지구과학, 자원, 환경기술 발전, 환경오염 대처 방안

질산비료 개발이 해양생물에 미친 영향

우선 해양에서 식물플랑크톤이 어떻게 생명을 유지를 하고 있는지 살펴보겠습니다. 식물플랑크톤은 해양생태계의 근간을 이루고 있습니다. 빛이 충분한 표층에서 광합성 작용을 통하여 세포분열을 하면서 번성하게 됩니다. 여기 광합성에 필요한 원소들이 나열되어 있습니다. 탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황입니다. 식물플랑크톤이 광합성에 필요한 이 원소들은 바다에 아주 풍부하게 존재하고 있습니다. 하지만 해양 표층에는 식물플랑크톤이 항상 풍부하게 존재하지는 않습니다. 식물플랑크톤이 광합성을 하기 위해서는 광합성에 필요한 모든 원소가 해양 표층에 풍부하게 존재해야 합니다. 그러나 이 조건을 만족시키지 못하는 원소가 두 가지 있습니다. ”질소” 와 “인”입니다. 질산염 형태의 질소와 인산염 형태의 인은 해양 전체에 풍부하게 존재합니다. 하지만 90% 이상의 질산염과 인산염은 식물플랑크톤이 사용할 수 없는 수심이 아주 깊은 곳에 존재합니다. 즉, 광합성에 사용되는 질산염과 인산염은 극히 적은 양입니다. 결과적으로 해양 표층의 플랑크톤의 총량은 해양 표층으로 유입되는 질산염과 인산염의 총량에 의해서 결정되겠죠. 그런데 인간의 간섭이 광합성에 필수 성분 중 하나인 질산염을 변화시키기 시작했습니다. 인간의 간섭은 산업혁명 이후 시작되었습니다.

질산비료로 인한 해양 문제

산업혁명은 인류문명이 화석연료에 기반을 두기 시작했다는 것을 의미합니다. 화석 연료를 태우면 연소과정에서 다양한 형태의 질소산화물이 대기로 배출되게 됩니다. 화석연료가 연소되는 온도가 높아질수록 질소산화물의 방출은 더욱더 증가하게 됩니다. 산업혁명 이후 중요한 발명이 이루어지게 됩니다. 질소비료의 대량생산입니다. 질소비료가 대량 생산되기 이전에 단위면적당 농업생산성은 아주 낮았습니다. 이는 특정 면적의 경작지가 먹여 살릴 수 있는 인구가 많지 않았다는 것을 의미합니다. 1911년 질소비료 대량 생산을 가능케 한 간단한 프로세스가 개발되었습니다. 이 프로세스는 고온, 고압에서 질소와 수소가스를 혼합시켜 암모니아를 생산하고 이를 바탕으로 질소비료 생산을 가능케 했습니다. 질소비료를 대량 생산하기 시작한 이후에 농업생산성이 획기적으로 증대했고, 이는 인구증가로 이어졌습니다. 화석연료와 질소비료의 사용 증가는 막대한 양의 질소산화물이 대기로 방출되게 되었습니다. 전 세계에 질소산화물을 대량으로 방출하는 Hot Spots은 세 곳입니다. 북미대륙의 오대호 주변의 공업지역, 서유럽 그리고 동북아 지역입니다. 아주 특이하게도 3곳의 hot spot은 모두 편서풍대에 위치하고 있습니다. 이곳에서 방출되는 질소산화물은 편서풍을 타고 동쪽으로 이동하면서 육상지역이나 인근 해역으로 떨어지게 됩니다. 특히 동북아 해역에서 발생하는 질소산화물은 편서풍을 타고, 동쪽으로 이동하면서 황해, 동중국해, 동해, 더 나아가 서태평양에 떨어지게 되겠죠. 질소산화물이 해양에 떨어지게 되면 질산염의 증가를 일으키게 됩니다. 해양에 질산염이 증가하게 되면 광합성이 증가하게 되고, 이는 식물플랑크톤의 개체 수 증가를 유발하겠지요. 이 시나리오가 예상은 되지만 해양의 질산염 농도 변동이 너무 심하여 증명하기가 쉽지 않습니다. 하지만 1980년 대 이후로 수많은 해양학자들의 노력 덕분에 동북아 해역에서 엄청난 해양자료가 축적되었습니다.

해양학자들의 질산염에 대한 관측

간략히 해양학자들의 관측 노력을 소개하겠습니다. 한반도 주변해역에 빨간색으로 표시된 정점은 1995년 이후 한국 수산과학원 연구자들의 매년 7차례 관측을 통하여 얻은 소중한 자료입니다. 하얀색으로 표시된 정점은 일본 과학자들이 1980년대 이후 지금까지 관측을 통하여 축적된 자료입니다. 무려 140만 개의 자료를 수집했습니다. 이 자료를 분석해 보면 1980년 이후 동북아 해역의 영양염 농도가 어떻게 변했는지 알 수가 있습니다. 우선 서해안 임실 근해와 제주도 해역의 질산염 농도 변동을 살펴보겠습니다. 파란색으로 표시된 것이 질산염 농도 변동입니다. 그리고 검은색 표시가 인산염 농도 변동입니다. 임실 근해에서는 1995년 이후 질산염 농도가 꾸준히 증가해 왔습니다. 놀랍게도 인산염의 농도는 변동이 거의 없습니다. 동일한 패턴이 제주도 해역에서도 발견됩니다. 제주도 해역에서는 심지어 1985년 이후부터 2010년까지 변동은 크지만 꾸준히 질산염 농도가 증가해 왔습니다. 동일한 패턴이 동해의 두 정점에서도 발견됩니다. 울진 근해와 일본 오 끼 섬에서 1980년 이후 꾸준히 증가해 왔습니다. 물론 증가속도는 임실 근해와 제주도 해역보다는 훨씬 느리지요. 동북아 해역 전역에서 분석 결과를 정리하면 다음과 같습니다. 동북아 전해역, 즉, 황해, 동중국해, 동해, 그리고 태평양 일본 연안에서 질산염의 농도가 1980년대 이후로 꾸준히 증가해 왔으면 이는 같은 기간에 질소비료와 화석연료 사용 증가에 기인한다고 할 수 있겠습니다.

석탄의 역사와 현대에서 필요성

석탄 이야기를 하기 전에 산림/생태계 파괴 이야기를 해보도록 하지요. 요즘 지구의 허파 아마존이 사라진다라고 걱정을 하지요? 더 심한 산림 파괴가 인류에 의해서 진행되었습니다. 로마시대 때는 전쟁과 사치생활 유지를 위해서 철, 납, 귀금속 등이 필요하게 되었고, 천여 개의 목욕탕에 필요한 장작과 목탄을 위해서 산림이 파괴되었습니다. 중세 시대 때도 마찬가지였지요. 그리고 기술 수준이 낮아서 철 1kg를 만드는 데 숫 1,000kg이 필요했어요. 따라서 인류가 있는 곳에는 항상 산림이 파괴되었습니다. 이러한 산림의 파괴를 억제한 물질이 지구 상에 있습니다. 그것은 환경파괴의 주범으로 낙인찍힌 석탄입니다.

산림 파괴를 막는 석탄

석탄은 열효율이 매우 뛰어났기 때문에 산림을 파괴를 덜 시키는 에너지원으로 동서양 구분 없이 로마시대에서부터 전 세계적으로 활용되어서 산림파괴를 억제하였습니다. 사람들은 산업 혁명하면 제임스 와트의 증기기관의 발명이 산업혁명의 도화선이 되었다고 흔하게 설명을 합니다. 하지만 사실이 아닙니다. 많은 과학자 및 사회학자들은 이러한 급격한 사회변화에 대한 시발점을 단순화하자면 '증기기관'이 아닌 '석탄'에서 시작되었다고 이야기를 합니다. 폭발적으로 사회가 변화되었던 산업혁명의 시간적 흐름을 현상을 석탄활용의 시각으로 정리해봅니다.

석탄의 역사

영국 잉글랜드 지방의 석탄은 로마시대부터 “영국 지방의 최고의 돌”로 불렸고, 산업혁명이 시작된 영국에서는 중세부터 '노천광'이 있을 정도로 풍부했기 때문에, 13세기에는 헨리 3세가 석탄의 채탄 면허를 부여할 정도로, 대중화되어 활용되었지요. 영국에서 '노천광' 손쉽게 채탄되던 석탄의 수요가 증가하기 시작하면, 채탄은 점점 더 땅속 깊은 곳에서 진행되었고, 여기서 큰 문제가 하나 발생하지요. 탄광에서 홍수나 강우로 광산에 유입된 물이나 땅속의 지하수층 때문에, 석탄을 깊은 곳에서 채탄할수록, 탄광에서 많은 물을 배수를 진행할 필요가 생겼습니다. 이를 해결하기 위해서, 초기에는 광부들이 물을 양동이로 직접 퍼내는 작업을 진행하다가, 말을 활용한 배수펌프 기계가 활용되기 시작하였습니다. 17세기 중반에 에드워드 서머셋 우스터 후작은, 광산에서 배수 작업을 위해서, 석탄으로 물을 끓여 발생된 증기를 활용한 진공펌프 장치를 만들었고, 18세기 초반 토마스 세이버리는 서머셋의 펌프를 개량 특허와 함께 '광부의 친구'라는 증기 펌프를 상용화하어요. 토마스 뉴커먼 (Thomas Newcomen)의 대기압 기관(atmospere engine)은, 세이버리의 '광부의 친구'의 단점을 보완하여, 100여 군대의 광산에 채택되어 광산에서의 효과적인 배수를 위해서 가동되기 시작하였지요. 최종적으로, 제임스 와트의 증기 펌프를 개량한 '증기기관'이 발명되었으며, 이는 산업 전반에 엄청난 영향을 미치기 시작하였습니다. 즉 '영국'이라는 나라에 '석탄'자원이 풍부했고, 이 자원을 활용하기 위해서 인간이 노력하다 보니 '중기 기관＇과 '산업혁명으로 이어졌다고 볼 수 있습니다. 하지만, 석탄은 무기질이 많기 때문에 스모그 현상과 미세먼지 등의 원인이 되고 있으며, 미세먼지 이슈와 지구 온난화 문제를 해결하기 위해서는 사라져야 할 '자원'으로 여겨지고 있습니다. 현재 전 세계적으로 '탄소 중립＇을 모토로 '석탄＇의 퇴출을 당연시하고 있습니다.

석탄의 퇴출이 정말 가능할까요?

중세 시대때에 1 철 kg을 생산하기 위해서, 목탄 1000kg이 소모가 되었으나, 현대 기술의 발달로 석탄 '1kg'정도를 소비합니다. 그리고 석탄을 활용한 철을 대표로 하는 금속 제련기술은 나라를 부강하게 만들었습니다. 영국의 산업혁명이 대영제국의 번영을 이끌었고, 미국의 카네기로 대표되는 오대호 연안의 제철 기술이 현재 미국의 발전의 초석이 되었습니다. 우리나라도 경상도 해안가에 석탄을 활용한 제철산업은 현재 나라의 주력산업인 '자동차＇와 '조선＇산업의 기초가 됩니다. 자 그럼, 우리나라의 1인당 탄소 배출량이 세계 1위인지 눈치를 채셨겠지요. 우리나라에서 생산되는 막대한 양의 '자동차'와 '선박'을 생산하기 위해서, '철'이 필요하고, '철'의 생산을 위해서는 '석탄＇이 필요하기 때문에, 국민 1인당 '탄소배출량'이 1위 국가가 된 것입니다. 그렇다면, 탄소중립은 단순한 '환경 문제'가 아닌 '우리나라 주력산업의 경쟁력'과 상관성이 있는 '여러 분야'에서 신중하게 접근해야 할 이슈라는 것을 잘 아실 겁니다. 예전에 광산에서 석탄을 이룩한 산업혁명은 해상을 활용한 산업 발달로 진보하게 됩니다. 즉, 노천 석탄광산과 철광산에서 값싸게 대량으로 기계로 채굴한 후, 해상운송수단을 활용해서 해상에 건설된 발전소나 임해제철소를 활용해서 소재 생산 및 전기 생산의 가격경쟁력을 극대화했으며, 산업화를 꽃피웠던 미국(오대호 연안), 일본(기타큐슈), 한국(포항, 울산)을 거쳐서, 중국(동쪽 해안지역)으로 이러한 산업발전의 역사는 지속되고 있습니다. 현재 경제 발전을 성공시켰던 대부분의 나라에서는 이러한 전략을 그대로 취하고 있습니다.

제철소는 탄소중립 시대에 쓸모없는 시설일까?

그러지 않습니다. 제철소에서 석탄은 미래 친환경 에너지 자원인 “전기"와 “수소"를 대량 생산하며, 철광 속내의 미량의 금속 불순물은 제철소에서 “희토류”로 재생산됩니다. 또한, 철 제련 후 찌꺼기인 슬러지에서 “배터리”소재의 양극재도 대량 생산이 가능합니다. 즉, 대한민국의 현재 주력산업과 미래 주력사업의 심장부가 석탄을 활용한 “제철산업”이기에 “탄소중립”은 더욱 신중하게 접근해야 할 이슈입니다. 흥미롭게도 지금의 유렵연합도 기원은 석탄 및 철광석 채굴에 대한 조약으로 시작될 만큼 “석탄”과 “철광석”은 경제에 매우 중요한 이슈입니다. 그리고, 석탄/철강 관련 조약으로 시작된 EU가 현재는 기후변화 및 탄소중립 이슈를 선도하고 있지요. 그래서, 저는 이번 강의를 “오래된 미래 석탄”으로 강의를 이름하였습니다. 산림파괴를 막았던 석탄 기술, 경제 발전의 원동력이 되었고, 탄소중립에 필요한 “전기"와 "수소”도 석탄에 꽤 많이 의존해야 하는 아이러니가 있기 때문에, 석탄은 우리에게 “오래된 미래"인 것이지요.

지진의 구분과 진도, 한반도는 안전할까?

우리 한반도는 지진이 안전한 지대일까요? 그런 곳은 없습니다. 한반도는 일본이나 중국처럼 히말라야 조산대처럼 그런 곳보다는 훨씬 지진에 대해서 안전하지만 그렇다고 해서 지진이 일어나지 않지 않습니다. 지진은 과연 어디에서 일어날까요.

지진이 일어나는 곳

지진이 일어나는 것을 보면 지금 태평양 주변에서 보면 태평양 바깥쪽에서 지진이 많이 일어나고 있는데요. 우리가 옆에 오른쪽에 표를 보면 km를 나타냅니다. 그래서 0~70km까지는 천발 지진 그리고 70~ 300km까지는 중발 지진. 그리고 300~600km까지는 이 심발 지진, “그 밑에는 지진은 거의 안 일어납니다.”라고 할 때, 그것들의 분포를 보면 태평양판이 오렌지에서 노란색 천발 지진이 보이죠. 그리고 대륙 쪽으로 갈수록 심발 지진으로 가는 걸 알 수 있습니다. 그 얘기는 판이 태평양 쪽에서 들어가서 대륙 쪽으로 들어간다는 걸 알 수 있습니다. 그래서 그것들을 보면 폐곡면으로 돼 있는데요. 따라서 그 폐곡면으로 둘러싸인 것이 바로 판이되겠습니다. 따라서 지진은 판구조 경계부에서 많이 일어난다는 것을 알 수 있습니다. 그것을 우리가 그 원인을 자세히 보면 지구 내부는 뜨겁죠. 뜨거워서 이것이 멘틀 부분에서는 대류를 하게 됩니다. 그래서 열이 위로 올라와서 대비를 하게 되는데요. 멘틀에서 뜨거운 열이 올라오게 되면 지각은 얇잖아요. 그것이 어느 곳에서는 부풀어 오르게 됩니다. 이들 대류가 올라오는 부분에서는 부풀어 오르죠. 부풀어 오르면 어떻게 되죠? 빵 구워지게 되면 빵이 막 갈라지잖아요. 그래서 땅이 갈라지게 됩니다. 그 부분을 해령이라고 합니다. 그래서 해령이 그래서 땅이 갈라지게 되면 어떻게 되냐면 압력이 갑자기 낮아지니까 멘틀 대류가 부분적으로 용융됩니다. 우리가 고체가 액체로 되는 거죠. 액체와 기체로 되는 거죠. 맥주병이 있지 않습니까? 맥주병을 조금 흔들어서 그것을 이렇게 딱 따잖아요. 그럼 압력이 낮아지잖아요. 그러면 어떻게 돼요? 액체에서 기체가 막 올라오죠. 그렇죠. 상변화가 압력이 낮아짐으로써 따라서 그 부분이 해령이고, 그 해령으로 계속 멘틀 물질이 공급됩니다. 공급되면서 이것을 밀어냅니다. 양쪽으로 그럼 지구는 유한하니까. 이것이 밀려서 나가게 되면 어느 쪽에는 반드시 들어가는 것도 있어야 되잖아요. 그 들어가는 곳을 해구라고 합니다. 그래서 이러한 해령과 해부 구조, 그 부분에서 멘트 물질을 재료로 해서 계속적으로 지각을 만드는 공장이다 이렇게 보시면 되겠습니다. 이것을 조금 더 자세히 보시면요. 지금 일본 열도의 경우 태평양판이 밑으로 들어가고 있죠. 그래서 그 태평양 판하고 그런 일본 열도 사이에 마찰이 존재하게 될 겁니다. 그래서 그 마찰을 보면 그 마찰이 미끄러지지 않으려고 하는 그러한 부분들 그러한 그러한 부분을 살색으로 나타내고요. 그것이 마찰의 응력이 가해지는 것을 빨갛게 표시했습니다. 이 빨간 부분이 살색 부분을 넘게 될 때 미끄러지는 겁니다. 그래서 그런 현상을 지진이라고 합니다.

지진의 기록

지진을 우리가 보면 지진이 일어나게 되면 이것이 파가 돼 가지고, 이제 기록이 되게 됩니다. 그래서 지진이 일어나게 되면 처음에 실체파가 우리한테 전달되는 건데요. 그것이 지진파를 보면 P 파라고 합니다. P파는 이 앞뒤로 흔들리면서 전달하게 되는데요. 이것이 가장 빠릅니다. 그리고 이제 옆으로 흔들리는 횡파가 들어오게 되는데 S 파라고 합니다. S파 직후에 이 지표로 올라오는 지표파로 올라오게 되면 이제 러브파라고 막 흔들리는 지표로 올라오면서 나타난 그런 파들이 있습니다. 그리고 이제 레일리라고 레일리의 기본은 뭐냐 하면 땅속이 빠르잖아요. 지표는 늦고 그래서 일어나는 것이 레일리파입니다. 그래서 이러한 표면, 그 러브파, 레일리파를 표면파라고 하는데 피해를 일으키는 것은 표면파입니다. 따라서 우리가 아는 것은 실제 파인데 실체파를 알아서 표면파가 오기 전까지 어떻게 피할 수 있느냐 이것이 관건입니다. 표현파가 많이 흔들리는 정도는 똑같은 게 아니라 암질에 따라서 다른데 암질이 무르는 암질에서는 훨씬 더 많이 흔들립니다. 그래서 무른 곳에서는 지진 피해가 더 큰 이유가 거기에 있습니다. 우리가 지진에서 꼭 알아둬야 될 것이 있는데 지원하고 진앙 구별하시기가 좀 힘들죠.

진원과 진앙의 의미

진원이라고 하는 것은 지진이 일어난 바로 그 땅속에 있는 그 지점입니다. 지진의 근원 근원지. 거기가 진원이라고 부르고요. 그 진원 지진이 일어나게 되면 이제 거기에 재앙이 나타나게 되겠죠. 지표에 나타나는 재향이 나타나는 그런 부분 진원 즉 상부가 되겠습니다. 거기 그곳을 진앙이라고 부릅니다. 그리고 규모와 진도라는 말이 좀 혼돈되는데 규모는 절댓값입니다. 진원에서 발생한 지진의 절대 크기를 규모라고 하고 이것은 소수로 나타납니다. 그리고 진도라고 하는 것은 지표에 지진이 일어나게 되면 지표에 창문이 흔들린다라든지 화병이 깨졌다든지 벽이 무너진다든지 이런 것들을 가지고 우리가 진도를 나타내게 되는데요. 그 진도는 정수로만 나타냅니다. 규모는 소수고요. 우리가 진도계를 생각하시면 진도계를 1.5, 2.6마리 이렇게 하지 않잖아요. 한 마리 두 마리 정수 그렇게 생각하시면 혼돈되지 않습니다. 이 규모를 우리가 보통 네 가지로 보는데요. 흔히 우리가 잘 알고 있는 리히터 규모라고 하는 것은 실체파 P파, S파의 진폭 그리고 그것의 진앙 거리 한 세 군데를 우리가 관측지를 알면 거기서 진앙 거리를 낼 수가 있죠. 그래서 진폭 하고 진앙 거리 그 사이의 관계를 이용해 이 규모를 알 수 있습니다. 그리고 이제 그것이 실체파 규모로서도 실체파의 초기 혹은 진폭 같은 것을 활용하면 보다 좀 더 정확하게 알 수 있는데 그것을 실체파 규모라고 하고요. 그리고 표면파를 가지고 이제 계산하는 경우 표면파 규모가 있습니다. 그런데 이 세계 모두가 그 진폭이 규모가 클수록 진폭이 더 높아지는 그런 경향이 있는데 이 진폭이 무한적으로 높아지지 않습니다. 예를 들면, 규모 7 정도 되면 이 진폭이 더 이상 커지지 않습니다. 커지지 않고 이제 포화된다는 거죠. 그 얘기는 파괴가 일어난다는 겁니다. 그래서 그 경우는 어떻게 구하냐면 모멘트 규모라는 것을 쓰는데 이것은 단층의 파열 면적이라든지 그리고 그 단층이 일어난 곳의 평균 이동량 암석의 강성률 같은 것을 상정해 가지고, 지진파 모멘트를 구한 다음에 그것을 실험식으로 규모로 나타냅니다. 이것을 모멘트 규모라고 그렇게 말하고 있습니다. 따라서 규모가 7보다 더 큰 것은 전부 모멘트 규모로 보시면 됩니다. 진도의 경우는 우리나라에서 쓰는 것은 우리는 미국식을 쓰고 있는데 12등급으로 나누고 있습니다. 거기에 비해서 일본은 이 영에서부터 7까지 우리하고 조금 다릅니다. 나누는 정도가 그것을 대비를 했는데 그것은 이제 가속도의 크기로 이렇게 측정을 할 수 있습니다. 그래서 이것은 자세히 읽어보시면 쉽게 아실 수 있을 것입니다.

우리나라의 지진은 과연 어떨까요?

우리가 안전지대는 아니라고 하는데 우리나라의 지진은 그러면 왜 일어날까요. 이건 뭐냐 하면 유라시아판 남쪽에 인도 호주판이 있어요. 인도 호주판은 남극 대륙에 붙어 있다가 이것들이 북상하면서 결국은 충돌했습니다. 충돌한 시점에서 유라시아판의 그런 변형을 일으키고 있는데요. 인도판에 그 많은 부분이 유라시아판 밑으로 들어가면서 유라시아판을 들어 올리고 있습니다. 비록 작은 것 같지만 엄청난 힘을. 그 힘으로 인해서 우리가 히말라야를 만들어내고요. 우리가 그 압축력을 가했을 때 그 옆으로는 인장력이 발생하게 되겠죠. 그 인장력이 한반도를 향해 있는 겁니다. 따라서 인도판의 충돌에서 발생된 인장력이 서쪽에서 동쪽으로 밀고 있고 그러면 작용이 있으면 반작용이 있어야 이제 반응하는 건데 그 반작용의 역할을 하는 것이 태평양판입니다. 태평양판이 일본 열도 밑으로 해서 백두산 밑으로 들어가 있는 걸 보셨잖아요. 그것이 반작용의 역할을 합니다. 그 작용과 반작용으로 한반도의 응력 에너지가 축적되고 있는 것입니다.