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과학과 놀자지구를 지키기 위한 노력, 탄소 중립
신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (10)탄소 중립이라는 말을 들어 본 적 있나요? 여기서 탄소는 이산화탄소를 뜻합니다. 우리가 숨을 ‘후~’ 하고 내쉴 때 나오는 기체입니다. 탄소 중립이란 이산화탄소의 총 배출량이 늘어나지 않도록 하는 것을 말합니다. 숲을 조성해 이산화탄소를 흡수하고, 탄소를 배출하지 않는 무공해 에너지를 개발하는 등의 노력이 필요합니다.이산화탄소는 식물의 광합성을 비롯해 지구상에서 생물이 살아가는 데 꼭 필요한 기체입니다. 하지만 이산화탄소가 너무 많으면 문제가 생길 수 있습니다. 그것은 이산화탄소가 일으키는 온실 효과 때문입니다.비닐하우스는 외부 환경에 상관없이 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있습니다. 지구도 마찬가지로 지구를 둘러싸고 있는 공기 때문에 온도를 어느 정도 일정하게 유지합니다. 특히 이산화탄소는 지표면에서 반사되는 에너지를 흡수하는 성질이 있어 온실 효과를 일으킵니다.그래서 대기 중에 이산화탄소가 많아지면 지구에서 반사된 에너지가 대기권을 빠져나가지 못해 지구의 온도가 올라가게 돼요. 온실의 유리가 열이 빠져나가는 것을 막아 내부 온도를 높이는 것처럼 이산화탄소가 열 배출을 막아 지구 온도를 높이는 것이죠.지구가 뜨거워지면 어떤 일이 발생할까요. 과학자들은 지구 평균 기온이 2℃ 상승하면 적도 지역에서는 사람이 살 수 없게 될 것이라고 예상하고 있어요. 또 태풍, 폭염 등 자연재해가 더 자주 일어날 것이라고 해요. 이와 같은 전 지구적인 재난을 막기 위해 세계 각국이 그린 뉴딜이라는 이름으로 추진하고 있는 것이 탄소 중립입니다.탄소 중립은 단기간에는 달성하기 어
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과학과 놀자우주공간 전자기 성질 따라 빛의 속도 변화
어떤 물체가 전기적 성질을 띨 때 우리는 보통 “정전기를 띤다”고 말한다. 과학에선 정전기라는 표현보다 전하(Charge)라는 말을 더 자주 사용한다. 금속이 아닌 얇은 물체의 양면에 금속판을 밀착시켜 놓고 두 금속판에 직류 전원을 연결해 양전하(+)와 음전하(-)가 각각 모이면 양전하를 띤 금속판에서 음전하를 띤 금속판 방향으로 얇은 물체 내부에 전기장이 생긴다.이 전기장의 세기는 사용한 물질의 종류에 따라 다른데, 어느 물질이 얼마나 전기장을 잘 형성하는지 비교할 수 있도록 나타낸 값으로 ‘물질의 유전율’이라는 실험값이 있다. 물질을 구성하는 입자들은 대개 외부 전기장이 상쇄되는 방향으로 조금씩 이동하기 때문에 두 금속판 사이의 유전율은 진공인 때가 가장 크다. 진공의 유전율은 약 8.85×10-12 C2/Nm2이다. 진공에 유전율 값이 있다는 것은 아무것도 없는 공간에 전기적 성질은 있다는 것을 의미한다.유전율을 측정하는 실험과 달리 원기둥 모양의 물체를 마련해 주위에 구리 선을 칭칭 감은 뒤 구리 선에 전류를 흐르게 하면 물체 내부에 자기장이 생긴다. 외부의 자기장이 공급되면 물체를 구성하는 자성을 띤 입자들이 약간씩 이동해 물체 내부의 자기장이 조금 변한다. 어느 물질이 얼마나 자기장을 잘 형성하는지 비교할 수 있도록 나타낸 값으로 ‘물질의 투자율’이라 부르는 실험값이 있다. 물체를 이루는 물질의 종류가 외부 자기장에 대해 순종적이냐 아니면 반항적이냐에 따라 물질의 투자율은 진공의 투자율보다 크거나 작다. 진공의 투자율은 4π×10-7 Ns2/C2이다. 진공에 투자율 값이 있다는 것은 아무것도 없는 공간이 자기적 성질을 가지고 있다는
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과학과 놀자곤충을 잡아먹는 무서운 식물 이야기
신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (9)곤충을 잡아먹고 사는 식물이 있습니다. ‘식충 식물’이라고 하는데요. 파리지옥, 끈끈이주걱, 네펜데스, 사라세니아, 벌레잡이제비꽃 등 지금까지 알려진 식충 식물만 750여 가지예요. 우리나라에도 끈끈이주걱, 통발 등 14종이 살고 있어요.식충 식물은 왜 곤충 사냥꾼이 됐을까요? 이들은 대부분 황무지, 습지, 고산 지대처럼 거친 환경에서 살아요. 식물 생장에 꼭 필요한 영양분을 얻기 어려운 곳이죠. 부족한 영양분을 보충하기 위해 식충 식물이 선택한 생존 전략이 바로 곤충 사냥입니다. 식충 식물은 곤충을 유인하고 사냥하기 위해 저마다 특이한 형태의 포충엽(벌레를 잡아 소화하는 잎)을 발달시켰으며, 다양한 사냥 전략을 갖고 있습니다.파리지옥의 잎은 마치 두 손바닥을 모아서 벌리고 있는 것처럼 생겼어요. 향기를 풍겨서 곤충을 유혹하죠. 잎 양쪽에 각각 3개씩 아주 예민한 감각모가 있어요. 곤충이 날아와 이 감각모를 건드리면 파리지옥의 잎이 빠르게 닫히면서 곤충을 가둬요. 이후 소화 효소가 나와 1~2주에 걸쳐 천천히 곤충을 소화시킵니다.끈끈이주걱의 잎은 짧고 가느다란 붉은색 털로 덮여 있어요. 이 털에서는 끈적끈적한 액체와 함께 달콤한 향기가 흘러나와요. 향기를 맡고 날아온 곤충은 끈끈이주걱의 끈적끈적한 액체에 닿는 순간 날개와 다리가 달라붙어 옴짝달싹 못합니다. 그러면 끈끈이주걱은 소화 효소를 분비해 곤충으로부터 영양분을 흡수하죠.네펜데스라는 식물은 포충낭(곤충을 잡는 주머니)이라고 하는 기다란 주머니를 갖고 있어요. 이 주머니 입구에는 곤충이 좋아하는 꿀과 영양분이 잔뜩 묻어 있어요. 곤충
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과학과 놀자PCR은 질병진단·과학수사·유전자연구 등에 쓰여
신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)으로 인한 팬데믹 시대에 살고 있는 학생과 교사들은 매일 코로나19 진단 방법의 종류를 접하고 있다. 무엇인지 잘 생각나지 않는다면, 지금 바로 '건강상태 자가진단' 앱을 열어보자.1. 학생 본인이 코로나19 감염에 의심되는 아래의 임상증상이 있나요?2. 학생 본인은 오늘(어제저녁 포함) 신속항원검사(자가진단)를 실시했나요?3. 학생 본인이 PCR 등 검사를 받고 그 결과를 기다리고 있나요?위의 질문에서 코로나19의 진단 방법을 찾았는가? 그렇다! 2번 항목의 ‘신속항원검사’와 3번 항목의 ‘PCR 검사’가 코로나19의 진단 방법이다! 신속항원검사와 PCR이 무엇인지 살펴보자.신속항원검사는 채취한 검체에 바이러스 특이 항원이 있는지를 검출하는 방법이다. 신속항원검사 중 면역 크로마토그래피 분석법을 이용하는데, 이는 항원-항체 면역반응과 크로마토그래피 원리를 결합한 기술이다. 일회용 키트로 개발돼 집에서도 자가진단을 할 수 있다. 검체를 희석한 용액을 진단 키트에 떨어뜨리면 모세관 현상에 의해 반대편으로 흘러간다. 이때 검체에 있는 항원(코로나바이러스)은 라벨이 부착된 항체 그리고 Test(T)라인과 Control(C)라인에 있던 항체와 결합한다. T라인과 C라인에 모두 선이 보인다면 양성이다.PCR(Polymerase Chain Reaction, 중합효소 연쇄 반응)은 DNA의 특정 염기서열을 복제해 증폭시키는 기술이다. PCR의 사이클(cycle)은 세 단계로 이뤄진다.첫 번째는 DNA 변성 단계(Denaturation)로 94~96도로 가열해 이중 나선인 DNA를 단일가닥으로 분리한다.두 번째는 프라이머(DNA 합성 시 출발점 역할을 하는 짧은 단일 가닥 조각) 결합 단계(Annealing)로, 온도를 50~65도
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과학과 놀자세상의 근원, 더이상 쪼갤 수 없는 작은 알갱이 '원소'
신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (8)지금 여러분이 보고 있는 컴퓨터 모니터나 스마트폰 액정을 잘게 부수면 어떻게 될까요? 부서진 액정을 더 잘게 가루로 만들면 무엇이 남을까요? 상상하기 어렵지만 궁금하지 않나요? 마지막에 남는 아주 작은 알갱이가 스마트폰 액정을 구성하는 가장 기본적인 요소겠죠.물질을 이루는 근원적인 요소가 무엇일까 하는 질문은 아주 오랜 옛날부터 있었습니다. 고대 그리스에선 물, 불, 흙, 공기가 세상의 근원이라고 생각했어요. 이 네 가지가 섞여서 여러 가지 물질을 만들어 낸다고 믿었죠. 물론 이것은 사실이 아닙니다.이후 과학자들이 연구를 거듭해 물질의 기초가 되는 요소들을 찾아냈어요. 이를 ‘원소’라고 해요. 더 이상 쪼갤 수 없는 근원적인 요소라는 뜻이에요. 지금까지 과학자들이 찾아낸 원소는 총 118개입니다. 이 중 약 90개는 자연적으로 존재하는 것이고, 나머지는 인공적으로 합성한 것입니다. 우리 생활에 쓰이는 철, 구리, 알루미늄과 공기 중에 있는 산소도 원소예요.이 모든 원소를 기록한 것이 우리가 학교에서 배우는 주기율표입니다. 서로 비슷한 성질을 지닌 원소들을 같은 세로줄에 배치했기 때문에 '주기'가 있다고 하는 것입니다. 지금은 100개가 넘는 원소가 알려져 있지만, 3
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과학과 놀자러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프…원소를 원자량 순서로 배열해 주기율표 창안
과학은 크게 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학으로 나뉜다. 만물의 작동 원리를 다루는 물리학, 물질의 변화를 다루는 화학, 생명체의 특성을 다루는 생명과학, 대기 해양 별 등 자연 현상을 다루는 지구과학. 이처럼 대상이 다르다 보니, 각 과목을 대표하는 이미지도 다르다. 물리학이 F=ma 같은 식으로 대표된다면, 생명과학은 DNA의 이중나선, 지구과학은 별이나 지질 사진으로 대표될 것이다.그렇다면 화학의 대표적 이미지는 뭘까. 아마도 주기율표일 것이다. 가로줄 18개와 세로줄 7개로 구성된 주기율표는 언제, 어떻게 만들어졌을까.주기율표를 처음 만든 과학자는 러시아에서 태어난 드미트리 멘델레예프(사진)로, 대학에서 학생을 가르치다가 60여 종의 원소를 하나하나 알려주는 데 회의를 느끼고 비슷한 성질을 지니는 원소끼리 분류하던 중 영감을 얻었다고 전해진다. 그는 원소를 원자량 순서로 배열했을 때 비슷한 성질을 지니는 원소들이 일정한 주기를 두고 나타나는 현상을 발견하고 주기율표를 창안했다. 당시 발견돼 있던 60여 종의 원소만으로 만들었던 그의 주기율표는 현대 주기율표와는 형태가 다르지만, 원소들의 집을 처음으로 지었다는 점에서 주기율의 아버지로 불리기에 충분하다. 이후 주기율표는 모즐리 등 후배 과학자들에 의해 업그레이드돼 오늘날 우리가 흔하게 보는 형태로 진화했다.멘델레예프는 주기율표를 만들면서 이후 추가로 발견될 원소를 예견하고 표에 빈자리를 남겨뒀다. 주기적인 성질을 고려했을 때 반드시 있어야 할 원소의 존재를 예언하고 그 원소의 물리적, 화학적 성질까지 적어뒀던 걸 보면 자신의 발견이 가진 의미를 정확하게 알았던 자신감이 느껴진다
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과학과 놀자시간·길이의 표준단위, 더 정확한 기준 위해 변화
우리가 무언가를 비교하고 분석하려면 기준이 필요하다. 전 세계의 시간 기준을 통일하기 전에도 각 지역마다 시간에 대한 기준을 만들어 소통했다. 시간은 자연에서 규칙성을 찾아 그것을 기준으로 정했다. 해와 별들의 움직임 같은 것 말이다.매일 해가 뜨고 지는 지구의 자전 주기로 하루(날일, 日)를 만들고, 밤과 낮으로 나누었다. 그리고 태양을 중심으로 한 지구의 공전 주기를 기준으로 1년(해년, 年)을 나누고, 태양의 남중고도를 이용해 계절을 만들었다. 더 상세한 단위인 월(달월, 月)은 달의 모양이 바뀌어 다시 돌아오는 주기를 기준으로 만들었다.아이작 뉴턴(1643~1727·물리학자 수학자)은 정의된 시간과 길이를 기준으로 과거에서 미래까지 자연이 어떻게 움직여왔고 앞으로 어떻게 움직일 것인지를 수학적으로 서술했다. 이것이 바로 뉴턴의 운동 법칙(1687년)이며 이 법칙들은 물리학의 근간인 고전 역학의 바탕이 된다. 과학과 기술의 발달에 따라 철도가 개발돼 멀리 갈 수 있게 됐고, 철도역마다 다른 시간 기준 때문에 여행객들이 불편을 느껴 정확한 시간 체계와 기준을 통일할 필요성이 제기됐다. 샌퍼드 플레밍(1827~1915·엔지니어 발명가)은 이를 개선하기 위해 경도와 시간을 연관지어 표준시간대를 만들고 24시간 체계 도입을 주장했다. 이를 계기로 ‘국제 자오선 콘퍼런스’가 열리게 된다. 영국 그리니치천문대를 중심으로 시간의 기준인 ‘본초자오선’을 정했기에 다른 나라들, 특히 프랑스의 반대에 부딪히게 된다. 이때 미국 대표로 참가한 루이스 모리스 러더퍼드(1816~1892·변호사 천문학자)는 그리니치천문대의 건너편이 태평양 한복판이어서 날짜가 바뀌
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과학과 놀자쓰레기를 아이디어 상품으로… 지구를 지키는 업사이클링
신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (7) 우리 국민 한 명이 1년간 버리는 페트병만 100개라고 한다. 알게 모르게 정말 많은 쓰레기를 배출하는 것이다. 그러나 우리가 버리는 쓰레기 중에는 훌륭한 자원으로 다시 쓸 수 있는 것이 많다.버려지는 물건에 아이디어와 디자인을 더해 새롭고 가치 있는 상품으로 재탄생시키는 것을 업사이클링이라고 한다. 재활용을 의미하는 ‘리사이클링(recycling)’에 가치를 높인다는 의미로 ‘업(up)’을 덧붙인 말이다. 업사이클링의 역사는 20년을 훌쩍 넘었다. 1994년 독일에서 사용하기 시작한 용어로 알려져 있다. ‘새활용’이라고도 한다. 기후 변화가 현실로 다가오면서 리사이클링에 대한 관심도 커지고 있다.업사이클링 제품으로 명품 대접을 받는 기업도 있다. 방수 천막 등을 재활용해 가방을 만드는 스위스 기업 프라이탁이 대표적이다. 일회용품은 물론 옷, 가전제품, 가구, 건축 폐기물도 업사이클링 소재가 된다. 서울 남대문중학교는 전교생이 폐플라스틱 뚜껑, 폐칫솔, 폐우산, 폐휴대폰 등을 모아 사회적 기업에 기부하고 있다. 기부한 물건은 가방, 공원 의자, 예술 작품으로 재탄생된다.국내 업사