간접순환
유체가 부분적으로 더워지거나 식었을 때, 따뜻한 곳에서 하강류가 발생하고 차가운 곳에서 상승류가 발생한 결과 연직면(鉛直面) 내에서 일어나는 순환을 말한다. 특히 대기대순환론(大氣大循環論)에서 평균자오면순환의 3개의 순환세포 중 중위도에 나타나는 간접순환을 가리키며, 최초에 이 학설을 주창한 미국의 기상학자 W.페렐의 이름을 따서 페렐세포(Ferrel cell)라고한다.
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해들리순환
지구의 대기순환은 적도에서 극지방까지 남•북반구 각각 크게 3개의 순환세포로 되어 있다. 그 중 적도부터 북위 및 남위 30° 부근까지를 해들리세포(Hadley Cell)라고 하며, 이곳에서는 열대류(熱對流)에 의해 적도 부근에서 상승한 기류가 극방향으로 이동하여 북위 또는 남위 30° 부근에서 하강한 후 다시 적도방향으로 흐르는 순환이 이루어진다. 이는 1935년 G.해들리에 의해 발표되었다. 적도 부근에서 상승하는 기류는 고온다습한 기류로서 고공에 이른 후 극방향으로 이동하면서 열과 습기를 상실하여 북위 또는 남위 30° 부근에 이르렀을 때에는 저온다습한 상태로 하강하게 된다. 따라서 이 부근은 사막 등 건조한 지역이 많이 분포한다. 실제적으로는 해들리세포 내에서의 대기이동은 경도에 따라 구분되는 워커세포(Walker cell) 및 코리올리효과와 복합적으로 작용하여 적도에서 극방향으로 이동할 때는 북반구에서는 남서풍, 남반구에서는 북서풍이 되고, 다시 낮은 곳으로 하강하여 적도방향으로 이동할 때는 북반구에서는 북동풍, 남반구에서는 남동풍이 되어 무역풍을 형성한다. 북반구와 남반구에서 적도방향으로 이동한 기류가 다시 만나는 지역은 북반구와 남반구의 육지분포 및 열저장능력이 달라 적도보다 약간 북쪽에 위치하게 된다.
오존층의 파괴 원인
이 지구 상에 있는 모든 생물들은 햇빛의 에너지에 의존해서 살아가고 있다. 그러나 이러한 햇빛에도 생물에게 해를 끼치는 성분이 있는데, 그것이 바로 자외선이다. 하지만 자외선은 많이 쬐였을 때만 문제가 된다. 그러한 자외선을 차단해주는 것이 바로 오존층인데, 그 오존층이 파괴된다면 우리는 1억5천만km나 떨어져 있는 태양으로부터 거의 직접적으로 햇빛(자외선)을 받게 된다. 이런 오존이 파괴되는 원인에는 여러 가지가 있다. 첫째로, 할론(Halon) 가스가 있다. 할론가스도 오존층 파괴 물질로서 최근에는 규제대상 물질로 되어 있다. 할론 가스는 프레온 가스와 비슷한 물질로, 프레온 가스에 함유된 염소 대신 브롬이 함유되어 있다. 브롬과 할론의 관계는 염소와 프레온 가스와의 관계와 같다. 할론 1분자 당 오존 파괴능력은 최고 프레온가스의 경우보다 10배 정도 많다. 브롬은 잘 연소되지 않는 성질을 갖고 있기 때문에 그 불연성을 이용하여 특히 소화기용 소화제로서 사용된다. 현재 할론은 세계 최고의 소화수단으로 알려져 있다. 시판되는 2종류의 주요 할론 중, 할론 1301은 컴퓨터 룸 전화교환기 은행 금고실 등의 폐쇄된 실내에서의 소화에 사용된다. 할론 1301은 독성이 없기 때문에 노동자가 농도 7%의 가스가 들어있는 실내에서 어떠한 부작용도 없이 약 15분간 작업할 수 있다. 특히 할론 1301은 효과적인 방화제이기 때문에, 누군가가 라이타를 사용해도 불꽃은 나오지만 불은 붙지 않는다. 둘째, 프레온 가스가 있다. 프레온 가스는 화장품 등 스프레이 제품의 가스, 냉장고나 냉각기의 냉매, 소화제, 반도체, 등 전자제품이나 정밀기계의 제조용 세정제 등에 폭넓게 사용 되는 물질이다. 프레온 가스가 광범위 하게 사용되는 것은 다음과 같은 우수한 성질을 지녔기 때문이다. 프레온 가스는 안정적인 물질이기 때문에 대류권에서는 거의 분해되지 않는다. 따라서 성층권까지 확산되어 가며 그 곳에서 강한 자외선을 받아 분해되는데, 만약 자외선에 의해 분해되면 염소원자가 발생, 그 염소가 오존층을 파괴하게 된다.
오존층의 정의
대기의 구조는 대기의 수직 온도 분포에 따라 대류권(troposphere), 성층권(stratosphere), 중간권(mesosphere) 그리고 열권(thermosphere) 등으로 나누어진다. 대류권은 지표면으로부터 약 10 ∼ 15 km 고도에 걸쳐 위치하며 고도가 상승할수록 평균 6.5℃의 율로 기온이 하강하여 대류권 상층부(계절별, 위도별 차이는 있으나 평균 11 km 고도)에서 약 -56 ℃(217 K)의 기온을 나타낸다. 이와 같이 고도가 상승할수록 기온이 낮아져 불안정한 대기층을 이루어 대류 운동이 활발하게 일어나는 기층을 대류권이라 한다. 이러한 대류권의 상층부로부터 약 50 km 고도까지는 기온이 계속 상승하여 약 50 km 고도에서 0℃(273 K)의 기온을 나타내는 안정한 대기층으로 주로 분자 확산에 의해 기체의 이동이 이루어지는데 이 층을 성층권이라 한다. 대기 중에 포함되어 있는 오존전량(total ozone)을 지상 기압으로 압축시켜 깊이로 환산하면 약 0.3 cm에 불과한 양이나, 이 양의 약 90 %는 성층권에 포함되어 있고 나머지 10 %는 대류권에 포함되어 있다. 특히 성층권 내에서도 25 km 부근에 오존이 밀집되어 있는데 이 층을 오존층(ozone layer)이라 한다. 이러한 성층권의 오존층은 산소분자가 태양으로부터 방출되는 강력한 자외선을 받아 두 개의 산소원자로 분해 되면서 발생된 산소원자가 다시 산소분자와 결합하여 생성된다.
온실효과
온실효과(greenhouse effect)란 대기가스가 파장이 짧은 태양광선은 그대로 통과시키거나 태양광에 의해 따뜻해진 지표가 방사하는 파장이 긴 적외선을 차단시켜 이 적외선 에너지를 오히려 지표로 재방사함으로써 가스들이 축적되어 마치 온실의 유리같은 효과를 내어 지구의 온도가 상승하는 현상을 말한다. 이러한 온실효과의 주범은 주로 산업체에서 내뿜는 이산화탄소(CO2)로 알려있다. 과학자들이 태고의 대기를 간직해온 북극지역의 그린랜드와 남극의 빙판을 분석한 결과 산업혁명 이전인 1750년대 대기의 이산화탄소량은 280ppm정도 이었다. 그 뒤 1958년의 이산화탄소 농도는 315ppm으로 크게 증가하였고 최근에는 344ppm으로 나타나 급속한 증가추세를 보이고 있다. 우리나라의 경우를 보면 오늘날의 일평균기온이 80년전에 비해 1.5도 정도 높아지고 있는데 서울이 1907년보다 1.5도, 부산은 1905년보다 0.5도가 상승하고 있다. 대기에는 온실효과를 유발하는 다른 가스들도 많다. 최근 오존층을 파괴의 주범으로 잘 알려진 불염화탄소(CFC), 화석연료에서 나오는 오염물질인 질소산화물, 그리고 인간이 버린 쓰레기가 썩으면서 나오는 메탄가스등도 온실효과를 가중시키는 요인으로 보고 있다. 지구온난화현상을 방지하는 길은 CO2등 지구 온난화 가스의 방출을 억제하는 방법외에는 없다. 따라서 CO2의 방출량을 줄이려면 우리 인간이 사용하고 있는 에너지 생산 시스템이 변경되거나 에너지 사용을 규제해야 한다.
오존층은 지상 16-48Km사이의 성층권에 형성되어 태양으로부터 지구에 조사되는 유해 자외선을 거의 모두 흡수해주는 방어막이다. 그런데 클로로플루오로카폰스(Chloroluoro carbons:CFC)가 이 온존층을 파괴하는 주요물질로 알려저 있다. 클로로플로오로카폰스는 한국어로는 불염화탄소로 번역되고 간단히 프레온 가스라고도 불리운다. 오존층이 남극의 하늘에서 구멍(오존홀 현상)이 나는 이유는 남극의 긴 겨울동안 성층권의 찬 대기(-73도)는 정체상태에 있으므로 대기순환이 일어나지 않기 때문에 집중적으로 오존층 파괴의 효과가 나타난다. 따라서 오존층의 구멍이 가장 크게 뚤려있는 모습은 남극의 봄에 관측된다. CFC는 대기권에서는 분해되지 않으나 오존이 존재하는 성층권에 올라가면 분해됨, 그러면 CFC는 어떻게 오존층을 파괴하는가를 알아보기 위해 먼저 오존(O3)의 생성괴정을 보면 보통의 산소(O2)는 태양의 자외선을 쬐면 산소분자(O)로 흩어지고 또다른 O2 와 결합하여 O3 로 바뀐다.이때 O3 는 O2 와 다른 성격, 즉 자외선을 흡수하는 독특한 성격을 갖는다. 이 흡수된 광선의 에너지는 오존을 가열시켜 따뜻한 층을 형성하고 그 아래의 대류권에서 모자 역할을 한다, 그러나 이 과정에 CFC가 작용한다. 성층권의 자외선에 자유롭게 된 CFC의 염소(Cl)는 오존을 공격하여 일산화염소(ClO)와 산소(O2)로 분리시킨다. 이 과정에서 오존이 파괴되는 것이다. 흔히 오존 1%가 감소하면 지표로 쏟아지는 유해자외선의 양이 2%나 증가하여 피부암의 발생율이 4-6%가량 높아진다. 방지대책은 오존층을 원상회복시키는 것 뿐이 없고 CFC의 대체물질로는 HCFC(수소화염화불탄소)나 HFC(수소불탄소)를 들수 있다.
블랙홀의 정의
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 개념
아인슈타인(A.Einstein;1879~1955)이 `일반 상대성 이론'을 제창한 다음 해인 1917년에 독일의 수학자 슈바르츠실트(K.Schwarzsch-ild;1873~1916)는, 오늘날 블랙홀로서 알려져 있는 이 불가사의한 천체가 아인슈타인의 이론에 의해 예언된다는 것을 지적하였다. 빛이 탈출할 수 없는 별 이야기는 18세기에 이미 프랑스의 수학자 라플라스(P.Laplace;1749~1827)와 영국의 물리학자 미첼(J.Mitchell)에 의해 논의되고 있었다. 그들의 논의는 뉴턴(I.Newton;1642~1727)의 `중력의 법칙'에 바탕을 둔 것이다. 그러나 블랙홀처럼 강한 중력을 가진 천체를 엄밀하게 따지려면, 아인슈타인의 상대성 이론의 등장을 기다려야 했다. 블랙홀은 밀도도 중력의 세기도 무한대인 `특이점(特異點, Singu-lar point)'과, 그 주위의 `사상의 지평면(事象-地平面, Event hor-izon)'으로 형성된다. 당시에는 사상의 지평면이 무엇을 의미하는가를 알 수 없어서, 제 1선의 연구자 모두가 그 연구에 몰두하였다. 연구 결과 지금은 사상의 지평면이, 거기서부터 안쪽으로 들어가면 모든 것이 탈출할 수 없게 되는 영역과의 경계면임을 알고 있다. 아인슈타인의 이론에서는 빛보다 빨리 진행하는 물질은 없다. 가령 블랙홀의 중력이 엄청나게 강하여 빛도 거기서 탈출할 수 없다면, 다른 물질 역시 거기서 탈출할 수 없다. 블랙홀의 내부로 들어간 물질은 영구히 거기에 갇히게 된다. 그렇다면 모든 물질이 그곳으로 들어가 버리는 특이점이란 과연 어떠한 곳인가? 그 곳은 어떤한 방정식도 의미가 없고, 어떠한 물리의 법칙도 전혀 통용되지 않는 세계이다. 특이점으로 들어가 버리면 어떻게 되는가? 그것은 현재 전혀 알지 못하고 있다. 오늘날 블랙홀이 실제로 존재하는 것은 틀림없는 사실인 것 같다. 그러나 여기에 이르기까지는 몇 가지의 중요한 연구와 발견이 있었다. 중성자 별과 펄서(Pilsar;맥동 전파원), 블랙홀의 후보인 X선 별의 발견, 영국의 물리학자 펜로즈(R.Penrose)와 호킹(S.Hawking;1942~)에 의한 `특이점 정리'의 증명, 은하 중심의 거대한 블랙홀이나 우주에 있어서의 미니 블랙홀의 형성 가능성의 지적등이 그것이다.
공전의 정의
행성이나 혜성이 모항성(母恒星)인 태양 둘레를 돌거나, 위성이 모행성(母行星) 둘레를 도는 것, 쌍성계(雙星系)에서 동반성(同伴星)이 주성(主星) 둘레를 회전하는 운동을 말한다. 그러나 엄밀하게 보면, 공전은 어떤 천체가 다른 천체의 둘레를 일방적으로 회전하는 것이 아니라, 서로 공통의 계(系:system)를 이룬 상태에서 그 공통 무게중심의 둘레를 일정한 주기에 따라 도는 것이다. 이에 대해, 천체가 자기 자신의 축의 둘레를 회전하는 것을 자전이라고 한다. 일반적으로 천체의 공전운동에너지 또는 각운동량은 자전의 각운동량에 비해서 훨씬 크다.
달
지구로부터의 거리는 평균 38만 4400km로, 지구에서 태양까지 거리의 400분의 1이다. 달의 반지름은 지구의 약 4분의 1, 태양의 약 400분의 1인 1738km(적도반지름)이다. 지구에서 본 달의 시지름은 29 `30 ″~32 ` 50 ″이며, 이는 태양의 시지름과 비슷한 크기이기 때문에 개기일식이나 개기월식 등의 현상이 일어난다. 달의 질량은 지구의 81.3분의 1(7.352×1025g)인데, 태양계에서 이와 같이 모행성(母行星) 대 위성의 질량비(質量比)가 큰 것은 지구와 달밖에 없다. 해왕성의 트리톤과, 토성의 타이탄이 각각 모행성의 800분의 1과 4000분의 1로, 질량비로 볼 때 달 다음으로 큰 것들이다. 그러므로 달은 지구의 위성이라기보다 형제 행성이라고 보아야 할 정도이다. 달에 관해서 가장 두드러진 사실은 달이 삭망(朔望)의 현상을 보인다는 것이다. 달은 스스로 빛을 발하지 않으므로 태양의 빛이 닿는 부분만 빛을 발한다. 따라서 태양 ·달 ·지구 세 천체의 상대위치에 따라 달의 빛나는 부분의 형태가 달라져 보이는 것이다.
달의 대기
지구에는 두터운 대기가 있는데, 달에는 대기가 전혀 존재하지 않는다. 왜 이런 일이 생겼는가? 달은 구성한 재료에 원래 대기를 형성하는 성분이 없었다고 하는 생각이 있다. 대기를 형성하는 기체나 물 등의 성분은 약간은 있었지만 달의 중력이 작았기 때문에 우주 공간으로 달아나 버렸다는 생각도 있다. 아마 달의 재료 물질에 원래 대기 성분이 적었으며, 그나마 만들어진 대기도 우주 공간으로 사라져 버린 것이 아닐까? 달의 경우, 물의 성분이 되는 수소가 특히 적다. 지구의 경우, 수소는 수산기로서 보통 광물 속에도 많이 있다. 그러나 달의 암석에는 물의 흔적조차 없다. 따라서 원래 달의 재료 물질에는 그와 같은 휘발성 물질이 없었던 것으로 생각된다. 물이나 휘발성 원소가 풍부한 광물은 태양계가 생겼을 때에 비교적 저온에서 만들어진 먼지에 포함되었다. 그러나 고온 상태에서 만들어진 먼지에는 그와 같은 물질이 없다. 이러한 점에서 달이 다른 곳에서 생겨나고 나서 지구에 포착되었다고 하는 설은 맞지 않는다. 달이 지구 주위의 먼지에서 갑자기 형성되었다면, 대기를 만드는 물질이 없어도 가능하다. 또 지구가 다른 천체와 충돌했다면 그때와 고온에 노출된 것이 된다. 어느 설을 취해도 달은 처음부터 대기다운 대기는 갖고 있지 않았다고 생각된다.
판구조론
고체 지구의 표면이 10여 개의 딱딱한 판으로 빈틈없이 덮여 있고, 그들 판의 상태운동에 의해 판과 판의 경계를 따라서 갖가지 지학 현상이 일어난다고 하는 이론. 1960년대 중반까지 알려진 심해저 관측 결과를 보면, 심해저의 대부분은 매끄러워 퇴적물이 거의 수평으로 퇴적되어 있다는 것을 알 수 있다. 이 사실로부터 심해저는 일단 형성되고 나면 그 내부에서는 변형하지 않고 강체판으로서 움직인다는 생각이 널리 퍼졌다. 같은 무렵 전세계의 육상 관측망의 정비로 지진의 진원 분포를 정밀하게 측정하기에 이르렀으며, 지진이 자주 일어나는 곳은 극히 좁은 띠 모양의 지역에 한정된다는 것을 밝혀냈다. 그리고 하나의 지진(특히 초동의 방향)을 여러 방위에 있는 관측점에서 관측된 데이터를 이용하여 지진의 근원이 되는 힘의 분포(발진매커니즘)까지 알 수 있게되었다. 지진을 일으키는 힘은 하나의 면을 따라 단층운동을 일으키는 힘과 동등하다는 것이 증명되어 있었지만, 그 힘의 방향과 성질(압력·장력·층밀리기힘 등)은 각기 지역에 따라 규칙성이 있음이 판명되었다. 즉 판구조론은 많은 지질학적·지구물리학적 자료에 기초하고 있으며, 모든 지구과학적 사고를 사고의 기반을 이루고 있다. 이 판들은 지구상에서 일어나는 대부분의 지진활동과 화산활동을 일으키는 원동력으로 생각된다.
대륙이동설
베게너는 31세인 1911년 가을 우연히 브라질과 아프리카 사이에 옛날에 육교가 있었음을 내용으로 하는 논문을 발견하였다. 베게너는 지금은 멀리 떨어져 있는 두 대륙이 예전에는 하나로 붙어 있었다는 내용을 잘 알고 있었지만, 대양을 건너가는 것이 불가능하고, 대서양 양쪽 대륙에서 동일하게 발견된 동식물 화석의 기재를 다룬 육교설의 증거는 베게너에게 놀라운 것이었다. 그는 이를 토대로 이와 관련된 지질학과 고생물학 분야의 논문을 종합적으로 분석하였으며, 이것은 바로 20세기 지구과학의 혁명을 야기하게 하는 숙명적인 사건으로 이어지게 되었다.
1910년 독일의 기상학자 알프레드 베게너가 우연히 세계 지도를 보고 대서양의 양쪽 해안의 굴곡이 서로 일치하는 것을 알았을 때, 원래 두 대륙은 하나가 아니었을까? 추측을 하였으며 그로부터 그는 지구 짜 맞추기의 수수께끼를 풀기에 골몰하였다. 마침내 그는 하나였던 대륙들이 움직였을지 모른다는 아이디어로 대륙 이동(Continental drift)의 가능성을 생각하였다. 그 후 그의 생각을 뒷받침하기 위하여 베게너는 대서양 양쪽 대륙의 해안을 사하여 그곳에 분포하는 암석들이 동일한 시기에 생성된 사실을 알았으며, 같은 종류의 생물들이 서식하는 것에 대한 증거들을 수집하여 그의 생각에 대한 확신을 가졌다. 그 후, 그 결과를 1915년 소책자인 ‘대륙과 해양의 기원’ (The Origin of Continent and Ocean) 초판본에서 수억 년에 걸쳐 감추어진 지구의 진실을 세상에 공개하였으며, 1929년 ‘대륙과 해양의 기원’ 4판을 발간하면서 그 동안 수집한 증거와 이론을 보완하기에 이르렀다. 비록 기상학자인 베게너이지만 대륙의 이동을 주장한 놀라운 가설과 그를 뒷받침하기 위해 수집하여 정리한 지질학적, 해양학적, 기상학적, 생물학적 및 지리학적 증거들은 위대한 과학자로서 기록되기에 충분하며, 그 당시 비웃음거리에 지나지 않던 그의 ‘대륙이동설’ 은 20세기 최대의 논쟁이자 오늘날 지구 과학의 가장 큰 업적인 판구조론을 정립하는 가장 중요한 토대가 되었다. 그는 수 차례 수정을 한 그의 저서에서 대담하고 단순하게 지도에 표시된 모든 대륙들이 하나로 뭉쳐진 초대륙(Super-Continent) 즉, 모든 육지를 의미하는 팡게아(Pangaea)에서 분리되어 이동하였다고 주장하였다. 과거에도 지구 대륙의 그림 조각 짜 맞추기(Jigsaw puzzle)에 흥미를 갖고 있었던 일부 사람들이 비슷한 가설을 제시하기도 하였으나, 베게너는 최초로 자료를 체계적으로 수집하고 분석한 증거들로 그의 이론을 뒷받침하고 있다. 베게너는 수천 마일이나 바닷물로 격리된 아프리카와 남아메리카의 양 대륙에서 찾아낸 화석의 분포와 관련된 자료들(고생물학적 증거)을 제시하였다. 당시의 과학자들은 생물의 이동을 설명하기 위하여 다양한 가설을 제시하였는데 나뭇가지나 통나무에 실려 이동한 표류설, 일시적인 육교에 의해 이동한 육교설, 징검다리를 뛰어 건너듯이 이동한 징검다리설 등이 그것이다. 그러나 베게너는 대륙의 분리에 의해 자연스럽게 생물이 격리되었다는 대륙이동설을 주장하였다. 또한 수백 만년에 걸친 거대한 기후 변화를 연구함으로써 적도 바로 아래에서 남반구 쪽으로 분포하는 빙하의 흔적(고기후학적 증거)을 제시하였다. 그것은 현재의 대륙의 위치로는 도저히 설명이 되지 않으며, 대륙의 이동만이 그것을 설명할 수 있다고 결론을 내렸다.
판구조론의 정의
지구의 표층인 지각은 대륙지각에서는 35km, 해양지각에서는 5～10km의 평균 두께를 갖는다. 이들은 6개의 큰 판과 몇 개의 작은 판으로 구성되어 있으며, 이들이 지구 내부에서 작용하는 힘에 의하여 연간 수 cm 정도의 속도로 서로 움직이고, 이에 따라 화산작용․지진현상․마그마의 형성․습곡산맥 형성 등 각종 지각변동을 일으킨다는 학설이다.
