#강신종 쌤의 재미있는 과학이야기
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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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주기율표 (하)
주기율표의 주기와 족 구분주기율표에서 가로 줄 위치에 있는 원소들을 ‘주기’하고 하며, ‘주기’는 전자껍질의 수를 나타낸다. 전자껍질의 수는 원자 반지름을 결정하는 중요한 요소이며, 전자껍질의 수가 많을수록 원자 반지름은 증가한다.가장 바깥쪽 전자껍질에 있는 전자는 전자를 잃거나 받으면서 화학결합에 참여하게 되는데 이를 ‘원자가 전자’라고 한다. 원자의 화학적 성질은 ‘원자가 전자’에 의해 결정된다. 18족에 속해 있는 원소들을 비활성기체라 한다. 이들은 가장 바깥쪽 전자껍질에 8개의 전자를 갖고 있으나, 전자를 잃지도 받지도 않기 때문에 최외각전자의 수는 0이다. 그러므로 18족을 제외한 나머지 전형원소들은 최외각 전자의 수와 원자가 전자의 수가 같다.비금속은 오른쪽에 위치주기율표에서 같은 세로 줄에 위치하면 같은 족이라 부른다. 같은 족은 화학적 성질을 결정하는 원자가 전자의 수가 같기 때문에 같은 족은 화학적 성질이 비슷하다. 즉 3주기 1족 원소인 나트륨(Na)은 전자껍질이 3개이고 원자가 전자 수가 1개이다. 리튬(Li)은 2주기 1족이며 전자껍질은 2개, 원자가 전자 1개를 갖고 있다. 그러므로 리튬(Li)과 나트륨(Na)을 같은 족이라 하며 이들의 화학적 성질은 비슷하다.전자를 잃는 성질을 금속성이라 하며, 금속성이 강할수록 원소들은 주기율표의 왼쪽(1~13족) 영역에 위치한다. 우리가 많이 들어본 마그네슘(Mg), 철(Fe) 등이 금속 원소에 속한다. 1족인 알칼리 금속을 중심으로 금속 원소들의 성질을 배우게 된다.비금속 원소는 전자를 받아들이는 성질인 전자친화도가 큰 원소들이다. 전자를 잘 받아들이는 성질을 비금속성이라 하며, 수
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별의 진화(하)
원시별 탄생은 성간물질로 시작되며, 별의 죽음으로 다시 성간물질로 되돌아간다. 성간물질들이 구름처럼 모여 있는 곳을 성운이라 한다. 성운들 중에서 온도가 낮고 밀도가 높은 ‘암흑성운’은 원시별이 태어나기 위한 최적의 조건을 갖추고 있다큰 별은 핵융합으로 에너지 얻어“아시아코끼리는 하루에 약 102㎏을 먹어 치운다.” 일반적으로 덩치가 큰 동물들이 체중 유지를 위해 영양분을 계속 섭취해야 하듯이, 질량이 큰 별들은 핵융합이라는 방식으로 계속 영양분을 섭취하고 섭취한 만큼의 에너지를 방출하게 되면서 수명이 짧아지게 된다. 그러므로 별의 수명은 질량과 밀접하게 연관돼 있다. 현재의 태양은 주계열성으로 앞으로 먼 미래까지 핵융합 반응으로 빛과 열에너지를 우리에게 계속 제공해 줄 것이라는 것을 지난 시간에 강조했다.이번 시간에는 별의 진화와 관련된 에너지의 발생이 원소의 생성에 크게 기여했으며, 이를 통해 지구와 생명의 역사가 우주의 일부분이며 서로 밀접하게 연결돼 있다는 점을 강조할 것이다.별들은 질량에 따라 최후 달라주계열성은 오랜 기간 동안 별 중심에서 계속되는 핵융합에 의해 헬륨(He)의 핵은 점점 늘어가고, 연료인 수소(H) 핵은 감소되면서 점점 핵융합은 일어나기 어렵게 된다. 핵융합 반응이 감소되면 중심부의 압력이 감소하게 되어 빈 페트병(PETE)을 세게 누르면 찌그러지듯이 별의 중심부는 급격히 함몰된다. 반면에 별의 광구(표면) 부분은 팽창하게 되며 별의 반지름은 급격히 증가하게 된다. 이 과정에 있는 별을 적색거성이라고 한다.약 50억 년 전에 태어났지만 현재의 태양은 밝기가 거의 변하지 않는 안정한 주계열성이다. 하
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별의 진화(상)
지난 시간에 빅뱅(big bang)에 의해 수소와 헬륨 원자핵이 생성된 것을 배웠다. 이후 시간이 한참 지나서 중성인 원자들이 만들어졌고, 별의 진화 과정에서 별 내부에서 핵융합을 통해 가벼운 원소들이 생성됐다는 점도 배웠다. 초신성의 결과물로 철(Fe)보다 무거운 원소가 만들어지는 원소의 진화 과정도 설명했다. 이번 시간에는 별의 진화 과정과 연결해 원소들의 생성 과정을 알아보려 한다.항성·행성·위성의 차이태양(sun)처럼 스스로 빛을 내는 천체를 항성이라 한다. 스스로 빛을 내진 못하지만 항성의 주위를 도는 지구(earth)를 행성(planet), 행성의 인력에 끌려 주위를 도는 달(moon)을 위성(satellite)이라고 부른다. 따라서 우리가 말하는 별(star)은 항성을 일컫는다. 몇 가지 용어를 더 알아보자.성(星)은 별, 간(間)은 사이를 뜻하는 한자다. 별과 별 사이의 공간에 존재하는 기체와 티끌 같은 것을 모두 성간물질이라고 한다. 성간물질은 기체 99%와 내화성 규산염이나 흑연 같은 것이 얼음에 덮여 있는 미세한 고체 입자인 티끌 1%로 구성돼 있다.성간물질은 원시별 탄생의 출발점이며, 별이 탄생될 수 있는 재료가 된다. 또한 수명이 끝난 별은 성간물질로 다시 돌아간다. 성운에서 운(雲)은 ‘구름’의 뜻을 갖는 한자다. 따라서 성운(星雲)은 성간물질이 많이 모여서 구름처럼 보이는 것을 말한다.별은 은하에서 계속 태어나산란(scattering)도 알아둬야 한다. 산란은 ‘한쪽 방향으로 진행되는 파가 물체에 부딪쳐 운동 방향을 바꾸고 흩어지는 것’을 말한다. 어떤 성운은 별에서 나온 빛 중에서 가시광선을 산란시킨다. 이렇게 별빛이 산란돼 파란색으로 밝게 보이면 ‘반사 성운’이
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빅뱅의 증거
1948년 가모프와 랄프가 발표한 논문 ‘화학 원소의 기원’은 빅뱅 이론의 역사에서 매우 중요한 문헌이 됐 다. 두 학자는 빅뱅의 첫 번째 증거로 이렇게 말했다. “빅뱅 후 1초 정도 시간이 흐르면 우주의 온도가 100 억 도 정도로 낮아지면서 수소가 헬륨으로 융합을 시작한다. 그러나 빅뱅 후 3분 정도 시간이 지나면서 온도가 더 낮아져 더 이상 수소가 헬륨으로 융합을 할 수 없게 되며, 이때 수소와 헬륨의 질량비는 3 대 1 이다.” 현재 우주에서 측정한 수소와 헬륨의 질량비도 이와 같다.우주 온도에 따라 원소 융합 나타나태양처럼 빛을 내는 물체는 사람의 지문처럼 특유의 선 스펙트럼을 나타내며, 이를 분석하면 구성 원소를 알 수 있다. 이런 방법으로 별 빛의 선 스펙트럼을 분석하면 대부분이 수소와 헬륨임을 알 수 있다.1929년 미국의 천문학자인 허블은 “팽창하고 있는 우주에서 점점 멀어지고 있는 은하의 후퇴 속도는 허블상수와 은하 사이의 거리를 곱하면 구할 수 있다”는 허블의 법칙을 발견하고 우주가 팽창한다는 이론을 내놓았다. 이것은 빅뱅 이론의 두 번째 증거가 됐다. 은하의 후퇴 속도는 적색편이로 구할 수 있다. 적색편이는 ‘빛의 도플러 효과’ 때문에 생긴다. 도플러 효과는 광원이 멀어지면 관찰되는 빛의 진동수가 작아진다는 것이다. 진동수가 작아지면 파장은 길어진다. 파장이 길어지면 빨간색 영역의 빛을 방출하게 되며 이를 적색편이라 한다.빅뱅 후 남은 복사를 측정러시아의 가모프는 우주 초기에 온도가 매우 높았다면 대폭발로부터 광자의 형태로 방출된 복사의 일부가 남았을 것이라고 우주배경복사의 존재를 예언했다. 1964년 벨 연구소의