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  • 과학 기타

    지구의 물

    하와이제도는 8개의 섬과 100여 개가 넘는 작은 섬으로 구성돼 있다. 지난 3일 큰 섬 중 하나인 빅아일랜드 칼라우에아 화산이 용암을 분출했다. 당국은주민 1만여 명에게 대피령을 내렸다. 암석이 고온 고압에서 용융된 마그마는 주변보다 밀도가 낮아 위로 상승한다. 지각에서는 상승된 마그마를 마그마굄이라 한다. 마그마굄은 지각의 얇은 틈을 통해 동시에 지표로 분출된다. 이런 현상을 화산(volcano)이라 한다. 화산 활동은 지구 내부(지표 안) 에너지를 지표 밖으로 전달하는 열 교환 시스템으로 작용하고 있다.수권도 지구시스템 유지수권과 기권의 상호 작용으로 구름이 형성되고, 수권과 지권의 상호 작용으로 피오르, 해안절벽과 같이 웅장하고 아름다운 모습을 만든다. 지구 시스템을 구성하는 지권, 수권, 기권, 생물권 등의 상호 작용은 화산 활동을 포함해 웅장하고 경이롭고 아름다운 자연 현상을 낳는다.이렇듯이 지구상에서 발생하는 여러 자연 현상은 지구 시스템 구성 요소 간의 상호 작용뿐만 아니라 외기권(exosphere)과의 상호 작용을 통해 일어나며 이 과정을 통해 생명체가 살아간다.지난 시간에는 지권, 수권, 기권, 생물권, 외기권 등 다섯 가지 구성 요소가 지속적으로 상호 작용하면서 균형을 유지하는 지구 시스템, 그중에서도 지권과 기권에 대해 이야기했다. 이번 시간에는 지구 시스템의 구성 요소 가운데 수권과 생물권을 이야기하려 한다.수권(hydrosphere)은 지구 시스템의 구성 요소로 기체 상태인 수증기를 제외한 지표 위의 모든 물()을 말한다. 전체의 약 97%를 차지하며 바다에 분포하는 해수(海水), 약 3%로 적은 양이지만 육지에 존재하는 담수(淡水)로 수권의 물은 나뉜다.물이 이산

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    지구시스템

    통합 과학에서는 “일정한 질서에 따라 끊임없이 변화하면서도 각 구성 요소들이 일정한 규 칙에 따라 상호 작용하면서 균형을 유지하는 집합”을 시스템이라 한다. 지구는 지권, 수권, 기권, 생물권, 외기권 등 다섯 가지의 구성 요소가 지속적으로 상호 작용하면서 균형을 유지 하고 있기에 지구 시스템이라 할 수 있다. 지구상에서 발생하는 여러 자연 현상들은 지구 시 스템 구성 요소 간의 상호 작용뿐만 아니라 외기권(Exosphere)과의 상호 작용을 통해 일어 나며 이 과정을 통해 생명체가 살아가고 있는 것이다.지구 시스템지구를 덮고 있는 대기층을 기권(Atmosphere)이라 하며, 기권은 높이에 따른 기온의 분포로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나눠진다.지표면에서 약 10㎞ 높이까지는 위로 올라갈수록 기온은 점점 낮아지며 기상 현상이 나타나는 곳을 대류권(Troposphere)이라 한다. 대류권에서부터 위로 50㎞까지의 높이를 성층권(Stratosphere)이라 하며, 성층권의 큰 특징은 지표에서 약 15~30㎞ 높이에 오존(O3)층이 존재한다. 1990년대 남극의 오존층에 구멍이 생겼다는 사실이 큰 이슈가 되기도 하였다. 성층권에 있는 오존층은 우주에서 유입되는 강한 자외선 등을 차단하는 역할을 하고 있다. 만약 오존층이 사라져 해로운 자외선 등이 그대로 지표면에 도달한다면 인간에게는 피부암, 백내장, 면역결핍 등을 유발한다.성층권이 뭐지?중간권(Mesosphere)에서는 수증기가 없어 기상 현상이 나타나지 않는다. 중간권에서 위로 올라갈수록 기온은 점점 낮아진다. 또한 대류권, 성층권, 열권 중에서 기온이 가장 낮은 곳이다. 지표면에서 80㎞ 이상의 높이를 열권(Thermosphere)이라 하며, 오로라(aurora) 현상이 나타

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    시스템

    “봄이 됐다는 것을 어찌 알고 꽃들은 피고, 물체를 위로 던지면 위로 올라가다 왜 밑으로 떨어지는 것일까?” 설명이 가능한 우리 주변의 과학 현상이지만 접할 때마다 늘 경이로움을 느낀다. 인간은 커다란 시스템의 한 부분이라는 것도 생각하게 된다. ‘일정한 질서에 따라 끊임없이 변화하면서도 각 구성 요소가 일정한 규칙에 따라 상호 작용하면서 균형을 유지하는 집합’을 통합과학에서 시스템이라고 한다.경이로운 현상들중력(Gravity)은 태어나서 삶을 마감할 때까지 지속적으로 우리에게 가해지는 기본적인 힘이다. 하늘을 향해 던진 공은 일정한 높이까지 올라갔다가 다시 바닥으로 떨어지고, 폭포는 높은 곳의 물이 아래 방향을 향해 떨어진다. 힘의 작용을 받는 물체의 운동과 운동 상태의 변화, 정지 등과 관련한 물리적 현상을 역학(力學)이라 한다.중력의 영향을 받는 물체의 운동으로 자유낙하(自由落下)운동 등이 있다. 자유낙하운동은 초기 속도(v)가 0인 물체가 중력의 영향을 받아 지면을 향해 떨어지는 운동이다. 자유낙하운동하는 물체가 지표면에 도달할수록 물체를 잡아당기는 만유인력(萬有引力)은 두 물체 사이의 거리 제곱에 반비례하므로 증가한다.갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)의 지동설을 확립하기 위해 ‘프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 2대 세계 체계에 관한 대화’를 저술했다. 그는 이로 인해 1633년 종교재판소에서 이단 판정을 받았다. 하지만 그는 재판장을 나오면서 “그래도 지구는 돈다”라는 유명한 말을 남겼다고 한다. 이처럼 갈릴레이는 지동설을 확고하게 믿고 있던 천문학자이기도 하다.갈릴레이의 논

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    DNA

    박테리아들은 오래전부터 생존 확률을 높이기 위해 어떤 전략을 선택했다. 그것은 외 부에서 다른 DNA(디옥시리보핵산)를 받아들여 유전적 성질을 변화시키는 형질전환 (transformation) 전략이었다. 이를 처음 발견한 사람은 영국의 과학자 프레드 그리피스다. 그는 1928년 폐렴쌍구균(Pneumococcus)을 이용한 실험으로 형질전환을 발견했다.형질전환은 왜 일어나지?폐렴쌍구균은 폐렴을 일으키는 유독한 균주인 S형과 폐렴을 초래하지 않는 무독한 균주인 R형이 있다. 그는 실험을 통해 열을 가해 죽은 S형 폐렴쌍구균을 생쥐에 주입하면 쥐가 폐렴에 감염되지 않으나, 살아 있는 R형과 열을 가해 죽인 S형 폐렴쌍구균을 섞어서 주입하면 쥐가 폐렴에 감염된다는 것을 발견했다. 그리피스는 살아 있는 폐렴쌍구균 R형이 S형으로 형질전환이 일어나 폐렴에 감염됐다는 결론을 얻었다.1944년 분자생물학과 면역학의 선구자인 오즈월드 에이버리는 DNA가 유전 정보의 매개체로 작용하는지를 실험했다. 동료들과 함께 진행한 실험에서 그는 형질전환을 일으키는 물질은 DNA이며 DNA가 유전 물질임을 발견했다. 앨프리드 허시와 그의 제자인 마사 체이스는 DNA와 단백질로 이뤄진 가장 단순한 생명체인 박테리오파지(bacteriophage)를 이용한 실험을 통해 DNA가 유전 물질임을 밝혀내기도 했다.DNA의 화학적 구조에 대한 고민도 해결됐다. 이런 노력은 동물, 식물, 미생물 할 것 없이 모든 생물체에 적용되는 ‘샤가프의 규칙’에서 출발했다. 에드윈 샤가프는 DNA의 염기를 정량적으로 분석해 아데닌(A)과 티민(T), 구아닌(G)과 사이토신(C)이 항상 1 대 1의 비율로 들어 있다는 사실을 발견했고, 이를 샤가프의 규칙이라고 명명했다.DNA

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    신소재

    우리는 아주 오래전부터 철(Fe)이나 구리(Cu)와 같은 금속을 농기구나 교통기관의 소재로 사용해 왔다. 플라스틱은 가볍고 유리는 투명해 이런 소재를 주변에서 널리 사용하고 있다. 산업과 첨단과 학 재료를 연구개발하는 분야를 공부하는 학과 중에 신소재공학과가 있다. 신소재공학과에서는 재료를 효과적으로 이용하기 위해 물질의 구조와 성질을 배우고, 이를 통해 일상생활이나 산업 분 야에 활용할 수 있는 성질을 지닌 물질을 찾거나 설계한다. 대학들은 오래전부터 신소재공학과를 개설해 4차 산업혁명에 대비하고 있다.대학에 있는 신소재공학과신소재에는 크게 전기적 성질 또는 자기적 성질을 이용한 것이 있다. 최근에는 그래핀, 탄소 나노튜브와 같이 원자의 결합 구조나 배열을 변화시킨 신소재가 많은 관심을 받고 있다.전기적 소재를 이용한 신소재는 거실에 설치된 TV다. 독일의 칼 브라운 박사가 브라운(음극선)관을 발명한 이래로 디스플레이는 발전을 거듭해 현재 OLED(유기발광다이오드)까지 진화했다. OLED를 이용한 디스플레이는 자체에서 빛을 내기 때문에 별도의 광원이 필요한 LCD보다 얇고 가볍게 만들 수 있다. 휘어지는 디스플레이를 개발할 수도 있다. 요즘 광고에 등장하는 QLED(양자점발광다이오드)는 퀀텀닷 입자 하나하나가 스스로 빛과 색을 내도록 해 큰 폭의 화질 개선 효과를 낼 수 있는 기술이다.물질이 지닌 성질을 살펴보자자기적 성질을 이용한 신소재로는 초전도체가 있다. 1911년 네덜란드의 물리학자인 헤이커 카메를링 오너스가 액체 헬륨을 통해 약 4K(-269도)에서 수은의 전기 저항이 0이 되는 현상을 발견했다. 이 현상을 초전도 현상이라 한다. 초전도체는 일정한 온

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    규산염 광물과 탄소화합물

    지난 시간에는 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 1줄로 길게 이어진 단일사슬 구조, 2줄로 이어진 2중 사슬 구조, 평면으로 넓게 이어진 판상구조 등 네 가지 구조에 대해 언급했다. 지구상의 생명체는 모두 탄소 화합물을 갖고 있기에 우주에서 탄소 화합물의 흔적 발견은 생명체의 존재 확 률이 높다는 의미로 해석할 수 있다. 재미있는 사실은 식물은 광합성 작용으로 물(H2O)과 이산화 탄소(CO2)를 사용하여 포도당(C6H12O6)과 같은 탄소 화합물을 스스로 만들어 낼 수 있다.음식으로 섭취하는 탄소화합물반면에 사람은 탄소 화합물을 스스로 생성하지 못하고 음식 등을 통해 섭취해야 한다. 그럼에도 탄소 화합물은 인체를 구성하는 물질들 중 중요한 한 가지다.탄화수소는 탄소와 수소로만 이루어진 화합물이고, 여기에 다른 원소를 포함하고 있다면 탄소 화합물이라 한다. 탄소 화합물들도 규산염 광물과 같이 일정한 규칙에 의해 결합한다.최외각 전자를 원소 기호 주위에 점으로 찍은 것을 루이스 전자점식이라 한다. 전자점식에서 비공유 전자쌍을 뺀 나머지를 사람의 팔로 생각하면 탄소원소(C)는 14족이라 4개의 팔을 갖고 있다. 비금속 원소와 비금속 원소 사이의 결합을 공유 결합이며, 공유결합은 사람과 사람이 악수하는 모습과 비슷한 결합이다.탄소 원자(C) 1개가 수소 원자(H)와 결합해 안전한 물질이 되기 위해서는 탄소 원자 1개가 4개의 수소 원자와 각각 악수하는 모양을 갖추어야 한다. 이런 모양을 정사면체(결합각 109.5도)라고 부른다. 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 하듯이 탄소화합물은 C-H 사면체를 기본으로 한다.단일결합·이중결합·삼중결합탄소 원자의 수에 따른

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    지각의 90% 이상이 규산염 광물이죠

    거대한 성운으로부터 지구가 만들어지고, 지구를 구성하는 지각 대기 해수 등은 현재까지 끊임없이 변화 해 왔다. 안드리자 모호로비치치(1857~1936)는 서울에서 약 8648㎞ 떨어진 크로아티아의 수도 자그레브 (Zagreb) 관측소에서 근무하면서 쿨파 계곡에서 발생한 지진을 기록 장치로 기록하였고, 측정된 자료를 비교해 일부 지진파는 다른 지진파에 비해 빨리 도달한다는 사실을 발견했다. 빠르게 도착한 일부 지진파 는 지구 내부 층을 통과할 때 속도가 빨라진다고 추론했다.지각의 존재를 알다상당한 시간이 지난 후 더 정밀한 기구에 의한 관측으로 불연속면이 확인됐고, 이를 지각과 맨틀 사이의 경계면으로 ‘모호로비치치의 불연속면(모호면)’이라 부른다. 이렇게 발견된 모호로비치치의 불연속면부터 지표면까지의 고체를 우리는 지각(earth crust)이라고 부른다. 피자(pizza)의 한 종류인 ‘치즈 크러스트’와 지각의 크러스트가 비슷한 의미를 갖고 있다. 크러스트(crust)는 ‘지각, 표면, 껍질, 딱딱한 표면’ 등의 뜻을 갖고 있는 단어다.지각은 토양과 암석으로 돼 있으며, 암석은 ‘한 가지 이상의 광물로 구성된 집합체’이다. 지각을 구성하는 암석에는 장석, 석영, 휘석, 각섬석, 흑운모, 감람석 등이 있다. 지각을 구성하는 8대 원소는 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg) 등이 있다. 규소(Si)와 산소(O) 그리고 약간의 금속 원소로 이뤄진 규산염 광물은 지각의 대부분을 차지하고 있다.광물은 2500여 종에 달해약 2500종이 존재하는 광물은 여러 가지 원소가 모여서 만들어졌으며, 암석을 이루는 기본 단위다. 지각의 90% 이상을 차지하고 있

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    미세먼지·초미세먼지

    목련꽃 그늘 아래서 / 베르테르의 편질 읽노라 / 구름꽃 피는 언덕에서 / 피리를 부노라/ 아 멀리 떠나와 / 이름 없는 항구에서 배를 타노라 / 돌아온 4월은 생명의 등불을 밝혀 든다 / 빛나는 꿈의 계절아 / 눈물어린 무지개 계절아 목련꽃 그늘 아래서 / 베르테르의 편지를 읽노라. (‘4월의 시’, 박목월)목련꽃이 피건만 하늘은···4월의 아름다움은 목련이다. 파랗게 맑은 하늘과 하얀 목련꽃의 어울림은 겨울이 물러가는 색깔이기도 하다. 학교 운동장의 목련꽃이 활짝 피기 시작했다.그러나 4월 하늘은 파랗기보다 황사와 미세먼지로 뿌옇다. 어쩌다 우리의 건강을 위협하는 시기가 되어버린 것인지. 지난달 26일 한때 서울의 세계대기질 지수(AQI)가 170을 기록했다. 이는 ‘대기가 매우 나쁜 도시’ 10위 안에 드는 수치였다. 이번 지면에선 우리의 건강을 위협하는, 요즘 언론에 자주 오르는 미세먼지와 초미세먼지에 대해 알아보자.미세먼지(PM10)가 위험한 이유는 입자가 미세해 코 점막을 통해 걸러지지 않고 흡입 시 폐포까지 직접 침투해 천식과 폐질환 유병률 및 조기 사망률을 높이기 때문이다. 2009년 국립환경과학원과 인하대학이 공동으로 발표한 사망률 관련 연구 결과를 살펴보면 서울에서 PM2.5 농도가 평상시보다 10㎍/㎥ 증가하면 일별 조기사망률이 0.18% 증가하며 65세 이상 노인(민감 집단)의 사망률은 1.1% 증가한다. 2013년 세계보건기구 산하 국제암연구소(IARC: International Agency for Research on Cancer)는 미세먼지를 1군 발암물질(Group 1)로 지정했다. 세계 각국에서는 10㎛ 이하의 먼지 기준을 정해 엄격하게 규제하고 있다. 한국에서도 1995년부터 이들의 농도를 미세먼지 기준으로