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  • 과학과 놀자

    기후 변화 주요 원인은 대기 중 온실가스의 증가…80만년간 일정하게 유지되다 산업혁명 이후 급증

    2021년 1월, 사시사철 더운 아프리카 사하라와 중동 사우디아라비아 사막의 기온이 영하로 떨어지고 눈이 쌓였다. 세계 곳곳에서 기상 이변이 일어날 때마다 기후 변화나 기후 위기가 같이 소환된다. 지구의 기후 시스템은 어떻게 작동하기에 기후가 변한다는 것일까.기후는 어떤 지역에서 오랜 시간 반복되는 평균적인 기상 현상을 뜻한다. 보통 어느 지역에서 30년 이상 관측한 기온, 습도, 강수량, 풍향, 풍속 등의 날씨 정보를 평균한 값이다. 하루 반짝 더운 것은 기상 이변이고 여름의 평균 기온이 올라가는 것은 기후 변화다.지구의 연평균 기온은 약 15도로 일정하다. 기온이 일정하다는 것은 들어온 것만큼 다시 나가서 남는 열이 없다는 걸 의미한다. 이 상태를 복사평형이라고 한다. 만약 지구가 달처럼 대기가 없다면 낮 동 안 흡수된 에너지가 모두 방출되어 낮과 밤의 기온 차이가 크고 평균 기온도 낮아질 것이다. 다행히 지구는 이불 같은 고마운 대기에 둘러싸여 더높은 온도에서 좀 더 복잡한 과정으로 복사평형을 이루고 있다.지구에 들어오는 태양복사에너지를 100%라고 할 때, 약 30%는 대기와 지표에서 반사되어 우주로 나가고 20%는 대기, 50%는 지표에 흡수된다. 데워진 지표는 지구복사에너지를 방출하고 그 중 극히 일부만 우주로 바로 나가고 대부분 대기로 흡수된다. 대기에 흡수된 에너지는 다시 대기를 데우고 우주와 지표로 방출되는데 이를 온실 효과라 한다. 대기와 지표에서 우주로 방출하는 에너지를 모두 합하면 70%로, 지구로 들어온 70%의 태양복사에너지와 같은 양이 되어 복사평형이 되고 평균 기온이 일정하게 유지된다. 그런데 대기중에 이산화 탄소 같은 온실가스가 많아지면, 지

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    신종 질병의 주요 원인은 동물이 옮긴 바이러스…박쥐가 품은 130여종 중 60종 전파돼 병 일으켜

    2019년 12월 이후 지금까지 전 세계에서 지속되고 있는 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19)은 SARS-CoV-2라는 바이러스로 인해 발생하는 중증 호흡기증후군이다. 지금도 알파(α) 베타(β) 감마(γ) 델타(δ) 오미크론 등 다양한 변이 바이러스가 나타나 사회 전반에 걸쳐 많은 혼란과 우려를 낳고 있다.사실 후천성면역결핍증(AIDS)을 일으키는 HIV, 1만8449명의 사망자를 낸 신종플루바이러스, 2002년에 발생한 신종 전염병을 일으킨 사스 코로나바이러스, 치사율이 50~90%에 달하는 에볼라바이러스와 같은 신종 바이러스가 출현할 때마다 인류 사회는 충격과 혼란을 겪었다. 신종 바이러스는 어떻게 나타나 심각한 질병을 일으키는 것일까.바이러스는 세균과 달리 세포의 구조나 생명 유지와 관련한 화학 반응 기구(예: 효소)를 갖추지 못한 채 유전체와 이를 둘러싼 단백질 껍질(capsid)로 이뤄진 감염체로 매우 작고 단순하다. 독감바이러스나 코로나바이러스 같은 동물 바이러스는 막으로 된 외피가 캡시드를 둘러싸기도 한다. 그래서 바이러스는 숙주세포를 떠나서는 스스로 그 수를 늘릴 수 없고, 생명 활동을 수행할 수도 없다. 바이러스는 대장균과 같은 세균과 비교하면 50~100분의 1 정도 크기다. 세균이 라면 상자만 하다면 바이러스는 사각 반지 케이스만 하다고 할 수 있다.바이러스 표면에 있는 단백질과 숙주세포의 외부에 있는 특이적인 수용체 분자 사이에는 열쇠와 자물쇠 같은 상호작용이 일어나며, 이런 작용에 의해 바이러스는 숙주세포를 인식한다.따라서 각각의 바이러스는 감염시킬 수 있는 숙주가 제한돼 있는데, 이 같은 특성을 바이러스의 숙주범위라 부른다. 웨스트나일바이러스(West Nile

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    고체인 얼음이 어떻게 물 위에 뜨는 걸까…수소·산소가 결합된 물엔 특별한게 있다

    오래전, DHMO를 ‘무색, 무취, 무미이며 수많은 사람을 죽인 보이지 않는 살인자(Invisible Killer)’라고 소개한 소년이 있었다. 사람들은 소년의 주장에 따라 DHMO 사용 금지 탄원서를 제출했고, 이 프로젝트는 ‘우리는 얼마나 잘 속는가’라는 제목으로 발표돼 화제를 모았다. DHMO가 무엇이기에 이런 프로젝트가 가능했던 걸까.얼마 전 공개된 SF시리즈 ‘고요의 바다’에는 달에서 발견된 DHMO가 중요한 물질로 등장한다. 2070년대 지구에는 바닷물이 말라붙어 물고기가 멸종하고 비도 내리지 않아 사람들은 등급별로 물을 배급받으며 살아간다. 하지만 5년 전 치명적인 사고로 폐쇄된 발해 기지에 남아있는 샘플을 회수하기 위한 임무가 시작되고 엔지니어와 의사, 과학자 등으로 팀이 꾸려진다. 이들이 발해 기지에서 회수해야 하는 샘플은 ‘달의 DHMO’였다.DHMO는 ‘Dihydrogen Monoxide’의 약자로, 수소 2개에 산소 1개가 결합된 ‘물’을 가리킨다. 물은 중독성이 크고 많은 물리·화학 변화가 일어날 수 있도록 하는 매개체이기도 하다. 거의 유일하게 고체, 액체, 기체 상태로 변하는 물질이다. 영하로 내려가면 얼고, 100도로 가열하면 끓기 때문이다.물이 아닌 에탄올, 올리브유 같은 액체는 다르다. 에탄올의 어는 점은 -114도라서 고체 에탄올을 보기가 어렵고, 올리브유의 주성분인 올레산은 끓는점이 약 360도라서 기체 올레산을 접하기 어렵기 때문이다. 물은 적절한 어는점, 끓는점을 갖고 있어 얼음과 물, 수증기를 쉽게 접할 수 있다. 에탄올, 올레산과 물은 어떤 차이가 있는 것일까.물질의 끓는점에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 분자량이다. 사람으로 치면 몸무게에 해

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    탄소중립 실현 위해 노후 건물 '그린 리모델링' 필요

    녹색건축이라고 하면 사람들은 어떤 생각을 할까. 아마도 풀이 우거지고, 나무가 자라며 물이 흐르는, 말 그대로 녹색의 자연환경을 가진 건축물을 생각하거나 태양광, 풍력 등 다양한 신재생에너지로 운영되는 친환경적인 건축물을 생각할 수도 있다. 우리가 생각하는 이상으로 녹색건축은 에너지와 온실가스, 건강 등 다양한 측면을 담고 있다.정부에서는 녹색건축물의 정의를 다음과 같이 하고 있다. ‘에너지 이용 효율 및 신재생에너지의 사용 비율이 높고, 온실가스 배출을 최소화하는 건축물(저탄소 녹색성장 기본법 제54조)과 환경에 미치는 영향을 최소화하고 동시에 쾌적하고 건강한 거주환경을 제공하는 건축물’ (국토부, 제1차 녹색건축물 기본계획, 2014.12).녹색건축이란 용어가 나오기 시작한 것은 예전부터 인류를 위협하고 있는 기후변화 때문이다. 이제는 기후변화를 넘어 기후위기라는 용어가 쓰이고 있으며, 이에 따라 녹색건축도 다양한 방안으로 발전하고 있다. 국토교통부는 2019년 12월 ‘제2차 녹색건축물 기본계획(2020~2024)’을 수립하고 5년간 우리나라 건물부문의 온실가스 감축과 녹색건축물 조성을 위한 정책의 비전을 제시하고 있다. 그린리모델링은 왜 할까우리나라 전국에 있는 건축물은 720만 동 정도가 있다. 그중에서 15년 이상 된 노후 건축물은 전체의 75% 수준이며, 30년 이상 지난 노후 건축물은 전체의 40% 수준이다. 이로 인해 주거환경뿐만 아니라 탄소저감과 관련된 에너지 측면에서 성능의 저하가 심화되고 있다. 새로 짓는 건축물의 경우 새로운 기준과 법규에 따라 제약이 많아져서 탄소저감을 할 수 있지만, 기존에 있던 건축물은 재건축·재개발하

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    자율주행과 비슷한 자율제어 AI 도입…원자력발전 조작 실수, 고장 바로 탐지

    최근 열린 제21차 기후변화 당사국총회에서 대부분의 선진국이 탄소중립을 선언했다. 그러나 태양광과 풍력 등 신재생에너지만으로는 탄소 감축 목표를 달성하기 어렵기 때문에 미국, 영국, 프랑스 등 여러 나라가 원자력 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 이는 원자력이 탄소배출이 없는 에너지원이라는 것에 공감대가 있어서다. 우리 삶과 밀접하지만 멀게 느껴지는 원자력에 대해 알아보자. 핵분열과 원자력원자는 물질을 구성하는 기본 입자이고 원자의 중심에는 원자핵이 있다. 우라늄 원자핵 1개가 중성자와 만나 원자핵이 쪼개지는 ‘핵분열’을 하면 전보다 질량이 줄어들면서 에너지가 발생한다. 이는 질량은 에너지와 같다는 것을 설명한 아인슈타인의 특수상대성이론, E=mc2로 설명된다.이처럼 핵반응에 의해 물질(원자)의 질량이 줄며 생성되는 에너지가 원자력이다. 한 번의 핵분열로 2~3개의 중성자가 생성되는데, 이 중성자들이 다른 우라늄 원자핵들과 만나면 또다시 핵반응이 일어나고 이것을 핵분열 연쇄반응이라고 한다. 결국 수많은 핵분열 연쇄반응으로 엄청난 에너지를 방출하는데, 이런 원리를 이용한 것이 원자력 발전이다.원자력발전소는 우라늄의 핵분열 연쇄반응에서 생기는 열로 물을 끓이고 증기를 발생시켜 발전기의 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 우라늄으로 만들어진 핵연료 5.8g은 석유 835L 또는 석탄 1t으로 얻을 수 있는 에너지 양과 같고 탄소배출도 없다. 이렇게 엄청난 에너지원을 어떻게 하면 안전하게 잘 활용할 수 있을까.원자력발전소는 4단계 물리적 방벽(핵연료 소결체, 핵연료 피복관, 원자로냉각재압력경계, 격납건물)과 5단계 심층방어 전략(고장예방,

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    얼굴로 스마트폰 잠금해제…어떻게 감지·구별하나

    최근 휴대폰엔 암호나 지문 대신 얼굴을 인식해 잠금을 해제하는 페이스 아이디(Face ID) 기능이 있다. 또 많은 사람이 본인의 모습을 특색 있게 남기기 위해 눈, 코, 입의 위치를 인식하는 앱을 사용하기도 한다. 이러한 작업을 위해서는 컴퓨터, 즉 기계가 이미지 정보를 인식해 얼굴 영역을 파악하고 또 그에 더해 눈, 코, 입의 위치를 파악해야 한다.컴퓨터는 어떻게 우리 얼굴을 감지하는 것일까? 확실하게 말할 수 있는 것은 사람이 물체를 인식하는 것과 컴퓨터가 물체를 인식하는 방식은 다르다는 것이다.컴퓨터는 사진이나 이미지를 디지털화된 숫자로 인식한다. 조금 더 구체적으로 말하면, 우리가 가진 디지털 이미지는 이미지의 크기만한 행렬로 표현되며 (여기서 이미지의 크기란 우리가 아는 해상도이다), 각각의 포인트는 픽셀이라고 불린다. 이 픽셀은 총 3개의 RGB(Red, Green, Blue)값을 갖는다. 즉 컴퓨터는 이미지를 3차원 배열(가로×세로×RGB)로 인식한다.따라서 컴퓨터를 사람이 인식하는 것처럼 픽셀 수준이 아니라 영역 위주로 정보를 인식하게 하려면 추가적인 계산이나 방법을 필요로 하게 되는데, 이렇게 컴퓨터가 물체나 사람을 인식하고 이미지 속 상황을 해석해 내는 것을 컴퓨터 비전이라고 한다. 컴퓨터 비전 세부 태스크들은 크게 객체 분류(image classification), 객체 탐지(object detection), 의미론적 분할(semantic segmentation)로 나눌 수 있다.객체 분류란 보통 이미지 인식이라고도 불리며, 이미지 속에 있는 객체를 인식하여 그 객체가 어떤 클래스에 포함되는지를 파악하는 기술이다. 컴퓨터 비전 영역에서 가장 기초적인 분야다. 예를 들어 비행기 사진을 입력하였을 때 이것이 비행기 클

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    바다 뒤덮는 플라스틱…썩는 제품 사용 늘려야

    플라스틱의 원료인 고분자라는 개념이 세상에 나온 지 100년 만에 우리는 바야흐로 플라스틱의 시대에 살게 되었습니다. 플라스틱이라는 신소재는 원래 자연환경을 보호하기 위한 목적으로 개발되었습니다.1870년대에 코끼리 상아 밀렵을 막기 위해 최초의 합성 플라스틱인 셀룰로이드로 만든 당구공이 발명되었고, 그로부터 100년 후에는 쇼핑 붐이 일어나면서 나무벌목을 막기 위해 폴리에틸렌으로 만든 봉투가 대량 보급되었습니다. 사용량이 크게 늘면서 사람들이 간과한 것은 쓰고 버려진 후의 운명에 관한 뒷이야기입니다. 수도권 매립지가 2025년에 포화되는 것으로 전망돼 쓰레기 대란이 목전에 있는 상태이고, 해양 쓰레기의 80%를 이미 플라스틱이 차지하여 2050년에 들어서는 해양생물보다 그 숫자가 많아질 것으로 예측되고 있습니다. 이대로 사태를 방치하면 2050년의 탄소배출 허용총량의 15%를 플라스틱 산업이 차지하게 될 것입니다.재사용·재활용이 어려운 플라스틱 제품들은 생분해성 소재로의 변화가 필요한 시점입니다. 생분해성 플라스틱 비중 1%가 안돼하지만 플라스틱 시장에서 생분해성 플라스틱이 차지하는 비중은 1%가 되지 못하는 것이 현실입니다. 생분해성 플라스틱 시장이 근래에 들어서 큰 폭으로 성장하고 있지만, 아직 실생활이나 산업용 소재로 적용하기에 부족한 기계적 물성과 높은 가격이 발목을 잡고 있어, 이를 극복할 수 있는 연구개발이 전폭적으로 이루어져야 합니다. 그런데 연구자들의 의지를 꺾는 일부 부정적인 견해로 ‘생분해성 플라스틱은 퇴비화 설비가 갖추어지지 않으면 분해가 안된다’ ‘어차피 비분해성 플라스틱과 섞여서 처리되기 때

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    겨울철 미세먼지 농도 좌우하는 '대기 혼합고'란

    최근 10년간 한국과 중국의 관련 연구들에서 고농도 미세먼지 현상이 지속될 때, 대기 혼합고가 낮았다는 결과를 발표했다. 그렇다면 대기 혼합고는 대기오염물질 농도와 어떤 관련이 있을까?2021년 11월 20일 오전 일부 지역에서 초미세먼지(PM2.5) 농도가 100㎍/㎥ 가까이 치솟으면서 ‘매우 나쁨’ 수준을 보였다. 국립환경과학원은 이번 고농도 미세먼지 현상이 18일 밤부터 중국으로부터 북서풍을 타고 유입되고, 대기 정체현상이 겹치면서 발생했다고 설명했다. 여기서 우리가 주목해야 할 부분은 대기 정체현상뿐만 아니라 대기가 연직으로 혼합될 수 있는 높이인 ‘대기 혼합고(Atmospheric Mixing Layer Height)’다. 대기 혼합고에 따른 오염물질 농도 변화같은 넓이에 천장 높이만 다른 각각의 공간에서 사람들이 추위를 이겨내기 위해 모닥불을 피웠고, 이 모닥불에서 배출되는 총 초미세먼지의 양은 같다고 가정해보자. 참고로, 초미세먼지의 대기 중 농도는 단위 부피(㎥)당 질량(㎍)농도로 나타낸다(㎍/㎥). 이 가정에서 여러분은 천장이 높을수록 공간이 넓어져 초미세먼지 농도가 낮아지고, 반대로 천장이 낮을수록 공간이 좁아져 초미세먼지 농도가 높아진다는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 눈에 보이지 않지만, 대기 혼합고가 이런 천장 역할을 한다.대기오염물질은 대기 혼합고 아래의 공간에서 섞일 수 있으며, 대기 혼합고는 지표면의 가열과 냉각 등에 의해 계속해서 변화한다. 수평적인 공기의 이동·확산이 없다고 가정하면, 국내에서 배출되는 대기오염물질의 총량이 같더라도 대기 혼합고가 2~4배 낮아진다면 대기 중 오염물질의 농도를 2~4배 증가시키는 결과를 가져온다.겨울