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Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.



(가) 지방족 탄화수소 중 가장 간단한 알칸인 메탄은 지구가 생성될 때 원시 대기 중에 존재했으나 현재에는 대기 중에 거의 존재하지 않는다. 오늘날 자연 상태에서 메탄은 대부분 생물체의 유해로부터 생성되는데, 구체적으로는 두 가지 경우로 나뉜다. 첫째는 퇴적층 내의 생물체 유해가 혐기성 세균 등에 의해 부패하는 과정에서 메탄이 생성되는 경우다. 둘째는 퇴적층 내의 생물체 유해가 고온, 고압의 환경에서 탄화돼 메탄이 생성되는 경우다. 이렇게 생성된 메탄은 퇴적층에 비해 밀도가 작으므로 지층의 갈라진 틈이나 빈 공간이 많은 층을 따라 상층으로 이동한다.



메탄은 색, 맛, 냄새가 없고 공기보다 가벼운 기체로 천연 가스의 주성분이다. 천연 가스에 포함된 메탄은 휘발유나 경유에 비해 연소할 때 이산화탄소와 같은 온실 기체나 대기 오염 물질의 발생이 훨씬 적고 발열량은 커서 액화 석유 가스 대신 많이 사용된다. 천연 가스는 액화시키는 기술이 발달함에 따라 사용이 비약적으로 확대됐다. 주성분인 메탄의 경우 1기압에서 -162℃ 이하로 온도를 내리면 액체가 된다. 부피는 표준 상태 기체의 정도로 감소한다. 하지만 운송 및 저장을 위한 끓는점 이하의 온도 유지에 비용이 많이 든다는 점과 관리 소홀로 대기 중으로의 유출시 이산화탄소보다 강한 온실 효과를 일으킨다는 점은 단점이다.



(나) 2007년 6월 19일 포항에서 동북방으로 약 135km 떨어진 동해상의 한 심해저에서 ‘불타는 얼음’으로 불리는 ‘가스하이드레이트’를 발견했다. 차세대 에너지원으로 불리는 가스하이드레이트는 겉보기에는 얼음과 비슷하지만 분자 구조는 다르다. 가스하이드레이트는 여러 개의 물 분자가 0.5~0.7nm 크기의 축구공 모양으로 배열돼 그 내부에 메탄이나 프로판, 이산화탄소 같은 기체 분자를 한 종류씩 담고 있는 수화물 구조다.



메탄하이드레이트는 대부분 해저의 땅 속에서 생성된다. 얼음이 얼만큼 온도가 낮고, 29기압 이상의 압력을 받는 깊은 곳에서 얼음과 메탄가스가 만나면 메탄하이드레이트가 만들어지는 것이다. 이러한 독특한 생성 환경 때문에 1m3의 메탄하이드레이트에는 약 172m3에 이르는 메탄 기체를 저장할 수 있다. 이때 얼음층이 메탄으로 포화돼 더 이상 메탄하이드레이트를 형성하지 못하면 메탄 기체가 얼음층 아래에 쌓인다. 이를 해저 모방 반사(BSR, Bottom Simulating Reflector)면이라고 한다.



(다) 파동은 전파하는 데 매질의 필요에 따라 탄성파와 비탄성파로 구분할 수 있다. 전자기파를 제외한 대부분의 파동이 탄성파이며, 매질의 탄성에 의해 전파 속도나 경로 등이 영향을 받는다. 매질의 탄성에 가장 큰 영향을 주는 요소는 그 매질의 상태이며, 그에 따른 파동의 전파 속도는 고체에서 가장 빠르고 기체에서 가장 느리다.



파동의 전파할 때, 매질의 상태가 변하는 경계에서는 다양한 현상이 나타난다. 새로운 매질이 파동에 대해 투명하지 않으면 흡수와 반사만 일어나지만, 파동에 대해 투과성을 갖는 매질에 도달한 파동은 흡수, 반사, 투과(또는 굴절)가 동시에 일어난다.



탄성파의 경우 파동의 진행 방향과 진동 방향의 관계에 따라 종파와 횡파로 구분한다. 이중 종파는 매질의 진동 방향으로 진행하는 파동이다. 매질의 부피 변화가 복원되는 성질에 의해 전달된다. 반면 횡파는 매질의 진동 방향과 진행 방향이 수직을 이루는 파동이다. 매질의 부피 변화보다는 모양 변화에 대한 탄성에 의존해 전달되는 성격을 갖는다.



(라) 액체와 기체의 두 가지 상태가 서로 구분될 수 있는 최대의 온도와 압력 한계를 임계점이라고 하며, 이 점에서의 온도와 압력을 각각 임계온도와 임계압력이라고 한다. 초임계 유체란 ‘임계온도와 임계압력 이상에서 존재하는 유체’를 말하며, 이 상태에서의 유체는 액체와 비슷한 높은 밀도와 용매화하는 성질, 그리고 가스와 비슷한 점도와 유동성을 갖는다. 이 때문에 초임계 유체는 매질의 입자들 사이로 빠르게 확산되며 또한 반응물로 고정되기 수월하다. <;그림 2>;에서는 이산화탄소의 초임계 유체 영역이 표시돼 있다.



1) [난이도 상] 메탄하이드레이트는 ‘영구 동토층을 포함한 추운 지역의 대륙 주변부에서 심해저로 연결되는 해구의 육지 쪽 사면’에서 가장 잘 발견된다. 그 이유를 구성 물질과 생성 환경 측면에서 논하시오.



2) [난이도 중] 메탄하이드레이트의 존재 유무를 실제로 밝히는 데에는 해저 모방 반사면(BSR)이 활용된다. 그 과정을 제시문 (나)와 (다)의 내용을 참조해 구체적으로 설명하시오.



3) [난이도 중] 메탄하이드레이트의 저장 상태는 과거 지구 기후 변화에 영향을 줬을 것으로 추정된다. 빙하기와 간빙기에 나타나는 해수면의 높이 변화와 메탄하이드레이트의 생성 조건 사이의 관계를 설명하고, 빙하기와 간빙기의 반복성에 영향을 주는 과정을 설명하시오.



4) [난이도 중] 포집된 이산화탄소를 지각의 심부에 주입해 저장한다고 가정하자. 이산화탄소가 가장 안정된 상태로 오랜 기간 저장될 수 있기 위해서는 다음의 가정 하에서 지표를 기준으로 최저 어느 깊이로 주입하면 적합할지 제시문(라)를 참고해 온도와 압력에 근거해 논하시오.







[전문가 클리닉]

1) 제시문 독해를 통한 관련 소재의 이해 능력과 해저 지질 환경에 관한 배경 지식 수준을 평가하고, 논제에서 요구하는 방향으로 추론하는 능력을 측정하는 문제입니다. 우선 메탄하이드레이트와 메탄의 생성에 좋은 환경을 기술합니다. 영구 동토층을 포함한 추운 지역이라는 조건과 해저 지형 중 대륙 사면부의 특징을 종합해 메탄하이드레이트 생성 과정 중 어떤 과정에 유리한 환경인지를 판단합니다.



2) 제시문에 주어진 개념에 대한 이해와 파동에 관한 교육 과정 내 배경지식을 활용해 문제를 해결합니다. 해저 모방 반사면의 정의를 이해하고, 메탄하이드레이트 발견과의 상관 관계 추론합니다. 또한 해수(액체)와 해저 퇴적층(고체), 해저 모방 반사면(기체)의 상태 차이를 인식한 후, 횡파가 아닌 종파를 이용해야 하는 이유, 파동의 반사 특성을 이용해야 이유 등을 추론적으로 밝힙니다.



3) 제시문의 내용을 기반으로 추론 능력을 평가합니다. 메탄이 강력한 온실 기체임을 기술하고, 이를 메탄하이드레이트의 저장 상태와 지구 평균 기온의 관계로 해석합니다. 빙하기(또는 간빙기)에서 결빙(또는 해빙) 과정과 해수면 높이 변화를 기술하고, 해수면 높이 변화와 메탄하이드레이트 층의 압력 환경 관계를 추론, 그 변화와 대기 중 메탄의 양의 관계를 설명합니다.



4) 제시문에 대한 독해와 그래프 자료에 대한 이해 능력, 추론 능력과 물리량 단위 환산 과정에 대한 이해와 정량적 계산 능력을 평가하는 문항입니다. 특히 이산화탄소를 초임계 상태로 보관하는 상황에 대한 추론적 설명이 필요합니다.



<;예시답안>;

1) 메탄하이드레이트는 메탄과 얼음으로 구성돼 있다. 이중 메탄은 생물체의 유해와 세균 등을 원료로 퇴적층 내의 고온 고압 환경에서 생성된다. 이렇게 만들어진 메탄이 얼음과 결합하기 위해서는 저온 고압의 환경이 필요하다.



우선 메탄하이드레이트의 구성 물질 측면에서 살펴보자. 영구 동토층을 포함한 추운 지역의 해저에는 얼음을 포함한 퇴적층이 풍부하다. 대륙 주변부에서 해구로 연결되는 대륙 사면은 메탄의 구성 물질인 생물체의 유해 등 퇴적 물질의 유입이 가장 활발한 지형이다.



한편 생성 환경 측면에서는 다음과 같다. 대륙판과 해양판의 수렴 경계인 해구의 대륙판 쪽은 화산 활동과 판의 충돌로 인해 메탄 생성에 유리한 고온 고압의 환경을 제공한다. 이렇게 만들어진 메탄이 지층의 틈을 따라 해저면 근처에서 두꺼운 영구 동토층과 만나면 저온 고압의 환경에서 메탄하이드레이트를 생성한다.



2) 해저 모방 반사면은 영구 동토층 등의 얼음에 메탄가스가 포획된 고체의 메탄하이드레이트층 아래에 메탄가스가 쌓여 생성된 기체층이다. 즉 어떠한 탐사를 통해 해저 모방 반사면을 찾아낼 수 있다면, 메탄하이드레이트층도 발견할 수 있을 것이다.



탄성파를 이용한 탐사를 가정하자. 액체인 바다 속에 고체 상태의 퇴적층 내에 기체 상태의 해저 모방 반사면을 찾아내기 위해서는, 부피 변화에 대한 탄성에 의존하는 종파를 사용해야 한다. 해수면에서 해저면을 향해 초음파와 같이 매질의 다양한 상태에 대한 투과성을 갖는 종파를 전파하면 해저면과 해저 모방 반사면처럼 상태 변화가 뚜렷한 경계에서는 반사와 같은 현상이 나타난다. 이때 해저에서 반사된 파동과 시차를 보이는 뚜렷한 반사파가 존재한다면, 해저 지각 내에 상태 변화 등의 급격한 차이를 보이는 층을 의심해볼 수 있으며, 해저 모방 반사면의 가능성을 검토할 수 있다.



3) 메탄은 연소 과정 없이 대기 중으로 유출되면 이산화탄소보다 강한 온실 효과를 일으키는 온실 기체다. 즉 메탄하이드레이트의 저장 상태가 불안정해 대기 중으로 대량 방출되면, 강력한 온실 효과에 의해 지구 온난화가 급격하게 일어날 수 있다.



한편 해수면의 높이 변화는 해저에 가해지는 해수의 압력을 변화시킨다. 이는 다시 해저면 아래의 퇴적층 압력에도 영향을 준다. 예를 들어 빙하기에 결빙에 의해 해수면이 낮아지면서 해수의 양이 줄어들어 해저면에 가해지는 압력이 낮아지면, 그 아래의 메탄하이드레이트층에 가해지는 압력도 낮아진다. 메탄하이드레이트 생성에 필요한 임계 압력보다 낮아지면, 메탄하이드레이트는 얼음과 메탄으로 분리돼 지각의 틈을 따라 해수나 대기 중으로 방출된다. 지구의 평균 기온이 상승해 얼었던 빙하가 녹아 간빙기에 접어들면 다시 해수면 상승과 그에 따른 압력 증가로 메탄하이드레이트 생성이 활발해진다. 열린계인 지구 내에서 탄소의 순환 중 메탄하이드레이트층에 갇히는 메탄의 양이 증가하며, 이는 대기 중 온실 기체인 메탄 양의 감소로 이어져서 지구의 평균 기온이 낮아진다. 즉 빙하기와 간빙기의 반복적인 변화와 메탄하이드레이트의 저장 상태는 상호 연관성을 갖고 있다.



4) 이산화탄소를 지각의 심부에 저장하는 경우, 주입된 이산화탄소는 고온 고압의 상태에서 고밀도의 초임계 상태로 존재할 수 있다. 제시문에 주어진 바와 같이 초임계 상태의 유체는 주변 물체와의 빠른 접촉과 용매 수준의 반응성을 갖는다. 따라서 단순히 물리적으로 압축돼 저장되는 경우에 비해 안정적으로 고정될 가능성이 크다. 즉, 지각의 심부에 이산화탄소가 안정적으로 저장되기 위해서는 초임계 상태로 저장되는 것이 바람직하며, 제시문에 주어진 상평형도에 의하면 이산화탄소가 초임계 상태가 되기 위해서는 온도가 30℃ 이상, 압력은 74bar 이상의 환경이 필요하다. 한편 대륙 지각의 표면 온도는 0℃이고, 대기압은 1bar이므로, 우선 지표로부터 xkm 깊이의 심부에서는 온도는 다음과 같다.



지표에서 x만큼 깊은 곳에서의 온도 T(x) =0+25x

지표에서 x만큼 깊은 곳에서의 압력을 구하기 위해서 단면적이 A(km )이고, 높이가 x(km)인 지각 기둥을 가정하자. 이 기둥의 무게는 다음과 같다.






지표에서 x만큼 깊은 곳에서의 압력은 다음과 같다.



온도와 압력이 각각 임계 조건 이상의 값을 만족하는 환경이어야 하므로, 이산화탄소는 25x≧30, 1+300x≧74를 동시에 만족하는 깊이인 x=1.2km 이상의 지각 심부에서 초임계 상태로 안정적으로 저장할 수 있다.