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끊임없이 순환하며 지구를 구성하는 탄소가 갑자기 지구온난화의 주범이 된 이유는?
Q 1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 탄소는 끊임없이 순환하는 원소다. 탄소는 생물권에서는 살아있는 생명체를 형성하는 기본적인 구성 성분이며, 암권에서는 생명체의 잔류물이 쌓여 된 석탄이나 석회암 같은 암석 내에 존재한다. 또 수권에서는 여러 복잡한 작용에 의해 용해된 이산화탄소의 형태로 존재하고, 기권에서는 생명체가 살 수 있는 적정 온도를 유지시켜 주는 온실가스인 이산화탄소의 일부로 존재한다.
탄소의 순환은 생물권에 의해 촉진된다. 식물은 봄부터 가을까지 광합성을 통해 대기 중의 이산화탄소를 매년 수백억t 이상 소비하고, 가을부터 겨울까지는 죽어서 유기 영양분의 형태로 지구에게 되돌아간다. 탄소는 풍화에 의해 다시 해양으로 운반되고, 해양 생물체는 이를 석회암으로 변화시킨다. 퇴적물 속의 탄소는 침강대를 따라 맨틀로 들어가고, 화산 활동을 통해 다시 대기 중으로 되돌아온다.
(나) 대기가 어떻게 열을 얻는지에 대해 더 잘 이해하기 위해서는 다음의 기본적인 복사 법칙을 이해해야 한다.
① 어떤 온도의 물체라도 복사에너지를 방출한다. 태양과 같이 뜨거운 물체뿐 아니라 극지방에 빙하를 갖고 있는 지구도 에너지를 방출한다.
② 물체의 온도가 높을수록 단위면적당 더 많은 에너지를 방출한다.
③ 물체의 온도가 높을수록 더 짧은 파장에서 최대 복사에너지를 방출한다. 표면온도가 약 5700℃인 태양은 가시광선 영역인 0.5㎛부근의 파장대에서 최대 복사에너지를 방출하고, 지구는 적외선 영역인 10㎛부근의 파장대에서 최대 복사에너지를 방출한다. 지구가 태양보다 파장이 20배 길기 때문에 지구 복사를 장파 복사, 태양 복사를 단파 복사라 부른다.
④ 복사에너지를 잘 흡수하는 물체가 복사에너지를 잘 방출한다. 지표면과 태양은 각각의 온도에 대해 거의 100%에 가깝게 흡수하고 방출하기 때문에 완전한 복사체에 가깝다. 그러나 기체들은 에너지를 파장대에 따라 선택적으로 흡수하고 방출한다. 예를 들어 가시광선은 대기가 잘 투과시키므로 지표면에 잘 도달한다. 하지만 지구 복사와 같은 장파는 그렇지 않아서 대기 밖으로 쉽게 빠져 나갈 수 없다.
(다) 1800년대 이후 급속한 산업 발전에 의해 화석연료의 사용은 꾸준히 증가했다. 더불어 화석연료가 연소될 때 발생하는 이산화탄소가 대기 중의 이산화탄소량을 크게 증가시켰다.
지금 같은 추세로 화석연료의 사용량이 증가한다면 21세기 후반에는 대기 중의 이산화탄소량이 600ppm까지 증가할 수 있다. 그렇게 되면 전 지구 평균 지표온도는 약 2.5℃ 상승할 것이라고 예측된다. 대수롭지 않게 생각될 수도 있지만, 실제로 그 효과는 1만8000년 전, 가장 최근에 있었던 빙하기 때 이후 지구를 지금의 온도로 다시 데우는데 쓰인 에너지와 맞먹는다. 이산화탄소만 지구온난화를 일으키는 것은 아니다. 최근 인류의 산업과 경작활동 때문에 지구온난화를 일으키는 미량기체가 증가하고 있다.
1) 제시문 (나)와 관련해 질소(N2)나 산소(O2)와 구별되는 이산화탄소의 특징에 대해 설명하라.
2) 탄소 순환 고리의 깨짐과 지구온난화의 관계를 설명하라.
3) 지구온난화가 인간 생활에 미치는 영향을 구체적 사례를 들어 설명하라.
전문가 클리닉
1) 대기를 구성하는 기체의 종류에 따라 태양 복사와 지구 복사를 투과, 흡수, 재방출하는데 차이가 있음을 설명합니다. 추론 능력과 논리적 서술 능력을 평가합니다.
2) 탄소 순환 고리를 도식화하고 지구온난화의 원인을 찾아 상호 관련성을 설명합니다.
3) 지구온난화에 의해 지표와 대기의 온도가 상승할 때 나타나는 다양한 현상을 배경지식과 논리적 추론을 통해 설명합니다.
예시답안
1) 태양과 지구는 각각 자신의 온도에 맞는 복사에너지를 방출한다. 태양은 가시광선 중심의 단파, 지구는 적외선 중심의 장파 형태로 방출한다. 이때 지구에 존재하는 대기의 각 성분은 복사에너지를 파장대에 따라 선택적으로 흡수한다.
태양 복사에너지는 질소와 산소, 이산화탄소 모두에 대해 투과성이 좋아 대기에 거의 흡수되지 않고 지표면까지 도달한다. 그러나 장파인 지구 복사에너지는 질소나 산소에 대해서는 투과성이 좋으나 이산화탄소에 대해서는 투과성이 좋지 못해 선택적으로 흡수된다. 즉 대기 중의 이산화탄소는 지구 복사에너지를 흡수하고 방출하는 온실가스로 작용한다.
2) 지구 환경의 구성 요소별 탄소의 유입과 유출 속도의 균형은 탄소 순환 고리의 유지에 매우 중요하다. 하지만 인간의 산업 활동이 심화되면서 땅 속에 퇴적되는 데 수백만 년 걸리는 화석연료가 단 수십 년 만에 연소를 통해 대기 중으로 배출됐다. 대기 중 이산화탄소가 급격히 증가하면 짧은 기간 내 암권으로 돌아가지 못해 탄소 순환에 불균형이 발생한다. 대기 중에 방출된 이산화탄소는 지구온난화를 가속화한다.
3) 먼저 열대 해상에서 해수의 증발과 응결에 의해 에너지를 얻는 태풍은 바다의 온도가 상승하면 해수의 증발량이 늘어나서 강도나 발생 빈도가 증가한다. 강력한 태풍이 자주 발생하면서 재산과 인명에 막대한 피해를 가져올 수 있다. 또 지표와 대기의 온도가 상승하면 극지방의 빙하가 녹고 해수의 열팽창이 일어나면서 해수면이 상승해 육지의 면적이 감소할 수 있다. 그 결과 사람들의 삶의 터전이 점차 줄어들 수 있다.
Q 2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 현무암질 마그마가 냉각될 때 고온에서 먼저 정출되는 광물은 처음 마그마의 화학 조성에 비해 이산화규소(SiO2)의 함량이 적고, 철(Fe)과 마그네슘(Mg)의 함량이 많다. 따라서 마그마 잔액은 처음보다 Fe, Mg, 칼슘(Ca) 함량은 적어지고 SiO2, 나트륨(Na), 칼륨(K)의 함량은 많아져서 안산암질 마그마가 된다. 마그마가 냉각되는 내내 이런 과정이 계속적으로 일어나 유문암질 마그마가 되고, 마지막에는 열수 용액만 남게 된다. 이와 같이 마그마가 냉각되면서 화학 조성이 변해 성질이 다른 마그마가 되는 현상을 마그마의 분화 작용이라 한다.
- 고등학교 지구과학II 교과서
(나) 조암광물의 90%이상은 규산염 광물이다. 규산염 광물의 기본 물질은 한 개의 작은 규소이온이 중심에 있고 그 둘레에 4개의 큰 산소이온이 배열된 사면체형의 다원자 이온이다. 이를 SiO4 사면체라고 한다. 이 사면체에서 산소이온은 -2, O4는 모두 8개의 음전하를 갖고 규소이온은 4가의 양전하이므로 전체의 전하는 -4가 된다. 규산염 광물은 SiO4 사면체가 만드는 골격구조에 따라 7가지로 구분된다. 먼저 독립사면체는 SiO4 사면체가 독립으로 있고 인접 사면체와는 중간에 다른 양이온과의 연결돼 결합되는 모양으로 감람석((Mg,Fe) 2SiO4)이 그 예다. (중략) 마지막으로 망상 구조는 각 사면체에서 4개의 산소가 모두 인접 사면체와 공유돼 입체적 구조를 이루는 모양이며, 무색 광물인 석영(SiO2)이 그 예다.
- ‘지구과학개론’, 한국지구과학회 공저
(다) 원소가 가장 안정한 상태는 비활성 기체의 배치를 이룰 때다. 원자가 비활성 기체의 전자 배치 상태가 되기 위한 방법 중 한 가지는 이온결합이다. 대표적인 예로 염화나트륨(NaCl)은 나트륨이온(Na+)과 염소이온(Cl-)이 서로 전자를 주고받는 방식으로 결합한 물질이다. 이때 나트륨이온과 염화이온의 전자 배치는 비활성 기체인 네온(Ne)과 (Ar)의 전자 배치와 같다.
전자를 내놓으려는 경향이 비슷한 원자들은 서로 전자를 주고받기가 어렵다. 이와 같은 원자들은 각각 전자를 1개씩 내놓아 전자쌍을 만들고, 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합을 이룬다. 이와 같이 두 원자가 전자쌍을 공유함으로써 형성되는 결합을 공유결합이라고 한다. 공유결합을 이루는 다이아몬드(C)나 수정(SiO2) 같은 결정은 녹는점이 매우 높고 단단하다.
- 고등학교 화학II 교과서
화산체의 형태는 화산을 형성하는 용암의 특성과 관계가 깊다. 현무암질 용암으로 이뤄진 화산과 유문암질 용암으로 이뤄진 화산의 형태를 비교하고, 형태의 차이가 나타나는 이유를 각 용암의 물리·화학적 특성을 고려해 설명하라.
현무암질 용암과 유문암질 용암으로 이뤄진 화산의 형태는 각 용암의 온도, 유동성과 점성에 따라 다르며 이런 특성은 각 용암 내에 녹아 있는 암석과 그 암석을 구성하는 광물에 의해 결정됩니다. 제시문을 독해해 현무암질 용암 내의 주요 광물인 감람석과 유문암질 내의 다량 광물인 석영의 결정 구조를 비교해 설명합니다.
현무암질 용암이 식어서 굳으면 수평으로 넓게 퍼지는 순상화산이나 용암대지가 형성되고, 유문암질 용암이 식어서 굳으면 수직으로 높게 솟는 종상화산이 형성된다. 이런 형태의 차이는 각 용암을 형성하는 주요 원소, 광물, 암석들의 함유 비율이 다르기 때문이다.
높은 온도의 현무암질 용암(마그마)이 식으면 Fe, Mg과 같은 무거운 원소들이 모여서 감람석과 같은 광물을 우선적으로 정출시키고, 온도가 낮은 유문암질 용암이 식으면 O, 규소(Si)의 비율이 높아 가볍고 밝은 석영 등의 광물을 주로 정출시킨다. 즉 현무암질 용암은 SiO4 독립사면체와 Fe, Mg이 이온결합을 이루는 감람석이 주를 이루고 있다.
반면 유문암질 용암은 사면체의 각 꼭짓점에 있는 산소들을 이웃 사면체와 공유하며 공유결합을 이루는 석영 위주로 이뤄져 있다. 따라서 현무암질 용암에 비해 유문암질 용암은 내부 물질의 결합력이 높아 점성이 크고 유동성이 작은 성질을 지닌다. 그 결과 상대적으로 온도가 높고 유동성이 크며 점성이 작은 현무암질 용암은 분출한 뒤 수평으로 퍼지는 형태를 보이고, 그 반대의 성질을 지닌 유문암질 용암은 수직으로 솟는 형태를 보인다.
Q 1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 탄소는 끊임없이 순환하는 원소다. 탄소는 생물권에서는 살아있는 생명체를 형성하는 기본적인 구성 성분이며, 암권에서는 생명체의 잔류물이 쌓여 된 석탄이나 석회암 같은 암석 내에 존재한다. 또 수권에서는 여러 복잡한 작용에 의해 용해된 이산화탄소의 형태로 존재하고, 기권에서는 생명체가 살 수 있는 적정 온도를 유지시켜 주는 온실가스인 이산화탄소의 일부로 존재한다.
탄소의 순환은 생물권에 의해 촉진된다. 식물은 봄부터 가을까지 광합성을 통해 대기 중의 이산화탄소를 매년 수백억t 이상 소비하고, 가을부터 겨울까지는 죽어서 유기 영양분의 형태로 지구에게 되돌아간다. 탄소는 풍화에 의해 다시 해양으로 운반되고, 해양 생물체는 이를 석회암으로 변화시킨다. 퇴적물 속의 탄소는 침강대를 따라 맨틀로 들어가고, 화산 활동을 통해 다시 대기 중으로 되돌아온다.
(나) 대기가 어떻게 열을 얻는지에 대해 더 잘 이해하기 위해서는 다음의 기본적인 복사 법칙을 이해해야 한다.
① 어떤 온도의 물체라도 복사에너지를 방출한다. 태양과 같이 뜨거운 물체뿐 아니라 극지방에 빙하를 갖고 있는 지구도 에너지를 방출한다.
② 물체의 온도가 높을수록 단위면적당 더 많은 에너지를 방출한다.
③ 물체의 온도가 높을수록 더 짧은 파장에서 최대 복사에너지를 방출한다. 표면온도가 약 5700℃인 태양은 가시광선 영역인 0.5㎛부근의 파장대에서 최대 복사에너지를 방출하고, 지구는 적외선 영역인 10㎛부근의 파장대에서 최대 복사에너지를 방출한다. 지구가 태양보다 파장이 20배 길기 때문에 지구 복사를 장파 복사, 태양 복사를 단파 복사라 부른다.
④ 복사에너지를 잘 흡수하는 물체가 복사에너지를 잘 방출한다. 지표면과 태양은 각각의 온도에 대해 거의 100%에 가깝게 흡수하고 방출하기 때문에 완전한 복사체에 가깝다. 그러나 기체들은 에너지를 파장대에 따라 선택적으로 흡수하고 방출한다. 예를 들어 가시광선은 대기가 잘 투과시키므로 지표면에 잘 도달한다. 하지만 지구 복사와 같은 장파는 그렇지 않아서 대기 밖으로 쉽게 빠져 나갈 수 없다.
(다) 1800년대 이후 급속한 산업 발전에 의해 화석연료의 사용은 꾸준히 증가했다. 더불어 화석연료가 연소될 때 발생하는 이산화탄소가 대기 중의 이산화탄소량을 크게 증가시켰다.
지금 같은 추세로 화석연료의 사용량이 증가한다면 21세기 후반에는 대기 중의 이산화탄소량이 600ppm까지 증가할 수 있다. 그렇게 되면 전 지구 평균 지표온도는 약 2.5℃ 상승할 것이라고 예측된다. 대수롭지 않게 생각될 수도 있지만, 실제로 그 효과는 1만8000년 전, 가장 최근에 있었던 빙하기 때 이후 지구를 지금의 온도로 다시 데우는데 쓰인 에너지와 맞먹는다. 이산화탄소만 지구온난화를 일으키는 것은 아니다. 최근 인류의 산업과 경작활동 때문에 지구온난화를 일으키는 미량기체가 증가하고 있다.
1) 제시문 (나)와 관련해 질소(N2)나 산소(O2)와 구별되는 이산화탄소의 특징에 대해 설명하라.
2) 탄소 순환 고리의 깨짐과 지구온난화의 관계를 설명하라.
3) 지구온난화가 인간 생활에 미치는 영향을 구체적 사례를 들어 설명하라.
전문가 클리닉
1) 대기를 구성하는 기체의 종류에 따라 태양 복사와 지구 복사를 투과, 흡수, 재방출하는데 차이가 있음을 설명합니다. 추론 능력과 논리적 서술 능력을 평가합니다.
2) 탄소 순환 고리를 도식화하고 지구온난화의 원인을 찾아 상호 관련성을 설명합니다.
3) 지구온난화에 의해 지표와 대기의 온도가 상승할 때 나타나는 다양한 현상을 배경지식과 논리적 추론을 통해 설명합니다.
예시답안
1) 태양과 지구는 각각 자신의 온도에 맞는 복사에너지를 방출한다. 태양은 가시광선 중심의 단파, 지구는 적외선 중심의 장파 형태로 방출한다. 이때 지구에 존재하는 대기의 각 성분은 복사에너지를 파장대에 따라 선택적으로 흡수한다.
태양 복사에너지는 질소와 산소, 이산화탄소 모두에 대해 투과성이 좋아 대기에 거의 흡수되지 않고 지표면까지 도달한다. 그러나 장파인 지구 복사에너지는 질소나 산소에 대해서는 투과성이 좋으나 이산화탄소에 대해서는 투과성이 좋지 못해 선택적으로 흡수된다. 즉 대기 중의 이산화탄소는 지구 복사에너지를 흡수하고 방출하는 온실가스로 작용한다.
2) 지구 환경의 구성 요소별 탄소의 유입과 유출 속도의 균형은 탄소 순환 고리의 유지에 매우 중요하다. 하지만 인간의 산업 활동이 심화되면서 땅 속에 퇴적되는 데 수백만 년 걸리는 화석연료가 단 수십 년 만에 연소를 통해 대기 중으로 배출됐다. 대기 중 이산화탄소가 급격히 증가하면 짧은 기간 내 암권으로 돌아가지 못해 탄소 순환에 불균형이 발생한다. 대기 중에 방출된 이산화탄소는 지구온난화를 가속화한다.
3) 먼저 열대 해상에서 해수의 증발과 응결에 의해 에너지를 얻는 태풍은 바다의 온도가 상승하면 해수의 증발량이 늘어나서 강도나 발생 빈도가 증가한다. 강력한 태풍이 자주 발생하면서 재산과 인명에 막대한 피해를 가져올 수 있다. 또 지표와 대기의 온도가 상승하면 극지방의 빙하가 녹고 해수의 열팽창이 일어나면서 해수면이 상승해 육지의 면적이 감소할 수 있다. 그 결과 사람들의 삶의 터전이 점차 줄어들 수 있다.
Q 2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 현무암질 마그마가 냉각될 때 고온에서 먼저 정출되는 광물은 처음 마그마의 화학 조성에 비해 이산화규소(SiO2)의 함량이 적고, 철(Fe)과 마그네슘(Mg)의 함량이 많다. 따라서 마그마 잔액은 처음보다 Fe, Mg, 칼슘(Ca) 함량은 적어지고 SiO2, 나트륨(Na), 칼륨(K)의 함량은 많아져서 안산암질 마그마가 된다. 마그마가 냉각되는 내내 이런 과정이 계속적으로 일어나 유문암질 마그마가 되고, 마지막에는 열수 용액만 남게 된다. 이와 같이 마그마가 냉각되면서 화학 조성이 변해 성질이 다른 마그마가 되는 현상을 마그마의 분화 작용이라 한다.
- 고등학교 지구과학II 교과서
(나) 조암광물의 90%이상은 규산염 광물이다. 규산염 광물의 기본 물질은 한 개의 작은 규소이온이 중심에 있고 그 둘레에 4개의 큰 산소이온이 배열된 사면체형의 다원자 이온이다. 이를 SiO4 사면체라고 한다. 이 사면체에서 산소이온은 -2, O4는 모두 8개의 음전하를 갖고 규소이온은 4가의 양전하이므로 전체의 전하는 -4가 된다. 규산염 광물은 SiO4 사면체가 만드는 골격구조에 따라 7가지로 구분된다. 먼저 독립사면체는 SiO4 사면체가 독립으로 있고 인접 사면체와는 중간에 다른 양이온과의 연결돼 결합되는 모양으로 감람석((Mg,Fe) 2SiO4)이 그 예다. (중략) 마지막으로 망상 구조는 각 사면체에서 4개의 산소가 모두 인접 사면체와 공유돼 입체적 구조를 이루는 모양이며, 무색 광물인 석영(SiO2)이 그 예다.
- ‘지구과학개론’, 한국지구과학회 공저
(다) 원소가 가장 안정한 상태는 비활성 기체의 배치를 이룰 때다. 원자가 비활성 기체의 전자 배치 상태가 되기 위한 방법 중 한 가지는 이온결합이다. 대표적인 예로 염화나트륨(NaCl)은 나트륨이온(Na+)과 염소이온(Cl-)이 서로 전자를 주고받는 방식으로 결합한 물질이다. 이때 나트륨이온과 염화이온의 전자 배치는 비활성 기체인 네온(Ne)과 (Ar)의 전자 배치와 같다.
전자를 내놓으려는 경향이 비슷한 원자들은 서로 전자를 주고받기가 어렵다. 이와 같은 원자들은 각각 전자를 1개씩 내놓아 전자쌍을 만들고, 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합을 이룬다. 이와 같이 두 원자가 전자쌍을 공유함으로써 형성되는 결합을 공유결합이라고 한다. 공유결합을 이루는 다이아몬드(C)나 수정(SiO2) 같은 결정은 녹는점이 매우 높고 단단하다.
- 고등학교 화학II 교과서
화산체의 형태는 화산을 형성하는 용암의 특성과 관계가 깊다. 현무암질 용암으로 이뤄진 화산과 유문암질 용암으로 이뤄진 화산의 형태를 비교하고, 형태의 차이가 나타나는 이유를 각 용암의 물리·화학적 특성을 고려해 설명하라.
현무암질 용암과 유문암질 용암으로 이뤄진 화산의 형태는 각 용암의 온도, 유동성과 점성에 따라 다르며 이런 특성은 각 용암 내에 녹아 있는 암석과 그 암석을 구성하는 광물에 의해 결정됩니다. 제시문을 독해해 현무암질 용암 내의 주요 광물인 감람석과 유문암질 내의 다량 광물인 석영의 결정 구조를 비교해 설명합니다.
현무암질 용암이 식어서 굳으면 수평으로 넓게 퍼지는 순상화산이나 용암대지가 형성되고, 유문암질 용암이 식어서 굳으면 수직으로 높게 솟는 종상화산이 형성된다. 이런 형태의 차이는 각 용암을 형성하는 주요 원소, 광물, 암석들의 함유 비율이 다르기 때문이다.
높은 온도의 현무암질 용암(마그마)이 식으면 Fe, Mg과 같은 무거운 원소들이 모여서 감람석과 같은 광물을 우선적으로 정출시키고, 온도가 낮은 유문암질 용암이 식으면 O, 규소(Si)의 비율이 높아 가볍고 밝은 석영 등의 광물을 주로 정출시킨다. 즉 현무암질 용암은 SiO4 독립사면체와 Fe, Mg이 이온결합을 이루는 감람석이 주를 이루고 있다.
반면 유문암질 용암은 사면체의 각 꼭짓점에 있는 산소들을 이웃 사면체와 공유하며 공유결합을 이루는 석영 위주로 이뤄져 있다. 따라서 현무암질 용암에 비해 유문암질 용암은 내부 물질의 결합력이 높아 점성이 크고 유동성이 작은 성질을 지닌다. 그 결과 상대적으로 온도가 높고 유동성이 크며 점성이 작은 현무암질 용암은 분출한 뒤 수평으로 퍼지는 형태를 보이고, 그 반대의 성질을 지닌 유문암질 용암은 수직으로 솟는 형태를 보인다.
