2002학년도 수시모집에서는 다른 때에 비해 심층면접구술고사의 반영비율이 높다. 대학입시의 새로운 변수로 등장한 심층면접. 이번호 과학동아에서는 기존에 출제됐던 주제인 빛의 이중성과 천체의 표면과 대기, 그리고 출제가 예상되는 주제인 유전자의 우열과 확률의 맹점을 다뤘다.

1. 유전자의 우열

멘델의 유전법칙 가운데 가장 기본적으로 배우는 것이 우열의 법칙이며, 이때 우성과 열성의 의미에 대해서 다룬다. 그런데 우열의 법칙을 기계적으로 해석하고 문제를 풀기에만 급급하다 보면 그 정확한 의미에 대해서는 잘 모르는 경우가 대부분이다. 특히‘열성’유전자가 곧‘열등한’유전자거나 비정상적인 형질이라고 생각하거나, 열성 유전자는 오랜 세대가 지나면 없어질 것이라고 여기는 경우가 의외로 많다. 구술면접 문제들은 무엇보다도 기본 개념에 충실할 것을 요구하므로, 흔히 지나쳐버리기 쉬운 기본 개념들의 의미를 다각적으로 철저히 분석할 필요가 있다.

문 : 얼마 전에 우리집 딸애가 학교에서 PTC용액으로 미맹 실험을 해본 모양인데, 맛을 느끼지 못하는 미맹으로 판정됐던 모양이에요. 그런데 미맹은 열성이고, 그것 때문에 우리 딸애가 상당히 기분이 상해 있거든요. 학생은 내 딸을 어떤 방식으로 달래줄 수 있겠어요?
답 : 열성 유전자라고 해서 열등한 것은 아니지요. 우성(dominant)이냐 열성(recessive)이냐의 문제는 우월(superior)하냐 열등(inferior)하냐의 문제하고는 다릅니다. 우성∙열성 여부는 두 유전자가 공존할 때 어느 유전자의 특성이 발현되는지 여부를 통해 판단하지요. 예를 들어 A 유전자와 a 유전자를 함께 가지고 있는 Aa개체의 경우 A 형질은 드러나고 a 형질은 안 드러나기 때문에 A를 우성, a를 열성이라고 보는겁니다(그림1). 반면 우월∙열등 여부는 인간의 문화적인 가치가 반영되는 것입니다. 이것은 생물학적인 우성∙열성 여부와는 별 상관이 없습니다. 예를 들어 최근 젊은층의 문화적 기준으로는 롱다리가 선호되지만, 생물학적으로는 숏다리가 우성일 수도 있는 것입니다.

(그림1) 동일 형질에 관여하는 유전자 가 한쌍의 상동 염색체(서로 모양이 같 은 염색체)에서 동일한 자리에 자리잡고 있다. 이렇듯 유전자는 쌍으로 존재한다

문 : 다리 길이가 유전자 하나에 의해 결정된다는 건가요?
답 : 물론 그렇진 않습니다. 키나 다리 길이처럼 우리가 흔히 보는 형질들은 대개 여러 쌍의 유전자가 동시에 관여하기 때문에, 딱 부러지게 우성∙열성으로 나뉘지 않고 어중간한 형질들이 연속적으로 나타나지요(그림2). 조금전에는 쉬운 예를 들려다 보니까 그런 이야기가 나온 것뿐입니다.

(그림2) 우열의 법칙이 잘 들어맞는 경우는 그 형질이 한쌍의 유전자에 의해서만 좌우되는 경우이다(1). 이 런 형질은 비교적 찾아보기 어려우며, 귓불의 유무, 미 맹, 알비노(백자, 멜라닌색소가 생성되지 않아 피부가 하얗게 되는 병) 등이 교과과정에 나온다. 반면 키, 몸 무게, IQ 등과 같은 대개의 형질은 여러 쌍의 유전자들 의 복합적인 작용을 받으며, 환경의 영향도 많이 받는 다. 이런 경우는 분포곡선이 정규분포와 비슷한 연속적 인 모양을 나타낸다(2).

문 : 그러면 우성이 환경에 더 잘 적응한 것이겠네요?
답 : 그건 또 아닌데요. 예를 들어 왜소체구증(쉽게 이야기해서 난쟁이)은 우성으로 유전되는것으로 알려져 있거든요. 하지만 자연 환경에서 왜소체구증은 아무래도 생존에 불리하겠지요.

문 : 그러면 우성∙열성은 생존에 얼마나 유리하냐, 즉 환경에 얼마나 잘 적응했느냐 여부하고는 상관이 없단 말인가요?
답 : 원칙적으로 그렇지요.

문 : 하지만 우리가‘비정상’이라고 부르는 것들은 대체로 열성 유전되거든요. 물론 왜소체구증 같은 예외도 있긴 하지만…. 그건 왜 그럴까요?

(그림3) 우성 형질이 생존에 불리한 경우 우성 유전자 는 그 집단에서 급속도로 줄어든다(1). 반면 열성 형질 이 생존에 불리한 경우 열성 유전자는 어느 정도 이하 로 줄어들기 힘들다(2). 왜냐하면 우성 유전자와 붙어 있는 경우(Aa) 열성 유전자는 드러나지 않고 살아남아 자손에게 전해질 것이기 때문이다.

답 : 열성으로 유전되는 것 가운데 상대적으로 비정상 형질(즉 생존에 불리한 것)이 많은 건 사실입니다. 우성 유전자가 생존에 불리하다면, 여러 세대 지나다 보면 전체 집단 가운데 그 우성 유전자를 가진 개체는 점점 줄어들 것이고 완전히 없어질 수도 있겠지요. 하지만 열성 유전자는 생존에 불리하다 해도 우성 유전자와 함께 붙어있으면(Aa) 드러나지 않고 숨어있을 수있기 때문에, 완전히 없어지기가 어렵습니다(그림3). 따라서 우리가 현재 볼 수 있는 형질들 가운데 생존에 불리한 형질, 요컨대 비정상 형질은 대체로 열성 유전되는 것들이지요.

문 : 그런데 내 딸이 계속 기분 나빠하는 것은 열성 유전자를 가진 사람이 앞으로 점점 줄어들 텐데 왜 하필 그런 형질을 타고났냐는 것이거든요. 이 말에 대해서는 어떻게 생각하나요?
답 : 열성 유전자라고 해서 전체 집단 속에서 그 비율이 점점 줄어들게 돼있는 것은 아니지요. 열성 형질이 생존에 좀더 유리한 경우에는 열성 유전자를 가진 개체가 점점 많아질 겁니다. 열성 유전자가 생존에 불리한 경우라 해도, 아까 말씀드린 것처럼 우성 유전자에 가려진 채로 계속 다음 세대에 전달될 수 있기 때문에 비교적 오랜 기간 동안 존속하게 됩니다. 그런데 PTC에 맛을 느끼지 못하는 미맹은 생존에 특별히 불리한 것도 유리한 것도 없기 때문에, 전체 집단 속에서 미맹 유전자가 차지하는 비율은 거의 일정하게 유지될 겁니다.

요약
유전자의 우성∙열성은 단순히 두 유전자가 공존할 때 어떤 유전자의 형질이 드러날 것인지를 보여주는 개념이다. 우월∙열등은 인간의 문화적 가치기준을 척도로 판단하는 것이므로, 생물학적인 우성∙열성과는 전혀 기준이 다르다. 환경에 대한 적응∙부적응(그리고 이로 인한 생존율의 차이)은 이들과 또다른 차원의 문제로서, 일단 ①우성 유전자가 더 생존에 적합한 경우도 있고 열성 유전자가 더 생존에 적합한 경우도 있다는 점에서 우성∙열성 기준과 다르며 ②여기서 따지는 적응도(생존율)는 원칙적으로 인간의 사회적∙문화적 기준 이전의 자연 상태를 기준으로 한 것이므로 우월∙열등과도 다르다.

관련단원
일단 유전에 대한 이론적인 정리는 공통과학 및 생물Ⅱ의 유전 단원에서 찾아볼 수 있다. 그리고 생물Ⅱ의 생명의 기원과 진화 단원에 나오는 하디-바인베르크 법칙은, 우성 형질의 생존율과 열성 형질의 생존율이 모두 100%라고 전제할 경우 여러 세대가 지나도 우성 유전자의 비율과 열성 유전자의 비율이 일정하게 유지됨을 보여준다. 즉 단순히‘열성’이라는 이유로 점차 줄어드는 것은 아니다.

생각해볼문제
■팬더는 상당히 넓은 대나무숲이 존재하지 않으면 생존할 수 없다. 즉 변화하는 환경에 적응하는 능력이매우 낮다. 최근에 중국의 팬더 서식지역의 대나무숲이 줄어들면서 팬더의 멸종 가능성이 대두되고 있다.그렇다면 다윈이 말한 적자생존의 원리에 의해 팬더가 멸종하게끔 내버려두는 일이 타당한 것인가?
■어느 동물 개체군이 1백마리로 돼있다고 전제하자. 이들이 가진 특정 형질에 관여하는 유전자 전체 가운데 절반은 우성, 절반은 열성이다. 그런데 열성 개체의 생존율은 100%이고 우성 개체의 생존율은 50%라면, 10세대가 지났을 때 열성 유전자와 우성 유전자의 비율은 어떻게 달라지겠는지 어림잡아 계산해 보라. 또 그 반대로 열성 개체의 생존율은 50%이고 우성 개체의 생존율은 100%라면 어떻게 될지도 계산해 보라(단 여기서 생존율은 자손을 남길 때까지 살아있을 확률을 뜻한다).
■하디 -바인베르크 법칙이 성립되기 위한 전제는 무엇인가? 그리고 하디-바인베르크 법칙의 예외로서 유전자 비율이 변화하는 경우는 어떤 경우인가?

2. 확률의 맹점

확률은 자신의 주장을 뒷받침하는 논거로 많이 쓰인다. 예를 들어‘이러이러한 일이 일어났을 확률이 매우 높다’‘여태까지 통계상 이런 상황에서는 사태가 저런 식으로 전개될 것이다’라는 식으로 자신의 주장을 뒷받침하는 경우를 많이 볼 수 있다. 그런데 확률을 동원하는 일은 항상 여러가지 문제점을 수반한다. 이것은 교과과정에서는 그리 많이 다루지 않으나, 과학에서 요구하는 비판적 사고력에 있어 핵심적인 요인이다.

문 : 원자력 발전소에서 심각한 사고가 발생할 가능성이 1만분의 1에 불과하다는 주장이 있습니다. 이런 주장에 대해 어떻게 생각하나요?
답 : ‘1만분의 1에 불과하다’고 주장할 수도 있겠지만,‘ 1만분의1이나된다’고주장할수도 있을 것 같습니다. 만약 전세계 원자력 발전소가 1천기가 있다면, 10년에 한번씩 심각한 사고가 일어난다는 뜻이잖아요. 그런데 1986년 옛소련 체르노빌에서 일어난 사고의 경우에는 유출된 방사성 물질에서 나온 방사선으로 인해 약 30만명이 죽은 것으로 알고 있습니다. 즉 아무리 확률이 낮다 해도 일단 사건이 터지면 아무도 감당할 수 없는 사태가 벌어지므로, 그런 주장으로 원자력 발전의 안전성을 뒷받침하는 논리는 문제가 있다고 생각합니다.

문 : 그러면 그런 확률 계산이 무의미하다는 건가요?
답 : 확률이 무의미하다는 건 아닙니다. 나름대로 정교한 공학적∙수학적 모델을 이용해서 계산을 해낸 것이라고 생각합니다. 따라서 그 수치는 충분히‘의미있는’일이라고 생각합니다. 단지 저는 그런 확률을 통한 주장을 맹신해서는 안된다고 말하고 싶은 겁니다. 첫번째 이유는, 아까 말씀드린 것처럼 아무리 확률이 낮아도 일단 사건이 일어날 때의 결과에 대해서 충분히 고려해야 한다는 것입니다. 두번째 이유는 과연 전세계에서 조금씩 다른 방식과 기준으로 운용되고 있는 원자력 발전소들을 모두 조사해서 그 사고 확률을 계산한다는 것이 과연 정확할 수 있겠냐는 것이지요. 특히 사고는 사람들의 실수에 의해 일어나는 경우가 많습니다. 그런데 그 실수 가능성을 정확한 수치
로 대입한다는 건 좀 무리가 아닌가 싶습니다. 물론 두번째 이유에 대해서는 제가 전문가가 아니어서 더이상 구체적인 논거를 대긴 어렵습니다만….

문 : 그럼 이런 말은 어떤가요? 진화론을 반박하는 입장 중에는 생명체가 저절로 생겨날 확률이 약 1백만분의 1(1백6만4천4백80분의 1)밖에 안된다는 주장이 있습니다. 이건 쓰레기더미에서 점보여객기가 저절로 생겨나는 확률과 같다고 하는데요…. 그런데도 진화론을 믿어야 할까요?
답 : 확률이 낮다고 해서 일어나지 않았을 거라는 식의 논증은 근본적으로 문제가 있다고 봅니다.

문 : 확률이 그렇게 낮은데도요?
답 : 제가 알기로 진화론은 어느날 갑자기 생명체가 생겼다는 식의 주장이 아니라, 본격적인 의미의 생명체가 되기 전에 오랜 동안 이른바‘화학적 진화’가 이뤄진 끝에 생명체가 만들어진 것으로 설명합니다.

문 : 그럼 확률을 계산할 때 어떤 차이가 나죠?
답 : 주사위가 1백번 던져진 다음에 6이 나올 확률은 1/6이지만, 1백번 연속으로 6이 나올 확률은 (1/6)100 아닙니까? 그러니까 실제로는 서로 밀접히 연관된 사건들을 마치 서로 완전히 독립사건인 것처럼 취급한 일이 문제지요.

문 : 그런데 학생 말처럼 생명체의 탄생이 오랜 화학물질의 축적 이후에 만들어졌다 할지라도 그 확률이 상당히 낮은 것으로 밝혀진다면 학생은 어떻게 설명하겠습니까? 혹시 외계인과 같은 초자연적인 존재가 생명체를 만든 것은 아닐까요?
답 : A가 아니라고 해서 꼭 B라고 말할 수는 없는 것 아닙니까? 이유를 잘 모르겠으니까 ‘초자연적인 존재가 생명체를 만들었다’라는 식의 논증은 논리적으로 허점이 있는 것 같습니다. 과학이라는 것은 기본적으로 아무리 잘 모르는 일이 있어도 그것을‘자연적 현상’의 결과로 해석하려 하지, 대뜸 초자연적 존재를 끌어들여 설명을 한다면 그것은 더이상 과학이 아니라고 봅니다.

요약
원자력 발전과 관련된 논의는, 확률이 낮다 해도 일단 사건이 일어났을 때 그 파장이 감당하기 어려운 경우를 다루고 있다. 이러한 논의는 필연적으로 사건의 결과를 받아들일 수 있을지에 대해‘윤리적 판단’과 결부된다. 이와 똑같은 논의를 인간복제를 비롯한 생명공학 연구에 대한 통제 문제에 적용해볼 수도 있다. 생명체의 탄생과 관련된 논의는 크게 두가지 논점을 가지고 있는데, 첫번째는 확률 계산 방식이 잘못됐다
는 지적이고, 두번째는 이른바‘무지에 의한 논증’을 비판하는 것으로, 잘 모르니까 초자연적인 존재에 의한 것이라는 식의 주장에 대한 논리적 비판이다.

관련단원
원자력 발전의 원리는 공통과학의 전기에너지 부분 및 물리Ⅱ의 핵반응 단원에서 다룬다. 생물학적∙화학적 진화론은 생물Ⅱ의 생명의 기원과 진화 단원 및 지구과학Ⅱ의 지질 시대와 생물 단원에서 찾아볼 수있다. 그리고 마지막으로 제시된 과학의 특성, 즉 자연 현상을 자연적인 요인을 통해 설명한다는 원칙은, 공통과학의 첫단원인 과학의 탐구과정에서 다루는 내용과 관련되어 있다.

생각해볼문제
■실험실에서 돌연변이로 인해 치명적인 병원체가 만들어질 확률이 앞으로 20년 동안 10만분의 1이라고해보자. 그렇다면 해당 연구를 진행하겠는가?

3. 빛의 이중성

빛(전자기파)은 자연계열 각 영역의 전공들과 가장 광범위하게 관련돼 있는 자연현상들 가운데 하나다. 그런데 빛이 파동인지 입자의 흐름인지에 대해서는 뉴턴과 호이겐스 이래 오랜 논쟁이 있었다. 19세기 초 영(Thomas Young)의 간섭 실험이나 복굴절 연구로 드러난 빛의 편광성 등을 통해 대세는 파동이라는 쪽으로 기울어졌으나, 20세기 들어 아인슈타인이 광전효과를 광양자설을 통해 설명하면서 다시 입자의 흐름이라는 입장이 설득력을 얻게 됐다. 이후 학계에서는 빛이 입자로서의 측면과 파동으로서의 측면을 동시에 갖고 있다는 의견에 동의하기에 이르렀다. 2000학년도 서강대 수시모집에서 자연과학부 심층면접 문제로 출제된 바 있다.

문 : 빛은‘전자기파’(electromagneticwave)라고도 하는데, 여기서‘파’(wave)라는 말을 쓰게 된 이유는 무엇이지요?
답 : 빛이 파동으로서의 성질을 보여주기 때문입니다. 빛은 간섭, 회절, 편광 등의 현상을 일으키는데, 이것은 빛을 파동으로 보기 전에는 해석할 수 없는 현상입니다.

문 : 그러면 간섭에 대해 설명해 보세요.

답 : 물이 담긴 수조의 두 군데에서 동시에 물을 진동시키기 시작하면, 두파의 경로차가 파장의 정수배인 곳에서는 보강간섭이 일어나 진폭이 두배가 되고, 경로차가 파장의‘정수 +½배 ’되는 곳에서는 상쇄간섭이 일어나서 진폭이 0이 됩니다(그림1). 빛의 경우에도 두개의 슬릿을 통해 진행하다 보면, 보강간섭이 일어나는 곳에는 밝은 무늬가, 상쇄간섭이 일어나는 곳에는 어두운 무늬가 번갈아 나타납니다(그림2).

$(그림2) 빛의 간섭무늬. 두 슬릿 사이의 거리가 d, 슬릿에서 스크린까지의 최단거리를 l, 스크린 중 앙지점으로부터의 거리를 x라 할 때, 두 슬릿에서 출 발 한 빛 의 경 로 차 (dx / l)가 파장(λ)의 정수배 인 곳에서는 보강간섭이 일어나 주변보다 밝아지 고, 경로차가 파장의‘정 수+$\frac{1}{2}$배’이면 상쇄간섭이 일어나 주변보다 어두워 진다.$

문 : 반면 아인슈타인은 빛이 광양자(光量子, photon, 간단히 광자라고도 함)라는 주장을 폈는데, 그 근거는 무엇인가요?
답 : 광전효과에 대한 해석을 통해서지요. 금속에 빛을 쪼여주면 금속 표면으로부터 전자가 튀어나가거든요. 이 전자를‘광(光)전자’라 하며 이런 현상을‘광전효과’라고 합니다. 그런데 이 광전자는 특정한 에너지 이상의 빛을 쪼여줘야 튀어나가지요(그림3). 이를 근거로 아인슈타인은 빛이 입자의 흐름임을 주장했습니다.

(그림3) 광전효과. 광자 (빛을 이루는 입자) 1개당 에너지가 hν라 할 때, ν0 (한 계진동수)에 미치지 못해 에너지가 hν0에 미달하는 광자는 아무리 부딪혀도 전 자를 튀어나가게 만들 수 없다.

문 : 그게 왜 입자성을 보여주는 예라는 거죠?
답 : 만약 빛이 파동이라면, 좀더 큰 에너지를 가진 빛을 비춰주는 방법에는 첫째로 진동수가 더 큰 빛을 비춰주는 방법과, 둘째로 더 강한 빛을(즉 더 밝은, 진폭이 큰 빛을) 비춰주는 방법이 있을 겁니다. 그런데 실험 결과, 두번째 방법으로는 광전자를 만들어내지 못하는 경우가 있었습니다. 즉 아무리 밝은 빛을 쪼여준다 해도, 그 빛이 특정한 진동수에 미달하면 광전자가 튀어나오지 못하는 것입니다. 그렇다면 빛은 입자이며, 개별 입자(광양자)가 특정한 값 이상의 에너지를 가져야 전자를 튀어나가게 만들수 있다고 해석할 수 있지요.

문 : 지금 계속 빛의‘진동수’에 대해 이야기하는데, 빛이 입자라고 이야기하면서 진동수를 이야기하는 건 모순 아닌가요? 진동수는 파동의 특성을 나타내는 값이잖아요.
답 : 예. 거기에 대해서는 쉽게 이야기하기 어려운데, 우리가 살고 있는 거시적 세계에서는‘입자’와‘파동’은 서로 전혀 다른 현상으로 보입니다. 하지만 미시적 세계에서는 입자로서의 성질과, 파동으로서의 성질이 서로 대립적인 것이 아니며 특히 빛은 양쪽 성질을 모두 갖고 있다는 사실이 지금까지의 결론이라고 알고 있습니다. 예를 들어 광자 1개가 운반하는 에너지는 플랑크 상수에 진동수를 곱한 값(hν)으로 나타냅니다. 이렇게 입자의 특성을 설명하면서 진동수라는 파동적 특성을 끌어들이는 것이 거시적 세계에 익숙한 인간으로서는 이해하기 어려운 일이지만, 어쨌든 이것은 이론적∙실험적으로 잘 확인된 현상이므로 받아들여야 한다는 것입니다.

요약
빛이 (1)파동임을 보여주는 증거로는 ①간섭, ②회절, ③편광을 들 수 있다. 반면 빛이 (2)입자임을 보여주는 증거로 ①광전효과와 ②콤프턴효과를 들 수 있다. 빛은 이렇듯 파동으로서의 측면과, 입자로서의 측면을 모두 갖고 있다.

관련단원
빛의 파동성과 입자성, 그리고 물질파 개념은 물리Ⅱ의 파동과 입자 단원에서 자세히 다루고 있다. 특히 위에서 서술하지 않은 편광 및 콤프턴효과에 대해 서술된 부분을 자세히 참조하기 바란다.

한편 빛뿐만 아니라 우리가 흔히‘물질’이라고 부르는 것들(즉 질량을 가진 것들)도 입자로서의 성질과, 파동으로서의 성질을 동시에 가지고 있다. 물리Ⅱ에서는 드브로이의 물질파 방정식( $λ=\frac{h}{mv}$ )을 소개하고 있다. 이 방정식에 의하면, 질량 m이 작은 전자와 같은 물체가 큰 속도 v로 움직일 때 파장 λ가 충분히 확인할 수 있을 정도로 커진다. 일례로 전자가 산란될 때 회절 현상이 나타나는데, 이것은 일반적으로‘물질’이라고 이야기하는 존재가 입자(덩어리)로 볼 수 있는 측면과 함께 파동으로 볼 수 있는 측면을 가짐을 보여주는 것이다(그림4).

(그림4) 금속의 결정면에 전자를 쏘면 전자가 특정한 속력에 이르렀을 때 산란된 전자에서 회절 무늬가 나타난다. 이것은 전자기파의 일종인 X선을 쏠 때 나타나는 현상과 거의 같은 무늬로서, 전자의 흐름을 파동으로 간주할 때만 해석될 수 있다.

생각해볼문제
■편광 현상을 통해 알 수 있는 빛의 특성을 설명해 보라. 특히 빛이 횡파인지 종파인지를 알 수 있는 실험적 근거는 무엇인가?
■콤프턴효과에서 에너지가 보존되는지를 보이고, 이것이 왜 빛이 입자라는 근거가 되는지를 설명하라.
■물질을 파동으로 간주할 수 있다는 것은 어떤 근거에서인가?
■빛이 파동으로서의 성질을 잘 드러내는 경우와 입자로서의 성질을 잘 드러내는 경우를 파장 또는 진동수와 연관시켜 설명해 보라.

4. 천체의 표면과 대기

지구를 비롯한 행성들은 제각기 특이한 모양의 표면을 가지고 있다. 또한 대기도 전혀 없는 것에서부터 매우 진한 대기를 가지고 있는 목성이나 금성의 경우에 이르기까지 다양한 형태로 존재한다. 행성의 표면과 대기는 특히 행성의 표면반사율, 운석 구덩이, 소리가 들리는지 여부, 일교차 등을 좌우하는 요소로서 주의깊게 살펴볼 필요가 있다. 2001학년도 서울대 정시 전형에서 자연과학대학 기초과학계열 문제로, 달 표면에 운석구덩이가 많이 보이는 이유를 묻는 문제가 출제된 바 있다.

문 : 다음은 외계인에게 납치돼 UFO를 타고 달에 다녀왔다고 주장한 사람이 한 말의 일부거든요.“ UFO는 달과 일정거리를 두고 달주위를 돌고 있었다. 지구를 바라보니 지구는 절반가량이 밝게 빛나는 상태였다. 정말 아름다운 광경이었다. 이윽고 UFO는 달에 착륙했는데 중력이 약해서 그런지 별 충격 없이 사뿐히 내려앉았다. 달 표면은 어두운 빛깔이었으며 하늘에는 간간이 별똥별이 떨어지고 있었다. 태양이 중천에 떠있는 낮인데도 검은 하늘을 배경으로 별들이 반짝반짝 빛나고 있는 광경이 인상적이었다.”이 말에서 이 사람의 주장이 거짓임을 입증해주는 증거를 찾을 수 있는데, 그건무엇인가요?
답 : 달에는 대기가 없잖아요. 그러니까 유성, 즉 별똥별이 떨어진다는 것은 있을 수 없죠.

문 : 달에는 운석이 떨어지지 않는다는 이야긴가요?
답 : 아뇨, 운석은 떨어집니다. 그래서 달 표면에 자국이 남기도 하지요. 그런데 유성(별똥별)은 떨어질 때 대기와의 마찰로 인해 타버리면서 밝게 빛나는 모습이거든요(사진1). 하지만 달에는 대기가 없으므로, 하늘에 유성이 보이는건 불가능하지요.

문 : 그밖에 다른 증거는 없나요?
답 : 아, 별이‘반짝반짝’빛났다는 것도 말이 안됩니다. 지구 같은 곳에서는 대기의 요란(흔들림) 때문에 별빛이 흔들려 보이는 현상이 나타나는 반면, 달에는 대기가 없으니까 이렇게 보일 리가 없습니다.

(사진1) 유성 즉 별똥별. 대기와의 마찰로 인해 타 고 있는 중이므로 밝게 빛난다.

문 : 그러면‘낮인데도 하늘이 검은 빛이었다’는 말은 맞나요?
답 : 예.

문 : 왜 그렇지요?
답 : 지구와 같이 대기를 가지고 있으면 햇빛이 공기를 이루는 분자들에 의해 산란되고, 이로 인해 하늘 전체가 밝게 보입니다. 그런데 달에는 대기가 없기 때문에 태양이 떠있는 상황이라 할지라도 하늘은 시커멓게 보이고 별도 보이는 겁니다.

문 : 산란은 뭐지요?

답 : 일종의 반사라고 볼 수 있는데, 매끈한 평면에 의해 가지런히 반사되는 것이 아니라 기체 분자처럼 둥근 표면에 의해 여러 방향으로 반사되는 경우를 산란됐다고 합니다.

문 : 이건 달 표면 사진인데, 수많은 크레이터가 보이죠. 이건 화산 분출에 의한 것인가요, 아니면 운석 충돌에 의한 것인가요?
답 : 운석 충돌에 의한 크레이터라고 알고 있습니다. 전체적인 모양이 화산 분출 때문에 생긴 분화구와는 많이 다르기 때문입니다. 즉 운석충돌 구덩이는 얕은 산으로 둥글게 둘러 쌓이고 안쪽 바닥이 바깥쪽보다 대체로 낮은 반면, 화산 분화구는 작고 깊으며 거의 화산 정상에 있습니다.

문 : 그럼 왜 이렇게 크레이터가 많지요?
답 : 그 정도의 큰 자국을 남기려면 보통 운석이 아니라 거의 소행성급의 큰 천체와 충돌해야 하는데, 지구처럼 대기가 있는 천체라면 운석과 충돌해 생긴 자국은 풍화∙침식에 의해 금방 지워집니다. 하지만 대기가 없는 달의 경우에는 풍화∙침식도 없고 지각 변동도 없으니까 자국이 안 지워지는 겁니다. 그러다보니 지구와 달리 표면이 곰보가 된 것입니다(사진2).

(사진2) 달 표면. 구덩이가 많이 보이는 이유는 운석이 유난히 많이 충돌했기 때문이라기 보다는, 일단 생긴 운석 구덩이는 절대로 지워지지 않기 때문이다

문 : 왜 대기가 없는 거죠? 태고적부터 없었던 겁니까?
답 : 생성 당시에는 대기가 있었다고 하는데요.

문 : 그러면 왜 대기가 없어진 거죠?
답 : 대기를 끌어당기는 중력이 약해서 다 날아갔습니다.

문 : 중력이 약해서라…. 그러면 왜 달의 중력은 그렇게 약한가요?
답 : 천체(M)의 표면에서 질량을 가진 물체(m)에 작용하는 중력은 만유인력 공식을 이용해 G $\frac{Mm}{{R}^{2}}$으로 나타낼 수 있습니다. 그러니까 천체의 반지름(R)이 클수록, 그리고 천체의 질량(M)이 작을수록 중력이 약합니다. 그런데 달은 반지름에 비해 질량이 매우 작기 때문에 중력이 지구의 1/6 정도밖에 안되는 것으로 알고 있습니다.

요약
달은 중력이 약해서 대기를 간직하지 못하고 모두 날려보냈으며, 따라서 대기가 없다. 대기가 없다 보니①유성(별똥별)이 생기지 않고 ②낮에도 하늘은 시커멓고 별이 보이며 ③별이 반짝거리는 현상이 없다. ④풍화∙침식이 없어 일단 생긴 운석 구덩이는 지워지지 않는다. 따라서 달 표면은 온통 운석구덩이로 덮여있다.

관련단원
공통과학 및 지구과학Ⅱ의 태양계 단원에서 천체의 표면에 대해 다루고 있다. 그 밖에 위에서 언급하지 않았지만, 달에 대기가 없기 때문에 ⑤소리가 안 들리고, ⑥대기에 의한 보온효과(온실효과)가 전혀 없어 일교차가 크며, ⑦대기에 의한 산란이 없어 표면반사율이 낮으므로 비교적 어두워 보인다.

생각해볼문제
■화성에는 대기가 있음에도 불구하고 운석 구덩이가 간간이 보인다. 그 이유는 무엇일까?
■달 탐사중이던 사람이 무전기가 고장나서 옆의 동료와 의사소통을 할 수 없게 됐다. 손짓 발짓으로 다급하게 외쳐대도 전혀 소리가 들리지 않자, 동료는 자신의 헬멧을 이 사람의 헬멧에 접촉시켰다. 그러면 소리가 들릴 것인가? 그리고 만약 소리가 들린다면 소리는 어떠한 경로로 전달되는가?