자연, 우주, 환경, 지구과학 개념

지진의 개념과 규모(리히터 등급)

앱모크 — Tue, 9 Aug 2022 18:45:32 +0900

지진의 개념과 규모(리히터 등급)

우리는 가끔 무시무시한 지진이 일어나서 수많은 사람들을 사망에 이르게 하고, 가치를 매길 수 없을 정도의 재산 피해를 냈다는 말을 듣습니다. 도대체 이런 지진은 얼마나 자주를 일어나는 것일까요? 실제로 매일 수없이 많은 작은 지진이 일어나고, 규모가 큰 지진은 우리가 듣는 것보다 훨씬 많이 일어납니다. 하지만 정작 발생된 지진 중 우리에게 막심한 피해를 입히는 지진은 오히려 그 비중이 작죠. 그렇다면 지진 중 어떤 진동이 피해를 입히는 걸까요? 지진의 규모는 어떻게 계산하고, 해당 규모의 지진은 얼마나 빈번하게 일어날까요? 지진으로 발생할 수 있는 재해에는 어떤 것들이 있을까요? 함께 살펴보죠. 지진의 크기와 빈도 그리고 지진 재해에 대해 얘기해보겠습니다.

지진의 개념

지진은 지하에 축적된 응력이 암석의 균열과 함께 방출되면서 발생하는 지반의 진동으로 지구 내부 에너지에 의해 발생한다고 하였습니다. 이 지진에 대해 자세히 논의하기 전에 몇 가지 용어 정의부터 하고 진행하는 것이 좋겠습니다. 지진을 얘기할 때 진원과 진앙이라는 말을 많이 들어보셨을 겁니다. 진원이란 영어로는 Hypocenter라고 하는데요. 지하의 지진이 일어난 지점을 가리킵니다. 진앙이란 영어로는 Epicenter라고 하는데, 진원 바로 위 지표상의 지진 발생 위치를 뜻합니다. 지진은 대개 암석이 깨져 미끄러지는 단층에 수반되어 나타나는데, 여기 왼쪽 그림에서 보듯이 단층면 상의 지하 한 지점에서 지진이 일어나면 그 지점이 진원이 됩니다. 그리고 이 진원의 바로 위 지표상의 위치가 진앙이 됩니다. 다음 그림은 진원에서 지진이 발생하면 모든 방향으로 물질파 형태로 지진이 전달되는 것을 보여줍니다. 이때 지진에 의해 전달되는 물질파를 지진파, 즉 Seismic Wave라고 합니다. 지진은 지진파의 형태로 지구 내부를 통해 멀리까지 전달되므로 진앙에서 매우 멀리 떨어진 지진계에도 기록됩니다. 지진파는 지구 내부로 전달되는 실체파, 즉 Body Wave와 지구 표면으로 전달되는 표면파, Surface Wave로 나눌 수 있습니다. 진행 방향에 대한 진동 방식에 따라 지진파를 더 세분화할 수 있는데요. 실체 파는 P파와 S파로, 표면파는 R파와 L파로 다시 나눕니다. P파는 Primary Wave에서 따온 이름인데요. 속도가 빨라 지진계에 제일 먼저 기록되기 때문에 붙은 이름입니다. P파는 진행 방향과 평행하게 종으로 진동하는 지진파이며, 고체와 액체 모두 통과합니다. S파는 Secondary Wave에서 따온 이름인데, 속도가 P파보다 느려 지진계에 나중에 도착합니다. 이 때문에 S파라는 이름이 붙었습니다. S파는 진행 방향을 가로지르며 횡으로 진동하며, 고체만 통과합니다. 이와 같은 P파와 S파의 통과 매질 차이를 이용해 지구 외핵이 액체 상태임을 알아내는 것입니다. R파는 Rayleigh Wave에서 따온 이름인데, 마치 수면의 물결과 같은 지진파입니다. 그림의 표면파가 R 파입니다. 속도는 S파의 90% 정도 됩니다. L파는 Love Wave에서 온 이름으로 진행 방향을 가로질러 횡으로 진동하는 표면파입니다. R파보다 아주 조금 더 빠릅니다. P파는 S파보다 더 빠르므로 지진계에 먼저 도달하여 기록됩니다. 그리고 진앙에서 멀리 떨어질수록 뒤에 도달하는 S파와의 간격이 벌어집니다. 즉, P파와 S파와의 간격을 알면 진앙까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 지진계가 설치된 지점을 중심으로 진앙까지의 계산된 거리를 반지름으로 하는 원을 그리면, 이 원주 상에 진앙이 반드시 존재합니다. 여기 이 그림과 같이 적어도 세 군데 다른 곳의 지진계 설치 지점에서 계산된 진앙까지의 거리를 반지름으로 하는 원을 그리면, 이 원들이 한 지점에서 교차하는데 이 교차점이 바로 진앙이 됩니다. 지진이 일어나면 이와 같은 방법으로 진앙을 찾아냅니다.

지진의 규모 측정

지진계에 기록된 지진파의 크기로부터 지진의 규모를 추정할 수 있습니다. 아까처럼 P파와 S파의 간격으로부터 진앙까지의 거리를 계산하고, 지진계에 기록된 가장 강한 진동 크기를 측정합니다. 왼쪽 측에서 이미 측정된 거리를 오른쪽 측에 진동의 크기로 표시하고, 이 둘을 연결하면 가운데 축을 교차해서 지나가는데 이 가운데 축의 눈금을 읽으면 지진 규모가 됩니다. 지진의 절대 규모는 리히터 등급 또는 모멘트 규모 등급으로 나타내며, 현장에서 느끼는 지진의 규모는 메르칼리 강도 등급으로 나타냅니다. 이 중 메르칼리 등급은 현장에서의 실제 피해 정도 및 사람이 각자 느끼는 주관적인 피해에 따라 달라질 수 있으므로 리히터 등급만큼 과학적인 것으로 간주되지 못합니다. 리히터 등급은 지진 측정 위치와 상관없이 지진의 절대 규모를 측정하기 위해 1934년 Charles F. Richter에 의해 고안된 것으로 여기 이 식에서 보시는 것처럼 상용로그를 이용해 계산합니다. 이 식에서 A는 Wood-Anderson 지진계에 기록된 지진파의 최대 크기이며, A0는 지진관측소와 진앙과의 거리에 의해 결정되는 보정 값입니다. 원래의 리히터 등급은 멀리 떨어진 곳의 지진 등급 측정이 어려워 Gutenberg에 의해 수정되었으며, 이렇게 수정된 것으로도 매우 큰 규모의 지진 측정에 문제가 생기자 지진 모멘트를 이용해 등급을 측정하기 시작하였습니다. 지진 모멘트란, 지진을 일으킨 단층의 표면적, 이동거리 그리고 암석의 전단응력 계수 등을 곱해 얻는 값으로 에너지와 같은 단위를 같습니다. 이 등급을 MMS라고 부르는데 MMS는 여기 이 식을 이용해 계산됩니다. 이 모멘트 등급은 1979년 캘리포니아 공대 지진학자인 Hanks와 Kanamori에 의해 도입된 것으로 리히터 등급과 비슷한 값을 갖으나 8 이상의 등급 지진에 대해서는 리히터 등급보다 한 등급 정도 높게 계산됩니다. 요즈음의 지진 규모는 모두 이것으로 측정됩니다. 지진 등급이 로그 값으로 계산되는 것을 이미 보여드렸습니다. 따라서 등급 1 차이는 대략 10배의 진동 차이를 나타내며, 지진 에너지 차이는 10배 이상이 됩니다.

지진의 강도와 빈도, 지진 사례

앱모크 — Fri, 5 Aug 2022 14:45:01 +0900

지진의 강도와 빈도, 지진 사례

지진 규모가 3 이하이면 사람은 느낄 수 없습니다. 이러한 지진은 전 세계적으로 하루에 수천 번 발생합니다. 지진 규모가 4~5 정도면 건물의 파괴가 일어나는 수준입니다. 이런 정도의 지진은 연간 수천 번 이상 발생합니다. 지진 규모가 6이 넘어가면 무시무시한 파괴력을 보입니다. 이 정도의 지진은 1년에 수백 번 발생합니다. 규모 7 이상의 지진이 인구 밀집 지역에 일어나면 그야말로 대재앙이 됩니다. 이런 규모의 지진은 1년에 수십 차례밖에 일어나지 않습니다. 이미 이 표에서 살펴보았듯이 전 세계에 발생하는 지진은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 많습니다. 하지만 이들 지진의 상당수는 우리가 전혀 인식하지 못할 정도로 약하거나 우리가 생활하는 곳의 너무 멀리 떨어진 곳에서 발생합니다. 미국 지진정보센터는 전 세계적으로 한 해에 수백만 건의 지진이 발생하는 것으로 추정하였으며, 이 중 약 20,000건 정도만 지진계에 기록된다고 보고하였습니다. 이들 기록된 지진 중에서 진도 6. 0 이상의 지진은 매년 수백 건에 지나지 않습니다. 이로부터 대강이나마 지진의 세기와 빈도와의 관계를 엿볼 수 있습니다. 즉, 지진의 빈도는 진도가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소한다는 것입니다. 이와 같은 지진 규모와 빈도와의 관계는 소위 구텐버그-리히터 법칙으로 이 식과 같이 나타낼 수 있습니다. 이 식에서 N은 규모이고, 규모 M 이상의 지진이 발생하는 횟수, N은 규모 M 이상의 지진이 발생하는 횟수이며, a와 b는 지역 및 환경에 따른 상수입니다. 하버드 센트로이드 모멘트 텐서 카탈로그 자료를 바탕으로 지진 규모와 빈도가 구텐버그-리히터 법칙을 따름을 보여주고 있습니다. 지진 규모, 빈도 그리고 지진 방출 에너지를 표현한 것입니다.

유명한 지진

예를 들면 1906년에 일어난 샌프란시스코 지진은 규모가 8에 가까웠는데, 이 정도의 지진은 3년에 한 번 일어나며, 그 에너지는 화약 5,600만 톤이 폭발하는 에너지와 같으며, 이는 역사상 가장 강렬했던 핵 실험의 에너지와 맞먹을 정도였습니다. 지진에 의한 재해는 일차적인 것과 이차적인 것이 있습니다. 일차적인 재해는 지반 진동에 의한 직접적인 피해로 지표면 파열과 건물 붕괴 등으로 발생하는 인명 및 재산 피해를 의미합니다. 이차적인 재해는 지진으로 유발된 다른 현상에 의한 재해, 즉 쓰나미, 화재, 범람 및 사태 등에 의한 인명 및 재산 피해입니다. 지진에 의한 재해 크기는 진앙과의 거리, 지진 규모, 지반의 굳기, 구조물의 내진성 그리고 인구 밀집 정도 등에 따라 결정됩니다. 진앙에 가까울수록 그리고 진도가 클수록 더 강한 진동을 경험하며, 지반이 무를수록 더 커다란 진동을 일으키게 됩니다. 같은 규모의 지진이라 하더라도 인구가 밀집된 곳일수록 그리고 건물과 같은 구조물이 지진에 취약할수록 그 피해가 커집니다. 지반의 굳기에 따라 진동 정도가 어떻게 다를 수 있는가를 보여줍니다. 미고결 물에서의 진동이 암석에서의 진동보다 훨씬 큰 걸 알 수 있습니다. 일반적으로 단단한 지반일수록 진동이 적으며, 그래서 지진 피해가 더 적을 수 있습니다. 1989년 42명의 사망자를 낸 로마프에리타 지진이 지반에 따라 실제로 진폭이 얼마나 다르게 기록되었는지를 보여줍니다. 이 지진에 의해 캘리포니아 오클랜드의 사이프레스 고가도로가 일부 무너졌습니다. 부드러운 진흙 위에 지어졌으며, 나머지 무너지지 않은 부분은 좀 더 단단한 바닥에 지어졌습니다. 오른쪽의 지진계 기록을 보면, 무너진 부분의 진동이 훨씬 컸음을 알 수 있습니다. 2008년 7만 명 이상의 사망자를 낸 중국 쓰촨 성 지진은 지진 규모도 컸지만 진앙 가까이 인구 밀집 지역이 있었고, 이곳의 대부분 건물들이 지진에 대한 대비 없이 지어져 그 피해를 크게 키웠습니다. 쓰촨 성 지진의 규모는 7. 8이었습니다. 1995년 6,000여 명의 사망자를 낸 고베 지진. 규모 7. 3의 지진에 의해 파괴된 고베 시의 모습입니다. 이 지진 당시 300여 건의 화재가 발생해 피해를 더 키웠습니다. 2001년 944명의 사망자를 낸 엘살바도르 지진에 의해 대규모 사태가 일어난 모습입니다. 사망자 중 585명은 사태 때문에 죽었습니다. 이 표는 역사상 가장 많은 사망자를 낸 최악의 지진들에 대해 정리한 것입니다. 1위부터 3위까지가 중국 지진입니다. 1위인 1556년의 Shaanxi 지진은 무려 830,000명이 사망했습니다. 재일 한국인 학살로 유명한 관동 대지진은 142,000여 명의 사망자를 내어 14위를 차지했습니다.

예측이 불가능한 지진

지진은 현재까지 정확한 예측이 불가능한 자연재해입니다. 따라서 지진에 의한 재해 규모를 최소화하기 위해서는 예방적 대책이 절실히 필요합니다. 이러한 대책에는 지진 감시 및 경보 시스템 확충, 충분한 대피 및 대처 훈련, 내진 설계 등을 통한 지진 피해 최소화, 구제 기금 및 보험 등을 통한 재정 확충, 재난 발생 시 효과적으로 대응할 수 있는 구호 시스템 확충 등이 있습니다. 지금까지 지진파의 종류, 지진의 규모와 빈도 그리고 지진 재해에 대해서 공부하였습니다.

지열에너지 장점과 지열 발전

앱모크 — Sun, 31 Jul 2022 14:29:23 +0900

지열에너지 장점과 지열 발전

지구 곳곳의 활화산, 온천, 간헐천들을 보면 지구 내부가 뜨겁다는 것을 바로 알 수 있습니다. 이는 지구 내부에 막대한 열에너지가 저장되어 있다는 뜻인데, 이런 열에너지는 어디에서 유래되었으며 우리는 이를 어떻게 사용할 수 있을까요? 이 단원에서는 이러한 점들에 대해 배워봅니다. 지열에너지에 대해 알아보겠습니다. 지열에너지는 흔히 지구 내부에서 자연적으로 나오는 열에너지를 말합니다. 우리 주변의 화산, 간헐천, 온천 등이 모두 지구 내부의 열에너지 때문에 생긴 것입니다. 지열에너지는 요즘 우리의 관심을 크게 끌고 있는 재생에너지 중의 하나입니다. 엄밀하게 따지면 지열량은 한정되어 있지만 그 양이 현재 인류가 1년간 쓰는 에너지 총량의 1,000억 배에 해당할 정도로 막대합니다. 따라서 지열에너지를 사용하고 채워 다시 사용할 수 있는 재생에너지로 취급됩니다.

지열에너지의 장점과 이용

지열에너지는 저렴합니다. 초기 설치비용을 감당하여 사용할 수만 있으면 분명 화석에너지보다 훨씬 저렴합니다. 지열에너지는 지속 가능하고 환경 친화적인 에너지입니다. 지열에너지를 사용한다고 해도 막대한 양의 에너지가 거의 줄지 않으며, 주변 생태계의 큰 교란이 없으므로 지열에너지는 지속 가능한 에너지입니다. 지열에너지를 사용하면 주변 환경에 전혀 영향을 주지 않는 것은 아니지만, 다른 에너지에 의한 환경적 영향에 비하면 지열에너지 사용에 의한 환경적 영향은 매우 미미한 수준입니다. 따라서 지열에너지는 환경 친화적인 에너지라고 할 수 있습니다. 나중에 지열에너지에 의한 환경적 영향에 대해 추가로 알아보도록 하겠습니다. 전 세계적으로 사용되는 지열에너지를 살펴보면, 대부분의 지열에너지가 발전을 위해 사용됩니다. 매우 뜨거운 지열수가 나오지 않는 우리나라는 지열에너지를 주로 냉난방에 이용합니다. 이 사진은 아이슬 란스 Nesjavellir 지열 발전소의 모습입니다. 지열 발전에 대해서는 뒤에 조금 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다. 막대한 양의 지열에너지는 어디에서 유래된 것일까요? 지열에너지의 근원은 지구 내부에 존재하는 자연 방사능 원소의 붕괴열, 초기 지구 형성 당시 수많은 운석 충돌에 의한 충격과 압축에 의한 열, 지구 형성 시 무거운 금속이 지구 내부로 하강하면서 발생한 열, 외핵이 내핵과의 경계 부분에서 고화되면서 내는 잠열 그리고 지구 자전에 의한 암석의 압축 변형으로 인한 열 등이라고 할 수 있습니다. 이 중 자연 방사능 원소의 붕괴열과 지구 형성 당시의 운석 충돌에 의한 열을 가장 중요한 지구 내부 열원으로 꼽습니다. 특히 방사능 원소의 붕괴열은 전체 열의 약 80% 정도를 차지하는 것으로 추정하고 있습니다. 그러면 현재 지구 내부에서 가장 많은 열을 발생시키고 있는 방사능 원소에는 어떤 것이 있을까요? 과학자들은 이러한 주요 방사능 원소로 235 우라늄, 238 우라늄, 40 포타슘과 232 토륨을 꼽고 있습니다. 그런데 30억 년쯤 전 지구 초창기에는 비교적 반감기가 짧은 동위원소들이 많았으므로 지구 내부 열 발생은 현재보다 더 많았을 것으로 추측하고 있습니다. 지구 내부에 집적된 열 때문에 지구의 온도는 지구 내부로 깊이 들어갈수록 증가합니다. 지표의 온도는 태양과 대기온도에 따라 수시로 변하지만, 수 미터 아래로만 들어가면 섭씨 10도 내외로 연중 일정합니다. 그러나 지구의 중심으로 갈수록 지온은 증가하여 내핵은 무려 섭씨 6000도에 이릅니다. 이와 같이 지표면에서 하부로 가면서 지온이 증가하는 비율을 우리는 지온 경사, Geothermal Gradient 혹은 지온 증가율이라 부르는데, 지구 평균적으로 약 1km당 섭씨 15~30도 정도로 알려져 있습니다. 그렇지만 화산 활동이 빈번한 지역에서는 이보다 훨씬 높을 수도 있습니다. 현무암이 분출하며 지각이 생성되는 해령 지역, 즉 분산 경계에서는 지온 상승률이 km당 섭씨 200도에 이릅니다. 지구 내부의 온도가 깊이에 따라 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프입니다. 지각으로부터 맨틀에 이르기까지 온도가 매우 빠르게 상승하고 맨틀에서는 온도 상승이 느려짐을 볼 수 있습니다. 맨틀과 외핵의 경계에서 온도의 급작스런 증가가 있고, 핵에서의 온도 상승은 매우 느린 곳도 볼 수 있습니다. 지구 내부에서 유래되는 지열에너지는 앞에서 살펴본 것처럼 화산 폭발, 지진, 쓰나미 등을 일으켜 인간에게 해를 입힐 수도 있지만 지열 발전, 지역난방, 열펌프 및 온천으로 이용될 수도 있습니다.

지열 발전

지열 발전이란, 지구 내부 고압 하의 섭씨 100~300도에 이르는 고온의 천연 증기 혹은 열수를 이용하여 전기를 생산하는 것을 말합니다. 이와 같은 지열 발전은 1904년 이탈리아의 라르데렐로에서 시작되어 주로 화산지대가 분포하는 미국, 필리핀, 이탈리아, 인도, 터키, 일본 등에서 상용화되었습니다. 지열 발전은 화석연료를 대체하는 청정한 재생에너지로 각광받고 있으며, 우리나라도 현재 지열 발전 가능성에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 이 그림은 지열 발전 시스템 중 하나인 EGS, 즉 Enhanced Geothermal System을 모식적으로 나타낸 것으로, 물이 없고 뜨거운 기반암에 물을 주입하여 수증기로 뽑아내서 발전하는 방식입니다. 그래서 그림에 주입 공과 회수 공이 따로 있습니다. 터빈을 돌려 발전한 뒤 뜨거운 물은 지역난방에 이용할 수도 있습니다. 뜨거운 물이 있는 곳에서의 지열 발전 방식에는 크게 건조 증기 방식, 플래시 증기 방식, 바이너리 방식으로 나눌 수 있습니다. 건조 증기 방식은 수분이 포함되지 않은 고온 증기를 지열 정에서 뽑아 올려 직접 터빈에 분사하여 발전을 하는 방식을 말합니다. 플래시 증기 방식은 증기 상태가 아닌 고온의 열수를 뽑아 올려 압력을 낮추면 기화되는데, 이를 터빈에 분사하여 발전하는 방법입니다. 바이너리 방식은 지하의 뜨거운 열수를 뽑아 올려 열 교환 유체에 열을 전달해주는 간접적인 발전 방법입니다. 전 세계의 지열 발전 능력은 매년 조금씩 증가하여 2015년에는 총 12,636MW 정도였습니다. 세계 1위의 지열 발전 능력 국가는 미국입니다. 그러나 미국의 지열 발전 능력은 전체 발전량의 0. 3%에 지나지 않습니다. 이에 비해 아이슬란드의 지열 발전 능력은 미국에 비해 떨어지지만, 국내 발전량의 30%를 지열 발전으로 충당하고 있습니다. 엘사바도르의 지열 발전 능력도 주목할 만합니다. 앞서 보신 것처럼 지열에너지는 지열 발전을 하는 것 이외에도 건물의 난방에 이용할 수 있습니다. 뜨거운 열수를 지하에서 뽑아 올려 열 교환을 하고 열을 전달받은 온수를 각 가정과 건물에 공급하여 지역난방을 할 수 있습니다. 이외에도 지열 발전을 할 만큼 뜨겁지 않은 지열 수도 온실의 난방 등에는 사용할 수 있습니다. 지열 발전은 비교적 고온의 증기 혹은 열수가 필요하지만, 약 500m 이내의 지표 가까운 곳에 섭씨 15~20도 정도의 비교적 저온 지열도 열펌프를 통해 건물의 냉난방에 이용할 수 있습니다. 지표의 기온은 일조량이나 대기의 온도에 따라 민감하게 변하지만 수 미터 아래의 지하만 해도 외부 온도에 상관없이 지온이 거의 일정합니다. 여름에는 섭씨 30도 내외의 외부 공기보다 차갑고, 겨울에는 섭씨 영하 5도 내외의 외부 온도보다 따뜻하다는 점을 이용하는 것입니다. 지열 펌프를 이용하는 방식에는 일반적으로 토양 혹은 암석으로 이루어진 지반의 열을 이용하는 밀폐형과 지하수의 열을 직접 이용하는 개방형 혹은 준개방형으로 나눌 수 있습니다. 온천은 지열에너지에 의한 섭씨 25도 이상의 지열수를 이용하는 가장 전통적인 방식입니다. 신라시대 때부터 임금들은 건강과 치료의 목적으로 노천탕을 즐기기도 하였으며, 현재는 스파, 목욕탕 등에서 온천수를 이용하기도 합니다. 최근에는 우리나라에서 건강에 좋은 성분이 많이 포함된 온천수가 있는 온천을 보양온천으로 지정하기도 하였습니다. 지열에너지는 화석연료에 비하면 환경 문제가 매우 적은 에너지입니다. 지열에너지를 사용하면 화석연료를 그만큼 적게 사용하게 되므로 온실가스 배출 감소와 같은 화석연료로 인한 환경 문제 감소를 기대할 수 있습니다. 지열에너지 사용으로 야기되는 환경 문제는 약간의 유독가스를 배출할 수 있다는 것과 지반 안정성 및 인근 생태계에 약간의 영향을 줄 수 있다는 정도입니다. 지금까지 지열의 근원과 지열에너지 이용 그리고 환경 문제 등에 대해 살펴보았습니다.

방사능 개념과 관련 용어, 방사선의 위험성(라돈)

앱모크 — Sun, 31 Jul 2022 08:41:54 +0900

방사능 개념과 관련 용어, 방사선의 위험성(라돈)

최근 후쿠시마 원전 사고로 방사능에 대한 우리의 관심이 높은데요. 한국에도 많은 원전이 있으나 이들의 노후화 및 일부 관리의 문제점 등으로 우리도 방사선에 노출될 위험이 있습니다. 그렇다면 방사능 원소에 의한 방사선은 어떻게 생기는 걸까요? 그리고 이 방사선은 우리에게 어떤 건강적 위협이 되는 걸까요? 방사선 방출과 이에 의한 건강적 위해에 대해 알아보겠습니다. 지각 중에는 적은 양이지만 방사능 원소가 포함되어 있습니다. 이 방사능 원소는 곳에 따라 특별히 모여 광상을 형성하며, 우리는 이 광상으로부터 방사능 원소를 추출하여 핵에너지를 얻습니다. 방사능은 핵붕괴를 하며 방사선을 방출한다는 뜻입니다. 이 방사선은 매우 높은 에너지를 갖고 있어 파괴적이고 건강에 매우 해롭습니다. 우리는 이 방사선에 노출되어 있습니다. 방사선은 지각에 포함된 자연 방사능 원소로부터 방출되기도 하고, 인간이 핵에너지를 이용하여 만든 무기와 발전 시설의 부산물 및 폐기물로부터도 나옵니다. 오늘 우리는 이 방사능과 환경에 대한 얘기를 하려 합니다. 본격적인 방사능과 환경에 대한 얘기를 하기 전에 먼저 해당 분야의 기초적인 지식을 배워보도록 하겠습니다.

방사능의 개념과 관련 용어

앞서 서두에서도 말씀드렸듯이 방사능이란 방사선을 내는 능력인데, 이 방사선은 원자핵 내에서 일어나는 붕괴의 과정에서 방사됩니다. 붕괴는 좀 더 흔하게는 방사능 붕괴라고 불리며 영어로 decay라고 하는데, 불안정한 핵 내의 중성자나 양성자가 다른 것으로 전이하면서 기존 원소의 핵을 다른 원소의 핵으로 바꾸는 것입니다. 이 전이 과정에서 입자나 에너지가 방출되는데 이것이 방사선입니다. 이 분야를 처음 접하시는 분들은 붕괴의 뜻이 아직 분명히 이해되지 않을 수도 있겠습니다. 조금 더 설명을 드려보면 원자는 핵과 전자로 구성되어 있고, 핵 내에는 중성자와 양성자가 있습니다. 여기 이 원자의 모습은 여러분의 이해를 돕기 위해 모식적으로 그린 것이고, 실제로 이렇게 존재하지는 않습니다. 원자의 구조에 대해서는 여러분이 따로 좀 더 공부하시기 바랍니다. 원자의 종류는 핵 내의 양성자의 수, 무게는 양성자와 중성자 수의 합에 의해서 결정됩니다. 이때 양성자와 중성자의 무게는 거의 같습니다. 예를 들면 헬륨은 2번이고 무게가 4 amu인데, 이는 양성자 수가 2개이고 중성자 수가 2개인 핵을 갖고 있다는 뜻입니다. 그런데 만일 이 핵의 중성자 하나가 양성자와 전자로 바뀐다면, 핵은 양성자 3개와 중성자 1개를 갖게 됩니다. 이 원자의 무게는 그대로 4이지만 원자 번호는 3번, 즉 리튬이 됩니다. 바로 이런 식으로 핵 내의 중성자 또는 양성자가 전이되면서 다른 원소의 핵으로 바뀌게 되는 것이 붕괴입니다. 방사능 붕괴에는 여러 종류가 있습니다. 알파, 베타, 양전자 방출, 전자 포획 붕괴 등이 있습니다. 감마선 방출은 중간 단계의 임시 흥분상태에서 완화되어 기저 상태로 갈 때 그 에너지 차이만큼 방사선으로 방출하는 것이므로 우리가 정의한 방사능 붕괴라기보다는 방사능 붕괴에 수반되는 2차 방사선 방출이라고 보시면 될 것 같습니다. 여기 맨 마지막의 핵분열은 통상의 큰 핵이 더 작은 몇 개의 핵으로 분리되는 현상으로 통상의 방사능 붕괴와 구별하여 기술하는 것이 보통입니다. 방사능 붕괴가 일어날 때 붕괴하는 원소를 모원 소, 영어로는 parent, 붕괴 후 만들어진 원소를 자원 소, 영어로는 daughter이라 합니다. 방사능 붕괴 중 알파 붕괴는 핵에서 알파 입자가 떨어져 나가는 붕괴로 알파 입자는 헬륨 핵과 같습니다. 즉, 알파 붕괴가 일어나면 양성자 두 개와 중성자 두 개가 떨어져 나가기 때문에 모원 소에 비해 자원 소의 원자 번호는 2만큼, 무게는 4만큼 감소합니다. 예를 들면 232의 질량을 갖는 토륨이 알파 붕괴하여 228의 질량을 갖는 라듐을 만듭니다. 토륨의 원자번호는 90번입니다. 그렇다면 그 자원 소인 라듐의 원자번호는 몇 번일까요? 그렇습니다, 2가 적은 88이 됩니다. 알파 붕괴 때 알파 입자가 방출되면서 나오는 방사선이 알파선입니다. 베타 붕괴는 핵 내의 중성자가 양성자와 전자로 나뉘고 전자를 핵 밖으로 방출하고 베타선을 내는 붕괴입니다. 이 결과 자원 소는 핵 내에 양성자가 하나 늘어 모원 소보다 원자 번호가 하나 늘어나지만 원자 무게는 그대로 유지됩니다. 예를 들면 6번 원소 14의 질량을 갖는 탄소가 베타 붕괴를 하면 7번 원소, 무게는 같은 14의 질량을 갖는 질소가 됩니다. 양전자 방출 붕괴는 핵 내의 양성자가 중성자와 양전자로 바뀌고, 양전자는 핵 밖으로 방출되어 전자와 같이 중화되어 원자 밖으로 방사되는 붕괴입니다. 이 결과 자원 소는 핵 내 양성자가 하나 줄어 모원 소보다 원자 번호가 하나 줄어들고 원자 무게는 같은 원소가 됩니다. 이 붕괴의 예로는 6번 원소 11의 질량을 갖는 탄소가 5번 원소 11의 질량을 갖는 붕소가 되는 붕괴입니다. 전자 포획 붕괴는 핵 밖의 전자를 핵으로 잡아들여 양성자와 결합하여 중성자를 만드는 붕괴입니다. 이 결과 자원 소는 핵 내 양성자가 하나 줄어 원자 번호가 모원 소에 비해 하나 감소하나 무게는 그대로 유지하게 됩니다. 19번 40의 질량을 갖는 포타슘이 전자 포획 붕괴를 하면 18번 40의 질량을 갖는 아르곤이 됩니다. 이밖에도 방사능 붕괴 방식이 몇 가지 더 있는데, 이에 대한 자세한 내용은 스스로 공부해 보시기 바랍니다. 많은 방사능 원소는 단일 붕괴를 합니다. 즉, 한 번의 붕괴로 바로 안정한 자원 소로 바뀌는 것이죠. 이에 반해 우라늄이나 토륨 같은 원소는 연쇄 붕괴를 합니다. 최후의 안정한 자원 소가 되기 위해 연속적으로 붕괴를 하는 것입니다. 이 그림은 우라늄과 토륨의 방사능 연쇄 붕괴가 어떻게 일어나는지 보여주는 그림입니다. 이와 같이 연쇄 붕괴가 일어나는 원소들은 같은 양이라도 단일 붕괴가 일어나는 원소보다 많은 양의 방사선을 낼 수 있습니다. 앞서 방사선은 높은 에너지를 가져 매우 파괴적이라 건강에 해롭다고 했습니다. 방사선은 파장이 매우 짧은 전자기파입니다. 전자기파의 에너지는 파장의 길이에 반비례합니다. 이 그림은 파장 범위에 따른 각기 다른 이름의 전자기파들을 보여줍니다. 파장이 긴 라디오파에서부터 파장이 짧은 감마선에 이르기까지 전자기파들의 파장, 주파수 그리고 흑체 온도까지 비교해서 보여줍니다. 감마선부터가 방사능 원소로부터 방출되는 방사선인데, 이 감마선에 해당하는 파장을 내는 흑체의 온도는 수천 만도가 넘습니다. 앞서 얘기했던 알파선과 베타선은 감마선보다 더 파장이 짧습니다. 파장이 짧으므로 감마선보다 더 에너지가 높으며 파괴력도 더 큽니다.

방사선의 위험 정도

높은 에너지를 갖는 방사선은 우리에게 얼마나 위험할까요? 조금만 스쳐도 사망하는 수준일까요? 그렇지는 않습니다. 이미 지각에는 자연 방사능 원소가 존재한다고 하였습니다. 우리는 매일 이들 자연 방사능 원소로부터의 방사능을 쬐이면서 살고 있습니다. 그러니까 일정 수준 이하의 방사선을 쬐이는 것은 건강상 아무런 문제가 되지 않는 것입니다. 우리가 방사선에 노출되는 양을 방사선 피폭량이라고 하는데, 이 방사선 피폭량은 시버트(Sv)로 나타냅니다. 1Sv는 1kg의 세포 조직에 1 joule의 방사선을 쪼였을 때 나타나는 생물학적 영향을 나타내는 단위입니다. 예전에는 REM, Roentgen Equivalent Man이라는 단위를 사용했습니다. 1Sv=100 REM입니다. 우리가 병원에서 가슴 X선 한 장 찍을 때의 방사선 피폭량이 만 분의 시버트, 즉 0. 1 mSv 정도 됩니다. 매일 자연 방사능 피폭량은 대략 2 mSv 정도이고, 유방암 사진 찍을 때 쪼이는 양이 3 mSv, 항공기 승무원의 연간 피폭량이 9 mSv, 전신 CT를 찍을 때 피폭량이 10 mSv, 핵발전소 노동자의 연간 피폭량 제한 기준이 20 mSv입니다. 이 정도의 피폭량은 우리 몸에 뚜렷한 영향을 주지 않으며, 암 발병률의 증가 징후도 없습니다. 하지만 이 이상의 방사선에 노출되면 분명히 건강상 위협이 됩니다. 피폭량이 100 mSv에 이르면 암 발병률이 높아지기 시작합니다. 후쿠시마 사고가 일어났을 때 시간당 최고 피폭량이 400 mSv정도 되는데 4시간 동안 이 수준의 방사선을 쪼이면 방사선 피폭 징후, 메스꺼움이나 구토가 나타납니다. 피폭량이 1,000 mSv 정도 되면 암 발병률이 5% 정도 더 높아진다고 합니다. 이 수준까지는 방사선 피폭이 즉각적으로 영향을 미치지는 않지만, 나중에는 심각한 후유증을 남길 확률이 높습니다. 이 수준을 넘기면 방사능 피폭이 정말 심각해집니다. 잠재적으로 치명적인 증상을 남기며, 나중에 암이 발병할 확률이 대폭 높아집니다. 피폭량이 2000 mSv에 이르면 고통스러운 피폭 증상을 겪습니다. 5000 mSv 정도의 방사선에 노출되면, 노출된 사람의 반 이상이 한 달 내에 사망합니다. 10,000 mSv의 피폭량에 이르면 며칠 내로 사망하게 됩니다. 방사선이 신체 각 부위에 미치는 영향을 보면, 눈이 방사선에 많이 노출될 경우 백내장이 생길 수 있으며, 갑상선에서는 호르몬 분비샘에 암 발병 가능성이 높아집니다. 폐에서는 특히 방사능 물질이 흡입되었을 때 DNA가 손상될 수 있고, 위는 방사능 물질을 섭취했을 때 특히 위험합니다. 생식기는 방사능의 영향으로 그 기능을 잃을 수 있으며, 피부는 붉게 변하고, 골수가 공격받으면 백혈병 또는 기타 면역계 관련 질병이 생길 수 있습니다. 이와 같이 건강에 크게 해로운 방사선은 보통의 일상 환경에서는 크게 문제가 되지 않습니다. 이미 살펴본 바와 같이 자연적인 방사선량이 그리 높지 않기 때문입니다. 하지만 가끔 뚜렷한 인위적인 누출이 없음에도 비정상적으로 방사선량이 높아질 수 있습니다. 이럴 경우 원인으로 눈여겨보아야 하는 것 중의 하나가 라돈입니다.

라돈의 위험성

라돈은 원자 번호 86번, 원자 무게 222를 가지며, 상온 상압에서 기체 상태로 존재하는 원소입니다. 라돈은 라듐의 방사능 붕괴에 의해서 만들어지며, 라듐은 우라늄이 붕괴되는 과정에서 만들어집니다. 라돈은 비활성 기체이고 그 자체로는 건강에 해롭지 않습니다. 하지만 라돈의 붕괴로 발생하는 방사선은 큰 위협이 될 수 있습니다. UN이 발표한 우리의 방사선 피폭 원인을 보면, 전체의 80%가 자연 방사능에 의한 것이고, 20%가 인공 방사능에 의한 것임을 알 수 있습니다. 인공 방사능의 대부분은 의료용 약물에 의한 것이고, 자연 방사능의 대부분은 지반으로부터 나오는 라돈 가스에 의한 것입니다. 이 밖의 자연적 요인으로 음식, 외계로부터의 방사선, 토양 등이 있을 수 있습니다. 이 자료를 보면 우리가 일상생활에서 방사선에 노출되는 정도가 라돈에 의해 크게 결정됨을 알 수 있습니다. 라돈은 공기와 섞이는 무색, 무미, 무취의 가스입니다. 맛도 없고 냄새도 없습니다. 이는 우리가 라돈을 인지 못한 채로 흡입하여 폐에 손상을 줄 수 있음을 의미합니다. 라돈은 화학적으로 비활성, 무반응성이며 최고의 융점 및 비등점을 갖는 가장 무거운 노블 가스입니다. 라돈은 비극성 용매에 잘 녹고, 냉수에 조금 녹으며, 암석 및 토양을 통해 확산이 가능한 방사능 원소입니다. 라돈은 알파 붕괴를 해서 그 자원 소인 폴로니움으로 변하는데, 그 반감기가 매우 짧습니다. 반감기란 원래 있던 양의 반이 없어지는 데 걸리는 시간으로 우라늄의 연쇄 붕괴로 생기는 라돈의 반감기는 3. 7일에 불과하며, 토륨의 붕괴로 생기는 라돈의 반감기는 심지어 55초 밖에 되지 않습니다. 이것은 238U의 전체 붕괴 반감기가 약 44억 7천만 년 정도인 것을 생각하면 매우 짧은 것입니다. 반감기가 짧다는 것은 같은 양의 방사능 원소이더라도 더 많은 방사선을 낸다는 뜻입니다. 특히 라돈 정도의 짧은 반감기를 가진 방사능 원소는 우리 몸에 들어와 방사선을 방출하여 충분한 손상을 줄 수 있습니다. 이것은 라돈이 왜 우리 건강에 위협이 되는지를 설명해주는 중요한 이유 중에 하나입니다. 라돈이 붕괴를 하여 만들어진 자원 소는 모두 고체입니다. 그러나 이들 자원 소들은 공기 중의 입자에 잘 흡착될 수 있습니다. 이는 라돈의 자원 소들도 호흡을 통해 흡입되어 폐세포에 흡착하여 날숨을 통해 잘 배출되지 않을 수도 있음을 나타내는 것입니다. 더욱이 자원 소들의 반감기는 매우 짧은 편이며, 특히 직접 자원 소인 폴로니움의 반감기는 라돈보다도 짧습니다. 라돈은 여러 단계의 붕괴를 거쳐 최후에 안정한 자원 소인 납으로 바뀝니다. 이 단계를 거치는 동안 여러 차례의 알파 붕괴와 베타 붕괴를 하며 방사선을 내어 피해를 줍니다. 라돈은 기체이기 때문에 폐쇄된 곳, 환기가 불량한 곳, 토양 등과 통하는 갈라진 틈이 많은 곳, 온도가 높은 곳 등에 상대적으로 함량이 높을 수 있습니다. 이 그림은 라돈이 어떻게 여러 틈새를 따라 생활공간으로 침투할 수 있는지를 보여주는 그림입니다. 라돈에 의한 피해를 최소화하기 위해서는 틈을 메우고, 환기를 자주 시켜주며, 공기 중 라돈 양을 확인하는 것이 필요합니다. 지금까지 방사능 붕괴, 방사선, 방사능의 위험성 그리고 라돈의 환경적 위협에 대해 설명드렸습니다.

원자력 발전소의 위험성과 사건 사례, 환경문제

앱모크 — Sat, 30 Jul 2022 23:46:01 +0900

원자력 발전소의 위험성과 사건 사례, 환경문제

전 세계적으로 화석에너지가 주력 에너지원인 시대입니다. 하지만 무연탄을 제외하고는 화석 연료 자원이 거의 없는 우리나라는 그동안 정책적으로 원자력 에너지에 많은 투자를 하며 그 비중을 늘려왔습니다. 원자력 에너지는 청정에너지이고 상대적으로 저렴하다고 주장하였습니다. 그런데 새 정부가 들어서며 이러한 정책에 제동이 걸렸습니다. 무엇이 문제일까요? 원자력 에너지를 이용하기 위해 무엇이 필요하며, 어떤 환경적 문제가 있는지 알아보고, 대표적인 원전 사고 사례를 통해 교훈을 얻어 보고자 합니다. 원자력 에너지와 환경에 대해 얘기해보겠습니다.

원자역 에너지

원자력 에너지는 다른 말로 핵에너지라고도 하는데요. 우리나라에서 주력 에너지원으로 성장시키고자 하였던 에너지입니다. 이 그래프는 2015년 우리나라 주요 에너지별 소비 비중을 나타낸 것입니다. 가장 비중이 높은 것은 석유 또는 원유로 전체의 41%를 차지합니다. 다음으로 석탄이 31%, 천연가스가 14%를 차지합니다. 이들 셋, 즉 석유, 석탄 그리고 천연가스를 합쳐 화석연료라고 하는데요. 이 화석연료 비중이 전체 에너지 소비의 86%를 차지합니다. 그야말로 화석연료가 압도적인 에너지원임을 알 수 있습니다. 이 화석 연료 다음의 비중을 차지하는 에너지원이 바로 원자력입니다. 2015년에 원자력의 비중이 13%였는데, 지금과 크게 차이 나지 않을 것입니다. 이 원자력의 비중을 훨씬 크게 높이는 것이 과거 우리나라 에너지 수급 정책의 기본 줄기였습니다. 참고로 요즘 친환경적인 에너지로 한참 관심을 끌고 있는 신재생에너지는 전체의 1%도 미치지 못하는 실정입니다. 이 그림은 우리나라 원자력 발전소의 위치와 발전 용량을 정리한 것입니다. 이 사진은 우리나라 고리 원자력 발전소의 전경 사진입니다. 왼쪽부터 1, 2, 3, 4호기입니다. 원자력은 핵에너지로부터 얻는 힘인데, 이를 이용하여 열을 얻고 이 열을 이용하여 전기를 얻는 데 사용됩니다. 핵에너지는 다양한 핵반응으로부터 얻을 수 있지만, 요즘 대부분의 원자력은 핵분열로 인한 핵에너지로부터 얻습니다. 이 그림은 235U의 핵분열을 모식적으로 나타낸 것입니다. 중성자가 235U에 흡수되면 흥분상태의 236U이 만들어지고 이 236U은 더 작은 두 개의 핵으로 쪼개지며 3개의 중성자와 방사선을 방출합니다. 이때 방출된 중성자는 다른 우라늄을 때려 같은 방식으로 분열하도록 하고, 또 그다음, 그다음 우라늄이 계속 분열되도록 연쇄 반응을 일으킵니다. 원자력 발전은 이 연쇄 반응이 서서히 일어나도록 조절해서 방출되는 에너지를 이용하여 전기 발전을 하는 것입니다. 만일 이 연쇄 반응을 조절하지 않고 가능한 빠른 시간에 많이 일으켜 에너지의 방출을 폭발적으로 일으키면 핵무기가 됩니다. 핵분열 반응이 조절될 수 있도록 우라늄이나 플루토늄과 같은 핵분열 가능 원소를 다양한 방법으로 제조하는데, 이를 핵연료라고 합니다. 이 핵연료를 반응시켜 에너지를 얻는 장치를 반응로 또는 원자로라고 하며, 반응로 또한 사용되는 조절재, 냉각재 및 연료, 에너지 방출 방식, 사용 목적에 따라 다양한 유형으로 구분됩니다. 이 사진은 North Carolina 주립 대학의 연구용 반응로 Pulsar의 모습입니다. 원자력 발전을 위해서는 우라늄 원광을 채취해서 핵연료를 제작해야 합니다. 제작해서 처음으로 반응로에 사용되는 연료를 '새 핵연료'라고 합니다. 핵연료는 반응로에서 사용되어 에너지를 냅니다. 핵연료가 사용되고 나면 '사용 후 핵연료'가 됩니다. 사용 후 핵연료는 보통 재처리 과정을 거칩니다. 이 과정을 통해 남아 있는 우라늄과 플루토늄을 추출해서 다시 핵연료 제조 및 기타 목적으로 사용되고, 그 나머지는 폐기합니다. 폐기물은 연료 사이클 각 과정에서 모두 나옵니다. 우라늄 채광 후 선광 할 때는 선광 찌꺼기가 나오게 되고, 반응로를 가동하는 중에는 가스 및 액상 방사능 폐기물, 저준위 폐기물 그리고 사용 후 연료 폐기물, 재처리 시설에서는 재처리 폐기물이 발생합니다. 이들 폐기물은 모두 적절한 절차에 따라 처분하여야 합니다. 폐기물 처분에 대해서는 잠시 후 다시 살펴보도록 하겠습니다. 핵연료로 사용되는 우라늄은 235의 질량을 갖는 우라늄입니다. 흔히 줄여서 235U이라고 합니다. 지각 내 우라늄은 2~4ppm 정도, 토양에서는 0. 3~11ppm, 해수에는 3 ppb 정도 함유되어 있습니다. 그런데 이 우라늄의 약 99. 3% 정도가 238U이고, 0. 7% 정도만이 235U입니다. 우라늄을 채취하여 연료로 사용하기 위해서는 우라늄이 충분히 농집 되어 있는 광상이 필요합니다. 우라늄 광상은 전 세계에 걸쳐 있으며, 퇴적, 열수 변질, 병성 광상 등 매우 다양한 유형의 광상이 보고되었습니다. 우라늄 광석은 그 종류가 매우 많습니다. 여기 표에는 주요 우라늄 광석광물들을 정리하였습니다. 여기에서 일차 광물이란, 직접 우라늄 광물로 만들어진 것들을 말하고, 이차 광물이란 일차 광물이 풍화 및 산화되어 만들어진 광물을 말합니다. 여기에 나열된 광물들을 한 번씩 살펴보시고 관련 이미지도 찾아보시기 바랍니다. 원자력 발전 시설에서 사용하는 핵연료와 그곳으로부터의 폐기물들은 모두 방사능 물질이므로 어떤 누출도 일어나지 않도록 조심하여야 합니다. 그래서 원자력 발전 시설은 지질학적으로 안정한 곳에 건설하고, 혹시라도 있을 사고에 대비해 2중, 3중의 안전장치를 합니다. 하지만 어쩔 수 없는 자연재해나 사고로 누출이 발생하는 경우가 생기는데, 이렇게 되면 해당 지역에 치명적 피해를 줄 뿐만 아니라 그 이웃 그리고 상당히 멀리 떨어진 지역까지 오염시켜 오랫동안 상당한 피해를 입히게 됩니다.

원자력 발전 시설 누출사고 사례

그동안 크고 작은 원자력 발전 시설 누출 사고가 여러 건 있었는데, 그중 매우 심각했던 두 개의 사고를 소개해볼까 합니다. 첫 번째는 체르노빌 사고입니다. 체르노빌 사고는 1986년 4월 26일 토요일, 벨라루스 국경 근처 Pripyat시 부근의 체르노빌 원자력 발전소에서 발생하였습니다. 이 사고는 체르노빌 4번 원자로의 시스템을 점검하면서 시작되었는데, 갑작스러운 전력 과부하에 비상 차단 작동을 시도하던 찰나 매우 커다란 스파크가 발생하며 원자로가 파열되면서 연속적인 증기 폭발이 시작되었습니다. 이 체르노빌 사고는 국제 핵 사건 규모 중 최고의 레벨인 7레벨 사고였습니다. 역사상 지금까지 딱 두 개의 7 레벨 사고가 있었는데, 체르노빌 이외에 다른 하나는 바로 조금 이따 설명드릴 후쿠시마 다이치 원전 사고입니다. 직접적으로 이 사고에 의해 사망한 사람은 소방관을 포함해 총 31명입니다. 그러나 이 사고에 때문에 일어난 방사능 누출로 인한 암이나 기형과 같은 장기적 영향은 아직 진행 중에 있습니다. 체르노빌 사고 이틀 후 약 1,500km 떨어진 스웨덴의 핵 시설에서 방사선량이 증가한 것을 감지하였습니다. 이 사고로 북반구의 약 30억 명 정도가 방사선의 영향을 받았으며, 이때 유럽 사람들에게 노출된 방사능 양은 자연에서 1년간 쬘 양과 같았다고 합니다. 사고 직후 반경 30km 내의 115,000명이 대피하였고, 약 24,000명은 그 피폭된 방사능 양이 자연적으로 노출되는 연평균 피폭량의 수백 배에 달하였습니다. 사고 이후 주변 국가에서는 갑상선암 발병이 급격이 높아지는 등 큰 피해가 지금까지 보고되고 있습니다. 방사능 물질은 토양, 식생, 강, 지하수 등을 오염시켜 생태계에도 큰 재해가 되었습니다. 체르노빌에는 원자로 4기가 있었는데 서방세계의 원조와 압력으로 14년이 흐른 2000년 12월에 비로소 모든 원자로가 폐쇄되었습니다. 여기 왼쪽 사진은 체르노빌 사고가 일어났을 당시의 항공사진입니다. 오른쪽 사진은 사고가 난 이후의 모습입니다. 우크라이나의 체르노빌 박물관에 전시돼 있는 두 골 반체를 가진 새끼 돼지, 즉 골반이 2개니까 뒷다리가 4개입니다. 아마도 방사선 때문에 이런 기형 돼지가 태어났다고 생각됩니다. 두 번째로 살펴볼 원전 사고는 또 다른 7 레벨 사고인 후쿠시마 다이치 원전 사고입니다. 이 원전 사고는 2011년 3월 11일 6개의 원자로가 붕괴되면서 발생하였습니다. 이렇게 원자로가 붕괴된 원인은 바로 앞바다에서 도호쿠 지진이 일어나고 그로 인해 발생한 쓰나미가 원전을 덮쳤기 때문입니다. 원전 측은 여러 안전장치를 갖춘 설계로 원자로의 안전성을 자랑하였으나, 쓰나미에 의해 냉각 장치들이 물에 잠겨 작동을 못하면서 반응로가 폭발하는 최악의 참사를 당하였습니다. 이 사고 다음날부터 방사능 누출이 시작되었습니다. 누출량은 체르노빌 사고 당시의 것에 비해 10~30%밖에 되지 않았지만, 이 사고로 약 30만 명의 주민이 대피하였으며, 지진과 해일에 의해 18,500명 정도의 주민이 사망하였습니다. 하지만 아직까지 방사능 누출로 인한 사망자는 정확히 집계되지 않고 있습니다. 사고 후 2013년 8월까지 여러 가지 악조건, 예를 들면 주거 조건 악화 또 병원 폐쇄 등 때문에 1,600여 명이 추가로 사망하였다고 합니다. 이것은 후쿠시마 다이치 원전의 반응로가 녹아 화재가 발생한 모습을 보여줍니다. 후쿠시마 다이치 원전의 화재를 소방선들이 진압하는 장면입니다.

원자력 사용 환경 문제

이상의 원전 사고를 살펴보면 사소한 결함에 의해서도 재앙과 같은 원전 사고가 일어날 수 있으며, 인간이 아무리 안전장치를 하고 조심한다고 해도 자연재해에 같은 압도적 현상 앞에서는 원전 파괴 및 방사능 누출이 피할 수 없는 일이 된다는 것을 보여줍니다. 이와 같은 사고 결과로 생기는 누출이 아니더라도 원자력 설비를 이용하는 한 방사능 물질의 누출 가능성은 항상 상존합니다. 특히 폐기물을 제대로 처분하지 못할 경우 방사능 물질의 누출 가능성은 매우 높아집니다. 방사능 폐기물은 광산에서의 선광 찌꺼기와 원자력 시설에서의 저준위, 중준위, 고준위 폐기물들로 나누어 볼 수 있습니다. 선광 찌꺼기는 채취한 광석을 빻아 우라늄 광물을 좀 더 농 집시 키는 과정에서 발생하는 찌꺼기인데, 방사능 물질의 함량이 매우 낮습니다. 하지만 기타 중금속 함량이 높을 수 있으므로 여타 다른 중금속 광산 폐기물의 처분 절차에 따라 처분하는 것이 필요합니다. 저준위 폐기물은 원자력 관련 시설에서 사용하던 물품들, 즉 종이, 장갑, 의복, 공구, 필기구 등으로 방사능이 거의 없으며, 혹시 있어도 매우 수명이 짧은 방사능 물질이 아주 조금 있을 뿐입니다. 중준위 폐기물은 보통 수준의 방사능을 가지며 식힐 필요는 없지만 밀봉은 해야 하는 폐기물들입니다. 방사능 물질 처리에 사용한 이온 교환 수지, 화학 처리 찌꺼기, 연료 피복 금속 등이 여기에 속합니다. 고준위 폐기물은 방사능 수준이 매우 높은 폐기물입니다. 반응로에서 직접 나온 폐기물로 주로 사용 후 연료봉이 여기에 해당됩니다. 고준위 폐기물은 일정 시간 동안 식혀야 하고, 일련의 밀봉 처리 과정을 거쳐 폐기되어야 합니다. 그동안 매우 많은 방사능 폐기물의 처분 방법이 제안되었습니다. 예를 들면 지상 처분, 지중 처분(지질학적 처분), 우주 처분, 시추공 처분, 섭입대 처분, 해양 처분, 빙상 처분 등이 있습니다. 이 중 지상 처분, 지중 처분, 해양 처분, 시추공 처분 등은 실제로 시행되었지만, 지중 처분을 제외하고는 국제 사회로부터 금지되거나 그 실효성 때문에 폐기되었습니다. 요즘 가장 흔히 시행하는 처분은 중저준위 폐기물은 천부 지중 처분, 고준위 폐기물은 심부 지중 처분입니다. 우리나라는 폐기물 관리에 관한 대부분의 것을 방사성 폐기물 관리법과 그 시행령에 따라 정하고 있습니다. 방사능 폐기물에 대해 좀 더 자세히 아시고 싶으면 이 법을 자세히 읽어보시는 것도 좋은 방법이며 그 외 한국 수력원자력, 원자력연구소, 원자력 환경공단 홈페이지를 방문해 관련 정보를 열람하는 것도 추천합니다. 지금까지 원자력의 이용과 그에 따른 환경 문제에 대해 알아보았습니다.

먼지, 석면의 위험성과 환경문제

앱모크 — Sat, 30 Jul 2022 18:03:13 +0900

먼지, 석면의 위험성과 환경문제

매년 반복되는 황사, 아침저녁으로 보도되는 미세 먼지, 심심치 않게 언급되는 석면 문제. 우리에게 낯선 이야기가 아닙니다. 우리는 이런 문제들에 대해서 어떤 경각심을 가져야 하는 걸까요? 이 단원을 통해 먼지와 석면 문제에 대한 기본 지식을 제공합니다. 광물로 인해 발생하는 환경 문제에 대해 얘기해 보겠습니다. 광물로 인한 환경 문제는 크게 직접적 또는 일차적인 문제와 간접적 또는 이차적인 문제로 나누어 볼 수 있습니다. 일차적인 문제란 광물을 직접 섭취, 흡입 또는 접촉함으로써 발생하는 문제를 말하며 이 때문에 우리는 염증 및 암과 같은 다양한 건강적 위험에 직면하게 됩니다. 이차적인 문제란 광물이 관계된 반응이나 기타 다른 상호 작용에 의해 일어나는 문제로 예를 들면 산성비, 산성 광산배수, 수질 오염 등과 같은 문제가 있습니다. 이 중 일차적인 문제에 대해 다루려고 합니다.

먼지로 인한 환경문제

광물로 인한 환경 문제를 유발할 수 있는 가장 효율적인 형태는 아마도 먼지일 것입니다. 이 사진은 우리가 봄철마다 겪는 황사를 보여줍니다. 황사는 중국으로부터 바람에 날려 온 광물 알갱이 먼지입니다. 먼지로서 잠재적 위해성이 있는 광물은 보시는 것처럼 매우 많은 종류가 거론됩니다. 이 중에서도 특히 섬유상 광물 그중에서도 석면의 위해성은 이미 매우 잘 알려져 있습니다. 잠재적 위해성을 가진 광물들 중 몇 개의 모습을 보여줍니다. 석면과 모데나이트는 마치 섬유와 같은 모양을 하고 있어 섬유상 광물이라 부릅니다. 버미큘라이트와 운모는 판상 구조를 보여줍니다. 먼지로 인한 잠재적 건강 위해성에는 진폐증, 규폐증, 석면폐, 기타 호흡기계 질환, 암, 흉막판, 중피종과 같은 것들이 있습니다. 지금까지 광물 먼지에 의한 건강적 위협을 대강 살펴보았습니다.

석면의 위험성

지금부터는 이 광물들 중 대표적인 위해 광물인 석면에 대해 좀 더 자세하게 살펴보도록 하겠습니다. 여러분은 신문이나 방송을 통해 석면이 매우 위험한 광물임을 알고 계실 겁니다. 석면은 영어로는 asbestos입니다. 이 말은 고대 그리스어인 asbestoz에서 온 말인데, 그 뜻은 파괴되지 않는 또는 꺼지지 않는다는 뜻입니다. 아마도 섬유 같이 생겼는데 불에 타지 않아서 이런 이름이 붙은 것 같습니다. 석면은 섬유상 규산염 광물입니다. 이제 여러분은 규산염 광물이 무엇인지 아시겠지요? 여기서 중요한 것은 섬유상이란 대목입니다. 대개 사문석 및 각섬석이 이런 모양으로 잘 나타나 석면의 주요 광물이 되는데요. 만일 이들 광물이 섬유상이 아니면 석면이라고 부르지 않습니다. 실제로 이들 광물이 길쭉한 기둥 모양이나 판 모양으로 나타나는 경우도 있습니다. 이런 것들은 석면이라고 부르지 않습니다. 석면은 다시 그 색에 따라 백석면, 청석면, 갈석면 등으로 더 나뉩니다. 이들은 다 서로 다른 광물입니다. 여기에 보시는 것은 다양한 석면들입니다. 투 각섬석이란 광물로 이루어진 석면, 리베 카이트란 광물로 된 석면, 사문석으로 만들어진 석면 그리고 인조 석면입니다. 석면은 섬유처럼 생겼지만, 사실은 광물입니다. 이 때문에 석면은 섬유와 광물, 둘 모두의 성질을 갖고 있습니다. 즉, 섬유와 같기 때문에 유연하고, 직조가 가능하며, 방음 효과를 냅니다. 동시에 광물이기 때문에 열과 전기가 안 통하며, 불에 견디고, 화학적으로 안정할 뿐만 아니라, 불에 타지도 않습니다. 이러한 특징 덕택에 원하는 대로 모양을 만들어서 이 슬라이드에서 정리한 것처럼 활용할 수 있습니다. 기술된 석면의 활용 내용을 축약하면 석면은 내화재, 절연재, 내부식성재, 및 방음재 등으로 상용된다는 것입니다. 가정집이나 건물에 석면이 어떻게 쓰이는지를 보여주는 그림입니다. 세계적으로 석면 사용량은 최근에 들어 급감하고 있으며, 많은 나라에서는 아예 사용 금지되어 있으므로 오래된 집일수록 석면이 더 많이 발견됩니다. 우리나라에서도 이제 석면 사용 및 제품의 생산이 완전히 금지되었기 때문에 새로 짓는 건물에서는 석면을 찾아보기 어렵습니다. 하지만 과거에는 많은 석면 제품이 사용되었기 때문에 현재 우리가 시용하고 있는 건물에 아직도 많은 석면 제품이 있을 수 있습니다. 석면은 건물의 외장재, 절연재, 바닥재, 내부 장식재, 보일러 배관, 전기 장비, 가전제품, 자동차 등 거의 모든 곳에서 발견됩니다. 석면 사용이 금지되기 전 만들어진 자동차에서도 석면이 여기저기 발견됩니다. 후드 라이너, 브레이크 가루, 실 테이프, 발브 링, 실, 브레이크 패드, 클러치 뭉치, 플라이휠, 클러치 판, 압착판 등에 석면이 사용되었습니다. 이와 같이 석면의 위해성이 널리 알려지기 전까지 석면은 그 독특한 특성 때문에 매우 광범위하게 사용되었습니다. 석면은 이미 기원전 3000년경의 스칸디나비아 유적지에서 통나무 틈새 메움재로 사용되었던 것으로 밝혀졌습니다. 서기 1세기경에 그리스 에보이아 섬에는 석면 채석장이 있었습니다. 지도의 이곳이 에보이아 섬입니다. 고대 그리스-로마 시대에 이미 석면을 내화 의복 및 건축재로 사용하였다는 기록이 있습니다. 고대 로마의 플리니는 석면이 저주를 막는 데 효험이 있다고 주장하였습니다. 고대 이집트에서는 파라오의 미라 제작에 석면을 이용했고, 고대 페르시아에서는 석면을 불사조의 깃털로 생각했습니다. 그밖에 석면은 묘지 내 등잔 심으로 이용되기도 했고, 가려움증 치료제로 사용되기도 했습니다. 이것은 고대 이란의 타일인데, 거기에 불사조 문양을 넣었습니다. 시간이 지나 중세 시대에 들어서는 석면이 갑옷의 단열재로 사용되었습니다. 몇몇 사기꾼들은 석면으로 십자가를 만들어서 이것을 마치 예수가 매달렸던 십자가의 나무로 만든 것처럼 속여 팔았습니다. 19세기 말 산업혁명을 겪으면서 석면의 사용이 본격화되었습니다. 1860년경 미국과 캐나다에서 석면을 단열재로 이용하였습니다. 1879년 캐나다 퀘벡 주 아팔라치아 산자락에 최초의 상업적 석면 광산이 개발되었습니다. 20세기 들어 1970년대 중반까지 석면의 수요가 폭발적으로 증가하였으며, 3,000여 종의 제품에 석면이 사용되었습니다. 1970년 이후 석면의 이용과 그에 따른 질병의 관계가 확실해지면서 강력한 석면 규제가 현실화되고 이에 따라 석면의 수요가 급감하였습니다. 석면에 대한 위해성은 아주 일찍부터 인식되어왔습니다. 이미 1세기 그리스의 스트라 보는 석면 직조 노예가 폐질환을 앓는다는 것을 알고 있었고, 로마의 플리니는 석면 노예는 일찍 죽기 때문에 사지 말아야 된다고 주장했습니다. 1897년 비엔나의 한 의사는 한 환자의 폐질환이 석면 먼지의 흡입 때문이라는 진단을 내렸습니다. 1906년 폐질환 사망자를 부검했을 때 폐에 섬유증이 있다는 것을 기록한 문서가 발견되었으며, 1908년 메트로폴리탄 생명보험회사는 석면 노동자의 보험료율을 높였습니다. 1928년 Cook은 폐 내 석면의 영향을 밝히고 석면폐증, 즉 asbestosis라는 용어를 최초로 사용하였으며, 1931년에는 중피종, mesothelioma라는 용어가 최초로 사용되었습니다. 1930년경 영국에서 석면 질병을 최초로 직업병으로 인정하였으며, 1935년 석면폐증 환자의 다수가 폐암에 걸렸음이 밝혀졌습니다. 1970년대 미 법원 문서에는 회사가 30년 전부터 인지된 석면의 폐해를 노동자에게 숨겨왔다고 기록되어 있습니다. 1970년대부터 미국 EPA 및 OSHA는 석면 규제를 시작하였으며, 현재 대부분의 선진국에서는 석면 사용이 전면 금지되었습니다. 연도에 따른 세계 석면 생산량과 한중일 3국의 석면 소비량을 비교한 것입니다. 이미 설명드렸듯이 1970년대까지 석면의 생산량이 급격히 증가하였다가 그 이후로 갑자기 감소하였음을 알 수 있습니다. 한국과 일본의 소비 추이도 이와 비슷하지만, 경제 후발 주자인 중국은 오히려 최근에 이르러 그 소비량이 큰 폭으로 증가하였음을 알 수 있습니다. 우리나라의 경우 2007년부터 산업안전보건법을 통해 석면 함유 제품의 제조 수입 등을 전면 금지하였으며, 2009년부터는 품질경영 및 공산품 안전관리법을 통해 모든 공산품에 공산품의 사용을 금지하거나 제한하고 있습니다. 현재 세계 석면 생산량은 연 2백만 톤 정도 되며, 세계 1위 생산국은 러시아로서 전체의 55% 정도를 생산합니다. 그 아래로 중국, 브라질, 카자흐스탄 등이 주요 석면 생산국입니다.

석면의 위해성

석면은 우리 몸의 다양한 부위에서 해로운 영향을 줄 수 있습니다. 석면에 의한 건강 위해성은 석면의 양, 노출 기간, 노출 방식 등에 의해 결정됩니다. 노출 방식이란 우리 몸이 어떠한 방식으로 석면에 노출되느냐 하는 것인데, 석면은 흡입 및 섭취 등을 통해 우리 몸으로 침투하거나 피부에 직접 접촉할 수 있습니다. 일반적으로 석면의 양이 많을수록, 노출 시간이 길수록 그리고 흡입했을 때 건강적 피해가 큽니다. 우리 몸으로 침투한 석면은 식도, 흉막, 후두, 심장, 기관지, 허파꽈리, 횡격막, 위, 창자 등의 기능을 방해하거나 염증, 심하면 암을 유발할 수 있습니다. 이 그림은 건강한 세포가 어떻게 암세포로 변하는지를 보여주는 그림이며, 건강한 폐와 중피종에 의한 폐의 차이점을 보여주는 그림입니다. 지금까지 광물 먼지로 인한 환경 문제와 특히 석면의 특징과 환경 위해성에 대해 살펴보았습니다. 우리나라가 이들 먼지와 석면을 어떻게 규제하고 있는지를 알아보는 것은 여러분의 몫입니다. 이러한 광물들로 인한 직접적 피해를 줄이는 것은 먼지를 줄이고 석면을 우리 주변으로부터 격리하는 것입니다. 미세 먼지의 발생 원인을 제거하고 우리 주변을 깨끗이 하며, 석면 제품을 서서히 제거하는 동안 무석면 제품으로 대체하는 일들이 필요합니다.

지구의 진화 과정(대기, 대양, 생명 탄생 과정)

앱모크 — Sat, 30 Jul 2022 10:47:42 +0900

지구의 진화 과정(대기, 대양, 생명 탄생 과정)

지구가 핵과 맨틀 그리고 지각으로 이루어진 동심원상 내부 구조를 갖고 있고, 그에 더해 지표 위에 대양과 대기 그리고 생물이 존재함을 알고 있습니다. 이들 각 부분은 물리적으로도 매우 다르지만 화학적을도 뚜렷한 특징을 갖고 있습니다. 지구가 처음 만들어질 때부터 우연하고도 절묘하게 이런 특징을 가지게 되는 것은 불가능한 일이고, 지구가 처음 만들어진 후 어떤 일련의 과정을 거쳐 지금과 같은 모습으로 진화하였다고 생각할 수밖에 없습니다. 우리는 이 단원에서 지구의 진화가 어떤 방식으로 진행되었는지 그리고 거기에 필요한 에너지는 어떻게 얻었는지에 대해 알아봅니다. 지구의 탄생과 진화가 어떻게 진행되었는지 알아보도록 하겠습니다.

지구의 진화 과정

지구는 당연히 태양과 다른 행성들이 만들어질 때 같은 성운으로부터 만들어졌습니다. 초기에는 먼지와 암석 조각들이 모여 점점 커다란 덩어리를 만들고, 이 덩어리들이 모여 행성 조각이라 부를 만한 것들이 생겨났을 것입니다. 이것들이 점점 커지면 더욱 큰 중력을 작용하여 주변 것들을 끌어 모으고, 그리하여 행성고리를 만들고, 이 고리 내 미소 행성 및 운석들이 모여 원시 지구를 만들었을 것입니다. 원시 지구를 만드는 과정에서 물질의 응집이 어떠한 식으로 이루어졌는가에 대해서는 약간의 의견 차이가 있을 수 있습니다. 이에 대한 첫 번째 견해는 미소 행성 및 운석 조각들이 무작위로 뭉쳤다고 보는 것입니다. 또 다른 견해는 더 무거운 금속 성분, 특히 철 물질들이 먼저 응집되고 비교적 가벼운 물질들이 나중에 순차적으로 집적되었다는 견해입니다. 첫 번째 방식으로 원시 지구가 형성되었다면 지구 보이는 지구의 내부 구조를 만들기 위해 물질들의 이동 및 재분배가 매우 활발하게 이루어져야 합니다. 두 번째 방식으로 원시 지구가 만들어졌다면 전격적인 분화가 필요 없을 수도 있습니다. 과학적인 견지에서 생각해보면 초기에 무거운 것들이 먼저 응집됐을 수도 있지만, 밀도별로 완전 분리돼 순차적으로 응집되어 원래 처음부터 지금과 같은 내부 구조를 갖도록 응집되는 것은 불가능합니다. 따라서 지구가 형성되고 전 지구적인 물질의 분화가 수반되는 과정은 반드시 있었으리라고 생각됩니다. 지구가 만들어지고 진화하는 동안 지구 전체에 걸친 물질의 분화가 진행되었다면, 즉 물질의 밀도와 친화력 같은 물리화학적 성질에 따라 전체적인 이동이 있었다면, 그 정도의 이동이 가능하도록 물질의 유동성이 확보되어야 합니다. 이를 위해서 지구는 충분히 높은 온도에 도달하여야 하는데, 그러자면 온도를 높이기 위한 열에너지가 필요합니다. 지구 전체를 덮자면 막대한 양의 열에너지가 필요했을 텐데, 지구는 어떻게 그렇게 많은 열에너지를 얻었을까요? 현재 지질학자들이 생각하는 열에너지원은 세 가지가 있습니다. 그것은 바로 주변의 운석 및 행성 조각들이 지구의 중력에 끌려오다 부딪히면서 집적된 충돌에너지, 이렇게 모인 물질들이 서로 좀 더 단단히 뭉치도록 한 중력에너지 그리고 지구 탄생 초기에 구성 물질에 잔뜩 포함되었던 방사능 원소의 분기로부터 발생한 방사선 에너지입니다. 원시 지구 생성 초기에는 지구 주변으로부터 수많은 운석과 행성조각들이 있었을 것으로 생각됩니다. 그 중에는 이미 행성으로의 모습을 갖추고 태양 주위를 운동하던 것도 있었을 것이고 그렇지 않은 것도 있었을 것으로 생각합니다. 이런 것들이 지구와 충돌하면서 그 에너지를 상당 부분 열에너지로 집적하였을 것으로 추측하고 있습니다. 보시는 그림은 과거 지구 생성 초기에 테이아(Theia)라고 불리는 화성만한 크기의 천체가 지구와 충돌하는 모습을 그린 상상도입니다. 이러한 충돌은 지구에게는 그야말로 전 지구적인 재앙이 되었을 것이며, 과학자들은 이와 같은 충돌 결과로 지구의 유일한 위성인 달이 만들어졌다고 믿습니다. 앞서 언급하였던 세 가지 열에너지의 집적에 따라 지구의 내부 온도는 점점 상승하게 됩니다. 그러다가 온도가 충분히 상승하면 몇몇 물질의 용융점에 도달하여 지구 내부에서 부분 용융이 시작되었을 것입니다. 아마도 용융은 용융점이 낮은 물질부터 시작되었을 것입니다. 이미 잘 알려진 것처럼 대개 철과 같은 금속 물질이 암석과 같은 비금속 물질보다 더 낮은 온도에서 녹습니다. 그래서 지구의 내부 온도가 올라가면서 먼저 이곳저곳에서 철 성분의 용융이 시작되는 시기가 도래하게 되었을 것입니다. 녹은 철은 친화도 때문에 같이 모이게 되고, 이 철 덩어리들은 밀도가 높아 지구 중심부를 향해 중력의 힘으로 모여 지구의 핵을 형성하게 됩니다. 이 사건을 지구에서 일어난 철격변, Iron catastrophe라고 합니다. 철격변 기에 용융된 철이 지구 중심 방향으로 모인 건 중력이 일을 한 것입니다. 지구 내부에서 이 중력이 한 일이 다시 열에너지로 전환되어 지구 내부 온도는 더욱 상승하게 되고, 이로 인해 비교적 용융점이 높았던 암석질의 부분 용융이 일어나게 됩니다. 이렇게 용융된 암석 성분, 우리는 마그마라고 부릅니다. 이 마그마는 상대적으로 밀도가 낮기 때문에 지구 표면 쪽으로 이동하게 되고, 결국 이러한 용융 암석 성분이 굳어 지각을 형성하게 됩니다. 지구 생성 초기에는 부분 용융에 의한 마그마의 분출이 지구 전체에 걸쳐 활발하게 일어났을 것이고, 여기 이 그림에서 보는 바와 같이 지구 표면에 마그마의 바다를 이루었을 수도 있습니다. 지금까지 원시 지구가 어떻게 응집되어 형성되었는지 그리고 열에너지의 집적과 내부 온도 상승에 따라 어떻게 부분 용융이 일어났는지, 용융된 물질의 밀도에 따라 어떻게 핵이 형성되고 지각이 형성되었으며, 그리하여 결국에는 동심원상 내부 구조를 갖게 되었는지를 살펴보았습니다.

대기와 대양이 만드렁진 과정

이제 지구 바깥으로 눈을 돌려 지구의 대기와 대양이 어떻게 만들어지게 되었는지 또 어떻게 생물이 출현하고 그로 인해 지구 환경의 변화가 일어났는지를 살펴보도록 하겠습니다. 지구가 만들어질 때부터 대기가 있었습니다. 이를 '최초의 대기'라고 하는데, 아마도 태양계를 만든 성운 구성 물질이 지구의 중력에 붙잡혀 지구 대기를 구성하게 되었을 것입니다. 이때 이 대기는 주로 수소가 대부분이었을 것이고, 이 밖에 헬륨과 약간의 물, 메탄 및 암모니아 등이 있었을 것입니다. 하지만 이 대기는 태양풍 등에 의해 날려지거나 지구 중력권 밖으로 흩어져 금방 사라지게 되었을 것입니다. 앞서 살펴본 것처럼 원시 지구가 응집하고 진화하는 동안 지구 전반에 걸쳐 마그마 분출이 활발하게 일어났으며, 이 마그마의 분출 때 다양한 가스 성분이 함께 분출하여 지구의 대기로 편입되었습니다. 또한 이 당시 수많은 운석과 행성 조각, 심지어는 소행성 크기의 것들까지도 끊임없이 지구와 충돌하였는데, 이 충돌 시 발생한 가스도 대기를 구성하는 데 크게 기여하였을 것입니다. 이렇게 만들어진 대기를 '두 번째 대기'라고 하는데, 질소와 이산화탄소가 주를 이루었을 것이고 이 밖에도 불활성기체가 더해졌을 것으로 짐작합니다. 이 중 이산화탄소는 바로 물에 녹아 암석에 고정되면서 대기로부터 빠르게 제거되었습니다. 만일 이산화탄소가 제거되지 않았다면 지구 기온은 말할 수 없이 높았을 것이고, 이로 인해 생명체의 탄생이 이루어지지 않았을 수도 있었습니다.

생명의 탄생

지구 대기 조성은 지구에 생명체가 탄생되면서 또 한 번 큰 변화를 맞이하게 됩니다. 이 큰 변화는 바로 생물의 동화작용에 의해 발생하는 산소 때문에 일어났습니다. 처음에 산소가 만들어졌을 때에는 지구 환경 온 사방에 존재하는 환원 상태의 물질들을 산화시키는 데 산소가 소모되었습니다. 시간이 지나 어느 정도 산화될 만한 것들이 모두 산화된 다음에 자유 산소가 대기에 집적되기 시작했습니다. 한편으로는 판구조 운동을 통해 대기를 포함한 지구 구성 물질들이 순환하고, 이산화탄소는 암석에 계속 고정되며, 자유 산소의 양은 점점 늘어났습니다. 선캄브리아기 이전까지는 대기 중 자유 산소 양의 변화 폭이 상당히 컸습니다만, 그 이후에 어느 정도 일정한 수준을 유지하기 시작했습니다. 이 대기가 지구의 '세 번째 대기'이며, 현재 대기의 모태라고 할 수 있습니다. 현재 대기는 질소가 80% 정도, 산소가 20% 정도이고, 이 두 기체에 비해 다른 기체의 양은 매우 적습니다. 과거 지질시대를 통해 대기 중에 산소가 얼마나 되었는지 이 그림을 통해 살펴볼 수 있습니다. 산소가 점점 증가해서 현재와 같은 20% 수준에 이른 것을 볼 수 있습니다. 여기서 한 가지 우리가 생각해보아야 할 점이 있습니다. 대기에 자유 산소가 집적되고 나서야 육상생물이 출현할 수 있었습니다. 그 이유가 무엇일까요? 여러분이 곰곰이 한번 생각해보시기 바랍니다. 자유 산소가 존재하는 지구 대기는 다른 어떤 행성에서도 찾아볼 수 없는 지구만의 독특한 특징입니다. 다른 행성들과 구분되는 지구의 특징 중 하나는 바로 대양의 존재입니다. 지구상의 물은 지구 대기에 존재하던 수증기가 지구가 식어감에 따라 응결되면서 화산 분출 등에 의해 지구 내부의 물이 방출되어서 그리고 운석, 행성 조각 및 혜성 등에 포함되어 있는 물이 지구와 충돌할 때 지구 중력에 붙잡히면서 모인 것들입니다. 이 물은 지구 진화와 환경 조절에 있어 매우 중요한 역할을 하였습니다. 앞서 이미 대기 중의 이산화탄소가 물에 녹은 후 탄산염암에 고정되면서 제거되었음을 설명 드렸습니다. 이 외에도 물은 많은 역할을 하였는데, 이에 대해서는 나중에 수자원에 대해 공부할 때 좀 더 자세히 설명 드릴 것입니다. 무엇보다 지구를 지구답게 하는 가장 큰 특징은 아무래도 생명체의 존재일 것입니다. 지구상에 어떻게 생명체가 생겨났는지에 대해서는 많은 가설들이 있는데, 그 중에서 현재 가장 널리 받아들이는 가설이 무생물 기원설입니다. 이 가설은 생명체가 무기물의 화학적인 반응으로부터 탄생하였다는 가설입니다. 많은 분들이 이 무생물 기원설을 자연발생설과 혼동하시는데, 자연발생설은 생명체가 부모 없이 자연적으로 생겨난다는 가설로 이미 사실이 아님이 증명된 가설입니다. 또 하나의 주목할 만한 가설은 생명의 외래기원설인데, 이는 외부로부터의 운석이나 우주선이 채취한 시료에서 유기물을 발견하면서 더 큰 힘을 얻게 된 가설입니다. 아직까지 과학자들은 무생물 기원설을 좀 더 가능성이 큰 가설로 받아들이고 있습니다. 이미 앞서 살펴보았듯이 생명체의 존재 이전과 이후의 지구는 완전히 다릅니다. 최초의 생명체를 탄생시킨 후보 중 하나로 꼽히는 심해 열수 분출 모습이며, 그 옆에는 초기 생명체 중의 하나일 것으로 생각되는 시안박테리아가 만든 스트로마토라이트 사진입니다. 지금까지 지구의 탄생과 진화 과정을 살펴보았습니다. 최초의 응집, 핵과 맨틀과 지각의 분화, 대기 및 대양의 생성 그리고 생명의 탄생까지 여러분은 이 과정을 간략하게 요약해서 설명하실 수 있기 바랍니다.

지구의 탄생과 진화 과정

앱모크 — Fri, 29 Jul 2022 21:38:23 +0900

지구의 탄생과 진화 과정

오직 지구만이 물의 바다가 있고 생명체가 활동하며, 자유 산소가 존재합니다. 우리에게는 단 하나뿐인 대체 불가능한 소중한 보금자리인데요. 이러한 지구는 어떻게 만들어졌고 또 어떻게 진화해서 현재와 같은 모습을 갖게 되었을까요? 이번 시간을 통해서 함께 알아봅시다. 지구의 형성과 진화에 대해 알아보겠습니다.

지구의 형성

지구는 태양계가 형성될 때 다른 행성들과 함께 만들어졌습니다. 하지만 지구는 다른 행성들과는 다른 지구만이 갖는 독특한 특징이 있습니다. 우리는 지구가 어떻게 탄생되었으며, 어떻게 그와 같은 독특한 특징을 갖게 되었는지를 살펴보려고 합니다. 이를 위해서는 먼저 지구가 갖는 특징들에 대해 살펴보는 것이 좋겠습니다. 현재 지구의 특징을 주의해서 살피면 과거 지구가 어떤 일을 겪었는지 판단하는 데 도움이 될 테니까요. 지구는 행성들 중에서 태양으로부터 세 번째에 위치한 행성입니다. 태양과의 거리는 약 1억 4,960 킬로미터 정도 됩니다. 이 거리를 1AU라고 하는데 1AU는 정확하게는 149,597,870. 7km입니다. AU는 Astronomical Unit라는 말에서 온 단위로 우리말로는 '천문단위'라고 합니다. 지구의 평균 반지름은 6,371km입니다. 지구는 완전한 구체가 아니라 약간 찌그러진 타원체입니다. 그래서 적도를 따라서는 6,378km, 극을 따라서는 6,357km의 반지름을 갖습니다. 지구 둘레는 적도를 따라서는 40,075km, 경도를 따라서는 40,005km 정도 됩니다. 반지름으로부터 계산한 원의 둘레 값과 측정된 둘레 값을 비교해보면 지구가 적도를 따라서는 거의 원형을 이룬다는 것을 알 수 있습니다. 지구의 둘레와 관련하여 재미있는 역사 한 토막을 들려 드리겠습니다. 지금으로부터 약 2,250년 전 그리스의 학자 에라토스테네스가 지구의 둘레 길이를 처음으로 재었습니다. 알렉산드리아의 도서관장이었던 에라토스테네스는 문헌을 뒤지다가 “시에네 마을에서는 하짓날 정오가 되면 햇빛이 깊은 우물 속까지 비친다. ”는 사실에 주목했습니다. 그것은 하짓날 정오에는 해가 머리 바로 위에 수직으로 떠 있는 것을 의미했습니다. 그래서 땅에 막대기를 수직으로 세우면 그림자가 생기지 않았습니다. 그러나 같은 하짓날 정오 같은 시각에 시에네에서 약 925km 떨어져 있는 알렉산드리아에서 땅에 수직으로 막대를 세웠을 때는 막대에 그림자가 생겼습니다. 이 두 도시는 거의 같은 자오선 위에 있으므로 막대와 그림자가 이루는 각은 두 도시 사이의 거리에 대한 지구의 중심각과 같습니다. 따라서 지구의 둘레는 두 도시 간의 거리 950km에 360°를 7°12´으로 나눈 값을 곱해주면 얻을 수 있습니다. 이 식을 풀면 지구 둘레는 46,250km인데, 이것이 에라토스테네스가 얻은 값입니다. 이 값은 오늘날의 측정값인 약 40,005km에 놀랄 만큼 가까운 값입니다. 지구의 질량은 (6 × 10)의 24 제곱 킬로그램 정도 되며, 지구 전체의 밀도는 ㎥당 5. 52g입니다. 하지만 지각의 암석들의 밀도를 측정해보면 불과 2. 5~3g 정도에 불과합니다. 이로부터 지구 내부에는 훨씬 무거운 물질들이 존재함을 추측해볼 수 있습니다. 또한 지구가 균질하지 않다는 것을 알 수 있습니다. 지각보다 훨씬 무거운 물질은 지구 내부의 핵을 이루는 철일 것으로 생각됩니다. 과학자들의 연구에 의하면 지구는 동심 원상의 내부 구조를 갖고 있다고 합니다. 이에 대한 매우 중요한 증거는 지진파 기록인데, 지진파를 이용해서 어떻게 지구 내부 구조를 짐작할 수 있는지는 여러분이 각자 한번 찾아보시기 바랍니다. 지구는 안쪽에서 바깥쪽으로 차례로 내핵, 외핵, 맨틀 그리고 지각으로 되어 있습니다. 이 중에 내핵과 외핵은 철, 니켈 등의 무거운 금속 물질로 되어 있는데, 내핵은 고체 상태, 외핵은 액체 상태라고 알려져 있습니다. 이러한 외핵의 상태는 지구의 환경, 특히 지구 자기장의 발생 그리고 그로 인한 태양으로부터의 우주선의 차단 그리고 결국 생명의 탄생과 발달에 매우 중요한 영향을 미쳤는데, 이는 나중에 기회가 되면 좀 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다. 지구가 어떤 동심원상 내부 구조를 갖고 있는지를 이 그림이 모식적으로 보여줍니다. 이미 앞에서 살펴본 것처럼 지구는 안에서부터 내핵, 외핵, 맨틀 그리고 지각으로 구성되어 있습니다. 지구의 반지름이 대략 6,370km인데 내핵과 외핵의 반지름은 각각 1,200km, 2,300km, 맨틀의 두께는 약 2,800km 정도 됩니다. 우리가 살고 있는 지각은 매우 얇아서 지구를 사과로 생각하면 지각은 그 껍질쯤 된다고 생각하시면 됩니다. 지구가 다른 행성과 비교해서 갖는 가장 두드러진 특징은 아마도 생명체 그리고 바다의 존재일 것입니다. 지금까지 알려진 범위 내에서는 오직 지구만이 바다와 같은 다량의 물을 갖고 있고 우리 인간을 포함한 다양한 생명체를 갖고 있습니다. 이것만 봐도 지구의 환경은 다른 행성에 비해서 정말 독특하다고 할 수밖에 없습니다. 지구의 화학 조성을 살펴보면 각 부분마다 그 조성이 다 다릅니다. 지구 전체로 보면 철이 가장 많고 그다음으로 산소, 규소가 많습니다. 그러나 지각에서는 산소가 가장 많고 그다음으로 규소, 알루미늄 순으로 많습니다. 지구가 처음부터 이와 같이 화학 조성이 부위에 따라 다르게 형성되지는 않았을 것입니다. 아마도 지구가 탄생한 이후에 화학 성분의 이동이 생긴 것이라 생각합니다. 이것을 전문용어로 '화학적 분화'라고 하는데, 이 화학적 분화 현상과 지구가 가진 동심원상의 내부 구조는 지구가 만들어지고 난 다음 다양한 과정을 거쳐 진화했다는 것을 의미합니다. 이와 같은 지구의 변화, 즉 물질의 이동과 재분배는 이 강의의 주요 주제인 자원의 형성에 매우 중요한 역할을 하였습니다. 곰곰이 살펴보면 우리가 흔히 지하자원이라 부르는 것들은 어떤 성분이 특별히 모여 있는 곳에서 채취합니다. 예를 들어 철을 생각해보도록 하겠습니다. 사실 철은 우리 주변 어디에서나 찾아볼 수 있습니다. 매우 흔한 흙에도 철이 포함되어 있습니다. 하지만 우리는 매우 평범한 토양 내의 철을 자원으로 채취하지는 않습니다. 토양 내 철의 양이 많지 않기 때문에 이 철을 추출해 사용하는 것이 너무 비효율적이기 때문입니다. 철광으로 개발해서 자원으로 쓰기 위해서는 철이 특별히 많이 모여 있어야 합니다. 지구에서 가장 많은 원소가 철인데도 우리 주변에서 철광으로 쓸 만한 덩어리를 찾아보긴 힘들죠. 우리가 사용하는 철광은 바로 성분의 이동, 재분배에 의해 특별히 철이 모여 있는 곳입니다. 다른 자원에 대해서도 이와 같은 방식의 예가 그대로 적용됩니다. 이와 같은 물질의 이동, 재분배는 앞으로 자원과 환경을 이해하는 매우 중요한 개념이므로 이 시간을 통해 다시 한번 곰곰이 생각해보시기 바랍니다. 지구의 대기 조성 또한 매우 독특합니다. 우리 대기 중의 가장 많은 원소는 질소이고 그다음이 산소, 아르곤 순으로 많습니다. 태양은 물론이고 태양계 어느 행성도 이와 같은 조성을 갖고 있지 않습니다. 아주 흥미로운 것은 여러분이 잘 알고 있는 지구 온난화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소의 양은 질소와 산소의 양에 비하면 그 1/1000도 되지 않는다는 것입니다. 이렇게 적은 양의 대기가스가 지구의 기후를 그렇게 바꿀 수 있다니 놀랍지 않습니까? 어쨌든 지구 온난화 등의 환경 문제에 대해서는 나중에 좀 더 자세히 얘기하도록 하고 우선 지금의 대기 조성에 대해 생각해보면, 다른 행성들과는 매우 다른 것을 알 수 있습니다.

지구의 진화

이 또한 지구가 만들어지고 난 후 그 뒤에 일어난 어떤 변화 때문이 아닐까요? 이와 같은 특징을 갖는 지구는 어떻게 형성되고 진화했을까요? 분명한 것은 지구가 처음부터 이렇지는 않았을 것이고, 형성된 이후 현재와 같은 모습을 갖도록 진화, 즉 변해왔다는 것입니다. 지구의 생성과 진화를 논의할 때 다음과 같은 점들을 반드시 생각해보아야 하겠습니다. 우선 첫 번째로 지구가 태양계에서 처음 만들어질 때 물질들이 어떻게 모였느냐, 응축하였느냐 하는 것입니다. 지구는 태어난 이래 꾸준히 변해온 것은 확실해 보입니다. 지구 내부의 동심원상 구조와 각 부분의 화학 조성 차이만 보아도 그렇습니다. 이것은 지구 물질의 이동과 분배가 필요한데, 이것이 가능하기 위해서는 많은 열에너지가 필요하다는 뜻입니다. 두 번째로 생각해보아야 할 것은 이와 같은 열에너지원은 무엇이었는가 하는 점입니다. 세 번째는 다른 행성들과 너무도 다른 대기, 대양이 어떻게 만들어졌나 하는 점입니다. 이 둘 모두 생명체의 탄생과 매우 밀접한 연관이 있는데, 마지막으로 생각해볼 것은 바로 이 생명체의 탄생이 어떻게 이루어졌는지 그리고 그로 인한 지구 환경이 어떻게 변화했는가 하는 점입니다. 여러분도 이러한 점들을 곰곰이 생각해보시기 바랍니다.

태양계 특징과 형성과정

앱모크 — Fri, 29 Jul 2022 13:47:11 +0900

태양계 특징과 형성과정

우리 은하의 조그만 별 태양. 은하 전체로 보면 티끌보다도 적은 변두리 별이지만 우리에게는 무엇보다도 소중한 지구가 속해 있는 별입니다. 우리가 아는 범위 내에서 그리고 우리가 기술적으로 도달할 수 있는 범위 내에서 인류가 살아갈 수 있는 행성을 보듬은 곳은 오직 이 별에 속한 세상뿐입니다. 지구는 태양과 태양이 거느린 다른 행성들과 함께 태어났습니다. 우리 지구를 보다 잘 이해하고 그리고 어떻게 기적적으로 우리가 여기에 존재하게 되었는지를 이해하기 위해서는 지구가 포함된 태양계에 대해 먼저 살펴보아야 합니다. 우리 지구가 속한 태양계가 어떤 특징을 갖고 있으며, 이 태양계가 어떻게 형성되었는지 알아보겠습니다.

태양계 특징

태양계는 태양을 중심으로 그 주위를 도는 8개의 행성과 수많은 소행성들, 좀 더 멀리 있는 왜행성, 행성 주의를 도는 위성, 혜성 그리고 운석 등으로 이루어져 있습니다. 이 그림은 태양계 내 행성들과 왜행성들을 나타낸 것인데, 상대적 크기나 모양은 실제와 비슷하지만 상호 간의 거리는 실제대로 표현하지 않은 것입니다. 모든 행성들을 하나의 그림에 표현하자니 이렇게 된 것입니다. 태양계 내 행성은 태양에서 가까운 것부터 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 있습니다. 우리가 흔히 소행성이라 부르는 천체들은 화성과 목성 사이에 특히 모여 있으며, 한때 행성에 포함되었으나 지금은 퇴출된 명왕성 및 다른 왜행성들은 이들 바깥에 있습니다. 크기를 살펴보면 태양이 행성들에 비해 압도적으로 크고, 소행성대를 중심으로 그 안쪽의 행성, 수성, 금성, 지구 화성과 바깥쪽의 행성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 크기가 확연히 차이가 남을 보실 수 있습니다. 이들 안쪽의 행성을 내행성 바깥쪽 행성을 외행성이라 부르며 따로 구분하는데, 이 내행성과 외행성은 구성 물질에 있어서도 큰 차이가 납니다. 내행성은 암석 및 금속 물질로 되어 있는 반면 외행성은 가스 및 얼음으로 구성되어 있습니다. 이 그림을 통해 또한 상대적으로 크기가 큰 외행성들도 태양에 비할 수 없이 작은 것을 볼 수 있는데, 이를 좀 더 자세히 보도록 하겠습니다. 이 그림은 우리 태양계의 유일한 항성 태양을 그 주의의 다른 행성들과 비교한 것입니다. 태양이 얼마나 크냐 하면, 태양 내에 지구 130만 개를 넣을 수 있을 정도로 큽니다. 태양은 태양계 질량의 99. 8%를 차지하고 있으니 태양은 다른 행성들과 크기 비교 자체가 안 됩니다. 태양은 주로 수소로 구성되어 있지만 헬륨 및 다른 무거운 원소들의 양도 꽤 많습니다. 태양 중심의 밀도는 물의 밀도보다 150배 높습니다. 태양이 수소, 헬륨 이외의 다른 무거운 원소를 갖는다는 것은 매우 중요한 사실인데, 이는 태양이 소위 제1세대 별이 아니라는 증거입니다. 즉, 빅뱅이 시작되고 처음 만들어진 별이 아니라는 증거이죠. 이에 대해서는 곰곰이 생각하고 관련 참고 문헌을 찾아보시기 바랍니다. 이 그림은 태양 주변의 행성들의 공전 궤도를 나타내는 것으로 태양에서 멀어질수록 공전 궤도 간격도 커짐을 알 수 있습니다. 그림의 가운데 네모 상자를 확대하여 보면 그 안에 내행성들이 있음을 알 수 있으니 태양과 내행들과의 거리에 비해 외행성과의 거리가 훨씬 긴 것을 알 수가 있습니다. 태양과 행성 공전 궤도 간의 거리는 일정한 규칙에 따라 늘어난다는 것이 발견되었는데, 이를 이 규칙을 발견한 사람의 이름을 따서 티티우스-보데 법칙이라고 합니다. 티티우스-보데 법칙은 보시는 바와 같은 식으로 나타낼 수 있는데, 이를 이용해 계산한 거리가 실제 측정 거리와 놀랍도록 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 이 법칙은 또한 소행성대의 위치를 정확히 예측합니다. 그럼 실제로 이 법칙이 어떻게 사용된 지 살펴보도록 하겠습니다. 화성은 태양으로부터 네 번째 행성이므로 n값은? 무한대, 0, 1, 2. 이렇게 해서 네 번째 값 2가 됩니다. 티티우스 보드 식에 n=2를 대입하면 a=0. 4+0. 3*22=0. 4+0. 3*4=1. 6이 됩니다. 이것은 태양과 화성 간의 실제 거리 값 1. 52AU와 매우 근사한 값입니다 우리 태양계에는 수없이 많은 소행성들이 있는데, 특히 화성과 목성 사이에 집중되어 있습니다. 이를 소행성대(asteroid belt)라고 하는데, 티티우스-보데 법칙에 의해 그 위치가 예측됩니다. 소행성대 이외에도 목성 궤도상에 토로 얀들 그리고 그 안쪽에 힐다스가 있습니다. 지금까지 살펴본 바와 함께 태양계의 특징을 정리하면 다음과 같습니다. 태양은 태양계 전체 잘량의 99. 8%응 차지하지만, 각운동량은 약 2%만 차지합니다, 모든 행성들은 대략 같은 면상에서 같은 방향으로 타원궤도를 이루며 공전합니다. 대부분의 행성들은 공전 방향과 같은 방향으로 자전합니다. 행성들은 티티우스-보데 법칙에 따라 배열합니다. 행성들은 특징에 따라 내행성과 외행성 두 묶음으로 나눌 수 있습니다.

태양계 형성과정

이러한 특징을 갖는 태양계는 어떻게 형성된 것일까요? 지금까지 제안된 태양계의 형성 가설은 매우 많습니다. 보시는 것처럼 성운설, 미행 성설, 조석설, 응축설, 원시 행성설, 포획설 등이 있고, 이외에도 몇 개의 가설이 더 있습니다. 이 중에 아마도 가장 일찍 제안되었고 또 가장 유명한 것은 성운설일 것입니다. 성운설은 가스 상태의 성운이 응축하여 태양과 행성들을 만들었다는 가설로 처음에는 태양의 질량과 각운동량의 차이를 설명하지 못하면서 외면받았었지만, 후에 많은 별의 탄생과정을 지켜보면서 성운설의 기본적인 뼈대대로 작동된다는 것을 관찰하고 나서 다시 널리 받아들여지게 된 가설입니다. 태양계의 형성 가설에 대해서는 이 링크의 문서를 참조하시고, 태양계 형성 과정에 대한 영상 클립은 이 링크의 것을 관람하시길 추천합니다. 현재 널리 받아들여지는 태양계 형성 과정을 간략하게 요약하면 다음과 같습니다. 지금으로부터 약 46억 년 전 성긴 가스 먼지 덩어리로부터 태양계의 형성이 시작됩니다. 이 덩어리는 좀 더 큰 규모의 집합체의 일부였습니다. 어느 순간 주변의 초신성 폭발과 같은 충격파에 의해 응축이 시작됩니다. 응축으로 인해 회전하면서 원반 모양이 됩니다. 중앙에 충분한 물질이 모이면서 핵융합 반응이 시작되고 여기서 태양이 탄생합니다. 태양은 전체 물질의 99. 8%를 모아 응축됩니다. 응축되고 남은 물질들은 다시 모여 점점 덩치를 키우고 이것이 행성, 소행성, 왜행성 등으로 성장합니다. 행성들이 만들어질 때 태양 가까운 곳에는 너무 뜨거워 암석 금속 등 무거운 물질들만 남아 행성을 이룹니다. 가스 아이스 등은 먼 곳에서 행성을 이뤄 현재의 태양계 모습을 갖추었습니다. 지금까지 태양계의 형성에 대해 간단히 알아보았습니다. 이것은 우리 지구가 어떻게 형성되었고, 그로부터 지구의 진화 및 자원의 형성을 이해하는 데 기초가 되는 내용이기 때문에 소개하였습니다.

우주의 구성과 기원

앱모크 — Fri, 29 Jul 2022 07:02:50 +0900

우주의 구성과 기원

우리가 지구로부터 얻는 여러 자원의 개발과 이용 그리고 그로 인한 환경 문제점들에 대해 논의하기에 앞서 우리가 살고 있는 행성 지구 자체에 대해 이해하는 것이 매우 중요합니다. 그 이유는 지구가 항상 우리 얘기의 중심에 있으며, 앞으로의 주제를 이해하는 데 있어서 지구에 대한 기본적인 지식이 반드시 필요하기 때문입니다. 이 단원에서는 우주의 기원, 태양의 탄생, 지구를 비롯한 태양계의 형성 등에 대해 먼저 간략히 살펴보고, 원시 지구로부터 현재 모습의 지구가 되기까지의 어떻게 진화하였는지를 살펴보겠습니다. 숫자가 가득한 정량적인 자료는 가능한 피하면서 태초부터 현재에 이르기까지 우주, 태양계 그리고 우리 지구에 어떠한 일이 있었는지 큰 특징과 중요한 줄거리를 살펴보려고 합니다. 우주의 탄생이나 태양계 및 지구의 자세한 형성 및 진화이론에 대해서는 나중에 관련 서적을 통해 좀 더 깊이 공부하시기 바랍니다.

우주의 구성

우주의 구성과 기원에 대해서 알아보겠습니다. 우주 안에는 우리를 비롯해 이웃의 별들 그리고 저 멀리 우리가 아직 모르는 은하계를 포함한 총체적 시공간이 모두 들어있습니다. 우주의 구성은 별을 기본 단위로 해서 살펴볼 수 있습니다. 흔히 우리가 '별'이라고 부르는 것으로 스스로 빛을 내는 천체로서 한자말로는 항성(恒星)이라고 합니다. 항성은 보통 그 주위에 자신의 중력으로 붙잡아둔 행성들을 거느립니다. 행성들은 보통 항성보다 훨씬 작으며 스스로 빛을 내지는 못하는데, 우리 지구가 바로 항성인 태양 주위를 돌고 있는 행성들 중 하나입니다. 행성들은 항성 주위를 공전하며, 자신을 중심으로 공전하는 보다 더 작은 위성들을 거느리고 있기도 합니다. 이 밖에 항성 주위에는 행성들과는 다른 매우 긴 주기의 타원궤도를 그리는 혜성, 행성들보다 매우 작은 소행성, 고체 파편인 운석, 이보다 작은 미세한 먼지 그리고 가스들이 존재할 수 있습니다. 항성과 항성 주위의 이러한 천체들을 합쳐 항성 시스템, 영어로는 star system이라고 합니다. 여러 개의 항성 시스템과 항성 시스템이 모여 하나의 거대한 은하를 형성합니다. 우리 기준으로는 가장 가까운 별과 별 사이의 거리라도 엄청나게 멀지만, 우주 전체의 크기를 기준으로 할 때는 거의 붙어 있는 것이나 마찬가지로 보일 수 있습니다. 특별히 매우 많은 별들이 이렇게 밀집해 모여 있는 곳이 있는데 이곳이 바로 은하입니다. 예를 들면 태양에서 가장 가까운 별은 알파 캔 타우르스인데, 우리 태양계로부터 4. 37광년 떨어져 있습니다. 1광년은 빛의 속도로 1년 이동해야 도달할 수 있는 거리로 약 10 조 km 정도 됩니다. 인간이 개발한 가장 최신 우주선으로 여행한다면, 대략 2만 5천 년 정도 걸리는 거리입니다. 하지만 이 별도 우리 은하에 속하는 별입니다. 태양과 이 별과의 거리는 은하와 은하 간의 거리에 비하면 그야말로 바로 옆에 붙어 있는 것과 마찬가지입니다. 은하수라 부르는 우리 은하와 가장 가까운 은하는 안드로메다 은하인데, 우리와는 250만 광년 떨어져 있는 것을 보면 이를 잘 이해할 수 있을 것입니다. 이 거리는 우리와 가장 가까운 별 알파 켄타우르스와의 거리보다 무려 57만 배 이상 더 먼 거리입니다. 이것은 밤하늘에서 볼 수 있는 우리 은하의 모습입니다. 가운데 빛을 내는 길게 늘어진 구름같이 보이는 것이 사실은 수많은 성운 물질과 항성계가 모여 그렇게 보이는 것입니다. 이 사진은 유럽 남부 관측기구의 천문학자 유리 벨렛 츠키가 2007년 7월 21일 파라날에서 찍은 것입니다. 하늘에 100도 이상 각도로 넓게 퍼진 별과 먼지구름의 띠가 보이는데, 이것이 우리가 속한 은하, Milky Way입니다. 사진 가운데에 두 개의 밝은 별이 보이는데, 더 밝은 것이 목성이고 덜 밝은 것이 안타레스입니다. 사진에는 4개 중 3개의 거대 망원경이 보이며, 은하의 정 중앙을 가리키는 레이저는 그중 4번째 망원경인 예푼에서 쏘아진 것입니다. 노출 사건은 5분이며, 은하에 초점을 맞추느라 망원경은 흐릿하게 번져 보입니다. 우리 은하는 약 1000-4000억 개의 항성으로 이루어져 있으며, 직경은 약 10만 광년 정도 된다고 알려져 있습니다. 은하의 평균 지름은 약 3만 광년 정도이고, 은하 간 평균 거리는 약 300만 광년 정도입니다. 이와 같은 은하들은 관찰 범위인 약 930억 광년 범위 내에 1000억 개 이상 있는 것으로 추정됩니다. 관찰 범위 밖에는 또 얼마나 많은 은하들이 있을까요? 바로 이러한 은하들이 모여 우주를 이룹니다. 태양은 우리 은하의 바깥쪽 오리온 팔에 위치하고 있습니다. 우리와 가까운 은하들의 이름과 위치를 나타내는 그림입니다. 우리와 가장 가까운 안드로메다. 그리고 그 옆에 트라이 앵귤라 은하가 있고, 그 밖에 작은 은하와 별들이 분포하고 있습니다. 이와 같이 은하들이 모여 있는 것을 은하단이라고 합니다. 지금까지 살펴본 우주의 구성만으로도, 이 우주가 얼마나 대단히 큰지 알 수 있을 것입니다. 이렇게 도저히 상상하기도 어려운 광대한 우주는 도대체 어떻게 해서 만들어졌을까요? 아인슈타인은 우주는 수축하지도 팽창하지도 않는 상태여서 과거에도 현재와 같았으며, 앞으로도 달라지지 않는 완전히 정적인 상태라고 생각하였습니다. 이는 그 당시까지의 대다수 사람들의 생각이기도 하였습니다. 이를 '정적 우주론'이라 하는데, 공교롭게도 이는 아인슈타인 자신이 발표한 일반 상대성 이론에 정면으로 위배되는 것이었습니다. 그의 상대성 이론에 따르면 중력 때문에 우주를 구성하는 물질들은 서로 당겨져 붕괴되어야 하는데, 실제 우리가 보는 우주는 붕괴되는 조짐이 없었던 것입니다. 아인슈타인은 이 모순을 해결하기 위해 소위 우주상수를 식에 더해 우주가 붕괴되지 않고 정적으로 유지되는 것을 설명하려 하였습니다. 한편 러시아의 수학자 프리드먼과 벨기에의 신부 겸 천문학자 르메트르는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 면밀히 살펴본 결과 우주가 팽창하여야 함을 발표하였지만, 아인슈타인은 이들의 의견을 무시하였습니다. 하지만 1924년 허블이 적색천이를 관찰하면서 은하가 우리로부터 후퇴한다는 사실을 발표하면서 아인슈타인은 이 우주상수를 철회할 수밖에 없게 되었습니다. 왜냐하면, 은하가 우리로부터 멀어진다는 것은 우주가 팽창한다는 증거이며, 이렇게 우주가 팽창한다면 상대성 이론에서 우주가 중력으로 붕괴하는 것을 걱정할 필요가 없어지기 때문입니다. 아인슈타인은 허블이 적색천이에 대해 발표하고 7년이 지난 후 자신이 억지로 주장하던 우주상수가 잘못되었음을 인정하였고, 그 자신의 정적 우주론의 오류도 인정하였습니다. 이로서 팽창론이 우주론의 정설로 자리 잡게 되었습니다. 팽창론이 정적 우주론을 밀어내고 우주의 상태를 나타내는 이론으로 자리 잡았지만, 어떤 식으로 팽창하였는가에 대해서는 두 개의 서로 다른 의견이 대립하였습니다. 영국 캠브리지대 연구그룹을 이루고 있던 포일, 본디 그리고 골드는 수소가 계속 창조되면서 우주가 팽창하기 때문에 우주는 늘 시간적 공간적으로 등방성이며 항상 같은 꼴을 보여준다고 주장하였습니다. 이를 정상 우주론이라 부릅니다. 이에 반해 소련 출신 미국 과학자 가모프는 처음 고온 고압의 특이점으로부터 급격한 폭발 또는 팽창을 통해 지금과 같은 모습으로 발전하였다고 주장하였습니다. 현재 우주는 팽창하고 있는데 시간을 되돌리면 이 팽창하는 우주 구성 물질들은 서로 가까워질 것이고, 결국 어느 시점에 이르러서는 모든 물질이 한 점에 모이는 상태가 되는데 이 상태를 특이점이라 불렀습니다. 이와 같은 가모프의 주장을 빅뱅론이라고 하는데, '빅뱅'이란 우리말로 쾅하는 소리와 함께 폭발한다는 의미로 '큰 폭발' 정도로 이해하면 됩니다. 원래 이 빅뱅이란 말은 가모프 자신이 만들어 낸 말이 아니라, 가모프의 이론을 반대하던 포일이 지어낸 말입니다. 포일은 1949년에 라디오 프로그램 출연해서 빈정거리는 뜻으로 이 말을 사용했다고 생각하는 사람이 많은데, 포일 자신은 후에 이 말이 자신과 가모프의 이론에 있어서 차이점을 가장 잘 설명하는 말이라서 사용하였다고 하였습니다. 정상 우주론과 빅뱅론 간의 논쟁은 1964년에 우주 배경 복사를 발견하면서 종식되었습니다. 우주 배경 복사란 우주의 별과 별 사이 또는 은하와 은하 사이에는 어떠한 별과도 관련이 없는 검출되는 초단파의 전자기파입니다. 이 우주 배경 복사는 미국 벨연구소에서 근무하던 팬지 아스와 윌슨이 통신 품질을 높이기 위해 매우 감도가 좋은 라디오파 안테나를 설치하면서 관찰하게 되었습니다.

우주의 기원

이 우주 배경 복사가 빅뱅론으로 설명될 수 있게 되면서 우주의 기원으로서 빅뱅론이 더 설득력을 가지게 되었습니다. 이 밖에 진동 우주론, 진공 요동 우주론, 혼돈 급팽창 우주론, 양자중력 우주론 등이 있는데 이에 대한 자세한 내용은 직접 찾아보시기 바랍니다. 이 그림은 스펙트럼을 관찰할 때 적색천이가 어떻게 일어나는지를 설명하는 것입니다. 흡수 스펙트럼은 특정 원소, 특히 수소가 일정한 파장을 흡수하면서 생기는데, 이 흡수 스펙트럼이 화살표를 따라 빨간색 쪽으로 이동한 것을 보여줍니다. 이러한 이유로 적색천이라 부르는데, 이는 서로 멀어질 때 도플러 효과와 비슷한 효과 때문에 파장이 길어져서 발생하는 현상입니다. 이 그림은 이론적으로 계산한 우주 배경 복사 파장의 분포와 COBE라 불리는 인공위성으로 측정한 것을 비교한 그래프인데, 완전 정확히 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 이와 같은 저주파의 복사 에너지파가 우주 어떤 방향에서나 거의 동일하게 관찰되어야 하는데, 실제로 그렇게 관찰되고 있습니다. 이 그림은 빅뱅이론에 따른 우주의 진화를 모식적으로 나타낸 그림입니다. 시간에 따라 빅뱅 이후의 빠른 팽창, 물질과 빛의 생성, 우주 배경 복사의 시작, 별과 은하의 탄생을 거쳐 오늘날 우주의 모습을 갖추기까지의 과정을 나타냅니다. 현재 우주는 불균질 하게 여기저기 은하가 흩어져 있는데, 특별히 이렇게 은하들이 모여 있는 것을 은하단이라 부릅니다. 우리 은하는 이런 은하 중 하나이며, 이 안에 우리 지구가 속한 태양계가 있습니다. 지금까지 우주의 구성과 탄생 이론에 대해 알아보았습니다.

판구조론(지구의 내부 에너지)

앱모크 — Thu, 28 Jul 2022 19:03:50 +0900

판구조론(지구의 내부 에너지)

우리는 거의 매일 지진과 화산 활동에 관한 소식을 듣습니다. 최근 중국 사천의 지진은 매우 심각한 피해를 가져왔고, 아이슬란드의 화산 폭발은 유럽 전체의 항공 운항을 중단시키기도 하였습니다. 이러한 일들은 지구가 활발히 활동하고 있다는 증거로 흔히 이러한 현상 때문에 지구를 '살아있다'라고 표현하기도 합니다. 이와 같은 활발한 지구의 활동의 에너지원은 무엇일까요? 바로 지구 내부 에너지입니다. 지구 내부에는 어마어마한 양의 열에너지가 저장되어 있으며, 이 열에너지에 의해 판 운동, 화산 폭발 및 지진 등의 지구 운동이 일어납니다. 지금부터 이와 같은 지구 내부 에너지에 의한 지구 운동과 이로부터 야기되는 자연재해를 살펴보겠습니다. 또한 요즈음 대체 에너지의 하나로 각광받는 지구 내부 에너지인 지열에너지에 대해서도 같이 알아보겠습니다. 판구조론이 어떻게 지질학의 통일 이론으로 자리 잡게 되었는지 그 역사적 배경을 살펴보기로 하겠습니다.

판구조론

판구조론은 plate tectonics를 번역하여 만든 용어입니다. 이때 tectonics는 '구조물에 속한'이라는 뜻을 가진 라틴어 tectonicus로부터 유래한 말입니다. 이를 그대로 적용하여 plate tectonics를 해석하면 '구조체를 이루는 판들에 관한 이론'이라는 뜻이 될 것입니다. 이는 판구조론의 직역적 정의이고, 이를 지질학적 견지에서 다시 정의하면 지각은 여러 개의 운동 판으로 구성되어 있으며, 여러 지질 작용을 이들 판의 운동을 이용해 해석하는 것이라고 할 수 있습니다. 판구조론은 지질학에 있어서 하나의 통일 이론입니다. 대부분의 지질현상을 이 이론으로 통합적으로 훌륭히 설명할 수 있기 때문입니다. 여기에는 물론 지구 내부 에너지로 인한 다양한 지질현상들도 포함됩니다. 이런 이유로 지구에너지에 의한 지질 작용 및 재해에 대해 구체적으로 이야기하기 전에 우선 판구조론에 대해 소개하고자 하는 것입니다. 판구조론에 대해 자세히 살펴보기 전에 먼저 판구조론이 역사적으로 어떻게 자리 잡게 되었는지 간단히 살펴보겠습니다. 판구조론이 등장하기까지에는 대륙 이동설과 해저 확장설 그리고 맨틀 대류설의 역할이 컸습니다. 대륙 이동설은 다른 말로 대륙 표 이설이라고도 하는데, 대륙이 지구 상의 한 자리에 고정되어 있는 것이 아니라 서로 상대적으로 이동한다는 학설입니다. 대륙이 이동한다는 가설은 이미 16세기 말엽의 아브라함 오텔리우스로부터 17세기 초의 프란시스 베이컨, 그리고 19세기의 안토니오 스나이더-펠레그리니 등과 같은 여러 사람들에 의해 주장되었습니다. 그러나 최초로 지질, 해양, 기상 및 생물학적 증거들을 바탕으로 구체적이고 과학적으로 대륙 이동설을 주장한 사람은 알프레드 베게너였습니다. 알프레드 베게너는 자연과학자의 표상과 같은 사람이었습니다. 알프레드 베게너는 1880년 고아원장의 아들로 베를린에서 태어났습니다. 베게너는 1905년에 천문학으로 박사학위를 받았으며, 그 후 그는 대부분의 시간을 기상학을 연구하는 데 사용하였습니다. 그는 학위를 받은 그다음 해에 극지방 대기 순환을 연구하기 위해 그린란드로 떠나는 덴마크 탐사대에 합류하였는데, 그 후 그의 일생 동안 이와 같은 그린란드 탐사를 세 번 더 하였습니다. 베게너는 제1차 세계대전이 발발하자 입대하였습니다. 그는 입대 얼마 후 부상당하였는데, 부상 후의 긴 요양 기간 동안 오랫동안 관심을 가졌던 문제, 즉 '대륙은 어떻게 만들어졌을까?' 하는 문제에 골몰하였습니다. 그 이전의 다른 과학자들과 마찬가지로 베게너는 남아메리카 동부 해안선과 아프리카의 서부 해안선을 나란히 놓으면 어쩌면 그렇게 잘 맞는지 매우 흥미 있어했습니다. 그는 '혹시 이 두 대륙이 과거엔 붙어 있지 않았을까?' 하고 생각하였으며, 한 술 더 떠서 그는 현재 나뉘어 있는 모든 대륙이 과거 한때 모두 한 덩어리로 있지 않았나 생각하였습니다. 이 대륙을 그는 그리스어로 '온 땅덩어리'라는 뜻의 판게아(pangaea)라고 불렀습니다. 베게너는 이 초대륙이 지금으로부터 약 2억 년 전부터 갈라지기 시작하였다고 믿었습니다. 이 그림은 판게아가 갈라져 어떻게 현재와 같은 대륙의 분포를 만들었는지를 보여줍니다. 1915년 베게너는 「대륙과 대양의 기원」이라는 책을 저술해 그의 가설을 주장하였습니다. 시간이 지남에 따라 대륙이 움직인다는 생각은 베게너가 처음 한 것은 아닙니다. 네덜란드의 지도 제작자인 아브라함 오텔 리우 스는 이미 1596년에 대륙은 지진과 홍수로 인해 여러 개로 찢어졌다는 주장을 하였습니다. 그러나 베게너의 주장은 보다 과학적인 증거를 바탕으로 하였습니다. 예를 들면, 그린란드 빙하 밑에 열대 식물의 화석이 존재한다든지 아프리카나 남아메리카의 열대 지방에 빙하 지형이 존재한다는 점이 바로 이런 증거들입니다. 각 대륙의 같은 종류의 화석의 분포가 현재의 위치에서는 별 연관이 없어 보이지만 판게아를 이루었을 때를 가정하면 딱 맞아떨어지는 것을 보여줍니다. 각 대륙에서 관찰되는 상관성이 없어 보이는 빙 성층의 분포도 판게아를 가정했을 때는 설명이 잘 되는 것을 볼 수 있습니다. 빙 성층이란 빙하에 의해 만들어진 퇴적층입니다. 이와 같은 지형, 화석 그리고 암석 분포의 특징은 대륙 이동의 강력한 증거들입니다.

베게너의 판구조론을 위한 노력과 완성

불행하게도 베게너의 책 「대륙과 대양의 기원」은 매우 호된 비난을 받았습니다. 당시의 과학자들은 대륙이나 대양은 지구 상에 일정한 위치를 영원히 점한다고 생각하였습니다. 베게너의 이론이 설명하지 못한 것 중 가장 중요한 것이 엄청난 양의 무게를 갖는 대륙을 그렇게 멀리 움직일 수 있는 힘의 근원이었습니다. 영국의 헤롤드 제프리는 고체 암석 같은 것은 대양 지각으로 끌면 산산이 부서질 것이라는 지적을 하였습니다. 이러한 비판에도 불구하고 베게너는 그의 생을 다하는 날까지 자신의 이론을 뒷받침할 새로운 증거들을 찾아다녔습니다. 1차 대전이 끝나고 그는 함부르크에서 정부를 위한 대기과학 연구를 하였고, 1924년에는 그가 그렇게 열망하던 오스트리아의 그라쯔 대학의 기상학 교수로 부임하였습니다. 앞서 보여드렸던 베게너의 사진은 바로 이때 찍은 것입니다. 그 6년 뒤인 1930년 9월, 베게너는 제트기류 연구에 도움이 되는 기상관측소 건설을 위해 그린란드로 마지막 탐험을 떠났습니다. 지독한 날씨에도 불구하고 베게너는 기상관측소에 있는 연구원들이 얼마나 절실히 보급품을 필요로 하는지 잘 알았기 때문에 거기에 갈 것을 주장했습니다. 5주 후, 베게너는 무사히 관측소에 도착하는 데 성공하였습니다. 그러나 불행하게도 그는 베이스캠프로 돌아오는 길에 얼어 죽고 말았으며, 그의 시체는 그다음 해 여름에 발견되었습니다. 베게너가 죽기 1년 전, 영국의 지질학자 아더 홈즈는 맨틀의 대류가 대륙 이동의 원인이 아닐까 생각하였습니다. 제2차 세계대전 후, 지자기 연구 및 해저 확장설의 등장으로 베게너의 업적은 차츰 인정받기 시작하였습니다. 그러나 베게너의 학설이 완전히 인정된 것은 한참 후인 판구조론이 완전히 정립된 1960년대 중반이나 되어서였습니다. 해저 확장설은 해저 지각이 해령을 중심으로 양쪽으로 점점 늘어난다는 것인데, 이때 새로운 지각은 해령의 화산 분출을 통해 만들어지고 그 늘어난 만큼의 지각이 반대편의 섭입대를 통해 사라진다는 학설입니다. 이 학설은 해저 지형을 자세히 관찰할 수 있게 되면서 태동하게 되었고, 1961년 메이슨과 래프에 의해 해저 지각의 지자기의 역전 현상이 발견되면서 정설로 자리 잡게 되었습니다. 여러분은 지구 자극이 뒤집어질 수 있음을 알고 계신가요? 즉 지구 자기 북극이 남극이 되고, 남극이 북극이 되는 것이지요. 이것을 지자기 역전이라고 합니다. 암석에 기록돼 있는 지구의 자기 기록을 살펴보면 이와 같은 지자기 역전이 과거 반복해서 일어났음을 알 수 있습니다. 여기 이 그림이 나타내는 것처럼 메이슨과 레프의 자료는 대양저 산맥의 중앙인 해령을 중심으로 그 양측이 띠 모양으로 서로 대칭적인 지자기 역전현상을 보임을 알려주었습니다. 이는 다시 말해서 해령을 중심으로 같은 거리에 있는 양쪽의 지각이 같은 시기에 만들어진 것이며, 가까이 있는 것일수록 먼저 만들어져 시간이 지나면서 먼 쪽으로 이동했다는 것을 의미합니다. 이것은 해저 확장설을 결정적으로 뒷받침하는 증거가 됩니다. 지질학 분야에서 해저 확장설이 널리 받아들여지면서 이를 통해 대륙이 이동할 수 있음도 깨닫게 되었습니다. 즉, 대양 지각이 움직일 때 그보다 밀도가 낮아 그 위에 떠 있는 것처럼 존재하는 대륙도 같이 움직이는 것입니다. 지질학자들은 이와 같은 해저 확장, 대륙의 이동 그리고 새로운 지각의 생성과 소멸 등의 이론을 점점 구체적으로 완성하였고, 그 결과 현재 대부분의 지질학에서 통일 이론으로 받아들이는 판구조론을 완성하게 되었습니다. 지금까지 판구조론이 역사적으로 어떤 과정을 거쳐 완성되었는지에 대해 알아보았습니다.

판구조, 판 경계의 종류, 판 운동의 원인

앱모크 — Thu, 28 Jul 2022 14:39:13 +0900

판구조, 판 경계의 종류, 판 운동의 원인

판구조론이란 지각이 여러 개의 운동판으로 이루어져 있으며, 다양한 지질작용들을 이 판 운동을 통해 해석하는 것이라고 하였습니다. 그렇다면 지각에는 어떤 판들이 어떤 모양으로 있으며, 이들은 어떤 식으로 운동하고 있을까요? 여러 개의 판들 사이의 경계는 또 어떻게 구분할까요? 판구조, 판 경계의 종류, 판 운동의 원인 등에 대해 알아보겠습니다.

지판 경계의 종류

지구 상에는 이렇게 새로운 지각이 만들어지는 곳과 소멸되는 곳이 여러 군데 존재합니다. 이렇게 만들어진 지각은 일정 방향으로 특정 속도로 움직이는데, 이 움직이는 방향과 속도가 다르기 때문에 서로 잘려 여러 조각으로 나뉘게 됩니다. 이처럼 만들어지고 소멸되는 경계와 서로 갈려 잘라지는 경계를 따라 만들어진 조각을 '지판'이라고 합니다. 지판의 경계는 그 성격에 따라 분산, 수렴, 변환 경계로 구분합니다. 지판의 구조와 경계를 모식적으로 보여줍니다. 지판은 연약권 위 단단한 암권 조각으로 이루어져 있는데, 이 지판과 지판의 경계는 다음 셋 중 하나입니다. 분산 경계에는 확장 경계 또는 생성 경계라고도 불리는데, 해령이나 열곡 등을 따라 마그마가 분출하여 계속 새로운 지각을 만드는 경계입니다. 이곳을 중심으로 양쪽 지판이 서로 반대 방향으로 운동하여 이런 이름이 붙었습니다. 수렴 경계는 소멸 경계라고도 불리는데, 판과 판이 서로 마주 보고 움직이며 만나는 곳입니다. 대개 이 경계에서는 한 지판이 다른 지판 밑으로 끌려 들어가면서 지하 깊은 곳에 이르러 용융하여 소멸합니다. 이때 이와 같이 끌려 들어가는 곳을 섭입대(subduction zone)이라 부릅니다. 변환 경계는 유지 경계라고도 불리며, 판과 판이 서로 엇갈려 지나가는 경계입니다. 지각은 흔히 대륙지각과 대양 지각으로 나뉩니다. 대륙지각은 주로 화강암으로 이루어져 있고, 대양 지각은 현무암으로 되어 있어 대륙지각의 밀도가 대양 지각의 밀도보다 낮습니다. 대양 지각은 지판을 구성하며 지판의 생성부터 소멸에 이르기까지 그 생을 함께 하지만, 대륙지각은 가볍기 때문에 이러한 지판 위에 떠 있는 것처럼 존재합니다. 이러한 이유 때문에 대륙지각은 판의 운동에 따라 움직이다가 기존의 대륙에 합쳐져서 더 큰 대륙을 만들거나 다른 대륙과 충돌하여 대단위의 산맥을 만들게 됩니다. 대양 지각의 연령은 보통 2억 년을 넘지 않는 데 반해 대륙지각 중에는 35억 년 이상 된 것들도 존재하는 이유가 바로 이것 때문입니다. 현재 지구를 덮고 있는 지판은 수십 개가 넘으며, 이들은 그 크기와 모양, 운동 방향과 속도가 모두 제각각입니다. 이 지판 중 가장 큰 것들을 골라보면 대륙 8개 정도가 되는데, 그 지판들의 이름은 아프리카 판, 남극 판, 인도 판, 호주 판, 유라시아 판, 북아메리카 판, 남아메리카 판, 태평양 판입니다. 그림에서 보듯 이 판들 위에도 수많은 작은 판들이 있습니다. 이 그림은 각 지판의 이동 속도와 방향을 보여주는 그림입니다. 이 그림은 지판 운동이 어떤 구동력에 의해서 일어나는지를 간단히 보여주는 그림입니다. 지판을 움직이게 하는 힘의 원천은 이미 설명한 바와 같이 맨틀의 대류입니다. 맨틀의 대류는 지구 내부 열을 외부로 전달하여 지구를 식히는 과정의 일부입니다. 이러한 맨틀의 대류가 정확히 어떠한 방식으로 진행되는지에 대해서는 학자마다 다르게 주장하지만, 맨틀의 대류가 판을 움직이는 원동력임은 분명합니다. 우리는 여기서 이 맨틀의 대류가 어떻게 판을 움직이는지 간략하게 살펴보기로 하겠습니다. 지진파의 자료로부터 맨틀은 수직, 수평적으로 밀도가 다른 곳들이 있음을 알 수 있습니다. 이러한 밀도의 차이로 인해 연약권에서는 대류가 일어납니다. 이 대류 운동의 결과 연약권은 횡적으로 다양한 방향으로 움직이는데, 이때 암권과 연약권 간의 마찰력으로 인해 암권, 즉 지판도 따라 움직이게 됩니다. 때로 연약권의 대류에 의한 종적 운동이 흡입력을 발휘하면서 이 힘으로 지판을 움직이게 한다고 믿는 학자들도 있습니다.

판 운동의 원인

사람들은 상당히 오랜 기간 동안 연약권의 대류 운동과 그로 인해 발생하는 연약권과 암권과의 마찰력 및 흡입력만이 판 운동의 원인이라고 생각하였습니다. 그러나 최근의 연구 결과들은 단순히 이 힘만으로는 우리가 관찰하는 지판의 운동을 설명할 수 없다고 주장하고 있습니다. 요즘 지질학자들 사이에서 가장 설득력 있게 받아들여지는 지판 운동의 원인 중 하나는 섭입대에서 연약권으로 침강해 들어가는 지판에 의한 인력입니다. 해령을 중심으로 새로 형성된 해양지각을 포함하는 지판은 연약권에 비해 밀도가 크지 않지만, 이 지판이 판 운동에 따라 움직이면서 식어감에 따라 점점 두껍고 무겁게 변해갑니다. 결국 해양 지각을 포함하는 지판은 섭입대에서 연약권으로 내려갈 즈음에는 연약권보다 밀도가 높아져 중력에 의해 저절로 가라앉게 되며, 이때 이 가라앉는 힘으로 지판을 끌고 내려가 지판 전체를 움직이게 합니다. 이밖에 판이 분기하는 확장 경계에 비해 수렴 경계의 위치가 낮아서 이 지형적인 차이로 인한 중력 작용이 판의 움직임에 기여하는 것으로 생각하기도 합니다. 지질학자들은 이와 같은 해저 확장, 대륙의 이동 그리고 새로운 지각의 생성과 소멸 등의 이론을 점점 구체적으로 완성하였고, 그 결과 현재 대부분의 지질학에서 통일 이론으로 받아들이는 판구조론을 완성하게 되었습니다. 판구조론이 받아들여지기 전에는 지구 상에서 일어나는 다양한 지질 작용들을 국부적인 환경과 과정에 의해 설명하였습니다. 예를 들면 두꺼운 퇴적층의 형성과 이 퇴적층의 변성은 지각이 맨틀로 가라앉으면서 분지를 형성하고, 여기에 퇴적물들이 점점 쌓여 두꺼워지며, 이렇게 퇴적물들은 지열의 작용으로 변성된다고 하는 식이었습니다. 하지만 판구조론이 등장하고부터는 대부분의 지질 작용을 판의 운동과 연관 지어 명쾌하게 설명할 수 있게 되었습니다. 퇴적 분지는 판과 판 간의 응력으로 인해 단층 등을 수반하여 만들어지며, 퇴적된 두꺼운 퇴적층들은 이때의 압력과 지열로 변성된다는 식입니다. 지구 상의 화산과 지진의 분포를 보면, 판의 경계와 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 이들이 판 운동과 매우 밀접한 관련이 있음을 지시하는 것입니다. 대양저 산맥 분포는 해령의 분포와 유사하고, 해구는 섭입대에 따라 분포합니다. 지구 상에 존재하는 대부분의 커다란 산맥들은 판 위 대륙지각이 수렴 경계로 이동하며 충돌한 결과 만들어진 것입니다. 이 그림은 인도 판이 유라시아 판 밑으로 섭입 하면서 그 위의 인도 대륙과 아시아 대륙이 충돌하고, 이로 인해 히말라야 산맥이 만들어졌음을 보여주는 그림입니다. 지금까지 지판의 구조와 지구 내부 에너지에 의해 구동되는 지판 운동 및 그에 수반되는 지질 작용에 대해 간략하게 알아보았습니다.

종류별 대표 광물의 결정과 광물의 이용 용도

앱모크 — Thu, 28 Jul 2022 09:03:23 +0900

종류별 대표 광물의 결정과 광물의 이용 용도

지금까지 국제광물협회, 즉 IMA에 의해 공인된 광물의 수는 2017년 3월 기준으로 5,320종이 넘습니다. 이 광물들 모두가 각각 독특한 조성, 구조, 결정 모양 및 물리 화학적 성질과 쓰임새를 갖습니다. 각 종류별 대표 광물의 결정 모습과 그 쓰임새를 알아보며, 이에 더 해 각 부문별 광물의 쓰임새에 대해서는 좀 더 자세히 살펴봅니다. 각 종류의 광물별로 대표적인 광물들의 결정을 직접 살펴보고 광물의 이용에 대해 알아보도록 하겠습니다.

광물 종류별 결정

산화 광물인 적철석입니다. 적철석은 대표적인 철광석 광물입니다. 제철소에서 이 적철석으로부터 철을 분리해서 생산합니다. 검고 매끄러운 부분이 적철석입니다. 앞에서와는 달리 이 부분에서 적철석 결정 하나하나를 구분할 수는 없습니다. 이 결정들은 콜로이드 상태에서 침전되어 그 크기가 매우 작기 때문에 서로 뭉쳐 있는 모습만 볼 수 있습니다. 이 광물은 수산화 광물인 깁 사이트입니다. 우리가 사용하는 알루미늄은 모두 이 광물에서 추출해서 씁니다. 하얀 부분이 깁 사이트고, 노랗거나 붉은 부분은 아마도 다른 풍화 산물일 것입니다. 실제 깁 사이트 결정은 너무 작아 볼 수는 없습니다. 하얀 부분에 깁 사이트 결정들이 모여 있습니다. 이것은 황산염 광물인 석고입니다. 광물 전체가 하나의 결정입니다. 이 광물은 대부분의 석고 제품의 원료가 되고, 또한 비료로도 이용됩니다. 석고는 뒤에 설명할 암염과 함께 대표적인 증발 잔류 광물입니다. 증발 잔류 광물이란 호수 같은 것이 증발하면서 침전하는 광물인데, 이러한 증발 잔류 광물이 쌓여 암석이 되면 증발 잔류암이라고 합니다. 퇴적암의 일종인데요. 암석에 대해서는 나중에 자세히 배우겠습니다. 우리나라에서는 아직 증발 잔류암이 발견된 적이 없습니다. 탄산염광물인 방해석입니다. 전체가 하나의 결정입니다. 방해석은 지각 곳곳에서 쉽게 관찰되는 광물이며, 또한 조개, 굴과 같은 생물체의 단단한 껍질을 이루는 광물 중 하나입니다. 방해석은 자원으로서 매우 중요한 광물로 시멘트, 제지, 요업, 비료업 등의 주요 자원으로 사용됩니다. 또한 방해석은 물과 가장 잘 반응하는 광물 중의 하나로 환경적으로도 매우 중요한 역할을 합니다. 인산염 광물인 인회석 결정입니다. 인회석은 우리가 사용하는 인의 거의 유일한 원료입니다. 이 광물은 비료의 원료로도 사용됩니다. 인회석과 같은 인산염 광물을 많이 포함한 암석을 인산염 암(phosphorite)이라고 하는데, 이 인산염 암은 자원 개발의 대상이 되기도 하지만 또 한편으로는 환경적으로 문제를 일으킬 수 있는 암석입니다. 인산염 암은 다른 암석들에 비해 월등하게 중금속 함량이 높기 때문입니다. 우리나라에서 인산염 암이 발견된 적은 아직 없습니다. 할로겐 광물인 소금 결정입니다. 소금은 대표적인 증발 잔류 광물입니다. 여러분은 바닷물을 말려 소금을 얻는 것을 알 것입니다. 증발 잔류 광물 소금도 그런 방식으로 만들어집니다. 암염은 조미료로 많이 쓰이고, 도로의 눈이나 얼음을 녹이는 데도 쓰입니다. 황화광물 중 지각에서 가장 흔히 발견되는 광물 중 하나인 황철석의 결정입니다. 황철석은 이와 같이 정육면체 결정으로 흔히 산출됩니다. 신선한 황철석 결정은 금속광택을 보이며 약간 노란색을 띱니다. 금보다는 연한 색이지만 잘 모르는 사람들은 뭔가 금 같은 것이 아닐까 생각하게 됩니다. 황화광물에는 이와 같이 금속광택의 노란색을 띠는 광물들이 몇 개 더 있는데, 이들을 통칭해 바보들의 금이라고 합니다. 왜냐하면 바보들이 금인 줄 알기 때문에 그렇습니다. 황철석은 자원으로서의 활용 가치는 그리 높지 않습니다. 그 반면에 산성비나 산성 광산 배수와 같은 여러 가지 환경 문제를 일으키는 원인 광물이 될 수 있습니다. 이 점에 대해서는 나중에 좀 더 자세히 얘기하도록 하겠습니다. 황철석은 자원으로서의 가치가 크지 않을지 모르지만, 다른 황화광물 중에는 매우 자원으로서의 가치가 큰 것들이 많이 있습니다. 예를 들면 우리는 구리, 아연, 납과 같은 금속을 황화광물로부터 얻습니다. 마지막으로 볼 것은 금입니다. 금, 은, 동과 같은 광물은 자연계에서 산출되는데, 단일 원소로 되어 있기 때문에 원소 광물이라고 부릅니다. 이 금 결정은 합성한 것인데, 자연계에서도 이와 비슷한 결정이 산출됩니다. 금은 열 및 전기 전도성이 매우 좋아 다양한 산업에서 이용됩니다. 우리나라도 한때 수많은 금광이 있었습니다. 지금은 대부분 폐광되었습니다.

광물의 쓰임새와 용도

지금까지 광물의 정의, 생성 및 종류에 대해 알아보았습니다. 그동안 광물이 어떻게 이용되는지 조금씩 살펴보았는데, 조금 더 자세히 광물의 쓰임새에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 광물은 거의 모든 산업 분야에서 이용된다고 해도 과언이 아닙니다. 그저 이렇게 다양한 분야에서 광물이 필수 불가결하게 이용된다는 것을 보여주기 위한 것이며, 실제로는 훨씬 더 많은 분야에서 더 다양하게 이용되고 있습니다. 광물의 이용 예를 들어보면, 공업 분야의 금속 판금 제련, 제지, 유리 및 도자기, 화학, 기타 교통수단 등에 여기 표시한 광물들을 비롯해 많은 광물들을 사용하고 있습니다. 농업 분야에서는 각종 비료를 만들기 위해 광물을 사용하고 있으며, 환경 분야에서는 오염 복구 및 보호를 위해 다양한 광물을 사용하고 있습니다. 가정에서도 광물을 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 세제에는 불석이 사용되고, 화장품에는 운모와 활석이 들어 있습니다. 이 밖에 타일 및 벽돌은 점토광물과 장석을 이용해 제작하고, 또 여러분이 애용하는 액세서리 및 보관함에 있는 보석들도 모두 광물입니다. 얼마 전 중국이 일본과의 영토 분쟁 때문에 보복 차원에서 일방적으로 일본으로의 희토류 자원 수출을 금지하였다는 것을 들어보셨을 것입니다. 당시는 물론 현재도 중국은 희토류 최대 생산국이고, 일본은 아시아 최대 소비국입니다. 잠시 동안이지만 일본은 이로 인해 여러 가지 제품 생산에 어려움을 겪었습니다. 희토류는 첨단 제품의 생산에 많지는 않지만 반드시 꼭 들어가는 재료이기 때문입니다. 희토류 성분이 구체적으로 어떻게 쓰이는 자동차를 예로 들어 살펴보기로 하겠습니다.

희토류 사용 분야

유리와 거울을 매끈하게 하기 위해, 자외선 차단을 위해 시리움을, 내비게이션이나 계기판의 LCD 스크린에는 유로피움, 이 트리움, 시리움을, 헤드라이트에는 니오디미움을 사용합니다. 이것 말고도 부분 부분 매우 많은 부위에 희토류 성분을 사용합니다. 이러한 희토류 성분은 광물로부터 추출합니다. 희토류 성분을 풍부하게 포함하고 있는 광물을 희토류 광물이라고 하는데, 희토류 광물에는 이 슬라이드에 열거한 것과 같은 많은 광물들이 있습니다. 이 슬라이드는 미국에서 매년 1인당 사용하는 광물의 양을 그림으로 표현한 것입니다. 국민 한 사람에게 일상생활이 가능하도록 매년 새로 공급해주어야 하는 광물의 양은 38,052파운드입니다. 이 중에는 164파운드의 점토광물, 332파운드의 비금속광물, 8,509파운드의 일반 암석 광물, 5,599파운드의 모래자갈 광물, 6파운드의 아연, 65파운드의 알루미늄 등이 포함됩니다. 여러분은 보석 좋아하십니까? 대부분의 보석 역시 광물입니다. 탄생석을 예로 들면 좋겠습니다. 탄생한 달에 따라 각각 다른 보석을 지정하는데, 예를 들면 1월의 탄생석은 석류석, 2월은 자수정. 이런 식입니다. 여러분도 자신의 탄생석을 찾아보시고, 그 보석이 의미하는 바가 무엇인지 재미 삼아 알아보시기 바랍니다. 지금까지 각 광물의 종류별 대표 광물의 결정과 광물의 이용에 대해 알아봤습니다.

지구 광물의 개념과 형성, 종류

앱모크 — Wed, 27 Jul 2022 18:51:37 +0900

지구 광물의 개념과 형성, 종류

지구의 선물인 자원은 우리 주변을 둘러보면 참으로 많은 곳에 사용되고 있습니다. 자원은 크게 광물(암석) 자원, 에너지 자원, 수자원으로 나눌 수 있습니다. 광물자원에는 금속과 비금속 자원, 에너지 자원은 화석연료와 핵연료자원 그리고 수자원은 지표수와 지하수자원으로 나눠볼 수 있습니다. 우리는 앞으로 이들 자원의 이용과 그로 인한 환경 문제들에 대해 하나씩 다룰 것입니다. 우선 이들 자원 중 광물(암석) 자원에 대해 먼저 살펴보도록 하겠습니다. 도시에 높이 솟아오른 건물을 짓는 콘크리트, 거리를 가득 메운 자동차, 각 가정에 소중히 사용하는 자기 그릇들. 이 모든 것이 광물로부터 만들어진 것입니다. 이 외에도 광물이 사용되는 예는 무수히 많습니다.

그렇다면 이런 광물은 도대체 무엇일까요?

광물은 영어로 mineral이라고 하는데요. 지질학에서 말하는 엄격한 의미에서의 광물은 다음과 같은 조건을 모두 만족하는 것입니다. 광물이 되기 위해서는 첫 번째로 무생물적으로 만들어져야 합니다. 예를 들면 조개가 만드는 진주 같은 것은 엄밀한 의미에서 광물이라고 할 수 없습니다. 두 번째로는 자연산이어야 합니다. 인간이 합성한 다이아몬드를 비롯해 여러 가지 결정들은 자연산이 아니기 때문에 엄밀한 의미에서 광물이라 부를 수 없습니다. 세 번째는 일정한 화학조성을 가져야 합니다. 이것은 항상 고정된 화학조성을 가져야 한다는 의미는 아닙니다. 화학조성이 어떤 범위의 값을 가질 수도 있습니다만, 무작위 값을 가져서는 광물이라 부를 수 없습니다. 광물이 되기 위한 네 번째 조건은 일정한 내부 구조를 가져야 한다는 것입니다. 내부 구조란, 광물을 구성하고 있는 원자들의 결합에 따른 공간적 배열을 의미합니다. 즉, 광물이 되기 위해서는 이 공간적 배열이 일정하여야 한다는 뜻입니다. 이에 대한 설명으로 유리의 예를 들어보겠습니다. 유리는 우리 인간이 살아가는 데 없어서는 안 될 소중한 물건입니다. 이 유리는 광물일까요? 두 가지 점에 있어서 유리는 광물이 아닙니다. 우선 우리가 사용하는 유리는 사람이 만들었으므로 위 광물이 되기 위한 두 번째 조건, 자연산이어야 한다는 것을 위반하였으므로 광물이 아닙니다. 또한 유리는 일정한 내부 구조를 갖지 않습니다. 그래서 광물이 아닙니다. 자연적으로 산출되는 유리도 있습니다. 바로 화산 폭발 시 분출되는 화산재나 매우 급하게 식은 용암이 유리를 포함하고 있는데, 이 유리들은 자연산이지만 일정한 내부 구조를 갖지 못하므로 광물이 아닙니다. 광물이 되기 위한 마지막 조건은 당연히 고체여야 한다는 것입니다. 수은은 자연산으로 단일 원소 형태로 산출되지만, 상온 상압 하에서는 액체 상태이기 때문에 광물이 아닙니다. 지금까지 광물에 대한 정의는 매우 엄격한, 그래서 좁은 의미의 광물에 대한 정의라고 합니다. 대개는 좀 더 넓은 뜻으로 광물이라는 용어를 사용합니다. 지금까지 얘기한 광물의 조건 중 세 번째, 네 번째 그리고 마지막 조건을 만족하면 우리가 '결정'이라고 하는데, 이를 넓은 의미의 광물이라고 생각해도 무방합니다.

광물의 생성

광물은 매우 다양한 방법으로 만들어집니다. 마그마라 부르는 용융물이 굳어지면서 만들어지기도 하고, 수용액에서 침전되어 만들어지기도 하며, 변성 작용이라 부르는 지질작용에 의해서도, 생물의 작용에 의해서도 그리고 기타 다양한 화학반응에 의해서도 만들어집니다. 이렇게 만들어진 광물 한두 가지가 특별히 집중되어 나타나는 곳을 광상이라고 하며, 경제적으로 채광하여 광물 자원을 채취할 수 있는 대상이 됩니다. 광산에 대해서는 뒤에 조금 더 자세히 배우도록 하겠습니다.

광물의 종류

광물은 주요 결합 성분에 따라 종류를 구분합니다. 지각의 대부분을 구성하는 광물들은 실리콘과 산소가 결합을 이루고 있는 것을 기본 뼈대로 하는 것들인데, 이런 광물을 통칭해서 규산염 광물, 즉 Silicates라고 합니다. 사실 규산염 광물은 지각뿐만 아니라 맨틀, 운석 그리고 다른 행성들의 암석 부분을 이루는 주요 광물입니다. 규산염 광물을 구성하는 실리콘은 4개의 산소와 직접 결합하여 Si-O4 사면체를 이루며, 이 산소는 2개의 실리콘과 동시에 직접 결합하여 이 사면체들을 연결합니다. 규산염 광물의 예로는 정장석, 투휘석, 투 각섬석 등이 있습니다. 이것은 정장석 결정의 모습입니다. 이 광물은 유리, 도자기, 페인트 등을 만드는 데 사용되는 중요 재료 광물입니다. 이 광물이 이와 같이 좋은 결정으로 산출되면 보석으로 이용됩니다. 이 광물은 이밖에 유리 공업 및 요업에도 사용됩니다. 이것은 투 각섬석의 결정 사진입니다. 우리는 이렇게 생긴 결정을 침상 또는 섬유상 결정이라고 하는데, 이렇게 길게 자란 투 각섬석은 석면이 됩니다. 석면의 위험성은 나중에 따로 자세히 얘기하도록 하겠습니다. 지금까지 보신 광물들은 결정들이 모두 제 모습이 잘 갖추어져 있습니다. 하지만 실제로 자연에서는 이렇게 제 모습을 갖는 경우가 오히려 드뭅니다. 왜냐하면, 광물의 결정이 성장할 때 그 옆에 다른 결정이 같이 자라면서 서로 방해하기 때문입니다. 집 근처의 산이나 들에 암석이 있으면 주어 자세히 살펴보시기 바랍니다. 아마도 암석이 입자들로 촘촘히 구성되어 있을 것입니다. 이 각각의 입자가 다 광물 결정인데, 이들 중 제 모습을 갖춘 결정은 거의 없을 것입니다. 규산염 광물 이외에도 많은 광물들이 있습니다. 이들을 함께 묶어 비 규산염 광물이라고 하는데, 이들 중 많은 수가 우리 주변에 흔히 발견됩니다. 비 규산염 광물에는 산화 광물, 수산화 광물, 황산염 광물, 탄산염광물, 인산염 광물, 할로겐 광물, 황화광물, 원소 광물 등이 있습니다. 이들 광물의 구분은 이미 앞에서 말씀드렸듯이 결합을 이루고 있는 성분에 따라 하는데요. 특히 음이온 성분에 따라 구분합니다. 예를 들면 탄산염광물은 모두 탄산기, 즉 CO32-를 갖고 있습니다. 이 음이온기와 금속 양이온이 결합하여 광물을 만든 것이죠. 탄산염광물의 대표적인 광물인 방해석은 그 화학식이 CaCO3인데요. CO32-가 Ca2+와 결합한 광물입니다. 다른 광물들도 어떤 음이온들과 결합하고 있는지 살펴보시기 바랍니다. 지금까지 광물의 정의, 광물의 생성 그리고 광물의 종류에 대해 알아보았습니다.

쓰나미 발생 원리와 피해 사례

앱모크 — Wed, 27 Jul 2022 11:49:59 +0900

쓰나미 발생 원리와 피해 사례

2011년 후쿠시마 원전 사고를 기억하십니까? 최악의 방사능 누출로 일본 및 주변 국가들을 공포에 떨게 하였습니다. 이 후쿠시마 원전 사고의 원인이 도호쿠 지진으로 인한 쓰나미였습니다. 쓰나미에 의한 침수가 원전의 안전장치를 무력화시킨 것이죠. 도호쿠 쓰나미는 이밖에도 해안선을 따라 엄청난 피해를 입혔습니다. 2004년 인도양 쓰나미를 기억하십니까? 21세기 최악의 자연재해로 기록될 이 쓰나미에 의해 셀 수 없이 많은 사람들이 목숨을 잃었습니다. 이 쓰나미로 인해 UN이 쓰나미 경보 장치의 필요성을 역설하였고, 지구과학자의 사회적 기여를 주장하며 UN이 정한 '지구의 해'를 시작하였습니다. 이러한 막대한 피해를 주는 쓰나미는 어떻게 발생하는 것일까요? 이 단원에서 그 해답을 찾아봅시다.

쓰나미 발생 원인과 원리

쓰나미에 대해 공부해 보겠습니다. 쓰나미는 일본말에서 온 말로 '수나미' 또는 '추나미'라고도 발음합니다. 쓰나미는 한때 거대 조류 파도처럼 생각되었지만, 실제로 조류와 전혀 관련이 없는 현상입니다. 쓰나미는 거대 호수나 바다와 같은 큰 물에서 강력한 요동으로 매우 파장이 긴 파동이 생기고, 이것이 물가로 다가오면서 속도가 느려지는 대신 파고가 높아져 그 결과가 매우 거대한 파도가 되어 인접 지역을 휩쓰는 자연재해입니다. 어떻게 파장이 긴 파동 또는 너울이 물가로 접근하면서 파장은 짧아지고 파고는 높아지는지를 잘 보여줍니다. 이와 같이 높은 파도가 물가에 도착하면 빠르게 무너져 내리면서 순식간에 휩쓸어버리는 무서운 재앙이 됩니다. 쓰나미는 무엇이든 물에 큰 요동을 일으키는 것에 의해 일어날 수 있습니다. 그러한 것들로는 지진 사태, 화산 폭발, 운석 충돌, 빙하 절개 등이 있습니다. 이 중 가장 흔한 원인은 아마도 지진일 것이며, 화산 폭발로 인한 쓰나미도 종종 발생합니다. 어떻게 지진이 쓰나미를 일으키는지 보여줍니다. 섭입대 같은 곳에서 마찰로 지각이 응력에 싸이게 됩니다. 그림의 붉은 선 부분이 그런 부분입니다. 판이 섭입이 계속 진행되면 응력이 점점 집적되고 지각은 부풀어 올라갑니다. 마침내 한계를 넘어 지각에 균열이 생기면서 그동안 집적되었던 응력 에너지를 발산하며 지진을 일으킵니다. 이때 부풀어 올랐던 지각이 지진과 함께 빠르게 되돌아오면서 위 물에 큰 너울을 만듭니다. 이 너울이 이동하여 쓰나미를 만듭니다. 2004년에 인도양 쓰나미와 2011년 도호쿠 쓰나미가 모두 이와 같은 지진에 의해 발생한 것입니다. 사태에 의한 쓰나미 발생도 지진의 경우와 비슷합니다. 물 밑에서 갑작스러운 사태가 발생하면 물이 사태에 끌려가면서 수면 쪽으로 커다란 너울이 생기고 이 너울이 해변 쪽으로 이동하여 쓰나미를 만듭니다. 화산 폭발에 의한 쓰나미도 마찬가지입니다. 물 밑에서 화산 폭발이 일어나면서 큰 파동을 만들어 쓰나미를 일으킬 수도 있고, 이 그림과 같이 화산 폭발에 의한 화쇄류가 빠르게 물로 돌진하면서 쓰나미를 야기할 수도 있습니다. 이러한 쓰나미에 의한 재해는 물 깊숙한 곳까지 피해를 입히지 못하고 물가의 가까운 지역에 한정되어 타격을 준다는 점이 특징입니다. 그러나 물가를 따라 길게 넓은 지역에 걸쳐 피해를 주기 때문에 매우 커다란 피해를 줄 수 있다는 점이 특징입니다. 쓰나미에 의한 피해를 두 가지 예를 통해 살펴보도록 하겠습니다. 그 둘은 2004년 인도양 쓰나미와 2011년 도호쿠 쓰나미입니다. 이 예를 통해 쓰나미 재해가 얼마나 광범위하게 일어날 수 있는지 그리고 어떠한 부차적인 영향이 발생할 수 있는지 살펴보시기 바랍니다. 2004년 인도양 쓰나미는 정확하게는 인도네시아의 수마트라 섬 서쪽의 가까운 인도양 연안에서 발생한 규모 9. 1~9. 3의 수마트라-안다만 지진에 의해 발생한 쓰나미로 주변 14개국에 걸쳐 23만 명의 인명피해를 낸 쓰나미입니다. 이로 인해 아시아 지역은 쓰나미에 대한 경보 체계를 갖추게 되었고, 세계 각국은 쓰나미에 대한 경각심을 크게 갖게 되었으며, 이를 계기로 UN이 2008년을 '지구의 해'로 선포하고 지구과학이 사회를 위해 어떻게 공헌할 것인가를 고민하도록 하였습니다. 당시 수마트라-안다만 지진의 진앙의 위치와 이 지진으로 발생한 쓰나미에 의해 심각한 피해를 입은 나라들을 표시한 것입니다. 인도양을 둘러싼 거의 대부분의 나라들이 심각한 피해를 입었음을 알 수 있습니다. 쓰나미의 이동 시간을 나타내는 것으로 진앙 근처의 해안에는 몇 시간 만에 그리고 좀 더 멀리 떨어진 아프리카 동부 해안에는 10시간 이내에 쓰나미가 도착했음을 알 수 있습니다.

쓰나미 피해

당시 쓰나미가 태국의 아오낭을 덮치는 모습입니다. 이미 물이 빠르게 쏟아져 들어오고 있고 사람들은 황급히 대피하려 하고 있습니다. 쓰나미의 피해가 가장 컸던 인도네시아 아체의 모습입니다. 처참하게 파괴된 모습을 보실 수 있습니다. 2011년 일본의 도호쿠 태평양 연안에서 발생한 쓰나미는 지진 규모 9. 3의 소위 도호쿠 지진으로 촉발된 것입니다. 이 쓰나미는 약 16,000명의 사망자와 수많은 이재민을 발생시켰을 뿐만 아니라, 인근 후쿠시마 지역의 원전을 파괴한 것으로 유명합니다. 이 후쿠시마 원전의 파괴와 방사능 누출 사고에 대해서는 이미 원자력과 환경 단원에서 설명 드렸기 때문에 여기서는 이에 대한 더 이상의 자세한 설명은 생략하도록 하겠습니다. 이 원전 사고로 인해 일본뿐만 아니라 주변국들은 이 원전으로부터의 방사 누출에 의한 방사능 오염을 크게 걱정하였으며, 세계 각국에서 원자력 발전에 대한 계획을 재검토하도록 하는 계기가 되었고, 환경단체들이 원전 반대 운동을 더욱 강력하게 전개하게 만들었습니다. 이 그림은 2011년 도호쿠 지진의 진앙의 위치와 그 당시 일본 각 지역에 전파된 지진의 규모를 보여주는 것입니다. 진앙과 가까운 쪽의 일본 동해안 지역의 지진 규모가 특히 컸음을 보여줍니다. 당시 쓰나미 때 일본의 해안선을 따라 측정된 파고입니다. 피해가 집중된 지역의 파도 높이가 9m 이상에 달했던 것을 알 수 있습니다. 이 사진은 쓰나미로 인해 물에 잠긴 센다이 공항의 활주로입니다. 이 사진은 지진과 쓰나미로 폐해가 된 미나토 시의 모습입니다. 사망자 수를 기준으로 역사상 최악의 쓰나미를 정리한 것입니다. 2004년 인도양 쓰나미가 1위를 차지하였습니다. 사망자 수는 23~32만 명 사이일 것으로 추산되었습니다. 쓰나미는 강력한 자연재해 중 하나로 물가를 따라 상당히 넓은 지역에 걸쳐 심각한 인명 및 재산 피해를 입힐 수 있습니다. 쓰나미는 경고 체계만 잘 갖추면 충분히 피해를 줄일 수 있습니다. 평상시의 경보 및 대피 훈련이 중요합니다. 지금까지 쓰나미가 어떻게 발생하고 어떤 피해를 입히는지 살펴보았습니다.

암석의 종류와 이용 방법, 순환

앱모크 — Wed, 27 Jul 2022 06:39:23 +0900

암석의 종류와 이용 방법, 순환

화성암, 퇴적암, 변성암은 성인이 다른 만큼 각각의 분류 방법도 다 다릅니다. 퇴적암과 변성암의 세분 방법에 대해 다룹니다. 우리가 암석을 어떻게 이용하고 있는지에 대해서도 살펴봅니다. 퇴적암과 변성암 그리고 암석의 이용에 대해 알아보도록 하겠습니다.

퇴적암

퇴적암은 알갱이 쌓여 만들어진 암석이라고 했습니다. 이 알갱이 어떻게 공급되는지에 따라 퇴적암을 더욱 세분합니다. 만일 기존의 암석의 부스러진 알갱이들이 쌓여 만들어지면 이를 쇄설성 퇴적암이라고 합니다. 쇄설이란 깨진 부스러기란 뜻입니다. 알갱이가 생물의 유해로부터 오면 생화학 또는 생쇄설퇴적암이라고 합니다. 화학적 침전에 의해 알갱이가 공급되면 화학적 퇴적암이라고 합니다. 쇄설성 퇴적암은 다시 알갱이의 크기에 따라 역암, 사암, 이암 등으로 더욱 세분됩니다. 여기서 '역'은 자갈, '사'는 모래, '이'는 점토를 뜻합니다. 생쇄설퇴적암은 생쇄설물에 따라 석회암, 처트 등으로 나눕니다. 석회암은 탄산칼슘, 처트는 규석으로 되어 있습니다. 화학적 퇴적암도 침전물의 종류에 따라 구분하여 부르는데, 대표적인 것으로 암염과 석고가 있습니다. 사진은 미국 유타 지역에서 볼 수 있는 쇄설성 퇴적암 모습입니다. 중기 트라이 아이스기 시대에 만들어진 암석이니까 약 2억 년 이전에 만들어진 암석입니다. 쇄설성 퇴적암을 포함해서 대부분의 퇴적암이 갖는 특징적인 구조는 바로 층리입니다. 층리란 층 모양의 구조라는 뜻인데, 사진에서 보면 암석에 거의 평행한 가로 줄이 보이는데 이것이 층리입니다. 층리는 알갱이가 쌓일 때 어떤 것이든 변화가 일어나면 생깁니다. 예를 들면 알갱이의 종류가 바뀐다든가, 알갱이의 공급량이 변한다든가 하는 일입니다. 알갱이가 쌓이는 것은 중력의 힘 때문이니까 넓은 곳에서 퇴적암이 만들어지면 수평인 층리가 만들어져야 합니다. 이것을 수평 퇴적의 원리(principles of original horizontality)라고 합니다. 사진의 층리가 거의 수평을 이루므로 원래 모습을 잘 간직하고 있다고 보아야 하겠죠. 이번에는 이 퇴적암을 한번 살펴볼까요? 사진의 퇴적암은 이란 북부 지역의 Chalous road라는 도로 가에서 찍은 것인데, 층리가 매우 급한 경사를 보이는 것을 알 수 있습니다. 수평 퇴적의 원리에 따르면 이 퇴적층들은 원래 수평으로 쌓였을 것인데, 시간이 지나면서 다양한 힘을 받아 이렇게 기울어진 것입니다. 이 사진은 그리스 크레타의 습곡 된 석회암층과 처트층입니다. 퇴적암이므로 원래는 수평으로 반듯이 쌓였을 텐데 나중에 힘을 받아 이렇게 구불구불해졌습니다. 이렇게 지층이 구부러진 것을 전문용어로 습곡(fold)라고 합니다. 매일매일 평범한 일상을 살아가다 보면 우리가 발을 디디고 있는 이 땅이 조용히 아무런 움직임도 없는 것이라는 착각에 빠집니다. 그러나 이것은 사실이 아닙니다. 지구는 살아있습니다. 매일 지진이 일어나고 화산이 폭발합니다. 우리 눈앞에 드러난 화강암, 급히 기울어지고 휘어진 퇴적층들이 이 사실을 잘 말해줍니다.

변성암

변성암이야말로 지구가 살아있음을 보여주는 명백한 증거입니다. 변성암은 소위 변성 작용이라고 부르는 다양한 작용에 의해 만들어집니다. 이 그림은 지각에서 어떻게 다양한 변성 작용이 일어날 수 있는지를 보여줍니다. 여러분은 아직 판구조론에 대해서 배우지 않았기 때문에 그냥 간단하게 변성 작용의 유형만을 언급하도록 하겠습니다. 운석과 같은 것의 충돌은 거대한 압력과 열을 동반하며, 충돌 변성 작용을 일으킵니다. 퇴적암이 두껍게 쌓인 곳에서는 암석의 무게와 지열 때문에 매몰 변성 작용이 일어납니다. 상대적으로 넓은 지역에 걸쳐 열과 압력을 받는 곳에서는 광역 변성 작용이, 관입암과 접촉한 암석에서는 열에 의한 접촉 변성 작용이, 단층이 일어나는 곳에서는 변형 변성 작용이, 대양저의 해령에서는 해령 변성 작용이 일어납니다. 각 변성 작용에 의해 만들어진 암석은 해당 변성 작용 뒤에 '-암'이라 붙여 부르면 됩니다. 예를 들면 접촉 변성 작용에 의해 만들어진 암석은 접촉 변성암이라 부르시면 되겠습니다. 앞의 다양한 변성 작용 중 가장 대표적인 것은 광역 변성 작용, 접촉 변성 작용 그리고 동력 변성 작용입니다. 광역 변성 작용에 의해 만들어진 암석은 변성 작용에 의해 만들어진 구조에 따라 또는 암석의 조성에 따라 더욱 세분됩니다. 여기에 해당하는 암석이 점판암, 편암, 편마암, 대리암, 규암 등입니다. 변성암에 대한 더욱 자세한 내용은 나중에 전문 서적 등을 통해 차차 알아가시기 바랍니다 경기, 강원 지역의 암석은 변성암이 주를 이룹니다. 강원도 춘천시 강촌면에 있는 구곡폭포는 많은 관광객들이 즐겨 찾는 명소입니다. 이 폭포는 겨울이 되면 꽁꽁 얼어 빙벽 등반을 하는 사람들이 이곳을 자주 찾습니다. 이 폭포를 이루는 깎아지른 듯한 암벽은 규암과 편마암으로 되어 있습니다. 지금까지 화성암, 퇴적암 그리고 변성암에 대해 살펴보았습니다. 그런데 이 암석들이 순환 또는 윤회한다는 걸 알고 계십니까?

암석의 순환

일단 화성암이 되고 나면 영원토록 화성암으로 남는 것이 아니라 풍화/침식을 받아 운반되어 퇴적암을 만들 수 있습니다. 이 퇴적암은 깊게 매몰되어 변성암이 될 수 있고, 이 변성암은 다시 지하 깊은 곳에서 용융되어 마그마를 만든 후 화성암이 됩니다. 이와 같이 암석은 시간이 지남에 따라 주어진 환경에 의해 끊임없이 다른 암석으로 바뀝니다. 사실 지구라는 시스템 자체가 매우 역동적이기 때문에 모든 물질은 순환합니다. 우스갯소리로 우리 몸에 천재 과학자 뉴턴을 구성했던 탄소 몇 개씩은 다 들어있다는 말을 합니다. 물질의 순환 때문이죠. 많은 분들은 화석에너지가 재생이 안 된다고 합니다. 우리 일생 정도의 짧은 주기 기간에는 그렇습니다. 하지만 지구의 지질 시대 스케일에서는 그렇지 않습니다. 이 물질의 순환은 자원-환경 분야에서 매우 중요한 개념입니다. 이에 대해서는 나중에 따로 시간이 있을 때 토론할 수 있기를 바랍니다. 암석은 광물로 구성되어 있으므로 암석의 용도란 결국 구성 광물의 성질과 성분에 따른 용도와 겹친다고 볼 수 있습니다. 광물의 이용에 대해서는 이미 앞에서 말씀드렸기 때문에 여기에서 다시 설명할 필요는 없는 것 같습니다. 암석은 군집체이므로 군집체 자체로서도 매우 유용하게 활용됩니다. 암석은 다양한 구조물의 건축, 도로포장, 미술품, 건축 내외장재 및 특수 재료 등으로 사용됩니다. 이 사진은 그 유명한 경주 불국사입니다. 화강암으로 만들어진 계단과 다리가 아름다운 우리 문화유산입니다. 석굴암 본존불의 사진입니다. 암동 및 주변의 부조는 물론 전체가 다 화강암으로 되어 있습니다. 암석은 때론 이와 같이 예술품의 재료로도 이용됩니다. 이것은 뉴욕 메트로폴리탄 박물관에 소장되어 있는 로렌조 바르톨리니 대리석 조각 작품입니다. 숲 속의 길을 포장할 때도 암석을 이용합니다. 이 사진은 강원대학교 중앙도서관 전경인데, 높은 도서관까지의 계단은 물론이고 도서관을 지탱하는 기둥까지 전부 암석으로 되어 있습니다. 강원대학교 도서관 내부입니다. 암석으로 내부 장식을 하여 고급스럽고 깔끔한 느낌을 줍니다. 지금까지 암석의 정의, 종류 그리고 그 이용에 대해 알아보았습니다.

암석의 개념과 분류

앱모크 — Tue, 26 Jul 2022 17:49:35 +0900

암석의 개념과 분류

우리 주변에는 다양한 암석들이 있습니다. 명승지에 솟아 있는 기암괴석과 명산의 봉우리를 이루는 장엄한 바위들, 초현대식 건물의 깔끔한 외장과 화려한 내부를 이루는 암석들, 불멸의 예술품과 찬란한 문화 유적에 사용된 암석들. 이런 암석들은 무엇이고 어떻게 만들어진 것일까요? 암석에 대해 알아보도록 하겠습니다.

암석의 개념

암석은 지구 구성 물질이 모여 단단하게 고화된 것입니다. 그렇다면 극지방에 있는 얼음은 암석일까요? 얼음은 단단하게 고화된 것이지만 암석이라고 부르지는 않습니다. 암석이라고 부르는 것들은 광물이 주가 되어 굳어진 것입니다. 그런데 암석에는 광물들만 있는 것은 아닙니다. 암석 내에는 비정질도 있을 수 있고, 유기물도 있을 수 있고, 일부 물도 있을 수 있습니다. 그렇기 때문에 광물이 주가 되어 굳어진 것이라고 하는 것입니다. 특수한 경우 광물이 아닌 유리질 화산재 같은 것이 굳어져 만들어진 암석도 있습니다. 이 경우 주 구성 물질이 광물이 아니고 유리질 물질입니다. 하지만 유리질 또한 광물들과 비슷한 조성을 갖기 때문에 광물질이 모여 굳어진 것도 암석에 포함시킵니다. 여러분은 혹 영양제, 건강식품보조제, 음료 또는 식품 같은 것들의 홍보에 “미네랄이 풍부하다. ”는 표현을 보셨습니까? 우리는 벌써 광물, 즉 미네랄을 자연산 결정질 고체라고 정의하였습니다. 우리가 섭취하는 것에 이렇게 결정질 고체가 들어있다는 뜻은 아니겠죠? 아마도 미네랄 성분, 즉 무기질이 들어있다는 뜻일 겁니다. 비슷한 의미로 광물질이란 바로 광물을 구성하는 성분을 갖는 물질이라는 뜻입니다.

암석의 분류

이 세상에는 정말 많은 종류의 암석이 있습니다. 그 암석들을 여러 가지 기준에 의해 분류하는데, 그중 첫 번째 분류 기준이 '암석이 어떻게 만들어졌는가?' 하는 것입니다. 이것을 성인에 의한 분류라고 하는데, 이에 따르면 암석은 화성암, 퇴적암, 변성암 이렇게 세 종류로 나뉩니다. 화성암은 마그마라고 불리는 암석 성분과 휘발 성분의 혼합 용융체로부터 굳어진 암석을 말합니다. 화성암의 화성이 바로 불에서 만들어진다는 한자말인데요. 불이란 매우 뜨거운 것, 즉 마그마를 말합니다. 앞에서 지구의 탄생과 진화에 대해 설명할 때 이미 부분 용융에 의해 마그마가 만들어짐을 말씀드렸습니다. 지금도 지각 깊은 곳 또는 맨틀의 상부에서 부분 용융이 일어나고 마그마가 만들어지며, 이 마그마가 굳어져 화성암이 만들어집니다. 퇴적암은 알갱이가 쌓여 만들어지는 암석을 말합니다. 퇴적암의 '퇴적(堆積)'은 '높이 쌓다. 두껍게 쌓는다. '는 뜻입니다. 알갱이는 다양한 방식으로 만들어질 수 있는데요. 이미 존재하던 암석이 물, 바람, 얼음 등에 의해 깨지고 갈려서 만들어질 수도 있고, 생물의 단단한 부분이 떨어져서 생길 수도 있으며, 화학반응에 의한 침전물이 만들어져서 생길 수도 있습니다. 변성암은 기존의 암석이 열 또는 압력 또는 이 둘 모두를 받아 그 성질이 변한 암석을 말합니다. 변성암의 변성이란 그 구성이 변했다는 뜻입니다. 열이나 압력은 지구 상의 다양한 환경을 통해 변할 수 있는데요. 이렇게 되면 암석의 조직/구조가 바뀌거나 전혀 새로운 광물이 생성되면서 이전과는 다른 암석이 됩니다. 지금까지 암석의 큰 분류를 다시 정리해보면, 마그마가 굳어서 만들어진 화성암, 알갱이 쌓여서 만들어진 퇴적암 그리고 기존의 암석이 변해서 만들어진 변성암. 이렇게 세 종류의 암석이 있습니다. 이제 이들 각 암석에 대해 조금 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

화성암

화성암은 마그마가 지표로 분출하여 굳은 분출암, 지하에서 굳어진 관입암으로 나눌 수 있습니다. 관입은 뚫고 들어온다는 뜻인데, 부분 용융에 의해 마그마가 생기면 마그마의 밀도가 주변보다 낮기 때문에 부력으로 상승하면서 기존 암석을 뚫고 들어가기 때문에 붙여진 이름입니다. 깨진 틈이나 화도가 있어 마그마가 충분히 뚫고 올라와 지표로 분출하면 분출암이 되는 것이고, 그렇지 못하고 중간에 멈추면 관입암이 되고 마는 것입니다. 마그마의 성질에 따라 분출 양상이 매우 다를 수 있습니다. 마그마 내에 칼슘, 마그네슘 및 철분의 성분 함량이 높고 규소의 함량이 상대적으로 낮으면 마그마의 점성이 낮아 분출된 마그마가 조용히 흘러나오고, 이를 통해 용암 대지나 넓고 경사가 완만한 화산인 순상 화산을 이룹니다. 순상이란 방패 모양이란 뜻입니다. 산이 방패를 엎어 놓은 것처럼 넓적하고 경사가 완만하기 때문에 붙은 이름입니다. 이 반면에 마그마 내에 소듐, 칼륨의 성분의 함량이 높고 규소 및 알루미늄의 함량이 상대적으로 높으면 마그마의 점성이 높아 분출이 격렬하고 높은 산을 이루게 됩니다. 전자의 조성을 갖는 마그마를 전문용어로 고철질 마그마라 하고, 후자의 조성을 갖는 마그마를 규장질 마그마라고 합니다. 고철 질의 '고'는 마그네슘을 뜻합니다. 규장질의 '규'는 규석, '장'은 장석을 뜻합니다. 규석은 규소로 되어있고, 장석은 포타슘, 소듐, 실리콘 그리고 알루미늄으로 주로 구성되어 있습니다. 마그마의 성분이 다르면 당연히 그로부터 만들어진 암석도 다릅니다. 고철질 마그마가 분출한 용암이 굳어지면 현무암이 만들어지고, 규장질 마그마가 분출한 용암이 굳어서 유문암을 만듭니다. 때로 분출이 일어날 때 화구를 통해 많은 개스와 함께 화산탄 및 화산재를 뿜어내기도 하는데, 이 화산탄 및 화산재와 같은 화산 분출 부스러기들을 통틀어 화산쇄설물이라고 합니다. 관입암은 비교적 지하 깊은 곳에서 굳어진 심성암과 그보다 얕은 곳, 지표 가까이에서 굳어진 반심성암으로 구분하기도 합니다. 이때 '심(深)'은 깊다는 한자말입니다. 깊은 곳에서 서서히 굳을수록, 암석을 이루는 광물 알갱이 큽니다. 비교적 지하 얕은 곳에서 만들어진 반심성암의 광물 알갱이는 조금 미리 만들어진 더 굵은 알갱이와 급히 굳어 그 크기가 매우 작은 광물 알갱이가 섞여 있을 수 있는데, 이런 암석을 반암이라고 하고 이때 좀 더 큰 결정을 반정이라고 합니다. 반정의 '반'은 얼룩이라는 뜻입니다. 좀 더 큰 결정이라 얼룩처럼 보이는 것이죠. 또한 고철질의 마그마로 만들어진 심성암은 반려암, 규장질 마그마로부터 만들어진 심성암은 화강암이 됩니다. 마그마의 조성에 따라 분출 양상이 많이 달라진다는 점은 이미 말씀드렸습니다. 이와 함께 휘발성분의 함량 및 마그마의 규모 등 다양한 조건에 따라 화산의 모양과 분출 양태가 달라지는데, 이를 화산의 분출상이라고 합니다. 이 슬라이드가 보여주는 것은 그러한 다양한 화산 분출상 중 몇 개입니다. 위에서부터 플리니상, 화와이상 및 스트롬볼리상 화산의 분출 모양을 보여줍니다. 화산의 모양과 화산 분출 그리고 이에 의한 재해에 대해서는 다음 단원인 지구내부에너지에서 좀 더 자세히 다룰 것입니다. 설악산의 울산 바위입니다. 아름답죠. 이 울산 바위는 화강암으로 되어 있습니다. 이와 같이 우리나라 명산 중에 많은 산들이 화강암 산입니다. 인왕산, 금강산, 월악산 등이 여기에 속합니다. 여기에서 여러분에게 퀴즈를 하나 내보겠습니다. 아까 화강암은 규장질 마그마가 지하 깊은 곳에서 굳어 만들어진 심성암이라고 하였습니다. 그런데 이 심성암인 화강암을 우리가 지표에서 보고 있습니다. 도대체 무슨 일이 일어난 것일까요? 이 사진은 제주도 중문 대포의 현무암입니다. 현무암에는 종종 주상절리를 관찰할 수 있습니다. 절리란 깨진 틈을 가리키는 말인데요. 이 깨진 돌들이 주상, 즉 기둥모양을 이룬다 해서 주상절리입니다. 주상절리는 분출한 용암이 식으면서 부피가 감소해서 깨진 틈이 만들어져 생기는 것입니다. 주상절리를 보시면, 주상절리의 단면이 어떤 모양으로 생겼는지 꼭 관찰해보시고 그렇게 생긴 이유를 한번 생각해보시기 바랍니다. 지금까지 암석의 정의와 분류 그리고 화성암에 대한 자세한 내용을 알아보았습니다.

광상의 개념과 종류, 용어 정리

앱모크 — Tue, 26 Jul 2022 11:29:34 +0900

광상의 개념과 종류, 용어 정리

우리가 필요한 자원을 채취하는 곳은 특별히 광석이 모여 있는 곳입니다. 이곳을 광상이라고 하는데, 이 광상은 어떻게 만들어진 걸까요? 광상에 대해 얘기해 보겠습니다. 우리는 특정 광물이 많이 모여 있는 곳에서 그 광물 자원을 채취한다는 점을 이미 말씀드린 바 있습니다. 특정 광물이 그렇게 모일 수 있었던 것은 지구가 물질의 재분배를 하기 때문이라는 점도 설명하였습니다. 지질학자들은 특정 유용 성분이 모여 광물 자원을 채취할 수 있는 지각의 한 부분을 광상이라고 하고, 이렇게 채취하는 작업장을 광산이라고 합니다.

광상과 광석 개념

본격적으로 이 얘기를 하기 전에 먼저 간단하게 몇 가지 용어를 설명하도록 하겠습니다. 여러분은 '광석'이란 말을 한 번쯤은 들어보셨을 것입니다. 광석이란 정확히 무슨 뜻일까요? 광석이란 간단히 말해서 경제성을 갖고 채취할 대상 광물 또는 그 집합체입니다. 여기서 경제성을 갖는 다는 말이 중요합니다. 광석은 그대로 사용할 수도 있고, 그 안에 광물을 선별하고 이 광물을 처리하여 특정 성분을 추출할 수도 있습니다. 이러한 광석을 채취하여 판매할 때 인건비, 시설 감가상각비, 처리비, 재료비, 운송비 등을 포함한 총 생산 비용과 판매 가격을 비교하였을 때 충분한 이익이 남아야 한다는 뜻입니다. 광석을 채취하다 보면 피치 못하게 채취 대상 광물 이외의 다른 광물들도 채취하게 됩니다. 대상 광물 이외의 광물이 전혀 필요 없는 광물일 수도 있고 혹은 다른 쓰임새가 있는 광물도 섞여 있을 수 있습니다. 소위 이 다른 광물들은 모두 골라내어야 하는데, 이것이 모두 돈이 듭니다. 그래서 경제성이란 해당 광물의 함량, 불순물의 종류에 따라 크게 좌우됩니다. 이 밖에 광체의 규모, 입지 여건, 에너지 가격, 노동 시장의 상황, 광석의 시세 등 많은 변수에 의해 경제성이 결정됩니다. 광석에 대비되는 용어로 맥석이 있습니다. 맥석은 광석 주변 또는 광석과 함께 산출되는 상업적으로 쓸모없는 광물입니다. 광상에 대해서는 이미 설명 드렸습니다. 광석이 모여 있는 지각의 일부분입니다. 채광은 광상에서 광석을 채취하는 것이고, 광산은 채광을 하는 곳입니다. 석석과 석영의 결정입니다. 석석은 매우 중요한 주석의 원료로서 광석광물입니다. 주석 채취를 목적으로 했을 때 함께 있는 석영은 골라내어야 하는 맥석 광물이 됩니다. 이 시료의 경우 결정들의 크기가 매우 커서 분쇄 후 석석만 따로 골라내고 석영은 폐기하든지 아니면 따로 모아 다른 목적으로 이용하면 될 것 같습니다. 결정의 크기가 매우 작은 경우, 광석광물과 맥석 광물이 서로 섞여 명확히 분리되지 않을 때도 있습니다. 이 경우 광석광물이 많이 모여 있는 부분을 광석, 그 반대의 경우를 맥석이라 부르기도 합니다. 원하는 성분을 추출하기 위해서는 결국에는 이 둘을 분리하여야만 합니다. 이렇게 분리하는 과정을 선광이라고 합니다. 앞서 광상은 지구 작용에 의한 물질의 재분배를 통해 만들어진다고 했습니다. 이는 지구의 물질이 순환하는 과정 중에 만들어진다는 말과도 상통합니다.

광상의 분류

지구 작용 중 어떤 작용에 의해 광상이 형성되었는지에 따라 광상을 분류할 수 있습니다. 광상은 성인에 따라 마그마 광상, 변성 광상, 열수 광상, 퇴적 광상, 풍화잔류 광상, 사 광상 등으로 구분할 수 있습니다. 마그마 광상은 마그마 내 특정 성분의 분리나 마그마로부터 광물이 만들어짐에 따라 성분의 분화가 일어나면서 만들어지는 광상을 말한다. 예를 들면 마그마로부터 황이 분리되면서 이동하여 몇몇 곳에 집중적으로 모이게 되고, 이 황이 금속 성분과 결합하면서 다량의 광석광물을 만들어 광상을 형성할 수 있습니다. 마그마로부터 특정 광물이 제한된 온도 및 시기에 많이 정출되면서 특정 원소의 부화가 일어나면서 광상이 형성되는 경우도 있습니다. 혹은 광물의 정출이 진행될수록 특정 성분이 잔류 마그마에 부화됨으로써 경제적으로 가치가 있는 광상이 형성될 수도 있습니다. 남아프리카 공화국에 있는 부쉬벨트 화성암 복합체의 한 노두입니다. 노두란, 영어로 outcrop이라고 하는데 지각의 암석이 지표에 노출된 부분을 가리킵니다. 이 노두를 살펴보면 층 모양의 검은 띠와 회색 띠가 교호하고 있는데요. 검은 부분은 크롬철석, 회색 부분은 사장석이 모여 있어 그렇게 보이는 것입니다. 이렇게 띠 모양을 이루는 건 마그마에서 이들 두 광물이 따로 모여 정출되어 가라앉았기 때문입니다. 크롬철석은 거의 유일한 크롬 광석입니다. 이렇게 크롬철석이 모여 있으면 개발이 가능한 광상이 됩니다. 마그마 작용으로 이렇게 되었으므로 당연히 이 광상은 마그마 광상입니다. 변성 광상은 변성 작용에 의한 변성 광물의 탄생과 함께 만들어지는 광상입니다. 변성 작용을 받으면 기존의 광물이 반응해서 새로운 변성 광물을 만드는데, 이때 변성 이전에는 별 쓸모없던 것들이 변성 작용과 함께 재구성되면서 유용한 광물로 바뀌어 광상을 이루는 경우가 있습니다. 미국 뉴햄프셔 주 cheshire county의 흑연인데요. 변성 작용에 의해 만들어지는 유용한 광물의 대표적인 것입니다. 지층 중에 있는 유기물이었던 것이 변성 작용을 받아 우리가 매우 소중하게 상용하는 흑연 자원이 된 경우입니다. 열수 광상은 지각 내에 발달된 깨진 틈이나 빈 공간을 통해 이동하는 열수 속에 들어있던 유용한 원소가 침전되어 생긴 광상입니다. 열수는 뜨거운 물이라는 뜻입니다. 우리는 이미 지구 내부가 상당히 뜨거운 것을 잘 알고 있습니다. 그러므로 지표로부터 지하로 깊이 들어갈수록 온도가 상승하는데, 이 때문에 지하에 깊이 있는 물의 온도 또한 높습니다. 이 온도가 높은 물에는 여러 가지 성분이 녹아 있을 수 있는데, 열수가 움직이면서 다양한 화학반응을 통해 이런 성분을 침전시켜 광상을 형성하는 것입니다. 미국 서부 해안에서 떨어진 태평양의 후앙 데 푸카 해령의 바다 밑바닥에 있는 열수 분출 모습입니다. 열수가 분출되면서 바닷물과 반응하여 황화광물을 침전시키기 때문에 마치 굴뚝에서 시커먼 연기가 솟아오르는 것처럼 보입니다. 이런 현상 때문에 이를 “Black Smoker”라고 부르는데, 해저의 열수 분출 지점에서 흔히 볼 수 있는 광경입니다. 이로부터 열수에서 많은 금속 광물들이 침전할 수 있음을 알 수 있습니다. 열수가 규암의 깨진 틈 사이에 석영맥을 만들면서 다량의 황동석을 침전시킨 모습입니다. 황동석은 동을 추출하는 주요 광석입니다. 퇴적 광상은 퇴적 작용과 연관되어 특정한 광물이 농집되어 형성된 광상입니다. 좀 더 무거운 광물들이 특별히 모여 퇴적되든지, 특정 광석이 침전되며 퇴적되든지 또는 증발하며 만들어진 증발 광물이 집중되든지 하며 광상을 만들 수 있습니다. 리오 틴토 보락스 광산의 모습인데요. 보락스는 붕산나트륨 화합물의 혼합물에 대한 광석 이름입니다. 이 보락스는 증발암에서 발견되는데, 우리가 붕소를 얻는 거의 유일한 광석입니다. 리오 틴토 보락스 광산은 세계 최대 규모를 자랑하는 광산입니다. 노천 채굴하는 광산의 모습이 담겨 그 규모를 짐작하게 합니다. 노천 채굴이란 광체 위의 것을 걷어내 드러나게 한 다음 그대로 채굴하는 방식입니다. 반대 의미로 지하 채굴 또는 갱도 채굴 등이 있습니다. 풍화잔류 광상은 암석이 풍화를 받고 남은 광물이 이룬 광상입니다. 여기서 풍화란 대개 화학적 풍화를 말하고, 지구상의 화학적 풍화는 거의 대부분 물을 매개로 일어납니다. 풍화에 대해서는 나중에 다시 배울 기회가 있을 것입니다. 이는 마치 암석이나 토양을 계속 물로 씻어 내는 것과 비슷한 효과를 내는데요. 오랜 시간 동안 이 과정이 반복되면 물에 잘 녹는 성분은 씻겨 나가 없어지고, 물에 녹지 않는 부분만 남아 상대적으로 이 불용성 성분이 부화되어 광상을 이룹니다. 자메이카 중부의 보오크사이트 광산의 모습인데, 포클레인 같은 장비를 동원해서 숲을 걷어내고 흰색을 띠고 있는 보오크사이트를 채취하는 모습을 볼 수 있습니다. 보오크사이트는 깁사이트라는 광물이 농집되어 있는 광석을 지칭하는 말입니다. 깁사이트의 화학식은 Al(OH)3인데, 장석을 많이 포함한 암석이 많은 강수량과 함께 풍화되면서 생깁니다. 이러한 화학적 풍화가 오랜 기간 동안 지속되면 깁사이트가 풍화 산물로 남아 부화된 광석 보오크싸이트가 만들어집니다. 사 광상은 말 그대로 모래 광상이란 뜻인데, 이 의미는 모래퇴적물들이 모여 이룬 광상이란 뜻입니다. 물이 풍화 침식을 통해 퇴적물을 얻고 이를 하천 등을 통해 운반합니다. 이때 운반되는 퇴적물의 크기는 퇴적물의 무게에 따라 정해집니다. 운반되는 도중 좀 더 무거운 광물들은 특정한 곳에 모여 쌓일 수 있는데, 이렇게 형성된 광상이 사 광상입니다. 인도 체나이 지역 해변 모래에서 발견되는 중광물 사 광상입니다. 검은색으로 보이는 것이 중광물인데요. 중광물이란 무거운 광물이란 뜻으로 보통 저어콘, 티탄철석, 금홍석 등의 광물로 이루어져 있습니다. 이들 중광물은 저코니움, 티타니움, 텅스텐, 희토류원소들의 중요한 원광으로 사용됩니다.

사금

예전 우리나라 이곳저곳 하천에서 사금을 채취하는 모습을 볼 수 있었습니다. 이 사금도 사 광상의 일부였습니다. 여러분은 사금이 어떻게 생겼는지, 우리나라 사금 채취가 언제 이루어졌는지 한번 찾아보시기 바랍니다. 여기 이 표는 금속별로 그 원광이 되는 광석광물과 그 광물의 화학식 그리고 금속의 사용분야를 간단히 정리한 것입니다. 여러분은 나중에 이 내용을 꼼꼼히 살펴보시기 바랍니다. 오늘은 이 광석광물의 모습을 간단히 소개만 하도록 하겠습니다. 구리의 원광인 반동석입니다. 좀 더 잘 알려진 구리 광석광물인 황동석은 이미 열수 광상에 대해 설명드릴 때 보여드렸기 때문에 다른 구리 광석광물인 반동석을 보여드리는 것입니다. 자연금입니다. 앞서 사 광상의 사금에 대해 설명하였는데, 여기 보이는 것들이 바로 그 사금입니다 납의 원광인 방연석입니다. 니켈의 원광인 펜틀란다이트입니다. 유철니켈광이라고도 불립니다. 몰리브데늄의 원광인 휘수연석입니다. 자연 백금입니다. 수은의 원광인 진사입니다. 검은 결정이 진사이고, 나머지 밝은 색의 결정들은 방해석, 고회석 및 석영의 혼합물입니다. 아연의 원광인 섬아연석입니다. 여기 하얗게 보이는 건 중정석이고, 까만 결정들이 섬아연석입니다. 안티모니의 원광인 휘안석입니다. 휘안석이 같이 있는 투명한 흰색 결정은 역시 중정석입니다. 알루미늄 광석인 보오크사이트의 주구성 광물인 깁사이트입니다. 앞서 풍화잔류 광상을 설명할 때 보오크싸이트를 언급하였습니다. 우라늄의 원광인 우라니나이트입니다. 자연은입니다. 아래 검은 색의 광물은 유은광입니다. 주석의 원광인 석석입니다. 여러분은 이미 앞에서 광석과 맥석을 설명할 때 석석을 보셨습니다. 이것은 볼리비아 산 석석입니다. 텅스텐의 원광인 회중석입니다. 아래 회색으로 납작하며 반짝이는 광물은 백운모입니다. 위 갈색 광물이 회중석입니다. 우리나라 상동도 한때 꽤 유명한 회중석 산지였었습니다. 코발트의 원광인 린내아이트입니다 크롬의 원광인 크롬철석입니다. 여러분은 마그마 광상을 설명할 때 이미 크롬철석을 보셨습니다. 이 크롬철석은 짐바브웨 산입니다. 티타늄의 원광인 금홍석입니다. 금홍석은 사 광상의 중광물에 대해 설명할 때 한번 언급됐었습니다. 철의 원광인 적철석입니다. 검은색이 적철석이고, 함께 있는 하얀 결정은 방해석입니다.

광산 개발과 환경오염 문제(광해)

앱모크 — Tue, 26 Jul 2022 05:39:04 +0900

광산 개발과 환경오염 문제(광해)

유용한 광물 자원 채취를 위해서는 광산 개발이 꼭 필요합니다. 하지만 광산 개발은 필연적으로 다양한 환경 문제를 유발합니다. 분진 및 유해가스로 인한 질병 증가, 광산에서의 안전사고, 공동 붕락으로 인한 지반 침하, 산성 배수로 인한 생태계 파괴 등인데요. 그렇다면 이러한 환경 문제들은 왜 일어나는 것일까요? 어떻게 하면 이런 환경 문제를 줄이고, 필요한 광석을 채취할 수 있을까요? 광산 개발로 인해 어떠한 환경 문제가 발생하는지 파악하고, 이로 인한 피해를 최소화하기 위해 어떤 대책이 필요한지 알아보겠습니다. 이들 광석을 채취하여 이용하려면 피치 못하게 광산을 개발하여야 하고, 광산을 개발하다 보면 또 어쩔 수 없이 이로 인한 다양한 피해 또는 환경 문제를 일으킬 수밖에 없게 됩니다. 광산 개발로 인한 피해 또는 환경 문제를 줄여 광해라고 부르는데, 오늘은 바로 이 광해에 대해서 얘기해 보도록 하겠습니다. 광해는 매우 다양합니다. 그중 우리가 흔히 마주하는 광해들을 골라보면, 분진, 유해가스의 증가로 인한 건강적 위협, 개발 및 운반과정에서 일어나는 안전사고, 지하 광석의 제거로 인한 공동의 붕락으로 생기는 지반 침하, 지하 광물의 노출로 인한 산성 배수 생성 및 그로 인한 환경 훼손 등이 있습니다.

분진 및 유해가스 위험

먼저 분진 및 유해가스의 증가로 인한 건강적 위협에 대해서 살펴보겠습니다. 광산에서는 광석을 채취하고 선광 하기 위해 끊임없이 암석을 깨뜨리고 가루를 만들기 때문에 먼지가 많습니다. 특히 지하 채굴을 할 경우 환기가 어려워 공기 중 먼지의 함량이 보통의 작업장보다 훨씬 많습니다. 또한 채굴기, 각종 운반기 등의 배기가스와 지하 광맥에서 누출된 가스들도 많을 수 있습니다. 이런 먼지와 가스가 어떻게 건강에 위해를 주는지는 앞서 '먼지와 건강'에서 설명한 것과 거의 유사하므로 그 부분을 다시 보시기 바랍니다. 먼지와 가스에 의한 피해를 줄이기 위해 광산 작업자는 반드시 방진마스크를 써야 합니다. 광산에서는 또한 사고도 많이 일어납니다. 항상 많은 기계와 광석, 맥석 등이 주변에 있어 작업자들은 다칠 위험에 노출되어 있습니다. 지하 채광을 할 때 그 위험도는 급격히 증가합니다. 지하 작업을 할 때 드물기는 하지만 갱도가 무너지면서 매몰되는 사고도 생깁니다. 예전에 한국 광부들이 독일로 일하러 갔던 때를 기억하시는 분이 있으실 거라 믿습니다. 이 사진은 그 당시 독일로 파견된 광부가 작업하는 모습을 찍은 사진입니다. 연출을 위해서였는지 모르지만 방진 마스크 없이 작업하고 있습니다. 채광기 들고 작업하는데 바닥과 벽에서는 먼지가 피어오르고, 위에서, 옆에서 돌덩어리가 언제 떨어져도 이상하지 않은 위험한 환경입니다.

산업재해 자료

1985년부터 2005년까지 20년 동안의 업종별 산업재해율을 비교한 것입니다. 여기서 산업재해율은 산업재해를 당한, 즉 일하다 다치거나 사망한 근로자 수를 총 근로자 수로 나누고 100을 곱해 퍼센트로 표시한 것입니다. 예를 들어 1985년을 한 번 살펴보도록 하겠습니다. 이 해에 전체 산업에서 100명당 3. 15명 재해를 당했는 데 반해서 광업에서는 약 12명이 재해를 당해 재해율이 4배가량 더 높은 것을 알 수 있습니다. 이 해에 광업의 산업재해율이 가장 높은 것을 또한 알 수 있습니다. 그 20년 후 2005년에는 전체 산업의 재해율이 100명당 1명도 안 돼 산업 안전 수준이 많이 향상된 걸 알 수 있습니다. 하지만 이 해에도 광업의 산업재해율이 가장 높아 100명 당 약 14명이 재해를 당해 전체 평균보다 10배 이상 높은 재해율을 기록했음을 알 수 있습니다. 좀 더 최근의 자료를 살펴보겠습니다. 2014년에는 전체 산업재해율이 0. 53%에 지나지 않아 2005년보다 더욱더 안전이 강화되었음을 알 수 있습니다. 2014년에도 광업의 재해율은 여전히 10%를 넘기며, 다른 산업들과 비교했을 때 재해율이 가장 높은 것을 알 수 있습니다. 이와 같이 광산 개발에 따른 안전사고가 빈번히 일어남을 통계 자료에서 분명히 알 수 있습니다. 안전사고로 인한 피해를 줄이기 위해서는 채광 시 좀 더 안전한 설계를 하고, 작업 환경을 개선하며, 정기적 점검을 통해 사고를 미연에 방지할 수 있도록 노력하여야 합니다. 또한 작업자는 반드시 안전 장구를 챙기고, 응급 상황에 대처할 수 있는 훈련이 잘 되어 있어야 합니다. 지하 채광을 하는 경우, 채광하고 난 빈자리를 그대로 둘 경우 시간이 지나 무너집니다. 지하에서 이렇게 무너지면 무너진 자리 위의 지표도 밑으로 꺼지게 되는데, 이를 지반 침하라고 합니다. 보통의 경우 땅이 움푹 들어가는 정도 꺼지는데, 이 침하가 심하면 아예 아래로 구멍이 뚫릴 수도 있습니다. 2008년 5월 충북 음성의 꽃동네에서 발생한 침하인데, 과거의 광산 지하 갱도가 무너지면서 지표까지 함몰된 경우입니다. 침하가 일어나면 지상의 것에 대한 피해가 발생합니다. 지반 침하로 인한 피해는 작게는 토지의 유실 및 건물의 파손 정도지만, 크게는 건물 및 구조물의 완전한 파괴와 인명 손실도 일어날 수 있습니다. 영국 더들리에 가면 Crooked House라는 유명한 집이 있습니다. 우리말로 부르면 '삐뚤어진 집' 정도가 됩니다. 이 집은 1765년에 건축되었는데, 1800년대에 행해진 채광으로 인한 지반 침하가 일어나면서 기울어졌습니다. 집의 정문을 보고 섰을 때 왼쪽이 오른쪽보다 4피트 정도 낮아지면서 찌그러졌는데, 무너지지 않고 잘 유지되어 이를 보기 위해 전 세계에서 관광객이 몰린다고 합니다. 현재 이 집은 식당 및 술집으로 사용하고 있습니다. 이 집주인은 혹시 모를 사고에 대비하여 매년 안전 점검을 하고 있다고 합니다. 대규모 지반 침하로 인한 피해로 유명한 것은 아마 미국 텍사스의 Goose Field 유전의 지반 침하가 아닐까 생각합니다. Goose Field 유전은 1903년 발견되어 1918년 최고의 전성기를 구가한 유전입니다. 이 유전이 개발되면서 경제적으로 큰 붐이 일고 많은 노동자들이 유입되면서 Baytown 시가 급격하게 성장하였습니다. 이 유전에서 많은 양의 석유를 뽑아내면서 지하에 빈 공간이 만들어지고, 이것이 무너지면서 매우 넓은 지역에 걸쳐 지반 침하가 진행되었습니다. 이 지반 침하로 많은 집과 도로가 피해를 입었으며, 한때 육지에 있던 유전의 일부가 Tabbs 만의 물에 잠겼습니다. 이 지역의 지반 침하는 유전에서 지하의 석유가 빠져나가면서 일어난 첫 번째 지반 침하로 기록되었습니다. 채광으로 생긴 지하 공동을 그대로 둘 경우 지반 침하 및 함몰은 피할 수 없습니다. 겉보기에 아무런 일도 일어나지 않는 것처럼 보일 수도 있습니다. 하지만 이는 일시적일 뿐입니다. 시간이 지나면 방치된 지하 공동은 언젠가는 무너지게 되어 있고, 그 위의 침하는 막을 수 없습니다.

지반 침하를 막는 방법

지반 침하를 막을 수 있는 방법으로 두 가지를 생각해 볼 수 있습니다. 하나는 지하 공동을 계속 관리하여 무너지지 않도록 하는 것입니다. 여러분은 신문 지상 등을 통해 폐갱도의 다양한 재활용 방법 등에 대해 들어보셨을 것입니다. 예를 들면, 관광 자원화를 한다든지 농산물의 저장 창고로 이용한다든지 하는 일입니다. 이렇게 계속 지하 공동을 사용하려면 유지 보수를 하여야 하고, 이를 통해 지하 공간이 무너지는 것을 방비할 수 있습니다. 두 번째 방법은 채광으로 생긴 공동을 광산을 닫을 때 모두 메우는 방법입니다. 메우면 무너지지 않습니다. 요즘 우리나라를 포함한 세계 여러 나라에서 광업 후 환경 복원을 의무화하고 있습니다. 채굴한 갱도를 메우고, 파괴된 산림을 복원하도록 하면 광산 개발로 인한 환경 피해를 최소화할 수 있습니다. 산성 광산배수는 광산 개발로 인한 환경 문제 중 가장 심각한 것 중에 하나입니다. 산성 광산배수는 광산에서 배출되는 배수가 산성을 띠기 때문에 붙여진 이름인데요. 다른 환경 문제들과는 달리 꽤나 넓은 지역에 영향을 줄 수 있습니다. 산성 광산배수는 대부분 황철석 때문에 발생합니다. 이론적으로는 다른 황화 광물도 산성 광상 배수 발생의 원인이 될 수 있지만, 황철석이 가장 효율적이고 또한 가장 흔히 관찰되는 원인 광물입니다. 황철석은 매우 흔한 광물입니다. 특히 광석 주변에서 쉽게 관찰할 수 있습니다. 이 황철석이 채광과 함께 용존산소를 포함한 물에 노출되어 반응하면서 물을 산성화 시킵니다. 황철석의 화학식은 FeS2입니다. 이 구성 성분이 산화되고 철산 화수 산화물로 침전될 때 수소 이온을 내면서 물을 산성화 시킵니다. 여기 이 화학반응식들은 철과 황의 산화 그리고 철산 화수 산화물의 침전 반응을 나타낸 것인데, 반응 결과 수소 이온이 발생하는 것을 알 수 있습니다. 하지만 우리는 이 반응을 자세히 살펴보진 않을 것입니다. 여러분은 이 반응들을 그저 한번 유심히 살펴보시되, 딱 두 가지만 기억하시면 됩니다. 하나는 황과 철, 두 성분의 산화가 일어나고 철 화합물이 침전한다는 것입니다. 다른 하나는 이 과정 중에 수소 이온이 발생하고 이로 인해 물이 산성화 된다는 것입니다. 미생물은 지표 환경 어디에나 있습니다. 놀랍게도 매우 산성인 환경에서 철과 황을 산화시키면서 살아가는 미생물도 있습니다. 이런 종류의 미생물 중 가장 대표적인 것이 여기 사진에서 보는 acidithiobacillus ferrooxidans입니다. 이 미생물이 황철석의 산화에 관여하면 반응 속도가 미생물 없을 때보다 수백 배 빨라집니다. 결국 자연계에서는 미생물에 의한 반응이 산 발생량을 좌우하게 됩니다. 산성 광산배수 발생의 가장 강력한 증거는 배수구 및 하천 바닥이 노랗거나 붉은 침전물로 뒤덮이는 것입니다. 이 침전물들이 바로 황철석의 산화 결과 만들어진 철 화합물입니다. pH가 상대적으로 좀 낮고 배수 속에 황산이온의 함량이 낮으면 슈베르트 마 나이트라는 광물이 침전하는데, 이 광물의 색은 노란색에 가깝습니다. 그래서 미국 광산에서는 이 침전물을 yellow boy, 즉 노란 놈이라고 불렀습니다. 좀 더 붉은색의 침전물들은 페리하 이드라 이트라는 광물이 침전했을 가능성이 높고, 더 어두운 색을 띠면 철 화합물이 침 철석으로 변하였기 때문일 가능성이 높습니다. 미국 펜실베이니아 주 피츠버그 시 교외의 한 광산에서 흘러나온 광산 배수로부터 생긴 붉은색 침전물이 배수가 흐른 바닥을 붉게 피복한 장면입니다.

산성 광산배수

자연에서 이렇게 시뻘건 하천을 보는 것이 어떤 기분일까요? 우리나라 하천에서도 광산 배수에 오염돼 붉은색으로 변한 경우를 많이 볼 수 있습니다. 강원도 강릉과 태백의 하천들이 산성 배수에 의해 오염되어 붉게 물든 모습을 보여줍니다. 이와 같이 산성 광산배수는 광산 개발 지역에서 매우 흔히 보는 현상입니다. 이 산성 광산배수는 경관 훼손, 수질오염, 수서 생태계 파괴 등 다양한 환경 문제를 일으킵니다. 여러분은 아까 붉은색으로 도배된 하천을 보고 어떻게 느끼셨나요? 저는 개인적으로 대단히 어색하고 불편합니다. 자연이 자연 다울 때 가장 아름다운데, 산성 광산배수로 인한 붉은 하천은 아름다운 자연경관을 해칩니다. 산성광산배수는 낮은 pH가 문제지만, 산성을 띠기 때문에 비정상적으로 높은 중금속 함량을 보여줍니다. 게다가 산화에 용존산소를 다 써버려서 용존산소량이 매우 낮을 때가 종종 있습니다. 이런 배수가 지표수나 지하수로 유입되면 수질 오염이 일어나고, 이렇게 오염된 물은 식수 등으로 사용할 수 없어 수자원 이용에 제약을 가하게 됩니다. 산성배수에 의한 수질 오염에 수반되는 환경 문제가 바로 수서생태계의 파괴입니다. 수서생태계 파괴의 원인은 첫 번째로 낮은 pH, 두 번째로 독성 중금속의 존재, 세 번째로는 낮은 용존산소량, 네 번째로는 침전물의 피복에 의한 먹이사슬의 단절 등을 들 수 있습니다. 이들 모두 수서생태계에는 치명적일 수 있으며, 따라서 산성 광산배수에 의한 수서생태계의 오염은 건강한 생태계를 해치는 결과를 낳습니다. 광산을 개발할 때 산성 광산배수가 배출되지 않도록 주의하여야 합니다. 광산을 더 이상 운영하지 않아 폐광하게 되면, 산성 광산배수가 만들어지지 않도록 조치를 취한 후 폐광하여야 합니다. 만약 이와 같이 산성 광산배수의 예방이 불가능하다면, 배출되는 광산 배수가 최대한도로 처리된 후 수서생태계에 유입되도록 노력하여야 합니다. 광산 배수의 예방과 처리에 대한 자세한 내용은 여러분이 따로 찾아보시기 바랍니다. 지금까지 광산 개발로 인한 환경 문제에 대해 알아보았습니다. 이러한 환경 문제는 자원을 채취하면 피치 못하게 발생합니다. 이러한 문제를 최소화하거나 예방하기 위해서는 많은 예산이 소요되어 채광의 수익성이 축소되거나 악화될 수 있지만, 환경 문제가 터지고 난 후 수습할 때는 이보다 훨씬 많은 비용과 큰 노력이 들어가므로 광산을 개발할 때부터 이들 환경 문제에 대처할 수 있도록 사업 계획을 잡는 것이 중요합니다.

물의 개념과 성질, 중요성

앱모크 — Mon, 25 Jul 2022 22:31:47 +0900

물의 개념과 성질, 중요성

앞서 지구 내부 에너지가 어떠한 일을 하는지, 그로부터 우리 인간이 어떤 이득을 얻으며, 또 이러한 이득을 얻는 과정에서 어떠한 부작용이 생기는지 알아보았습니다. 이러한 지구 내부 에너지와 함께 지구를 살아있는 지구로 만드는 에너지원이 태양입니다. 태양에너지는 물을 위시한 여러 물질들의 순환 원동력이며, 이런 순환에 따른 물질의 풍화, 침식 그리고 퇴적의 원인이 되는 에너지입니다. 태양에너지는 또한 지구 상에 생명체가 존재할 수 있도록 하는 에너지입니다. 태양에너지를 받아 합성이 진행되고, 이렇게 합성된 유기물을 모든 생명체가 먹이 거미줄을 통해서 섭취하며 생명을 유지시키고 있죠. 이 단원에서는 태양에너지가 일으키는 물의 순환과 그로 인한 풍화, 침식, 운반, 퇴적, 이에 더하 물의 증발과 강수에 필연적으로 수반되는 홍수와 가뭄 그리고 사태에 대해 알아보도록 하겠습니다.

물의 개념과 성질

물은 지구 지표상에 가장 많이 존재하는 분자입니다. 물 분자는 2개의 수소 원자와 1개의 산소 원자로 구성되며, H2O라는 간단한 화학식을 가집니다. 보듯 두 수소가 산소와 결합한 각도가 약 105°로 V자 형태를 이룹니다. 이와 같은 비대칭 구조 때문에 물 분자는 부분 양극과 부분 음극을 갖는 극성을 띱니다. 물의 극성은 물과 다른 지구 구성 물질, 즉 광물이나 유기물과 같은 물질과의 반응 정도를 결정하는 주요한 인자입니다. 물과 지구 구성 물질 간의 반응이란 용해, 풍화, 변질, 광화 작용 등인데 좀 더 이온성을 띠는 물질일수록 물과의 반응이 더 잘 됩니다. 예를 들어 어떤 지역에 규암과 석회암이 있다고 하면, 빗물에 의해 선택적으로 석회암이 주로 용해됩니다. 석회암은 방해석으로, 규암은 석영으로 주로 이루어져 있는데, 방해석은 이온성이 매우 높은 광물인 반면 석영은 이온성이 매우 낮기 때문입니다. 물의 특징을 좀 더 살펴보면 다음과 같습니다. 물은 상온 및 상압에서 물질의 3상, 즉 기체, 액체, 고체상이 모두 존재하는 유일한 물질입니다. 물은 천연적으로 바다를 이룰 만큼 다량의 액체로 존재하는 유일한 무기물입니다. 물은 액체 중 비열이 가장 큰 물질입니다. 이는 위 3상이 모두 존재하는 특성과 함께 조금 뒤에 말씀드릴 지구 자원 환경적 중요성과 매우 큰 관련이 있습니다. 액체인 물이 얼면 체적으로 팽창하면서 고체인 얼음이 되는데 얼음은 물보다 밀도가 작아 고체가 액체 위에 뜨는 유일한 물질입니다. 물은 위와 같은 물리 화학적 특징뿐만 아니라 생명에 관련된 다양한 특징도 가지고 있습니다. 물은 지구 상의 생물체가 탄생한 곳입니다. 지구는 다른 행성에는 거의 발견되지 않은 물이 풍부하게 있으며, 지구 표면의 70%가 물로 덮여 있어 흔히 지구를 물의 행성 혹은 푸른 행성이라고 부릅니다.

물의 중요성

우리 몸의 2/3는 물입니다. 이 가운데 1~2%만 부족해도 심한 갈증을 느끼고, 10%가 손실되면 탈수되어 사망합니다. 사람은 음식 없이도 몇 주간 버티지만 물이 없으면 단 5일도 생존하기 어렵습니다. 세상에 다른 물질은 대체할 수 있지만, 물은 대체제가 없습니다. 예를 들면 석유 대신에 우리는 석탄 또는 지열에너지 등을 쓸 수 있지만, 물은 다른 것으로 대체할 수가 없습니다. 세계 보건기구가 밝힌 바에 따르면, 인류 질병의 80% 이상이 물과 관계된다고 합니다. 이런 특징을 갖는 물은 무엇보다도 지구 자원 환경 측면에서 특별히 중요한 역할을 합니다. 우선 앞서 잠깐 언급하였던 것처럼 물은 고체, 액체, 기체 간의 상변화와 높은 비열 때문에 지구 기후 조절에 매우 중요한 역할을 합니다. 세계 곳곳에 비를 내리고, 기온이 너무 높지도 낮지도 않게 막아주며, 기온이 급격하게 변하지 않도록 조절합니다. 예를 들면 여름에 태양이 내리쬐어 기온이 상승하려 하면 물이 열에너지를 흡수하고, 액체에서 기체로 기화하며 열에너지를 소모하여 가파른 기온 상승을 막아줍니다. 겨울에는 반대의 현상이 일어납니다. 만일 지구 상에 물이 없었다면 지구 기후는 지금보다 훨씬 뜨겁고 차갑게 급변하였을 것이고, 이는 생물에게 치명적이어서 생명의 탄생이 불가능할 수도 있었을 것입니다. 물은 지구 상의 많은 생명체가 살아갈 소중한 보금자리입니다. 지구 표면의 70%를 차지하는 물, 즉 바다에는 미생물부터 거대 생물까지 떠다니는 것, 헤엄치는 것, 기어 다니는 것 그리고 흙 속으로 파고들어 가는 것 등 너무나 많은 종류의 생물들이 살아가고 있습니다. 물은 그 자체로 소중한 자원입니다. 물은 우리가 직접 마시기도 하고, 공업과 농업 등의 산업에 꼭 필요합니다. 이밖에도 물은 레저와 조경 등의 목적으로도 사용됩니다. 물은 매우 중요한 자원의 보고입니다. 바다로부터 얻은 막대한 양의 광물, 에너지 자원 그리고 식량 자원 등 우리에게는 어느 것 하나 없어서는 안 되는 것들입니다. 물은 지구에서 매우 활발하게 순환합니다. 이 과정을 통해 광물, 유기물 및 기타 다른 물질들의 순환에 매우 중요한 매개체 역할을 합니다. 이미 암석에 대해 배울 때 암석의 순환에 물이 어떻게 중요한 역할을 하는지 살펴보았습니다. 이렇게 소중한 물은 그러면 어디에서 온 것일까요? 이미 지구의 탄생에 대해서 살펴볼 때 지구 상의 물이 어떻게 생겼는지에 대해 간략하게 설명을 하였습니다만, 사실 지구 상의 물의 기원이 무엇인지 혹은 왜 다른 태양계 행성과 달리 지구에 물이 많은 것인지에 대한 과학적 설명은 지금까지 명쾌하지는 않습니다. 그러나 지금까지 주장되고 있는 몇 가지 유력한 주장을 소개하면 다음과 같습니다. 첫 번째, 초기의 지구가 충분히 냉각되어 대기 중의 가스가 붙잡혀 안정화되고 물을 보유할 수 있게 되었다는 것. 두 번째, 소행성대 외각에서 온 물을 다량 함유한 혜성이 지구와 충돌하여 대양에 물을 공급하였다는 것. 세 번째, 박테리아의 광합성 혹은 광물 작용에 의해 생화학적으로 생성되었다는 것. 네 번째, 지구의 암석 내의 수화 광물로부터 서서히 물이 배출되었다는 것. 다섯 번째, 광분해가 지표상 화학적 결합 고리를 끊었다는 것 등이 있습니다. 여러 가지 학설 중에서 현재 활동하는 혜성과 같은 것에 의해 지구 상의 물이 모두 공급되었을 것이라는 주장은 동위원소 조성을 포함한 과학적 증거와 맞지 않다고 하며, 지구 생성 초기부터 상당량의 물은 존재하였다고 합니다. 물은 지구 상 표면과 지하의 도처에 존재합니다. 비교적 얕은 지하 심도에 물이 많으며, 지하 심도가 깊어질수록 물은 적어집니다. 물은 최대 약 4㎞ 심도까지 존재하는데 0~800m 구간에 약 50%가 그리고 800m~4㎞ 구간에 나머지 50%가 부존 한다고 알려져 있습니다. 물을 유형별로 살펴보면 해수, 육지수, 빙하 및 수증기로 나누어 볼 수 있습니다. 육지수는 다시 지표수와 지하수로 구분됩니다. 물을 조성에 따라 구분하면 염수와 담수로 나눌 수 있는데, 염수의 대부분은 해수이고 육지수 중에 일부, 즉 염지 하수와 염 호수가 염수입니다. 물의 구성비를 살펴보면, 지구 상 물의 거의 대부분, 즉 95. 6%가 해수이고, 담수는 2. 5%에 불과합니다. 그리고 그 담수의 대부분인 69%가 우리가 경제적으로 이용하기 어려운 빙하 및 만년설로 되어 있습니다. 인간이 사용 가능한 수자원의 형태는 대부분 땅 밑에 지하수의 형태로 저장되어 있습니다. 우리나라 사람들이 일반적으로 많을 것이라고 생각하는 지표수 및 담수 호수의 물은 담수 자원 중 1. 3%에 불과합니다. 그러나 지표수는 물의 총량은 적으나 순환 속도가 빨라 유용한 수자원이 될 수 있습니다.

물의 순환

지금까지 살펴본 다양한 유형의 물은 끊임없이 서로 순환합니다. 물의 순환을 흔히 우리는 수문 순환, hydrologic cycle이라고 하는데, 물이 바다 등에서 대기로 증발하였다가 지상에 강수(비, 눈 등)로 하강하여 하천 유출, 용천, 지하수의 형태로 다시 바다 등으로 유입되는 과정을 반복합니다. 이러한 수문 순환의 과정에서 풍화, 침식, 퇴적 등의 지질 작용이 일어나고, 홍수, 가뭄, 사태 등의 자연재해가 일어납니다. 물을 순환시키는 가장 중요한 에너지는 태양에너지입니다. 기본적으로 증발을 일으키는 것은 태양열 때문입니다. 바다나 호수에서 대기 중으로 올라간 수증기는 무거워지면 지구중력에 의해 지표로 내려오게 되는데 이것이 강우, 강설입니다. 이렇게 내려온 물은 지하로 들어가 지하수가 되기도 하고 식물에 의해 흡수되기도 합니다. 또 강이나 호수에 내려온 물은 사람에 직접 이용되기도 하지만 결국 하천을 통하여 원래의 바다로 돌아갑니다. 미세 규모에서 보면 모세관 현상도 물 혹은 수분을 움직이는 동력이 되기도 합니다. 전 세계적으로 보면 물은 매년 32 ×1013㎥(320조 톤) 정도가 바다에서 대기로 증발되고 그리고 60조 톤 정도가 육지에서 대기로 증발된다고 합니다. 또 매년 물은 380조 정도가 하늘에서 육지 및 바다로 강하하며, 그중에 25%인 93조 톤의 물이 육지에 내려 담수가 된다고 합니다. 물은 여러 가지 다양한 경로로 순환을 하게 되는데 이를 통해 원래의 자리로 돌아오는 데 걸리는 시간을 수문 순환 주기라고 합니다. 수문 순환 주기는 얼마나 될까요? 사실 하나하나의 물 분자마다 수문 순환의 주기는 매우 다를 것입니다. 그러나 일반적으로 물이 한 번 순환하는 데 걸리는 시간은 빠르게는 수 시간 길게는 수백 년이 걸린다고 합니다. 특히 극지방의 영구 빙설 혹은 빙하는 말 그대로 한 번 순환하는 데 수만 년 이상의 매우 긴 시간이 필요합니다. 물이 한 위치에서 머무는 시간을 우리는 체류시간이라고 하는데 체류시간이 길면 수문 순환의 주기도 깁니다. 대기 중의 수증기는 대체로 약 9일의 체류시간을 가지며 지하수의 경우 수천 내지 수만 년의 체류시간을 보일 수도 있습니다. 예를 들어 비교적 투수성이 좋은 제주도의 지하수는 20~50년의 체류시간을 보이지만, 호주 사막 대찬 정 분지의 지하수는 1백만 년 이상의 체류 시간을 보이기도 합니다. 여기 이 표는 물의 형태에 따른 평균 체류 시간을 정리한 것입니다. 이 표를 읽을 때 주의하실 것은 평균 체류시간이라는 것입니다. 각각 경우에 대 하이 평균 시간보다 훨씬 짧을 수도, 훨씬 김일성도 있습니다. 지금까지 물의 특성과 지구자원 환경적 중요성, 물의 분포 그리고 물의 순환에 대해서 얘기하였습니다.