표면이 필요하다.