지구의 역사
지구 표면에 나타나 있는 여러 가지 암석의 구조와 암석에 보존되어 있는 화석, 방사성 원소 등을 연구하면 지구의 역사를 밝혀낼 수 있다. 즉, 지구의 나이를 과학적으로 밝혀 준 것은 방사성 동위 원소이다. 동위 원소는 원자 번호(원자핵을 구성하는 양성자 수)는 같지 만 질량수(質量數, 원자핵을 구성하는 양성자 수와 중성자 수의 합)가 다른 원소를 말한다. 예를 들면 탄소의 경우, 원자 번호는 6으로 같지만 질량수 가 각각 12,13,14인 12C, 13C, 14C와 같은 동위 원소가 있다. 이중에는 12C, 13C처럼 언제나 변하지 않는 안정 동위 원소와 14C처럼 방사선을 방출하면서 다른 안정된 원소로 변해 가는 방사성 동위 원소가 있다. 이 때 방사선을 방출하는 원소를 `모원소(母 元素)`, 새로 나타난 원소를 `자원소(子元秦)` 라고 한다. 방사성 동위 원소가 붕괴해서 처음 양의 절반이 되는 데 걸리는 시간을 `반감기` 라고 하는데, 238U의 반감기는 약 45억 년, 235U의 반감기는 약 7.1억 년, 40K의 반감기는 약 13억 년이다. 방사성 원소의 붕괴 속도는 온도 압력 또는 화학 조성과 같은 조건에 영향을 받지 않는다. 따라서 방사성 동위 원소의 반감기를 이용하면 암석이 언제 형성되었는지를 알 수 있다. 즉 연령 측정에 사용되는 방사성 원소의 반감기를 알고, 남아 있는 모원소(母元素)의 양과 새로 생긴 안정된 자원소 양의 비를 알면 암석의 생성 연대를 쉽게 구할 수 있다.
자연과학 > 천문/지구과학
화성탐사의 역사
20세기에 들어와서, 화성이 살기 적합한 행성이라는 생각은 완전히 사라졌다. 새로운 관측은 화성의 대기가 지구의 대기에 비해 매우 얇고, 주요 성분이 이산화탄소(CO)이며, 산소(O)와 수증기(HO)는 상당히 부족한 것을 보여주었다. 1965년 7월 화성 탐사선 매리너 4호(Mariner 4)가 화성을 지날 때 보내온 22개의 영상 이미지는, 많은 크레이터들이 분포하는 달의 표면과 유사한 화성의 표면을 보여주었다. 이로 인해 화성이 생명체의 서식처라는 그 어떤 생각도 모두 사라졌다. 1969년 매리너 6호, 7호(Mariner 6, 7)가 지구로 보내온 새로운 수백 개의 영상 이미지는 화성이 죽은 행성이라는 것을 각인시켜 주었다. 그것들은 화성 대기압이 지구 해수면 대기압의 1%도 안 되는 크기를 가졌다는 것을 보여 주었으며, 극관은 고체 상태의 드라이아이스(Solid CO)로 이루어져 있다는 것을 보여 주었다. 매리너 4호, 6호, 7호가 화성 표면의 제한된 부분만을 보여준 것과는 달리 1971년 화성 주위를 도는 궤도에 진입한 매리너 9호(Mariner 9)는 화성 주위를 돌며 화성의 전체 표면을 보여주는 것이 가능했다. 매리너 9호가 화성궤도에 진입했을 때 화성표면에서는 거대한 먼지폭풍이 일어 전체 표면을 뒤덮었다. 이 때 작은 어두운 부분만이 관찰 가능했는데, 먼지 폭풍이 가라앉은 뒤 이 부분은 높이 솟아오른 화성의 화산이라는 것이 알려졌다. 이 이외에도 지구의 그랜드 캐니언을 닳은 협곡들이 관측 되었고, 과거 물이 흐른 자국이 넓게 퍼져 있었다. 매리너 4호가 그랬던 것처럼 매리너 9호에 의해 관측된 이미지 사진 역시 화성을 바라보는 천문학자들의 시각을 바꾸었다. 그 사진들은 화성이 매우 흥미롭고, 복잡하게 얽혀진 역사를 가졌을 것이 분명하다는 것을 보여준다. 매리너 9호 이후, 1976년에 화성에 도착한 두 개의 바이킹 탐사선(Viking)에 의해 더 좋은 질의 사진을 얻을 수 있었다. 각각의 탐사선 에는 화성표면에 안전하게 착륙할 수 있는 장치가 장착되어 있어, 이들은 화성 표면에서 배경에 대한 사진들, 여러 조사 자료들을 지구로 보냈다. 이들에게는 화성 토양의 미생물 존재여부를 시험할 수 있는 장치도 부착되어 있었다. 20년의 시간이 지난 뒤, 1997년 화성탐사가 재개되었다. 1997년 7월 패스파인더 호(Pathfinder)가 화성에 착륙했다. 이틀 후 패스파인더는 6륜 소형 무인 탐사차량, 소저너(Sojourner)를 밖으로 내놓게 된다. 소저너는 착륙한 지대의 토양, 바위의 화학 성분을 조사하기 위해 분광기(spectrometer)를 탑재하고 있었다.
화성의 특징
태양계 중심으로부터 도는 네 번째 궤도를 도는 행성인 화성은 약 40억년전에 탄생한 것으로 추측되고 있어 지구(약 45억년전)보다는 뒤늦게 탄생된 행성이다. 생명체가 존재하느냐 하는 끊임없는 의문속에, 현재 무인 탐사선을 통해 탐사와 연구가 활발히 이루어지고 있다. 화성의 ‘마르스(Mars)’라는 로마식 명칭은 대 로마의 전쟁의 신(神) ‘마르스’의 이름에서 비롯되었는데 마르스는 당시 로마에서 주피터(제우스) 다음으로 국가의 수호신으로서 신성시 되었다. 어두운 밤 하늘에 붉게 빛나는 모습이 마치 피의 색깔을 연상시킨다 하여 고대 사람들은 이를 매우 불길하게 여기기도 했다. 고대 이집트에서도 화성을 ‘붉은 것’을 의미하는 ‘헤르 데스처(Her Descher)'라고 불렀으며 중국에서는 형혹(熒惑)이라고 불렀다
태양계의 형성
태양계가 어떻게 형성되게 되었을까? 이 의문은 오래전부터 가져왔던 것이다. 이를 합리적으로 설명하기 위한 여러가지 가설들이 만들어졌으나 아직은 만족스러운 것이 못된다. 이러한 가설이 널리 인정되기 위해서는 행성들의 물리적 특성과 궤도운동 및 각운동량 분포 등을 모두 합리적으로 설명할 수 있어야 할 것이다. 태양계 형성에 대한 가장 오래된 가설은 성운설이다. 이 설은 회전하는 편평한 원시성간물질의 구름(성운)에서 태양과 행성이 생겼다는 것이다. 이 설의 가장 큰 난점은 행성의 공전 각운동량이 태양자전의 각운동량에 비해서 극히 크다는 사실이었다. 후에 이 설이 갖는 난점 때문에 조우설·쌍성설 등이 등장하였지만 이 설들 역시 또 다른 결함을 안고 있음이 밝혀졌다. 한편 C.F.바이츠제커 등은 난류이론에 입각한 신(新)성운설을 제안하였고, 또 포베다 등은 현대의 항성진화론 및 플라스마에 관한 전자기유체역학에 기반을 둔 학설을 발표하기도 하였다(1965년). (1) 성운설(Kant-Laplace nebular hypothesis) 태양계의 생성을 처음으로 과학적으로 설명한 학설로 독일의 철학자 I.칸트가 태양과 그 주위행성들은 회전하는 하나의 성운에서 동시에 생긴 것이라는 견해를 처음으로 발표하였다(1755년). 그 후 프랑스의 수학자 M.S.라플라스가 이 학설을 이어받아(1796년) 칸트-라플라스의 성운설로 불린다. 이 학설에 따르면 원시 태양계는 매우 천천히 회전하는 거대한 구형의 뜨거운 가스의 성운이었다. 이것이 점차 냉각되고, 중력에 의해 중심방향으로 수축하기 시작했고, 수축이 진행됨에 따라 그 회전속도가 더욱 빨라졌다. 회전속도가 점점 빨라지자 원심력이 강하게 작용하게 되고, 성운은 넓게 퍼져 마침내 원반상으로 되었다. 이 때 원반상 주위의 원심력은 중력과 균형을 잘 이루게 되었다. 그리고 성운이 중심방향으로 수축할 때 마다 주위는 고리를 이루면서 물질이 떨어져 나오게 되었고, 이 과정이 몇 차례 반복되어, 이윽고 원시태양계는 중심성운과 그것을 둘러싸고 있는 몇 개의 고리 모양의 가스덩어리가 된 다음, 다시 냉각되어 중심부의 성운 태양이 되고, 떨어져 나간 고리 모양의 가스덩어리는 제각기 하나로 뭉쳐서 원시행성을 만들어 태양주위를 공전하게 되었다는 것이다. 이와 유사한 과정이 행성의 생성과정에서도 일어나 자체 위성계가 생겨났으며, 소행성군은 가스덩어리가 하나로 뭉쳐지지 못한 경우이며 행성의 고리도 원시 행성의 주위에서 가스덩어리가 뭉쳐지지 못하고 남은 것이라고 설명하였다.
태양계란?
태양계란 개념을 역사적으로 살펴보면 천동설의 시대에는 물론 존재하지 않았지만 N.코페르니쿠스가 지동설을 제창했던 1543년 이후에도 행성운동을 설명하는 가설의 테두리를 벗어나지 못했다. 17세기에 J.케플러의 행성운동에 관한 법칙, I.뉴턴의 만유인력의 법칙의 발견은 행성운동의 이론적 근거가 되었으며, 관측 적으로도 태양시차 결정의 시도, 광행차(光行差)의 발견에 의한 지동설의 입증 등 중요한 업적이 잇따라 이루어졌다
우주의 탄생
1) 우주의 기원 지금으로부터 110-150억 년 전 콩알만한 우주가 상상할 수 없을 만큼의 초고온, 초고밀도의 물질이 대폭발을 일으켰다. 폭발 후 팽창하며 온도는 낮아지고 밀도는 감소하면서 물질이 만들어졌고, 마침내 그 속에서 은하와 별들이 탄생하였고 우주는 아직도 계속 팽창하고 있다. `빅뱅`으로 알려진 이 이론은 오늘날 가장 일반적으로 받아들여지고 있는 우주 탄생 시나리오이다. 2) 우주의 크기 우리 인간이 속한 가장 큰 구조가 우주입니다. 우주는 수백 만개의 은하로 구성되어 있고 대개 은하는 약 1000억개 정도의 별들로 구성되어 있습니다. 3) 은하계 우리 은하의 크기는 지름 10만 광년, 중심 두께 3,000 광년이며 옆에서 본 모습은 납작한 렌즈 모양이며 위에서 보면 바람개비 모양의 나선구조를 하고 있다. 우리 은하에는 대략 2천 억 개 정도의 별이 있는 것으로 알려져 있으며, 그 중 하나인 태양은 은하 중심으로부터 약 3만 광년 떨어진 변두리에 위치해 있다. 4) 은하의 종류 은하를 분류하는 기준에는 여러 가지가 있으나 미국의 천문학자 허블의 분류 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 허블의 은하 분류 방법은 은하의 형태에 따른 분류법으로 나선은하, 막대나선은하, 타원은하, 불규칙은하로 나눈다.
블랙홀에 대하여
1783년, 존 미첼 John Michell 은 태양의 약 500배 되는 별에서는 중력마당이 너무 강해서 빛이 떠날 수 없는 `보이지 않는 별들`이 존재할지도 모른다는 논문을 영국 왕립학회에 제출했다. 그리고 몇 년 후, 프랑스의 피에르 라플라스 Pierre Laplace는 태양의 250배 정도 되는 별에서는 빛이 떠날 수 없다는 유사한 제안을 했다. 두 사람의 아이디어는 옳았지만, 뉴턴의 중력법칙을 사용했으며, 커다란 별을 생각했다는 점에서 잘못되었다. 오늘날의 블랙홀 이론에서는, 블랙홀은 거대한 별이 수축한 잔재이며 아인슈타인의 상대성 이론으로 설명된다. 1916년, 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표함에 따라 블랙홀에의 접근은 한층 구체화되기 시작했다. 아인슈타인은 질량(중력)을 가진 물체 주위에는 공간이 휘기 때문에 이에 따라 빛이 휜다는 사실을 이론적으로 설명했다. 그의 설명은 영국의 천문학자 에딩턴이 관찰한 개기일식에 의해 증명되었다. 아인슈타인의 일반상대성이론은 너무나 복잡한 이론이어서 아인슈타인조차도 방정식을 풀 수 없었지만, 독일의 천문학자 칼 슈바르츠실트 Karl Schwarzchild 는 일반상대성이론의 해를 공식화했다. 그런데 슈바르트실트와 아인슈타인은 상대성 이론의 특이점- 해가 무한대가 되는 곳- 이 기이하게 나타난다는 사실을 깨닿게 되었다. 예를 들면, 뉴턴의 만유 인력 공식이나 쿨롱의 법칙에서는 반지름이 0일 때 힘은 무한대가 된다. 그러나 상대성이론에 의하면 작은 유한 반지름에서도 무한대-특이점-가 나타나게 된다. 이것은 블랙홀의 존재를 예측하는 것이지만, 당시에는 그 사실을 몰랐기 때문에 과학자들은 어리둥절해 했다. 이후, 아인슈타인과 동료인 로젠은 무거운 물체 주위에 접근함에 따라 곡률이 증가함을 깨달았다. 그것은 마치 반지름이 감소하는 터널같았다. 그런데 놀랍게도 블랙홀의 반대편에 거울상 터널이 있었다. 아인슈타인은 후에 아인슈타인-로젠 다리라고 불리게 될 이 터널을 통과하면 또 다른 우주로 -비록 광속보다 큰 속도로 통과해야 하기 때문에 현실적으로 불가능 하지만-가게 된다고 생각했다. 그 뒤, 1939년 미국의 오펜하이머는 Robert Oppenheimer 는 에너지의 모든 열핵원이 다할 경우 충분하 무거운 별은 수축을 계속하며, 별의 반지름은 중력반지름으로 접근해 갈 것이라는 논문을 발표하였다. 이렇게 블랙홀에 관한 사실은 조금씩 벗겨졌고, 1963년 로이 케르 Roy Kerr 는 회전하는 블랙홀의 모형을 제시하였다. 그리고 그 이후, 중성자별과 펄서(Pilsar;맥동 전파원), 블랙홀의 후보인 X선별의 발견등으로 블랙홀의 존재는 기정 사실화되었다. 1969년, 미국의 물리학자 존 휠러 John Wheeler 가 블랙홀이라는 명칭을 처음으로 사용하기 시작했다. 그 이후, 블랙홀에 대해 보다 많은 연구와 발견이 있었다. 영국의 물리학자 펜로즈 R.Penrose 와 호킹 S.Hawking 에 의한 '특이점 정리'- 일단 사건 지평이 형성되면 그 내부에 불가피하게 특이점이 생긴다는 것, 어떤 조건하에서는 중력의 강도가 무한대로 되어 시공의 구조가 엉망진창이 돼버리는 특이점이 존재한다는 것, 특히 우주는 특이점으로부터 탄생했다는 것을 가리키는 정리. - 의 증명, 존 휠러의 '대머리 블랙홀' 정리-블랙홀은 질량과 회전, 그리고 전하라는 단 세가지 성질을 갖는다- 의 증명, 은하 중심의 거대한 블랙홀이나 우주에 있어서의 미니 블랙홀의 형성 가능성의 지적 등이 그것이다.
블랙홀이란
블랙홀은 검은 구멍이라고도 한다. 블랙홀은 A. 아인슈타인의 일반 상대성이론에 근거를 둔 것으로, 물질이 극단적인 수축을 일으키면 그 안의 중력은 무한대가 되어 그 속에서는 빛·에너지·물질·입자의 어느 것도 탈출하지 못한다. 또한 많은 천체가 회전하듯 블랙홀도 회전하는 것이 있는데 회전하는 블랙홀 주위의 공간은 일그러지고 블랙홀 바깥쪽에 ‘에르고 영역’ 이라고 불리는 공간 영역이 발생한다. 에르고 영역 안에서는 공간자체가 광속이상의 속도로 블랙홀에 이끌려서 돌고 있기 때문에, 어떠한 운동을 하여도 블랙홀이 도는 방향으로 끌려가게 된다. 회전의 또 하나의 효과는 블랙홀의 표면인 사상의 지평면의 내부에 또 다른 하나의 지평면이 나타나는 것이다. 이것을 ‘내부 지평면’이라고 부르는데 바깥 쪽의 지평면으로 들어간 물체는 반드시 안을 향해 끌려가게 되고 내부 지평면보다 안쪽에는 큰 원심력이 작용하고 있어서 그 안으로 들어간 물체는 반드시 중심방향으로 낙하하지 못하고 운동할 수 있다. 단 내부의 지평면 바깥으로 되돌아 갈 수는 없다.
블랙홀의 역사
1) 1783년 - 미첼(영) 질량주변에서 빛이 휠 수 있고, 빛이 탈출할 수 없게 하는 천체가 존재한다. (수년 뒤 라플라스도 비슷한 제안을 함) 2) 20세기 초 - 아인슈타인 (독) 상대성 이론에서 빛이 중력에 의해 휨을 증명. 3) 1969년 - 휠러(영) "블랙홀"이라는 명칭을 만듦. 4) 1974년 - 호킹(영) 검은 구멍도 다른 천체처럼 빛을 낼 수 있다고 발표.
화성암의 정의
650 - 2, 000°정도의 규산염 (SiO2) 용융체가 온도가 상승하거나 압력이 감소하는 조건하에서 만들어진 암석을 말하며, 생성위치는 지각하부에서 맨틀상부정도이며 배니오프대의 하부방사성 원소가 농집된곳이나 중앙해렴(대양저 산맥) 의 중심부 열곡등지에서 생성된다.
화석의 정의
화석이란 역사시대 (약 일만년 전 이후부터 현세까지)를 제외한 지구의 지질시대 (일만년 ~ 약46억년)로 부터 자연상태로 보존되어온 모든 생물들 즉 고생물의 유해, 유물, 흔적으로서 생물의 형태나 생활환경, 생태 등의 지구상의 생물역사를 가리키는 생물체의 구조가 암석 속에 남아 확인되고 전달되는 모든 물체를 말한다.이러한 대상에 대한 연구는 지질시대 동안의 지구상의 생물과 관련된 지구역사와 생물체의 진화계통, 생활상태 등을 규명할 수 있어서 자연사 연구에 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 화석은 생명체가 사후 퇴적되는 과정 속에서 화석화 되어 보존되는 데에는 본래 생명체의 형태적인 특성에 따라 화석화 되는 양상이 각각 다르게 나타나게 되는 것이다. 이 과정이 바로 화석화의 과정이라 할 수 있으며, 화석화의 과정에 따라 화석의 유형이 결정된다고 볼 수 있다. 화석은 생물의 분류체계에 따라 대분류가 결정되며 진화계통의 체계 안에서 그 위치와 중요성이 결정된다고 볼 수 있다. 화석이란 사전적인 의미로 지질시대에 살던 동식물의 유체(遺體) 및 그 유적이 남아 있는 것으로 정의하고 있으며, 영어로 fossil이라 하는데, 이것은 라틴어의 fodere (땅을 판다는 뜻의 동사)에서 온 말로 이라는 의미이다. 화석에는 본래 돌처럼 단단하다는 뜻은 없지만, 오랜 세월 지층 속에서 매몰되어 있는 동안 속성(續成)작용이나 지각운동의 영향을 받아 변질되었기 때문에 단단한 모습을 하고 있으며 암석이나 보석처럼 단단한 모습으로 굳어지기 쉽다. 이 변화를 석화(石化)작용이라 한다. 식물의 잎이나 동물의 피부 또는 근육 등의 연한 조직의 화석도 종종 알려지고 있다. 그 예로 빙하시대의 얼음 속에 갇혀 죽은 매머드나, 중생대의 건조기후에서 미이라화 된 공룡 피부의 화석 등이 그것이다
대룩이동설의 정의
현재 지구상의 호주·남극을 제외한 5대 대륙이 상대적으로 이동하고 있다는 학설이다. 대륙표이설(大陸漂移說)이라고도 한다. 17세기 영국의 F.베이컨은 대륙은 원래 하나의 큰 지괴였는데, 그것이 나뉘어 오늘날의 5대 대륙으로 분리되었을 것이라는 가설을 처음 세웠다. 베이컨은 대륙 연변부의 해안선이 큰 지괴에서 분할된 것으로 보이며, 재결합하면 들어맞을 것이라고 생각하였다. 또 프랑스의 P.플라세도 17세기에 북아메리카 대륙의 석탄이나 동식물 화석의 분포가 서유럽의 것과 연관되는 사실을 발견하여 베이컨의 가설이 옳다고 하였다. 19세기 말에서 20세기 초에 걸쳐 미국의 F.B.타일러와 독일의 A.베게너는 그때까지의 가설과 지질학적·지리학적 현상을 근거로 하여 대륙의 원조는 판게아(Pangaea)라는 하나의 큰 지괴라고 주장하였다. 그 후 지질학·고생물학·고기후학·고지자기학·지층의 연령측정법 등의 발전과 고지자기의 대칭적인 발전, 범세계적인 해저의 열극 등을 들어 대륙이 서로 상대적으로 운동하고 있는 사실은 의심할 수 없게 되었다. 상대적인 운동속도는 1년에 1˜2cm이고, 원동력은 맨틀대류에 의한 변형력으로 생각된다
해저 확장설
해저 지질 연구에 의해 해양저 산맥의 성질이 알려지면서, 디이츠와 헤스는 그것을 관찰하고 정리한 해저확장설이라는 가설을 발표했다. 즉, 중앙해령에서 솟아오르는 고온의 마그마가 해양저 산맥을 만들고, V자형 골짜기인 열곡의 양쪽에 용암이 냉각되면서 새로운 해양 지각을 형성하며 산맥 양쪽의 해양지각은 열곡을 중심선으로 하여 서로 반대 방향으로 이동하게 되는데, 이 때문에 해양 지각이 확장을 일으키는 것이라고 주장했다 새로운 지각이 생겨나므로 오래된 지각은 계속 밀려서 이동하다가 결국 맨틀 속으로 다시 침강해 들어가고, 전체로서 하나의 순환을 이루게 되는데, 해저는 이처럼 끊임없이 새로워지며 그 움직임을 타고 대륙이 이동한다고 했다.
수렴 경계
확장 경계에서 두 판이 서로 서로 멀어지게 되면 판의 한쪽에서 멀어지는 운동이 상대적으로 다 른 쪽에서는 서로 가까워지게 되어 충돌하는 운동이 된다. 이곳이 바로 판들이 만나는 수렴 경계이며, 충돌에 의해 판들이 없어지는 곳이라 하여 소멸(destructive) 경계라고도 한다. 수렴 경계는 판의 성질에 따라 크게 2가지의 형태를 보여준다. 첫째는 두 판이 충돌하여 하나의 판이 다른 판 아래로 침강(subduction)해 들어가는 경우인데, 예를 들어 해양판과 대륙판이 만나는 경우는 무거운 해양판이 보다 가벼운 대륙판 아래로 침강하여 들어가게 된다.
확장 경계
상부 맨틀의 뜨거운 마그마는 끊임없이 외부로 빠져나가려 하는데 주로 지각의 갈라진 틈을 통하여 분출하게 된다. 이러한 지각의 틈들은 주로 두께가 얇은 해양판(지각)에 주로 분포되어 있으며 일직선상으로 연장 발달되어 있다. 이곳에서는 분출된 마그마가 해수에 의해 냉각되어 암석으로 굳어지면서 새로운 해양 지각을 만들고 새로운 해양 지각은 계속되는 마그마의 분출에 의해 판의 일부가 되어 점점 멀어지게 된다. 바로 이곳이 판들이 멀어지는 확장 경계이며 새로운 해양 지각이 생성되는 곳이라 하여 생성(constructive) 경계라고도 한다. 이 열곡대는 해령의 확장 축 부근에 존재하는 열곡의 형성과 동일한 과정으로 만들어진 것으로 추정되며, 이를 중심으로 아프리카 판의 동서 두 부분이 서로 멀어지고 있는 것이다. 여기서도 해령에서처럼 맨틀 기원의 마그마가 분출하여 생성된 암석이 나타난다. 한편, 홍해는 확장 경계에서 새로운 해양이 만들어지는 과정을 보여준다. 이 경우 새로운 해양 주변의 대륙에는 여전히 열곡대에서 관찰되는 단층들이 남아 있다.
