d라이브러리

과학과 수학을 잘하는 비법은 목차를 읽는 것에서 시작한다.
2009년 1월부터 ‘교과서에 길이 있다’ 연재를 물리, 수학, 화학, 지구과학, 생물 순으로 5회에 걸쳐 대형 브로마이드와 함께 제공한다. 이번 지구과학 편에서는 고등학교 지구과학Ⅰ에서 배우는 핵심 내용을 먼지를 따라 떠나는 여행의 형식으로 풀어냈다.

“이 점을 보라. 그것은 바로 여기, 우리 집，우리 자신이다. … 이데올로기와 경제이론, … 문명의 창조자와 파괴자, 왕과 농민, 서로 사랑하는 젊은 남녀，… 성자와 죄인처럼 인류의 역사에서 그 모든 것의 총합이 거기에, 햇빛 속에 떠도는 먼지 위에 살았던 것이다.”

미국의 행성천문학자 칼 세이건이 쓴 책 ‘창백한 푸른 점’의 일부다. 실제 창백한 푸른 점은 1990년 2월 미국항공우주국(NASA)의 우주탐사선 보이저 1호의 카메라가 60억km 밖에서 포착한 지구의 모습이다. 세이건이 보이저가 보내온 사진을 보고 지구를 햇빛 속에 떠도는 먼지라고 표현했지만, 사실 지구는 우주먼지에서 태어났으며 지구에서 먼지는 사막 같은 땅뿐 아니라 대기와 해양을 떠돌고 있다. 먼지를 따라 지구과학 여행을 떠나보자.

봄 햇살이 따사롭게 비껴 들어오는 창가에 앉아 있노라면 햇빛 속에 떠다니는 먼지를 볼 수 있다. 우리 주변을 떠도는 먼지의 일부는 수십억 년 전에 소행성끼리 충돌하면서 떨어져 나온 것이다. 먼지 중에는 수년이나 수세기 전에 지구를 스쳐 지나갔을지도 모를 혜성을 구성하던 녀석도 있다. 최초의 우주먼지를 포함한 신비스런 먼지 입자는 날마다 지상에 내려앉는다.

천문학_우주먼지에서 태어난 지구

우리가 살고 있는 지구는 우주먼지의 거대한 자궁 속에서 탄생했다. 우주먼지 응집설에 따르면 기체와 먼지로 구성된 성운이 회전하면서 중심부에 원시 태양이 생성되고, 각 궤도에 따라 우주먼지가 한데 뭉쳐 원시 행성이 태어났다. 우주먼지가 모여 미행성이 만들어졌으며 현재 지구의 공전 궤도 근처에 있던 미행성이 충돌하고 모여 원시 지구가 생겨났다.

원시 지구가 점차 커지는 과정에서 마그마 바다가 만들어지는 단계가 있었다. 현재의 지구 크기로 커지면서 핵과 맨틀이 분리되고, 비로소 원시 지각, 원시 대기, 원시 바다가 만들어졌다. 이때가 약 45억 년 전이다. 그 뒤 지구에서는 기권, 수권, 암권이 형성돼 지질 시대에 접어들며 침식·풍화 작용이 일어나기 시작했다.

지구와 비슷한 시기에 ‘먼지’에서 태어난 달은 태양빛을 반사해 밝게 빛난다. 달이 지구를 공전하는 동안 지구에서 볼 수 있는 부분은 태양과의 상대적 위치에 따라 달라지므로 달의 위상이 초승달, 상현달, 보름달, 하현달, 그믐달로 변한다. 달의 위상이 반복되는 주기(삭망월)는 약 29.5일이다. 달은 매일 50분씩 늦게 떠올라 초승달이나 상현달은 초저녁에, 하현달이나 그믐달은 이른 새벽에 각각 관찰할 수 있다.

금성 같은 내행성은 태양으로부터 일정한 각거리에서만 왕복하는 겉보기 운동을 하기 때문에 항상 초저녁이나 새벽녘에만 볼 수 있다. 금성이 태양에서 최대로 멀어지는 각거리(최대 이각)는 태양의 동쪽이나 서쪽으로 48°이다. 망원경으로 금성을 꾸준히 관찰하면 달처럼 위상이 변하면서 크기도 변한다는 사실을 확인할 수 있다. 반면 화성 같은 외행성은 천구상에서 동쪽으로 움직이다가(순행) 지구를 사이에 두고 태양의 정반대에 위치하면(충) 서쪽으로 움직인다(역행). 16세기에 코페르니쿠스가 제안한 지동설(태양중심설)을 도입하면 금성의 위상 변화와 화성의 역행을 쉽게 설명할 수 있다.

달, 지구, 금성, 화성처럼 표면이 딱딱한 천체에는 운석이 충돌해 생긴 구덩이인 크레이터가 많다. 운석은 우주먼지로 이뤄진 미행성과 같은 물체로 태양계와 지구의 기원을 연구할 때 중요하다. 최근에는 행성뿐 아니라 혜성이나 소행성 같은 작은 천체에도 스타더스트, 니어-슈메이커 같은 탐사선을 보냈는데, 이 또한 지구를 비롯한 태양계 탄생의 실마리를 풀어줄 것으로 기대되기 때문이다.

천문학자들은 전 하늘을 88조각으로 나눠 이들마다 별자리 이름을 붙였다. 별들은 천구상에서 비슷한 거리에 있는 것처럼 보이지만 실제 그렇지 않다. 지구가 태양을 공전하므로 지구 공전궤도에서 6개월 간격을 두고 같은 영역의 밤하늘을 찍어 비교하면 가까운 별이 먼 별을 배경으로 일정한 거리를 이동한 사실을 확인할 수 있다. 이 각거리의 절반을 연주시차라고 한다. 별의 거리(pc, 파섹)는 연주시차(″)의 역수로 구할 수 있다. 1pc=3.26광년.

별은 저마다 밝기를 뽐내다가 최후에 마치 불꽃놀이의 폭죽이 터지듯 수많은 먼지를 쏟아낸다. 이렇게 생을 다한 별이 남긴 먼지는 태양과 지구를 비롯한 천체의 다음 세대를 형성할 것이다.

지질학_고도 34km까지 먼지 뿜어낸 화산
1991년 6월 필리핀의 피나투보 화산이 뿜어낸 먼지는 성층권의 중간에 놓인 오존층을 뚫고 34km나 치솟아 올랐다. 과학자들은 지구 주위를 여러 차례 도는 피나투보의 먼지를 인공위성으로 추적하기도 했다. 화산은 수십억t의 용암과 함께 수십km3의 화산재(화산 쇄설물 중 지름 0.25~4mm의 입자. 엄밀하게 먼지는 지름 0.25mm 이하인 화산진의 일부)를 방출한다.

화산 분출물은 크게 화산 가스, 용암, 화산 쇄설물로 나눌 수 있다. 화산 가스는 평균 70%가 수증기이고, 용암은 마그마가 지표로 분출한 형태로 가스가 빠져 나가 마그마와 성분이 다르며, 화산 쇄설물은 화산 폭발 때 분출되는 고체 물질이다.

화산 쇄설물 중 하나인 화산재가 쌓여 굳어진 암석을 응회암이라고 한다. 흥미롭게도 백두산에서 분출된 화산재가 편서풍에 실려 일본 북해도까지 날아가 응회암이 된 사례도 발견된다. 또 용암은 화산으로부터 150km까지 흘러가기도 하는데, 특히 온도에 따라 점성이 달라 화산체 모양도 다르다. 온도가 낮은 유문암질 용암은 점성이 크기 때문에 이동 속도가 느려 가파른 종상 화산을 만드는 반면, 온도가 높은 현무암질 용암은 점성이 작으므로 멀리 이동해 완만한 순상 화산이나 평평한 용암 대지를 만든다. 제주도의 한라산도 점성이 작은 용암이 분출해 생긴 순상 화산이다.

미세한 화산재는 공중으로 솟아오르면 대류권 상층까지 올라가기도 해, 햇빛을 막아 지구의 기온을 떨어뜨린다. 이 때문에 농작물에 냉해가 발생하고 기상 이변이 일어난다. 화산 활동은 인명 피해를 일으킬 뿐 아니라 건물, 농경지, 교통통신 시설을 파괴한다. 화산 쇄설물이 뜨거운 가스와 뒤섞여 산기슭을 따라 흘러내리는 것을 화산쇄설류라고 하는데, 온도가 500~1000℃에 이르며 이동 속도가 빨라 위험하다. 하지만 화산이 피해만 일으키는 건 아니다. 온천 관광, 지열 발전을 가능하게 하며, 지하의 칼륨, 인 같은 광물질을 지표로 뿜어 토양을 비옥하게 만든다.

먼지를 뿜어낸 화산을 살피다 보면 판구조론의 비밀도 만날 수 있다. 피나투보 화산은 필리핀 판이 유라시아 판 아래로 침강하는 변동대에 위치한다. 이런 변동대에서는 화산 활동과 지진 활동이 활발하다. 판은 지각과 맨틀의 최상부로 구성된 두께 약 100km의 암석권인데, 지구의 겉껍질은 크고 작은 여러 개의 판으로 돼 있다. 각 판들이 서로 다른 방향으로 움직이며 충돌하거나(수렴 경계) 멀어지거나(발산 경계) 엇갈려 지나면서(보존 경계) 다양한 지각 변동을 일으킨다.

수렴 경계에서는 인도 판이 북상해 유라시아 판과 충돌하며 히말라야 산맥이 생성됐듯이 대륙판끼리 충돌해 조산대가 형성되거나, 해구에서 해양판이 대륙판 아래로 섭입돼 지진대와 화산대가 형성된다. 발산 경계에서는 해저산맥인 해령에서처럼 마그마가 분출하고, 보존 경계에서는 변환 단층이 만들어지며 두 판의 마찰로 천발 지진이 발생한다.

먼지는 화석을 만드는 데도 유리하다. 화석이 만들어지려면 죽은 생물의 유해가 곧바로 퇴적물에 덮여 분해되지 않아야 하는데, 돌이나 모래보다 점토(먼지)에 덮이면 화석이 생기기 쉽다. 특히 특정 시기에 지리적으로 넓은 지역에서 살아 지층의 생성시기를 알려주는 화석을 표준화석이라고 한다. 고생대 삼엽충, 중생대 암모나이트와 공룡, 신생대 매머드 등이 대표적인 예다. 지층이 만들어진 순서를 상대적으로 정할 때, 즉 지층의 상대 연령을 결정할 때 지층에서 관찰되는 화석을 비교하는 방법이 좋다. 먼지 속에 지구의 과거가 담겨 있는 셈이다.

대기학_먼지 없인 구름 없다
하늘에 떠 있는 구름은 다양한 먼지 주위에 응집한 작은 물방울의 집합체에 불과하다. 만일 공기 중에 먼지가 없다면 상대 습도가 100%를 훌쩍 넘어도 수증기는 응결하지 않을 것이다. 왜 그럴까.

지상에 있던 공기 덩어리가 높이 올라가면 기압이 낮아져 부피가 팽창하므로 외부에 열을 뺏기지 않아도 공기 덩어리 내부의 온도는 낮아진다. 즉 공기 덩어리가 단열 팽창해 온도가 떨어진다. 이때 공기의 온도가 이슬점 이하로 내려간다면 공기는 수증기로 포화돼 응결이 일어나고 공기 중에 수증기가 충분히 있으면 구름이 생긴다.

그런데 수증기가 응결할 때는 응결을 촉진시키는 응결핵이 필요하다. 응결핵이 없으면 수증기가 과포화 상태가 돼도 응결은 일어나지 않는다. 대개 해수면에서 올라온 해염(海鹽) 미립자, 지면에서 날아온 토양의 미세입자, 화산재 등이 응결핵이 된다. 토양 입자나 화산재 같은 먼지가 구름을 만드는 중요한 응결핵인 셈이다.

먼지가 부족하다는 것은 하늘에 구름이 거의 없다는 의미이기도 하다. 지구에 그림자를 드리우며 적지 않은 양의 햇빛을 차단하는 것이 바로 구름이다. 구름은 언제나 지구를 절반쯤 덮고 있는데, 만일 그런 구름이 없다면 지구에는 끔찍한 더위가 닥칠 것이다. 우리 모두 먼지에게 감사해야 하지 않을까.

하늘에 구름이 있다고 항상 비가 오지는 않는다. 구름 속에서 빗방울이 만들어져야 비가 내린다. 비가 내리는 과정은 지역에 따라 다르다. 중위도와 고위도에서는 구름 속에 과냉각 물방울(온도가 0℃ 이하로 내려가도 얼지 않는 물방울)과 빙정(얼음 알갱이)이 섞여 있는데, 과냉각 물방울에서 증발된 수증기가 빙정에 달라붙기 때문에 빙정이 점차 성장한 뒤 낙하하다 녹아 비로 내린다. 이를 빙정설이라 하며, 이때 내리는 비를 찬비라 부르기도 한다.

이에 반해 열대 지방이나 여름철 중위도 지방에서는 구름 속에 물방울만 있어 물방울끼리 충돌하다 성장해 비가 내린다. 이를 병합설이라 하고, 이때 내리는 비를 따뜻한 비라 부른다. 보통 빗방울(지름 2mm) 1개가 만들어지려면, 구름 속 물방울(지름 0.02mm)이 100만 개나 모여야 한다.

한편 매년 사막에서 10억~30억t에 이르는 먼지가 하늘로 날아오른다. 10억t이면 기차의 화물칸 1400만 대를 꽉 채울 수 있는 어마어마한 양이다. 그 기차는 지구 둘레를 여섯 번이나 휘감을 것이다. 사막 먼지 중 그 절반은 전적으로 인간의 책임이다. 과도한 경작과 관개, 산림 벌채, 환경오염으로 기후가 변화해 사막화 경향이 더 높아졌다. 이 때문에 대기 중에 자연적으로 존재하는 사막 먼지의 양은 2배로 증가했다.

봄이 올 때마다 우리나라에서는 황사를 겪는 날이 늘고 있다. 중국이나 몽골의 사막에 있는 모래와 먼지가 강한 바람이 불면 상승하는데, 작고 가벼운 먼지는 편서풍을 타고 한반도에 날아온다. 이것이 바로 누런 모래 먼지인 황사다. 지구 온난화와 사막화가 가속되면서 황사의 강도가 점점 심해지고 있다.

황사가 타고 온 편서풍은 대기 대순환의 일부로 중위도 지상에서 고위도 지방을 향해 부는 바람이다. 우리나라도 중위도의 편서풍대에 위치하는데, 중위도 지방에서 발생하는 기압계는 이 편서풍을 따라 이동한다. 따라서 우리나라의 날씨는 서쪽에서 동쪽으로 변화해 가고, 이 때문에 일기 예보를 할 때 서쪽의 황해나 중국 대륙에 있는 기압계와 구름을 염두에 둬야 한다. 짙은 황사가 발생할 경우 중국 대륙에서 출발한 누런 먼지는 인공위성이 찍은 구름 사진에서도 눈에 띌 정도다.

해양학_시계 방향으로 순환하는 북태평양을 건너다
아시아대륙 중심부에서 발생한 황사는 상층의 강한 편서풍을 타고 하와이는 물론 심지어 미국 본토나 알래스카 북쪽 해안까지 날아간다. 아시아에서 꿈틀거리며 나온 다량의 먼지가 오염물질과 엉켜 태평양을 가로지르며 북미 북서부까지 이동하는 현상은 ‘아시안 특급’(Asian Express)이라 불린다. 먼지가 수천km까지 날아 태평양을 건너다니!

먼지가 태평양을 건너며 바라본 바닷물의 흐름(해류)은 어떨까. 세계 해류 분포는 대기 대순환에 따라 부는 바람과 밀접하게 관련 있는데, 이는 해류가 주로 바람에 의해 형성된다는 뜻이다. 중위도 해역에는 편서풍에 의해 북태평양 해류가 동쪽으로 흐르고, 적도 부근 해역에서는 무역풍에 의해 북적도 해류가 서쪽으로 흐른다.

대양을 가로질러 동서 방향으로 흐르던 해류는 대륙과 부딪치면 남북 방향으로 흐른다. 북태평양 서안을 따라 북상하는 쿠로시오 해류와 동안을 따라 남하하는 캘리포니아 해류가 그 예다. 쿠로시오 해류의 지류인 동한 난류는 우리나라 동해안을 따라 북쪽으로 흐르다가 북한 한류와 만나 경북 죽변 근해에 조경 수역(영양 염류가 풍부해 좋은 어장)을 이룬다. 결국 북반구에서는 해류가 시계 방향으로 순환함을 알 수 있다. 남반구의 해류는 반시계 방향으로 순환한다.

사실 해류의 중요성을 처음 깨달은 사람은 미국의 벤자민 프랭클린이다. 미국과 유럽 간에 해상 운송이 활발하던 18세기 어느 날 프랭클린은 한 귀족으로부터 수수께끼 같은 질문을 받았다. 미국에서 유럽으로 항해할 때보다 유럽에서 미국으로 올 때 시간이 2주 정도 더 걸리는데, 그 이유를 묻는 질문이었다. 프랭클린은 선장이던 조카한테서 대서양에 일정한 방향으로 흐르는 강물과 같은 흐름이 존재한다는 얘기를 듣고 해답을 발견했다. 그리고는 1769년 미국에서 유럽으로 흐르는 멕시코 만류를 대서양 해도에 그려 넣었다.

해수와 대기는 많은 양의 열과 수증기를 교환하며 서로 영향을 주고받는다. 특히 동태평양 적도 부근인 페루 앞바다의 표면 해수 온도가 평년보다 높아지는 현상(엘니뇨)이 좋은 예다. 평년에 남미 연안에는 서쪽으로 부는 남동무역풍에 의해 표층수가 호주 연안으로 이동하고 페루 앞바다에서 차가운 물이 올라와 좋은 어장이 형성된다. 하지만 평년보다 해수 온도가 높은 엘니뇨 시에는 무역풍이 약해져 용승이 줄고 어획량이 감소할 뿐 아니라 상승기류가 나타나 중남미에 기상이변이 일어난다.

또 대기 중에 온실 기체인 이산화탄소가 늘어 지구 온난화가 가속되면 해수면이 상승할 가능성이 높다. 지구의 평균 온도가 높아지면 극지방의 빙하가 녹을 뿐 아니라 해수 온도가 높아져 해수 부피가 팽창하기 때문에 전 세계적으로 해수면이 상승할 것이다.

바다를 이루는 물은 비열이 크기 때문에 데울 때 큰 에너지가 들고 한 번 데워지면 잘 식지 않는다. 덕분에 바다는 지구의 기온을 일정하게 유지하는 커다란 에어컨 역할을 한다. 또 물은 생명 활동에 필수다. 만약 지구에 바다가 형성되지 않았다면 지구는 영원히 무생물의 행성이 됐을 것이다.

햇빛 속에 떠다니는 먼지 같은 지구, 즉 창백한 푸른 점을 바라보노라면 우리가 아는 유일한 고향을 소중히 다뤄야 한다는 책임감이 들지 않는가.

손영운 작가는 서울대 지구과학교육과를 졸업하고 중·고등학교 과학교사와 과학영재교육 전문가로 오랫동안 활동하다 지금은 재미있고 신나는 과학 글쓰기에 정진하고 있다. 그동안 중·고등학교 지구과학 교과서뿐 아니라 ‘아인슈타인처럼 생각하기’ ‘교과서를 만든 과학자들’ 등을 집필했다.