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정착하려는 행성이 화성처럼 대기가 희박하고 기온이 낮다면 먼저 대기를 두껍게 만든 뒤 온실효과로 기온을 올려야 한다. 지구온난화가 문제인 지구에서는 상상도 할 수 없는 일이지만 온실가스 생산 공장을 만들면 된다.



화성의 극관에는 대량의 드라이아이스가 있다. 우주 어느 곳에서 이렇게 커다란 드라이아이스를 발견한다면 원하는 만큼 우주선에 매달아 끌고 간 뒤 추운 행성에 떨어뜨린다. 거대한 드라이아이스가 충돌하면서 열이 발생하고 이 열 때문에 드라이아이스가 이산화탄소로 바뀐다. 결국 그 행성에 온실효과가 일어난다. 행성에 이미 얼음 상태의 물이 있다면 소행성을 충돌시켜 그 열로 얼음을 수증기로 만들 수도 있다. 수증기 역시 온실효과를 일으키므로 기온이 올라간다. 곧바로 기온을 올리는 방법도 있다. 행성의 궤도에 거대한 거울을 설치하는 것이다. 알루미늄으로 코팅한 얇은 필름을 넓게 펼쳐서 별에서 나오는 빛을 반사시켜 행성을 비춰 주면 표면 온도를 올릴 수 있다. 또는 행성에 어두운 색의 흙을 뿌려 더 많은 빛을 흡수하게 만드는 방법도 있다.


(1) 원시성운 수축

초기에 회전하던 원시성운은 자체 중력으로 점차 수축해 물질이 안쪽으로 모여들면서 회전속도가 빨라지고 납작해진다. 성운 안쪽의 물질은 중심부로 수축하면서 온도를 높이고 또 안쪽 물질의 강한 인력 때문에 바깥쪽 물질은 더 빠르게 회전하면서 점차 납작한 원반을 이룬다. 성운 중심부에서는 급격한 밀도 증가에 따른 빠른 중력수축(중력붕괴)으로 빛을 내는 원시태양이 탄생된다. 이러한 원시성운의 수축단계는 약 1천만년간 지속된다.



(2) 미행성 형성

원시성운의 계속적인 수축으로 회전원반은 더욱 납작해지며 회전속도는 더 빨라진다. 태양의 강한 열과 복사압으로 안쪽 성운물질에서 가벼운 원소들은 온도가 낮은 바깥쪽으로 밀려난다. 그래서 안쪽 지역의 원반물질에서 무거운 원소가 상대적으로 많아진다. 원반물질은 원반 중앙면으로 내려오면서 수축된다. 이때 밀도가 짙은 지역에서는 먼지입자들이 서로 엉겨붙어 커지면서 큰 덩어리로 성장한다. 이러한 물질 덩이가 많아질수록 원반수축이 더 빨라지면서 큰 물질덩이가 더 많이 생긴다. 물질덩이가 수cm~수m 크기로 성장하면서 서로 충돌결합이 일어나면 물질덩이는 더 빠르게 커져 약 1만년 후에 수km 크기로 성장한다. 이처럼 크기가 수m~수km에 이르는 초기 원시물체를 미행성이라 부른다. 이런 미행성의 형성단계는 10만~1백만년간 지속된다.



(3) 행성 형성

태양 가까운 원반에서는 높은 태양열과 복사압 때문에 가스성분이 결핍된 미행성들의 충돌결합으로 암석질의 암석행성이 형성됐다. 태양에서 5AU 떨어진 목성 정도 거리에서는 온도가 낮아 원반 내의 물이 얼음으로 남게 된다. 얼음은 주위 물질을 쉽게 흡착하는 촉매 역할을 해 미행성들을 빠르게 끌어모은다. 그렇게 해서 가장 질량이 큰 목성이 형성되고, 뒤에 토성이 형성됐다.



화성과 목성 사이에 수많은 작은 소행성들이 존재한다. 이들이 초기에 충돌 결합으로 큰 행성을 이룰 수 없었던 이유는 목성의 강한 인력이 자체적인 중력결합을 방해했기 때문으로 보인다. 태양에서 10AU-30AU만큼 멀리 떨어진 지역에서는 온도가 -190℃ 이하로 낮기 때문에 암모니아와 메탄이 고체얼음 상태로 존재할 수 있었다(암모니아의 용융온도 : -78℃, 메탄의 용융온도 : -183℃). 이들에 의해 효과적으로 주위 물질이 흡착됐기 때문에 질량이 큰 천왕성과 해왕성의 얼음행성이 형성됐다. 원반 내에서 행성들이 형성되기까지 1천만년~1억년의 기간이 걸렸다.



(4) 성운 분산

행성들이 형성된 후 그 주위에 남아있는 얼음성분의 미행성들로부터 위성들이 형성됐다. 그리고 남은 미행성들 중에서 대부분은 행성들의 섭동으로 해왕성 바깥쪽으로 밀려나 카이퍼벨트와 오르트구름을 이루고 있다. 이 미행성이 태양 가까이 지나면 긴 꼬리를 내는 혜성으로 나타난다. 최근 행성계에서 퇴출된 명왕성은 카이퍼벨트에 들어있던 큰 미행성으로 짐작된다. 남아있는 미행성들이 분산되는 데 1천만년~1억년이 소요됐다.






물은 어디에서 왔을까

생명체가 살아가기 위해서는 외부 물질로부터 에너지를 얻을 수 있어야 한다. 이 과정을 물질 대사라 한다. 물질대사를 위해 꼭 필요한 것이 액체 상태의 물이다. 물은 1기압 0℃ 이하에서 고체 상태로 존재하고 100℃ 이상에는 기체로 존재한다.



물의 기원은 지구 생성 초기 지구와 충돌한 혜성 및 소행성에 함유된 것들과 지구 구성 초기 물질이 갖고 있는 물이 모인 것으로 추정된다. 혜성과 소행성이 보유하던 물은 지구와 충돌할 때 대기 중으로 기화됐고, 지구를 구성하는 수분은 화산활동에 의해 수증기로 방출됐다. 이 수증기들이 응결돼 비가 내리고 이것이 모여 현재의 바다(액체 상태의 물)가 됐다.



물이 액채로 존재하는 이유



지구의 평균기온은 2007년 기준 14.57℃로 물이 액체 상태로 있을 수 있는 온도를 유지하고 있다. 지구는 이 온도를 어떻게 유지할 수 있을까. 지구는 태양으로부터 에너지를 복사(빛) 형태로 공급받고 있다. 지금 지구에 대기가 없는 경우 태양 복사에너지에 의해서만 지구 기온이 유지되며 에너지 보존법칙에 의해 다음의 관계를 만족한다.


대기 중 산소의 역할



태양계 탄생에 대한 학설 중 가장 유력한 학설은 성운설이다. 이를 바탕으로 생각하면 태양계를 구성하는 행성들은 모두 유사한 대기를 가져야 한다. 그러나 지구만 유독 20%가 넘는 산소를 갖고 있으니 신기한 일이다. 지구의 원시대기는 다른 행성들과 차이가 없었다고 가정한다면, 지구의 특수한 환경에 의해 산소가 만들어졌다고 볼 수 있다. 원시지구에도 많은 양의 물은 존재했다. 수증기로 변한 일부의 물이 대기 상층부로 올라가고 에너지 자외선에 의해 수소와 산소로 분해됐다. 수소는 지구 중력을 벗어나 지구를 탈출하고 산소는 대기 중에 남았다. 이 과정에서 지구의 산소가 만들어졌다면 금성에는 지구보다 더 많은 양의 산소가 있어야 하는데 그렇지 않다. 결국 다른 방법으로도 지구의 산소가 만들어졌다고 볼 수 있다.



추가적인 산소의 발생은 생명체가 만든 것으로 보인다. 미생물중 일부는 산소가 없어도 물질대사를 하며 살아갈 수 있다. 생명의 역사 초창기에 이러한 미생물들이 진화를 거쳐 36억년 전 광합성을 할 수 있는 시아노박테리아가 나타났다. 이들은 광합성을 통해 물을 산소와 수소로 분해했다. 수소는 탄소와 연결해 유기물을 만들고 산소는 대기 중으로 방출해 대기의 구성 성분을 조금씩 변화시켰다. 두 가지 원인에 의해 산소의 농도가 증가하면서 생명체도 커졌다. 산소는 전기음성도가 커 산화력이 크다. 산소가 화학반응에 참여하면 더 많은 에너지를 발생시킬 수 있다. 그래서 산소를 물질대사에 사용한 생명체는 동일한 유기물을 섭취하고 최대 30

배 많은 에너지를 만들어낼 수 있어 몸집이 커진다. 대기 중의 산소분자는 자외선이나 벼락 등에 의해서 산소원자 2개로 분해된다. 이것과 다른 산소분자가 결합해 오존을 만든다.



O2+hf(빛에너지) → 2O

2O2+2O → 2O3



대기 중 산소 농도가 현재 농도의 1/100이 되면서 오존층이 형성됐고, 농도가 계속 증가해 현

재 1/10인 성층권에 오존층이 만들어진 것으로 보인다. 오존층은 태양으로부터 오는 자외선을 흡수해 지상에 자외선이 도달하는 양을 감소시킨다. 오존층이 형성된 후 생물은 물뿐 아니라 대기에서도 자외선으로부터 보호받아 지상으로 진출했다.





생명체를 보호하는 지구 자기장



지구와 지구 주위에 나타나는 자석으로의 성질을 지구자기라고 한다. 지구의 자기적 성질이 영향을 미치는 영역을 지구 자기장이라 한다. 자기장은 자석에 의해서 형성된다. 지구의 자기장은 남에서 북으로 향하며 막대 작석이 만들어 내는 자기장과 유사하다. 지표면과 자기력선이 부딪히는 곳을 자극이라 하는데 자전축의 북극

과 남극 근방에 분포하는 자극을 각각 자기 북극과 자기 남극이라 한다. 이 자극과 자전축은 일치하지 않는다. 자극의 위치는 변화하며 자기 북극이 N극으로 자기 남극이 S극으로 변하기도 한다. 이러한 현상을 지자기 역전현상이라 한다. 이러한 지자기장은 태양으로부터 오는 고 에너지 하전입자가 지표면에 도달하는 것을 막

아주는 방어막 역할을 한다.



고 에너지 하전입자는 지자기장에 의해 경로가 바뀌어 지구를 비껴가거나 밴 엘런대에 모인다. 이러한 하전 입자가 공기 중의 질소 혹은 산소와 충돌하면 질소와 산소가 빛을 내는데 이를 오로라(극광)라 한다. 지구 자기장이 사리진다면 고 에너지 입자가 지상에 도달해 생명체가 살 수 없게 된다. 이러한 지구 자기장의 근원은 철과 니켈로 구성된 액체의 외핵이라는 설이 지배적이다. 철과 니켈로 구성된 외핵이 지구 자전에 의해서 운동함으로써 자기장이 발생한다는 것이다.



왜 지금 테라포밍인가



우리가 생각해봐야 할 것은 우리가 ‘왜 테라포밍에 관심을 갖기 시작했는가’이다. 지구의 인구는 인류 탄생 이래 최대치를 계속 넘어서고 있으며 가용자원은 줄고 있다. 온실효과로 인한 기상이 변을 비롯해 인류의 미래를 어둡게 하는 요소들이 나타나고 있다. 이런 상황을 극복하기 위한 다양한 대안으로 여러 가지 중 하나가 테라포밍이다. 테라포밍은 아직 너무 먼 이야기처럼 들린다. 하지만 언젠가는 가능해질 것이다. 인류의 미래를 위해 무엇을 해야 할지 생각해보는 것은 큰 의미가 있다.

Q. 생각해 봅시다 지금의 기술력으로는 행성에 인공적으로 자기장을 만드는 것이 어렵다. 그래서 자기장이 있는 행성이나 하전 입자가 적게 도달하는 위치의 행성을 찾아야 한다. 하전 입자가 적게 도달하기 위해서는 항성으로부터 거리가 멀어야 하는데, 이렇게 되면 복사량이 줄어 물이 액체로 있을 수 없다. 이런 경우 온실효과를 만들 수 있는 기체의 양을 늘려 온도를 높이는 방법을 대안으로 생각할 수 있다. 그러나 이 방법으로 테라포밍된 행성에는 사람이 살 수 없다. 이는 호흡과 관련돼 있다. 그 이유를 생각해보자.