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수질오염의 원인은 몇가지나 될까. 또 오염의 원인을 정확하게 찾아내는 탐구방법은 어떤 것이 있을까. 북한강 유역 수질오염원인을 찾아보며 '과학적 탐구방법'도 배워보자.

자연 현상을 관찰하여 그 속에 숨어 있는 원리와 법칙을 찾아내는 과정을 과학적 탐구 방법이라 한다. 공통적으로 받아들이는 과학 탐구 과정을 나타내면 다음과 같다.

첫째, 문제의 인식 과정이다. 생명 현상의 사실을 면밀히 관찰하여 해결해야할 문제점을 발견한다.
둘째, 가설 설정 과정이다. 문제 인식 과정에서 조사한 자료를 종합하여 의문을 검증가능한 형태의 명제로 만든 다.
셋째, 탐구의 설계 및 수행과정이다. 가설의 타당성을 검증하는 단계로, 반드시 대조 실험을 병행해야 한다.
대조군은 검증하려는 조건을 변화시키지 않는 실험으로, 실험군의 비교 기준이 된다. 실험군은 검증하려는 조건을 변화시킨 실험을 말한다.
넷째, 자료 해석 및 결과 분석 과정이다. 실험 결과와 자료를 분석하여 가설의 타당성을 평가한다. 실험 결과를 분석하였을 때, 가설이 타당하지 않으면 가설을 수정하거나 새로운 가설을 설정하여 그 가설을 다시 검증해야 한다.

과학적 탐구방법
 

마지막으로 결론의 도출 과정이 있다. 여러 실험 결과를 종합한 후, 가설을 일반화하여 학설을 이끌어낸다. 이러한 학설이 적용되는 범위를 일반화하면 원리나 법칙이 된다.

이제 북한강 지역의 수질 오염원이 무엇인가를 찾아내는 과정을 통해, 탐구를 통한문제 해결 방법에 접근해 보자.

1. 문제 인식

요즘 북한강 유역에 사는 사람들이 강물 오염에 대해 두려움을 느끼고 있다. 수천 마리의 고기가 죽어 떠 있는 것이 발견되었다. 물고기들은 출혈을 동반한 비참한 상태로 죽었는데, 물 속에 무엇이 있는 지 알 수 없었다. 과학자들이 물 오염 원인을 찾아낼 때까지 상수 시설은 문을 닫고 있는 상태다. 식수는 다른 지역으로부터 사다 먹 고 있다.

어떤 사람들은 물고기들이 매우 단시간에 죽었으므로, 독극물질이 저수지 위쪽에서 부어졌을 것이라고 생각한다. 반면 전문가들은 수질 오염에 의한 것이라고 믿었다.

위와 같은 심각한 결과를 가져온 물의 오염은 어떤 원인에 의해 생겼을까?

2. 가설의 설정

가설 1. 물은 독극물질에 의해 오염되었을 것이다.

3. 탐구의 설계 및 수행

수질 오염의 원인을 찾으려는 의도로 물을 채취하여 분석하였다. (표1)은 북한강 유역 중 D위치에서 물의 오염을 유발하는 것으로 보이는 이온의 농도를 6개월전의 수치와 비교한 것이다.

1) (표1)로 보아 6개월 동안 중금속이나 독극물의 원인이 되는 이온들의 변화가 크다고 할 수 있는가?
2) 어떤 이온의 농도가 물고기를 죽일 만큼 충분한가?
 

4. 자료의 해석 및 결과의 분석

6개월 전과 비교해서 농도가 증가한 이온은 납과 황산이나, 이들 이온이 물고기를 죽일 만큼 증가했다고 판단하기는 어렵다. 그러므로 독극물질에 의해 물고기가 죽었을 것이라는 가설은 타당하지 않다.

실험 결과를 분석하였을 때, 가설이 타당하지 않으면 가설을 수정하거나 새로운 가설을 설정하여 그 가설을 다시 검증해야 한다.

가설의 설정2

가설 2. 물고기가 죽은 것은 산성 또는 알칼리성에 의한 오염 때문일 것이다.

탐구의 설계 및 수행 2

여러 장소의 물을 채취하여 pH를 측정하였다(표2).
〈참고 자료〉
* 빗물의 pH는 5.6이다.(C${O}_{2}$＋${H}_{2}$O→${H}_{2}$C${O}_{3}$→${H}^{＋}$＋HC${O}_{3}^{－}$)
* 대부분의 물고기들은 pH 5-9 범위에서 생존이 가능하다.
물고기가 죽은 이유를 산성 또는 알카리성에 의한 오염 때문이라고 말할 수 있는가?
 

자료의 해석 및 결과의 분석 2

북한강의 강물을 채취한 장소 모두가 물고기가 생존 가능한 pH 범위에 있으므로 이 가설은 타당하지 않다.

가설의 설정 3

가설 3. 물의 온도 변화 때문에 물고기가 죽었을 것이다.

탐구의 설계 및 수행 3
 

(표3)은 지난해 북한강의 월별 수온(최대 수온) 기록이다. 올해 여름에 물고기들의 갑작스런 죽음이 있기 전에는 물고기들이 번성했었다.
〈참고자료〉
* 물고기는 변온 동물로 체온과 수온이 같다.
* 물고기는 따뜻할수록 활동적이고, 많이 먹고, 빨리 헤엄친다. 물고기가 생존할 수 있는 최대수온은 (표 4)와 같다.
온도 변화가 물고기의 죽음과 관계있다고 할 수 있는가?
 

자료의 해석 및 결과의 분석3

물고기가 생존할 수 있는 최대 수온과 북한강의 최대 수온을 비교한 결과 물고기가 죽은 8월에 송어는 타격을 받겠지만, 다른 물고기는 생존에 지장이 없다고 할 수 있다. 그러므로 온도가 물고기 죽음의 원인이라고 할 수 없다.

가설의 설정 4

가설 4. 용존 산소량이 너무 많거나 적어서 죽었을 것이다.

탐구의 설계 및 수행 4
 

북한강의 용존 산소량을 측정한 결과는 (표5)와 같다.

참고로 산소와 맞닿은 물에서 산소 기체에 대한 용해도 곡선을 구하면 (그림2)와 같다. 물고기 생존과 용존 산소량과의 관계는 (그림3)과 같다. 용존 산소량이 너무 많을 경우는 드물지만, 이것도 역시 물고기에게 해롭다.
 

물고기가 죽은 달의 산소량과 수온과의 관계는 어떠한가?
 

자료의 해석 및 결과의 분석 4

1. 음료수를 마시면서 토의하던 중, 유리컵 가장자리 둘레에 솟는 기포가 단서가 되었다. 압력이 높아지면 많은 양의 기체가 녹을 수 있고, 압력이 낮아지면 기체는 물방울을 만들면서 용액으로부터 나온다. 용액을 흔들면 더 많이 나온다.

2. 많은 양의 공기가 댐 주위의 강물에 녹을 수 있고, 물의 대량 방출이 일어날 때 거품을 형성하게 된다. 물과 공기는 수면 밑으로 박히게 되고, 깊은 물일수록 압력이 커지므로 더 많은 공기가 용액에 녹게 된다.

결론의 도출 4

자료를 종합해 볼 때, 물고기가 죽었을 당시의 북한강은 수온에 따른 적정량의 공기보다 많은 양이 녹아 있었다. 과다한 공기는 물고기의 아가미를 통해 피 속으로 들어간다. 여분의 공기는 아가미와 심장에서 기포를 형성한다. 이 기포가 물고기의 혈관을 터뜨리고, 혈액 순환을 멈추게 하여 물고기를 죽게 만든 것이다.