여러분~, 여기예요! 잠깐, 쉿! 다른 펭귄들에게 들키지 않게 조심하세요! 제가 누군지 모르겠다고요? 펭귄들의 다리를 잘 보세요. 이제 저를 찾았나요? 저는 <;어린이과학동아>; 편집부에서 파견한 스파이 펭귄로봇이랍니다. 다리 대신 바퀴가 달려 있지요. 최근 남극에서 미스터리한 사건이 많이 일어나고 있다는 소식을 듣고 굴러왔답니다. 지금부터 저와 함께 남극 미스터리의 실체를 파헤쳐 봐요!

※기사에 화자로 등장하는 펭귄로봇은 실제 프랑스 스트라스부르대학교 연구팀이 황제펭귄을 연구하기 위해 2014년 11월에 남극에 보낸 로봇입니다. 이 로봇은 기사에서처럼 말을 할 수는 없지만, 실제로 배에 달린 카메라로 황제펭귄의 생태를 관찰하는 역할을 하고 있어요.

미스터리 1 남극점이 움직인다?

얼마 전 남극점이 정확하지 않다는 제보를 들었어요. 게다가 최근 남극에서 발견된 100년 묵은 수첩이 바로 그 남극점 미스터리의 증거가 된다는데…. 수첩의 정체부터 알아보겠습니다!

100년 전 수첩의 주인은?

2013년 여름, 남극 케이프에번스에 있는 영국 스콧탐험대 기지에서 수첩 하나가 발견됐어요. 약 100년 전 남극을 탐험한 스콧탐험대가 사용했던 오두막 주변의 눈이 녹으면서 수첩이 모습을 드러낸 거죠. 발견했을 당시 수첩에는 얼음과 물 등이 달라붙어 있어서 어떤 내용이 적혀 있는지 알아보기가 어려웠어요. 이후 프랑스의 한 전문가가 무려 7개월 동안 수첩의 종이를 한 장 한 장 떼는 작업에 매달린 끝에 수첩 내용을 모두 복원할 수 있었답니다.

그 결과 이 수첩의 주인은 동물학자이자 외과의사인 조지 머리 레빅으로 밝혀졌어요. 레빅은 1910년부터 1913년까지 스콧탐험대의 한 사람으로 참여해 남극에 사는 젠투펭귄의 한 종류인 아델리펭귄에 대한 생태를 조사했어요. 당시 레빅의 연구를 통해 아델리펭귄 수컷의 난폭한 성격과 생활이 처음으로 밝혀졌죠. 이번에 발견된 수첩에는 레빅이 아델리펭귄 수컷을 관찰한 내용이 적혀 있었어요.

100년 전과 지금의 남극점 위치가 다른 이유는?

1910년 초, 지구에서 가장 남쪽인 남극점을 누가 정복할지 이목이 집중돼 있었어요. 영국의 로버트 스콧 탐험대를 비롯해 프랑스, 독일 탐험대 등이 사람들의 기대를 안고 남극 탐험에 나섰지요.

처음 남극점에 도달한 사람은 노르웨이의 로알 아문센 탐험대였어요. 원래 아문센은 북극점을 탐사할 계획이었지만 1909년 미국의 로버트 피어리가 북극점에 먼저 도착하자 목표지점을 남극점으로 바꿨지요. 이후 아문센은 비밀리에 남극에 갈 준비를 했답니다.

아문센은 추운 북극에 사는 에스키모의 생활방식대로 탐사를 진행했어요. 에스키모가 입는 털옷을 입고, 개가 끄는 썰매를 이용했지요. 이렇게 극지방에 사는 원주민의 방식대로 탐사한 결과, 19명의 적은 탐사 인원으로 남극점에 최초로 도착할 수 있었답니다. 스콧은 그로부터 34일 뒤, 남극점에 도착했어요.

그런데 오늘 날 남극점은 100년 전 아문센과 스콧이 찾은 남극점과 위치가 달라요. 과거 탐험대들이 찾은 남극점 위치가 잘못된 걸까요? 사실 남극점 위치는 지금도 변하고 있어요. 지구 자전축과 남극이 움직이기 때문이지요.

지구 자전축과 남극 대륙이 만나는 지점이 바로 지리적 남극점(남위 90° 지점)이에요. 그런데 지구 자전축은 지구가 자전할 때 생기는 미세한 떨림으로 하루에 한 뼘 정도씩 움직여요. 또한 대륙 전체가 조금씩 움직이기 때문에 남극 대륙의 얼음 역시 함께 움직이지요. 따라서 지금도 남극점은 조금씩 이동하고 있는 거예요. 이런 이유로 남극에서는 1년마다 한 번씩 남극점을 표시하는 시설물들을 이동시킨답니다.

초록색이 스콧탐사대, 빨간색이 아문센탐사대의 탐사 경로. 스콧은 이전에 다른 탐험대가 조사한 경로를 택했고, 아문센은 아무도 조사하지 않은 험한 길을 택했다.

1900년대 탐사대
아문센과 스콧은 ‘육분의’와 ‘크로노미터’ 같은 기기로 태양이나 달, 별의 고도와 방위각을 측정해 남극점 위치를 알아냈다. 하지만 정확한 측정이 어려워 당시 탐사대가 찾은 남극점은 현재 남극점과 약 1km 떨어진 곳으로 추측된다.

챈들러원
조금씩 움직이는 지구 자전축의 경로를 표시하면 14개월의 주기로 지름 21m의 동그란 원이 되는데, 이 원을 ‘챈들러원’이라고 한다. 지금은 편의상 챈들러원의 안쪽을 모두 남극점이라고 부른다.

2000년대 과학자
최근에는 인공위성이 보내오는 GPS 정보를 이용해 어느 곳에서든 위치를 정확히 알 수 있다. 시시때때로 변하는 남극점의 위치 역시 정확하고 쉽게 파악할 수 있다.

미스터리 2 빙하 밑에 숨겨진 300여 개의 호수

두 번째 미스터리의 정체는 바로 호수! 남극에 300개가 넘는 호수가 있다는 제보를 들었거든요. 그런데 남극에 와 보니 어디에도 호수가 보이지 않아요. 그런데 잠깐! 얼음 밑이 심상치 않아요. 혹시 호수가 저 속에? 당장 얼음 밑으로 들어가 보겠습니다! 슝~!

호수를 찾아 얼음 800m를 뚫다!

남극은 표면의 98%가 두꺼운 얼음으로 덮인 대륙이에요. 과학자들은 두꺼운 얼음 속에 숨겨진 남극 땅의 모습이 궁금했어요. 그래서 원격탐지 위성으로 남극의 지형을 탐사하던 중, 얼음 밑에 숨어 있는 호수를 발견했지요. 이렇게 수백 미터에서 수천 킬로미터 두께의 빙하 밑에 있는 호수를 ‘빙저호’라고 불러요.

빙저호는 두 가지 원인으로 얼음이 녹아 생겨났어요. 첫 번째는 지구 내부의 열이에요. 지구 내부는 구성 물질에 따라 다르지만, 대체로 1000℃ 이상으로 온도가 높아요. 이렇게 뜨거운 지구 내부 열이 전달돼 빙하 아랫부분이 조금씩 녹아 물이 된 거죠.

두 번째 원인은 압력이에요. 물은 압력이 높을수록 어는점이 낮아져요. 남극의 두꺼운 얼음이 위에서 누르면 빙하 아랫부분의 압력이 높아져 물의 어는점이 낮아지죠. 그래서 빙저호의 물은 낮은 온도에서도 얼지 않고 존재할 수 있답니다.

2013년 1월, 5개 국가가 참여한 국제 공동연구팀은 최초로 800m 깊이에 있는 빙저호의 물을 길어 올렸어요. 연구팀이 탐사한 ‘윌런스 호수’는 깊이 2m에 60㎢ 넓이로, 축구장 8개를 합친 크기예요. 연구팀은 호수의 오염을 막기 위해 장비를 소독하고, 뜨거운 물을 부어가며 7일 동안 작업했어요. 빙저호에 맞닿은 얼음까지 모두 뚫는 순간, 영하 0.5℃의 물이 시추공 속으로 솟구쳤답니다.

빛도 대기도 없는 호수에서 4000여 종의 미생물 발견

국제 공동연구팀은 윌런스 호수의 물과 퇴적물 샘플을 분석해, 물 1㎖에서 13만 개가 넘는 세포를 발견했어요. 또한 샘플에서 만 3931종의 미생물을 발견했답니다. 연구팀은 “햇빛은 물론 대기도 차단된 환경에서 미생물들은 호수 바닥에 깔린 침전물이나 바위의 철분, 황 등을 산화시켜 에너지를 얻었을 것”이라고 설명했어요. 이 연구 결과는 올해 8월 과학전문지인 네이처에 발표됐답니다. 앞으로 연구팀은 이번에 발견한 미생물이 어떻게 생겨났고, 또 어떻게 극한 환경에서 살아남았는지 연구할 예정이에요.

미스터리 3 남극 얼음 속에서 찾아낸 유령입자

세 번째 미스터리는 이름만 듣고도 덜컥 겁이 났어요. 남극에서 유령입자가 발견됐다지 뭐예요! 앗! 혹시 저 얼음 속에서 빛나는 게 유령? 으…, 무섭지만 유령입자를 찾으러 더 깊은 얼음 속으로 들어가 봐야겠어요!

남극 얼음에서 유령입자 찾은 아이스큐브

남극점 근처에 가면 거대한 공장 같은 연구소가 있어요. 2010년에 설립된 이 연구소에서는 남극 얼음을 뚫어 유령입자를 찾기 위한 연구를 하고 있지요.

유령입자는 ‘중성미자’를 가리키는 말이에요. 중성미자는 전기적으로 중성이며, 질량이 0에 가까운 가장 작은 단위의 입자예요. 우주 먼 곳에 있는 블랙홀 같은 곳에서만 생길 수 있어서 과학자들은 중성미자를 통해 우주의 기원을 밝힐 수 있을 것으로 기대하고 있지요. 중성미자는 전기적으로 중성이라 다른 물질과 거의 반응하지 않으며, 모든 물체를 뚫고 지나가는 성질을 가져 ‘유령입자’라고 불린답니다.

연구팀은 중성미자를 찾기 위해 남극의 얼음 1~3㎞를 뚫어 86개의 구덩이를 만들었어요. 그리고 동그란 기계 60대를 17m 간격으로 한 대씩 줄줄이 매달아 얼음 구멍 속으로 내려 보냈지요. 이렇게 86개의 구멍에 반복해 기계를 내려 보내 모두 5160대를 설치했답니다. 이게 바로 ‘아이스큐브’예요.

2013년 12월, 연구팀은 아이스큐브를 이용해 남극 얼음 속에서 최초로 중성미자를 발견했어요. 중성미자의 일부는 얼음에 있는 물 분자와 반응해요. 그래서 두꺼운 남극 얼음 속에 아이스큐브를 설치한 거죠. 중성미자와 물 분자가 반응하면서 순간적으로 푸른빛이 강렬하게 번쩍이는데, 이 신호를 아이스큐브가 감지한답니다.

실제 아이스큐브가 설치된 모습. 위에 있는 연구소와 오른쪽 아래에 있는 에펠탑 크기와 비교하면 아이스큐브의 엄청난 규모를 짐작할 수 있다.

interview
아이스큐브의 아버지, 프란시스 할젠
아이스큐브 책임연구원, 미국 위스콘신 매디슨 대학교 물리학과 교수

Q 어떻게 남극에 아이스큐브를 설치해 우주에 대해 연구할 생각을 했나요?

A 빛의 입자와 닮았지만, 빛과 달리 벽을 뚫고 지나갈 수 있는 중성미자가 항상 궁금했어요. 그러다 1980년대에 막연하게 ‘남극 얼음 속에 중성미자 검출기를 설치하면 어떨까’ 하고 아이디어가 떠올랐어요. 극지방은 지구 자기장이 모이는 곳이라 우주에서 지구로 들어오는 입자들이 발견될 확률이 높거든요. 또 다른 물질과 거의 반응하지 않는 중성미자를 찾기에는 밀도가 높은 남극 얼음이 제격이라고 생각했지요.

Q 아이스큐브가 엄청난 크기잖아요. 만들 때 어려운 점은 없었나요?

A 아이스큐브를 만드는 데는 많은 자원이 필요했어요. 그래서 먼저 아이스큐브를 100배로 축소한 기계를 만들어 봤어요. 이 검출기로 남극 얼음에서 중성미자를 검출하는 방법을 연구했지요. 그리고 아주 투명한 얼음에서 빛이 100m 이상을 움직인다는 사실을 알아냈어요. 빛으로 중성미자를 감지하는 아이스큐브의 가능성을 확인할 수 있었죠.
이후 한국과 미국을 비롯해 독일, 영국 등 여러 나라의 과학자들이 모여 2004년부터 아이스큐브를 만들기 시작했어요. 설치 기간만 약 7년이 걸렸죠. 미국국립과학재단에서 지원한 기금 약 3300억 원을 들여 만들었답니다.

Q 앞으로 어떤 연구를 할 계획인가요?

A 이번에 발견한 28개의 중성미자를 시작으로 계속해서 더 많은 중성미자를 찾아낼 계획이에요. 그리고 검출된 중성미자를 분석해 자세한 정보를 찾는 연구를 시작해야죠. 중성미자에 대한 정보가 자세히 밝혀지면 물리학계뿐 아니라 천문학계에서도 다양하고 새로운 연구를 시작할 수 있어요. 중성미자는 드넓은 우주에서 빛이 통과하지 못하는 곳까지 자유롭게 다닐 수 있는 놀라운 능력을 가졌거든요. 우주의 기원이나 생성 과정과 같은 비밀을 풀 수 있는 열쇠가 될 수 있답니다.

미스터리 4 남극 물고기 진화의 연결고리를 찾아라!

네 번째 미스터리는 남극 물고기에 대한 이야기예요. 누군가 남극에 사는 물고기 정체에 대해 제보를 해 왔거든요. 과연 남극 물고기는 어떤 맛이…, 아니, 남극 물고기의 정체를 파헤쳐 보겠습니다!

남극대구 정체는 남극 물고기 진화의 열쇠!

남극 바다 수온은 평균 영하 2℃예요. 이렇게 추운 환경에도 불구하고 220여 종의 남극 고유 어류종이 살고 있답니다. 많은 과학자들은 이렇게 극한 환경에서 얼지 않고 잘 사는 남극 물고기들이 어떻게 진화했는지에 대한 궁금증을 갖고 있었어요. 그런데 올해 9월, 우리나라 극지연구소 박현 박사님이 남극 물고기 진화 과정의 열쇠를 찾는 데 성공했답니다.

박현 박사님은 남극에 사는 물고기 중 하나인 남극대구의 유전체 전체를 해독했어요. 남극에 사는 어류의 유전체를 모두 밝힌 것은 세계 최초지요. 연구팀은 남극 바다에 사는 물고기 중에서도 77%를 차지하는 대표 어종이라는 이유로 남극대구를 연구 대상으로 택했답니다.

남극대구는 몸길이 25~35㎝에 진한 갈색을 띠고 커다란 입과 날카로운 이빨을 가졌어요. 육식성인 남극대구가 가장 좋아하는 먹이는 놀랍게도 소고기예요. 연구팀은 세종기지 근처 바다에서 낚시에 소고기 미끼를 매달아 여러 마리의 남극대구를 잡았어요. 그리고 기지에 있는 연구실에서 조직 일부를 떼어내 유전정보가 담겨 있는 RNA와 DNA를 추출했지요. 남극대구의 유전자를 구성하는 염기의 배열을 분석한 결과, 3만 2260개의 유전자를 확인할 수 있었죠. 이 중 1만 3123개가 남극대구만 가지고 있는 고유한 유전자였답니다.

그런데 남극대구의 고유한 유전자 1만 3123개를 뺀 나머지 전부가 온대성 물고기들이 가진 유전자와 같았어요. 연구팀은 이를 바탕으로 약 100만 년 전에 온대성 물고기인 큰가시고기에서 분리된 어종이 남극에서 살면서 오랜 시간 동안 진화하면서 지금의 남극대구가 되었다고 분석했어요. 또한 그 뒤에 남극대구가 남극에 사는 가장 진화한 물고기인 점무늬빙어와 황점남극양태로 분리됐다고 추측하고 있답니다.

남극대구가 진화하면 투명한 피 가진 물고기 될까?

점무늬빙어와 황점남극양태는 남극대구처럼 남극에 사는 고유종이에요. 하지만 남극대구는 다른 물고기처럼 피가 빨간색인 반면, 점무늬빙어와 황점남극양태는 투명한 피를 가졌지요. 피가 투명한 이유는 피에 붉은색을 띠는 색소 단백질인 헤모글로빈이 없기 때문이에요. 헤모글로빈은 몸속 세포에 산소를 운반하는 역할을 해요. 하지만 온도가 낮은 남극 바다에는 많은 산소가 녹아 있어, 헤모글로빈이 없어도 쉽게 산소를 얻을 수 있어요. 그래서 점무늬빙어와 황점남극양태는 에너지 소비를 줄이기 위해 헤모글로빈을 만들지 않도록 진화했어요.

박현 박사님은 남극 물고기 진화 단계의 비밀을 완벽하게 밝혀내기 위해 점무늬빙어와 황점남극양태의 유전자 정보를 해독할 계획이에요. 또한 영하 8℃의 바닷물에서도 얼지 않고 잘 사는 남극대구의 유전자 정보를 이용해 동상이나 고지혈증과 같은 질병 치료 방법을 찾고자 연구하고 있답니다.

미스터리 5 남극 밤하늘에 뜬 야광구름의 정체는?

어? 저게 뭐지? 지금 저녁인데 하늘 위에 있는 구름이 환하게 빛나고 있어요. 마지막 다섯 번째 미스터리의 정체는 바로 저 구름! 남극에 오로라가 생긴다는 얘기는 많이 들었지만 저런 구름은 처음 봐요~. 빛나는 구름의 정체를 알아보겠습니다!

빛의 산란으로 밤에 빛나는 야광운

남극의 여름인 11~2월이 되면 가끔씩 저녁에 환하게 빛나는 구름이 보여요. 이렇게 해가 진 뒤에도 하늘 위에서 밝게 빛나는 구름을 ‘야광구름’ 또는 ‘야광운’이라고 부르지요. 야광운은 주로 적도에서 멀리 떨어진 극지방에서 생긴답니다.

보통 구름은 아주 작은 물방울이나 얼음 알갱이가 모여 하늘에 떠 있는 것을 말해요. 과학자들은 야광운 역시 대기 중에 있는 얼음 알갱이가 모여 생긴 것으로 추정하고 있어요.

그렇다면 일반 구름과 달리 야광운이 밤에도 밝게 빛날 수 있는 이유는 무엇일까요? 정답은 구름이 떠 있는 ‘높이’예요.

보통 구름을 비롯한 기상현상은 대기권의 가장 아래층인 고도 10㎞ 정도의 대류권에서 생겨요. 하지만 야광운은 보통 고도 80㎞ 부근에서 생기지요. 보통 구름보다 높이 떠 있는 야광운은 지평선 아래로 넘어간 해의 빛을 받아 반사시킬 수 있어요.(위 그림 참조)

야광운이 생기는 곳은 지구 대기권에서 가장 기온이 낮은 중간권이에요. 중간권은 공기가 흐르면서 열을 전달하는 대류운동이 약하고, 수증기가 없어 구름을 비롯한 바람, 비, 눈 등의 기상현상이 나타나지 않아요. 과학자들은 상승기류 등의 원인으로 수증기가 중간권까지 올라가 얼어붙어 야광운이 된 것으로 추정하고 있어요.

오로라 색깔의 비밀

오로라는 90∼수백㎞의 초고층 대기에서 생겨요. 오로라가 빛을 내는 원리는 야광운과 다르답니다. 오로라는 주로 태양에서 나와 지구 자기장에 이끌려 대기로 들어온 입자에 의해 생겨요. 이런 입자들은 아주 큰 에너지를 가지고 있는데, 지구 대기를 만나면 산소 원자와 마구 충돌하면서 에너지를 빛으로 방출해요. 이때 보이는 빛이 바로 오로라예요. 야광운은 햇빛을 반사시켜 빛이 나지만, 오로라는 산소 원자에서 직접 빛을 내는 거예요.

오로라는 높이에 따라 색깔이 달라요. 고도 90~150㎞에서는 주로 녹색 오로라가, 150㎞ 이상의 고도에서는 적색 오로라가 보이지요. 이렇게 고도에 따라 다른 색깔의 오로라가 보이는 이유는 산소 원자에서 빛을 내는 원리와 관련이 있어요. 산소 원자에서 녹색 빛이 나오는 데 필요한 시간은 약 0.74초, 적색 빛이 나오는 데 필요한 시간은 약 110초예요. 그런데 90~150㎞ 고도에는 더 높은 곳에 비해 다른 대기 입자가 아주 많이 있어요. 이 때문에 적색은 빛을 내기도 전에 다른 입자와 충돌해 에너지를 잃고, 녹색만 자유롭게 빛을 낼 수 있지요. 그래서 적색 오로라는 대기 입자가 거의 없는 높은 고도에서만 생긴답니다.

➊ 오로라 활동이 활발할 때 찍은 사진에는 녹색뿐 아니라 적색 오로라도 잘 보인다. ➋ ⓐ는 질소 분자, ⓑ는 산소 원자 오로라 스펙트럼, ⓒ는 태양광 스펙트럼. 오로라는 태양광과 달리 특정 파장에 있는 색깔만 나타낸다. 우리가 보는 대부분의 오로라 빛은 산소 원자에서 나온다.

남극 미스터리들의 정체, 모두 재미있게 잘 봤겠지? 뭐? 아직도 풀지 못한 미스터리가 많다고? 그렇다면 남극세종과학기지에 있는 진짜 연구대원들에게 질문할 기회를 줄게. 나는 이만 간다~! 안뇽~!