지구과학, 자원, 환경기술 발전, 환경오염 대처 방안

하천 범람에 대한 원인과 예측, 해결 방법

양산에서 발견된 조선시대 제방터의 모습입니다. 우리나라는 예로부터 치수(治水), 즉 물을 다스리는 것을 나라의 매우 중요한 사업을 생각해왔는데요. 이는 강이 넘쳐 수많은 인명과 재산 피해가 나는 것이 나라의 명운을 좌우할 만큼 커다란 일이었기 때문입니다. 그리고 요즘도 치수는 여전히 중요하다고 생각합니다. 그 결과, 하천에 제방과 댐을 건설하고, 하도를 준설하며, 하수관을 정비하는 등 많은 인위적인 변화를 만듭니다. 그런데 이와 같은 인위적인 변화가 반드시 우리에게 이롭기만 한 걸까요? 이 단원에서는 하천의 인위적 변화에 따른 환경적 영향에 대해 살펴보고, 이에 더해 도시화가 진척됨에 따라 범람에 어떻게 영향을 미치는지 그리고 이러한 범람에 대한 대책은 어떤 것들이 있는지 살펴보겠습니다.

인간이 하천에 미친 영향

예로부터 인간은 하천을 관리해왔습니다. 제방을 축조하고, 하도를 준설하며, 운하를 건설하고 보나 댐을 만들었습니다. 이러한 일들은 하천에 어떤 영향을 주었을까요? 인공 제방 축조는 물을 수로에 가두기 위한 것이며, 흔히 수로 정비 작업, 즉 구불구불한 수로를 펴는 작업을 수반합니다. 이는 단기적으로는 건설된 제방의 주변에 범람을 줄이고 유휴 부지를 확보한다는 장점이 있지만, 장기적으로는 그렇게 바람직하지 않은 경우가 많습니다. 그 이유는 늘어난 유량과 유속으로 퇴적물의 운반 응력이 상승되면서 상류 지역에는 토양 유실을 하류 지역에는 과다한 퇴적물 퇴적을 유발하기 때문입니다. 그래서 상류 지역에는 농토와 부지 줄어들게 되고, 하류지역에는 하상이 높아지면서 오히려 범람이 증가하기도 합니다. 또한 인위적인 제방과 퇴적물의 유실로 주변 습지가 사라지며 생물 다양성이 파괴되어 생태계에 커다란 교란이 생기게 됩니다. 하도를 준설하는 것도 인공제방 축조와 비슷한 효과를 냅니다. 하도에 퇴적물이 쌓이면 하상이 높아져 하도가 많은 물을 담을 수 없기 때문에 하천 바닥의 퇴적물을 긁어내어 하천의 배수 용량을 확보하는 것이 하도 준설입니다. 이것도 단기적으로는 하천의 배수 능력을 향상시켜 범람을 줄이는 효과가 있지만, 제방 축조 때와 마찬가지로 하천의 유속을 증가시키면서 토양 및 퇴적물 유실, 하류 지역의 지나친 퇴적물 퇴적 그리고 생태계 파괴를 유발합니다. 운하는 물길을 따라 여객 또는 화물 수송이 가능하도록 하천을 변형시킨 것입니다. 이를 위해서는 제방을 튼튼히 하고, 하도를 똑바로 펴야 하며, 바닥을 긁어 내 수심을 확보해야 합니다. 그러므로 제방 건설과 하도 준설로 인한 환경적 충격이 모두 나타날 수 있습니다. 보 또는 댐 건설은 물을 가두어 가뭄과 같이 물이 부족한 시기에 이용하기 위해 설치합니다. 또 댐을 건설하여 전기를 생산하기도 합니다. 그러나 댐 건설은 환경적으로 매우 큰 부담을 가져옵니다. 댐을 건설하면 댐을 중심으로 그 상류 지역과 하류 지역의 환경이 완전히 바뀌게 됩니다. 댐 상류지역은 물에 잠기지 않던 곳이 물에 잠기고, 댐 하류지역은 물에 잠겼던 곳이 말라버려 그때까지 유지되던 생태계가 완전히 바뀌게 됩니다. 특히 하류지역은 물이 말라 버림에 따라 식생이 제거되며 토양이 노출되어 토양 유실이 심각하게 될 수도 있습니다. 댐이 물을 막으면서 수심이 깊어지고, 산소가 하천 바닥에까지 공급이 어려워져 물의 수질이 급격히 떨어질 수도 있으며, 막힌 물의 순환이 불량해져 부영양화 같은 부작용도 일어날 수 있습니다.

하천에 인위적인 변화 삼가하는 선진국

최근 선진국에서는 꼭 필요한 경우가 아니면 하천에 인위적인 변화를 삼가고 있습니다. 혹시 하천에 공학적인 변화를 주려면, 그에 따른 다양한 환경적 충격을 최소화하는 대책과 함께 시행하여야 합니다. 사진은 1971년 완공된 미국 플로리다 주의 Kissimmee 강의 C-38 운하 모습입니다. 이 운하 건설 이후, 많은 습지가 사라지고, 이에 따라 야생 동물의 수가 급감했으며, 주변 생태계가 파괴되었습니다. 이러한 환경 피해 때문에 당국은 국회의 동의를 얻어 도로 운하를 메웠습니다. 운하가 메워진 후 빠른 속도로 습지와 생태계가 회복되고 있다고 합니다. 한때 동양 최대의 저수량을 자랑했던 소양댐의 모습입니다. 소양댐으로 인해 그 상류 수몰지역의 4,600세대가 다른 지역으로 이동하였으며, 2,700ha의 논밭이 사라졌습니다. 이 댐의 건설로 하류 지역의 홍수 조절에는 기여하였지만, 많은 비에도 수문을 열지 않아 상류 지역이 물에 잠기는 피해를 입었던 적도 있었습니다. 호수로 인한 주변 도시에 자주 끼는 안개 때문에 기관지 계통의 질병을 호소하는 사람도 상존하며, 양구와 같은 도시는 소양호에 의해 길이 차단되면서 춘천에서 3시간 넘게 걸려야 도착할 수 있게 되기도 하였습니다. 이 사진은 세계 최대의 댐 참사 가운데 하나인 이탈리아 바이온트 댐의 붕괴로 쏟아진 물에 의해 폐허가 된 론가로네 마을의 모습입니다. 바이온트 댐은 무솔리니 정권에서 기획되었지만 중단되었다가 다시 추진되어 1959년에 완공된 높이 262m, 두께 27m의 초대형 댐으로 지질학적으로 불안정한 석회암 지역에 건설되었습니다. 이 댐의 건설 당시 많은 사람들이 반대하였으나 정부는 이들을 좌익으로 몰아 탄압하며 공사를 강행하였습니다. 댐 건설 이후 수많은 지진들이 보고되었으나 철저한 언론 통제를 통해 묵살하였습니다. 마침내 1963년 10월 9일 2,286mm의 집중 호우로 댐 위쪽의 Toc 산에 사태가 발생하여 어마어마한 양의 암석들이 갑자기 호수로 쏟아져 들어갔습니다. 이 사태로 댐의 물이 넘쳤고, 이 물과 진흙이 섞여 200m 높이로 순식간에 하류 쪽을 휩쓸었습니다. 이 사고로 2,500여 명이 목숨을 잃었습니다. 물이 넘쳐 그 아래를 휩쓸어 파괴하는 데는 6분밖에 걸리지 않았습니다. 우리나라는 이명박 정부 시절 4대 강 사업이라는 것을 통해 하천에 대대적인 변경을 꾀했습니다. 범람원에 여러 시설과 도로를 설치하고, 보를 건설하고, 하도를 정비하는 등 각종 인위적 공사를 단행한 것입니다. 여기 사진에서 보듯 이 사업으로 인해 주변 생태계가 파괴되고 수질이 악화되는 등 심각한 후유증을 겪고 있습니다. 2014년 6월 대구 달성군 도동 나루터에서 촬영된 낙동강의 녹조 현상입니다. 4대강 사업으로 달성보가 만들어진 후 녹조가 심해졌다는 보고가 있었습니다.

범람의 재발 빈도 예측

하천의 범람을 정확하게 예측할 순 없지만, 규모에 따른 재발 빈도를 살펴봄으로써 대략적인 예측은 가능합니다. 재발빈도란 주어진 규모의 범람이 얼마만큼의 시간 간격으로 일어나는가를 의미하는데, 예를 들어 여기 오른쪽 그래프에서 보듯이 초당 12,000㎥의 유출량으로 인한 범람의 재발 빈도가 10년이라고 합시다. 그렇다면 2011년에 그만한 규모의 범람이 있었다면 그 10년 후인 2021년 즈음에 같은 규모의 범람이 또 있을 것이라는 얘기가 됩니다. 이와 같은 재발 빈도는 주어진 하천에 대해 꾸준한 유출량 측정 자료가 축적되어야 평가가 가능합니다.

도시화와 범람의 관계

현대 사회는 도시화의 시대입니다. 인구는 점점 밀집되고 도시는 점점 커집니다. 그렇다면 이 도시화와 범람은 어떤 관계가 있을까요? 여기 이 그래프가 보여주는 것처럼 일반적으로 도시화가 진행되면 범람 빈도는 증가합니다. 그 이유는 포장면적의 증가로 빗물이 지하로 스며들지 못하고 직접 하천으로 유출되는 양이 증가하기 때문입니다. 하지만 이는 도시화가 어떻게 진행되는가에 따라 조금 다를 수 있는데요. 만일 상업이나 공업 지역과 같은 포장면적이 늘어나는 방식이 아니라, 잔디가 늘어나는 주거 용지가 증가하는 방식의 도시화는 오히려 범람의 빈도를 줄일 수도 있습니다. 또 한 가지 주의해야 할 점은 재발빈도가 큰, 즉 대규모의 범람은 도시화의 진행에 무관한 발생 비율을 보여줍니다.

범람 대책

범람에 의한 피해를 줄이려면 범람원 사용을 규제하고, 보험과 같은 보장 제도를 확충하며, 범람 지도를 작성하여 범람 위험도에 따라 적절한 대책을 마련하도록 하여야 합니다. 또한 혹시라도 있을지 모를 범람 상황에 대비하여 생필품 등을 미리 준비하는 것도 필요합니다. 이 그림은 미국 웨스트버지니아의 필러피 시를 관통하는 타이거트 밸리 강을 중심으로 하는 범람 지도입니다. 이 지도를 보면 하늘색의 범람기가 시작될 때는 지도 중심부의 좁은 지역의 일부 도시가 피해를 입는 것으로 나타납니다. 노란색에 해당하는 소규모의 범람이 일어나면 추가로 지도 중하부의 도시 일부가 물에 잠기며, 중규모의 범람이 일어나면 주로 강의 동쪽에서 강을 따라 길게 침수가 일어남을 알 수 있습니다. 만일 이 지역에 대규모 범람이 발생하면 강의 양쪽으로 강을 따라 상당히 넓게 침수가 일어남을 알 수 있습니다. 이와 같은 범람 지도는 범람의 규모에 따라 어느 정도 지역까지 영향권에 드는지 미리 알 수 있어서 강수량과 하천의 유출량 등에 따라 미리 해당 지역 주민에게 대피령을 내리는 등의 조치를 취해 심각한 피해를 예방할 수 있습니다. 이 표는 사망자 수를 기준으로 한 역사상 최악의 범람들을 정리한 것으로 중국에서의 범람 피해가 어마어마하였던 것을 알 수 있습니다. 예를 들면 역사상 최악의 범람 1위인 1931년 중국의 범람은 무려 250~370만 명의 사망자를 내었습니다.

사태의 개념과 예방하는 방법(산사태)

2011년 유례없는 집중호우 때 일어난 우면산 사태와 춘천 사태를 기억하십니까? 서울 서초구 우면동 우면산 주변에서 일어난 사태는 주변 마을을 덮쳐 16명의 사망자를 기록하였습니다. 춘천시 신북읍 천전리 소양강댐 부근에서 일어난 산사태는 펜션과 민가를 덮쳐 투숙한 대학생들 10명과 주민 3명이 목숨을 잃었습니다. 이 사태들 이전, 이후에도 사태는 끊임없이 일어났고, 크고 작은 피해들을 입혔습니다. 이렇게 위험한 사태는 왜 일어나는 것일까요? 사태로 인한 피해를 어떻게 하면 줄일 수 있을까요?

사태의 개념

사태는 다량의 암석 및 토양 등이 떨어지거나 사면의 경사 방향으로 비교적 빠르게 미끄러지거나 흘러내리는 것을 말합니다. 사태는 지표 물질이 풍화됨에 따라 침식의 일환으로 일어나는 일로 과거부터 지금까지 흔히 일어났던 일이며, 앞으로도 계속 일어날 일입니다. 이러한 사태는 인류에 의해 개발이 진행될수록 더욱 빈번히 발생하게 되었고, 그에 따라 자연스레 그 피해도 늘어갔으며, 결국 인류가 가장 주의를 기울이는 자연재해 중의 하나가 되었습니다. 사태가 우리에게 어떻게 위협이 될 수 있는지는 최근에 일어난 피해 사례를 통해 살펴볼 수 있습니다. 2011년 7월 27일 오전 8시 서울시 서초구 우면동 우면산 인근에서 산사태가 발생해 주변 아파트 단지와 전원마을 등 인근 지역이 토사에 매몰되고 16명의 사망자가 발생했습니다. 이 산사태는 7월 26일 오후 4시 20분부터 27일 오전 7시 40분까지 약 15시간 동안의 호우로 지반이 약화된 상태에서 이후 1시간 동안 폭우가 쏟아짐에 따라 지반이 붕괴되면서 발생한 것으로 조사되었습니다. 이 산사태로 그동안에 사태에 대한 대비가 부족했음이 지적되었고, 이를 계기로 우면산을 포함한 서울의 여러 산에 대한 산사태 안정성을 조사하고, 사태를 미연에 방지하기 위한 대책을 마련하도록 노력하였습니다. 우면산 부근에서 일어난 사태 중 하나의 모습으로 이 사태로 인해 예술의 전당 앞에서부터 사당 사거리까지의 남부순환도로가 통제되었습니다. 우면산 사태의 실제 일어나는 모습은 이 유튜브 동영상에서 보실 수 있습니다. 2013년 1월 11일 눈으로 덮인 윈난성 진웅현 한 농촌 마을을 산사태가 덮쳤습니다. 중국 당국은 재난 구호팀을 긴급히 투입하고 매몰자를 구하고자 하였지만, 결국 매몰자 46명 전원이 사망한 채로 발견되었습니다. 이 산사태는 지진으로 약해진 지반에 한 달간 계속 내린 눈과 비로 인해 사면 물질이 미끄러지면서 발생하였습니다. 이 사진은 당시 산사태 현장에서 매몰된 사람들을 구조하기 위해 구급대원들이 작업하는 모습입니다. 사태는 어떤 원인에 의해서든 사면 물질이 불안정해져서 중력에 의해 사면의 경사 방향으로 움직일 수 있을 때 발생합니다. 이 그림은 사면 물질에 작용하는 힘을 모식적으로 나타낸 것입니다. 이 그림에서 사면에 평행한 힘 두 개가 서로 반대방향으로 작용하고 있는데요. 사면에 경사 방향으로 작용하는 힘은 사태를 일으키는 구동력이고, 경사 방향 반대방향으로 작용하는 힘은 사태가 일어나지 않도록 지탱해주는 마찰력입니다. 만일 마찰력이 구동력보다 크면 사면 물질은 안정하게 존재할 것이며, 반대로 구동력이 마찰력보다 크면 사면 물질은 불안정해져서 경사 방향으로 움직여 사태를 일으킬 것입니다.

사면의 안정도에 미치는 요인

사면의 안정도는 여러 가지 요인에 의해 영향을 받습니다. 이러한 요인들은 구동력 및 마찰력에 영향을 미치는 것들로 그 중 중요한 것들을 정리하면 지질구조, 사면 물질의 양과 종류, 지형, 물, 기후, 식생, 시간 등이 있습니다. 지질 구조란 절리, 층리 및 단층면 등과 같은 구조를 말하는 것인데, 이와 같은 면 구조가 사면과 나란할수록 마찰력이 적어져서 사면이 불안정해집니다. 사면 물질의 양이 많을수록 사면은 불안정해집니다. 사면 물질의 양이 늘어나면 구동력이 마찰력보다 더 많이 커지기 때문입니다. 사면 물질이 약한 물질일수록 사면은 불안정해집니다. 일반적으로 토양, 퇴적물, 암석 순으로 사태에 취약하고, 암석일 경우 셰일이 사암에 비해 사태에 취약합니다. 지형적인 요인은 특히 경사가 중요한데, 경사가 클수록 사태 가능성이 높아집니다. 사면에 존재하는 물은 어느 정도까지는 응집력을 증가시켜 사면에 안정성을 기여하나, 또한 동시에 사면의 하중을 증가시키고 수압의 증가로 인한 입자 간 지지력을 약화시키며, 화학적 풍화를 보다 용이하게 하여 마찰력을 감소시키므로 사면을 불안정하게 합니다. 또한 물로 포화된 사면은 작은 충격에도 입자 간 지지가 사라지면서 약화되어 토석류나 이류가 생길 수 있습니다. 기후, 특히 온도와 강수량은 풍화 속도 및 물의 역할과 밀접히 관련된 요인으로 일반적으로 온도가 높고 강수량이 많을수록 사태의 가능성이 높아집니다. 사면에 자라는 식물들은 사면의 하중을 증가시키기는 하지만, 빗물로부터 사면을 보호하고 빗물이 좀 더 사면에 잘 침투할 수 있도록 도와 입자 침식을 방해하므로 사면의 안정성에 기여합니다. 이런 식물들을 벌목 등을 통해 잘라내면 뿌리는 계속 물을 빨아들이는 데 반해 잎을 통한 증산 작용이 없기 때문에 사면을 불안정하게 합니다. 더욱이 벌목 후 뿌리가 썩으면 이로 인해 사면의 마찰력이 크게 감소하여 사태를 유발하기도 합니다. 화재로 식물들이 타버리면 초기에는 재 및 기타 화재 후 소수성 물질 때문에 사면에 물이 쉽게 스며들지 못해 안정하지만, 시간이 지나면 벌목과 비슷한 이유로 불안정해지게 됩니다. 사면의 안정도는 시간에 따라 변화합니다. 그러므로 주기적으로 사면의 안전도를 계속 점검하여야 합니다. 사면 안정성에 대한 지질 구조, 물 및 시간의 영향을 종합적으로 보여줍니다. 층리를 갖는 곳에 계곡이 발달해서 양쪽에 사면이 만들어집니다. 층리가 왼쪽에서 오른쪽으로 경사하므로 왼쪽 사면의 마찰력이 더 낮아 왼쪽 사면이 오른쪽 사면보다 불안정합니다. 당장 왼쪽 사면이 무너져 내리지 않더라도 시간이 지나면 사면의 층리에 따라 스며든 물이 암석을 풍화시켜 점토광물을 만들고 그로 인해 사면의 마찰력이 더욱 감소하여 결국 사태가 발생하게 됩니다. 여러분은 모래 장난을 해보신 적이 있으신지요? 정말 마른 모래는 쌓아 올리면 잘 흘러내려 작은 경사의 사면을 만듭니다. 여기에 약간의 물을 섞으면 응집력이 생겨 모래성을 쌓을 수 있을 정도로 높은 경사를 유지할 수 있습니다. 그런데 모래에 지나치게 물을 많이 부으면 모래와 모래 사이가 떨어질 정도로 물이 가득 차게 되고, 모래성은 무너져 내리게 됩니다. 자연 사면에서의 물의 역할도 이와 똑같습니다. 적정량의 물은 사면을 안정시키지만, 너무 많은 물은 오히려 사면을 불안정하게 합니다. 인간에 의한 개발은 피치 못하게 사면을 변형시키고, 그로 인해 사면을 불안정하게 하여 좀 더 자주 그리고 많은 곳에서 사태가 일어나도록 합니다. 개발을 하면 지질 조건을 악화시켜서 누수로 인해 지형을 인위적으로 변형시키기 때문에 또는 이 모든 이유로 사면이 불안정해집니다. 지질 조건의 악화는 개발에 의한 층리, 절리, 단층면 등의 층상 구조나 풍화에 약한 암층을 노출시키는 것입니다. 이로 인해 사면이 불안정해질 수 있습니다. 개발을 하면 상수 및 하수관, 저수조 및 정화조 등을 설치하게 되는데, 이로부터 누수가 필연적으로 생기게 됩니다. 그리고 용수 활동으로부터 물의 유입 등을 피할 수 없게 되면서 사면의 안정도를 크게 떨어뜨립니다. 개발하는 과정에서 사면의 길이나 경사를 증가시키거나 사면 하단부를 깎아 상대적으로 사면 하중을 늘리는 것과 같은 지형의 변화를 초래하며, 이로 인해 사면이 불안정하게 됩니다. 2009년 4월 6일 이탈리아 중부를 강타한 지진으로 인해 수도관이 파열되면서 일어난 사태의 모습을 보여주는 것입니다. 지진 때문이긴 하지만 인간이 묻은 수도관이 터져 누수가 생기면서 사면을 불안정하게 하고 결국은 사태를 일어나게 한 예입니다. 이 사진은 말레이시아 Penang 건설현장에서 사태가 일어난 모습입니다. 이 사고로 최소 15명이 매몰되었습니다. 이 사태는 건설로 인해 사면을 만들고 변화시켜서 일어난 것으로 보입니다.

사태에 의한 재해 최소화 및 예방을 위한 방법

사태에 의한 재해를 최소화하기 위해서는 사태 가능 지역을 충분히 인식하고, 이들 지역에서 사태가 발생하지 않도록 미리 방지하는 한편, 사람들이 활동하는 것을 가능한 한 억제하는 것이 필요합니다. 사태 가능 지역은 지질조사, 사태 이력조사, 사면 안정성 지도 작성 그리고 여러 징후 관찰을 통해서 인식할 수 있습니다. 지질 조사를 통해 지질학적으로 사태에 취약한 지역을 구분할 수 있습니다. 이전 사태 빈도 조사를 통해서는 과거로부터 사태가 좀 더 자주 발생한 지역을 구분할 수 있습니다. 사면 안정성도를 작성하면 각 사면의 사면 안정성을 평가하여 공간적으로 사태 가능 지역을 표시할 수 있습니다. 이밖에 사면의 사태의 위험성은 건물 벽 등의 균열, 창문틀의 어그러짐, 지하관의 파손·누수, 나무·전신주·울타리 등의 삐뚤어짐, 기울어짐, 사면 기저에 물이 스며 나옴 등과 같은 징후를 관찰함으로써 인지할 수 있습니다. 하와이 오하우 섬의 사면 안정성도의 일부입니다. 이 지도에는 안정 및 불안정 사면이 표시되어 우리가 어떤 부분에 경각심을 가져야 되는지를 알 수 있습니다. 2007년 메인 주에서 사태가 일어나면서 바닥에 생긴 균열의 모습입니다. 이와 같은 균열은 사태가 일어나기 전에 전조처럼 생길 수 있어 사태를 사전에 인지하는 데 이용할 수 있습니다. 사면의 기저 부분에 물이 스며 나오는 모습입니다. 이와 같이 물이 스며 나오면 사면이 불안정할 가능성이 많습니다. 사태를 예방하기 위해서는 가능한 한 안정 사면에 변화를 주지 말아야 합니다. 사태의 위험성이 높은 사면에 대해서는 여러 가지 공학적 보강을 통해 안정화시킵니다. 공학적으로 사면을 안정시키는 방법의 예로는 배수, 경사 완화, 축대 쌓기, 암석 볼트 박기 등이 있습니다. 사면에 배수관 및 배수로를 설치해 물을 제거함으로써 안정성을 높일 수 있습니다. 계단식 정리 작업 같은 것을 통해 사면을 완화시켜 안정성을 높일 수 있습니다. 사면 아래에 사면 물질을 지지할 수 있는 축대를 쌓으면 사면의 안정성이 향상됩니다. 사면에서 떨어지거나 미끄러지기 쉬운 암석을 볼트를 통해 고정하여 안정성을 높일 수도 있습니다. 이 사진은 계단식 사면 정리 작업을 하는 모습입니다. 이 사진은 사면의 안정화를 위해 축대를 쌓은 모습입니다. 암석 볼트를 박아 넣는 모습입니다.

풍화, 침식, 운반 그리고 퇴적의 개념과 역할

지표 부근에서 암석은 잘게 부서지고 깎여나가며, 부서진 조각들은 다른 곳으로 운반되어 쌓입니다. 이러한 일련의 과정은 주로 태양에너지와 중력 에너지가 하는 일입니다. 풍화, 침식, 운반 및 퇴적에 대해 얘기해보겠습니다.

풍화의 개념

풍화, 즉 Weathering이란 지표 부근의 환경에서 지구 구성물질들, 특히 암석이 이 환경 조건에 따라 분해 및 재구성되는 현상을 말합니다. 분해되는 물질들은 암석, 유기물 또는 기타 고형 물질들로 현재 놓인 환경과는 다른 환경에서 생성되어 궁극적으로는 불안정한 물질들이며, 지질학에서는 주로 암석의 분해를 풍화라 지칭합니다. 풍화를 통한 고형 물질의 분해는 단순 기계적인 부서짐과 함께 화학적인 반응을 통한 분해를 포함합니다. 우리는 전자를 물리적 또는 기계적 풍화라 하고, 후자를 화학적 풍화라 합니다. 이 둘은 많은 부분 무기적으로 진행되지만 적지 않은 양은 생물의 활동을 통해서도 이루어집니다. 그럼 물리적 풍화와 화학적 풍화에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다. 물리적 풍화란 물리적인 힘 또는 기계적인 작용을 통해 물질을 부수거나 깨뜨리는 작용입니다. 물리적 풍화를 일으키는 요인은 온도 변화, 동결, 압력 변화, 수류 작용, 광물 성장 및 기타 생물에 의한 작용 등이 있습니다. 온도 변화는 물질들의 온도에 따른 신장 수축의 차이로 인해 깨지거나 부서지게 합니다. 동결, 특히 물의 동결로 인한 부피의 증가로 틈 사이가 벌어지면서 깨집니다. 압력 변화는 본래 만들어진 환경보다 압력이 감소하는 것을 의미하는 것으로 이 때문에 물질이 팽창하면서 갈라지거나 떨어져 나갑니다. 수류는 틈에 공기를 가두었다가 후에 이를 팽창시켜 틈을 벌립니다. 벌어진 틈과 같은 빈 공간에서 광물이 성장하면 이 광물 성장의 힘으로 틈을 더욱 벌리거나 쪼갭니다. 생물에 의한 물리적 풍화는 예를 들어 이끼 등이 바위 표면에 붙어 수분을 유지하여 이 수분에 의한 물리적 풍화를 유발하거나 식물의 뿌리 등에 의해 틈이 좀 더 깊어지고 넓어지는 물리적 풍화가 진행되는 것들을 말합니다. 이 그림은 동결에 의해 암석이 어떻게 쪼개지는지를 보여줍니다. 쐐기 모양의 벌어진 틈에 물이 차고, 이 물이 얼면 부피가 증가하면서 틈 양쪽의 암석을 밀어내 쪼갭니다. 아래는 실제로 이와 같은 동결 쐐기 작용에 의해 깨진 암석을 보여줍니다. 그 옆의 사진은 식물의 뿌리가 돌 틈으로 파고 들어가 성장을 하면서 암석을 쪼개는 장면과 암석의 깨진 틈으로 나무가 자라면서 암석을 쪼갠 장면을 보여주는 사진입니다. 이 사진은 미국 Zion 국립공원에서 흔히 볼 수 있는 암석 낙하 사진입니다. 이 암석 낙하는 동결 쇄기 작용에 의해 암석이 깨지면서 발생하였습니다. 이 사진은 미국 Yosemite 국립공원의 화강암이 그 외형을 따라 얇게 쪼개져 있는 것을 보여줍니다. 이것을 박리(Exfoliation)이라 하는데, 지하 깊숙이 있던 화강암이 지표에 노출되면서 압력이 제거되어 팽창하면서 일어나는 물리적 풍화현상입니다. 이 사진은 미국 Guadalupe 산맥 국립공원에서 식물의 뿌리가 암석의 틈으로 파고 들어가 쐐기 작용을 일으키면서 물리적 풍화를 일으키는 모습입니다.

화학적 풍화의 개념

화학적 풍화는 화학 반응을 통해 물질을 분해하는 것인데, 여러 반응 매질을 통해 진행될 수 있으나 지표에서는 대개 물을 매개로 진행됩니다. 화학적 풍화를 일으키는 반응들로는 용해, 가수분해, 산화 등이 있습니다. 이 외에도 몇 가지 풍화 반응들이 있지만 이 세 가지 반응을 통해 주로 화학적 풍화가 이루어지며 이를 통해 굳은 암석들은 약해지고 부서지게 됩니다. 이 사진은 펜실베니아 스테이트 칼리지 도로변에 노출된 오르도비스기의 비교적 신선한 석회암과 풍화된 석회암을 보여줍니다. 오른쪽의 노드를 보면 층간에 움푹 들어간 것이 보이는데, 이는 석회암을 구성하던 탄산염 광물이 선택적으로 화학적 풍화를 통해 용해된 결과이며, 암석의 깨진 틈을 따라 토양이 채워진 것을 볼 수 있습니다. 토양이 약간 붉은 것은 화학적 풍화 산물인 산화철의 존재 때문입니다. 이 사진은 영국 모레이 지역의 풍화된 화강 압입니다. 화학적 풍화에 의해 원래 암석의 특징이 많이 지워져 있습니다. 이 풍화 단면에는 많은 카올리 나이트 류 광물이 포함되어 있는데, 이는 화강암을 구성하던 장석류가 가수분해를 통해 만들어진 것입니다. 물리·화학적으로 풍화된 물질들은 쉽게 침식되고 운반되어 적절한 장소에 퇴적되게 됩니다. 이 작용들을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

침식, 운반, 퇴적의 개념

침식(Erosion)은 지표 부근의 물질들이 중력이나 유체의 힘에 의해 제거되는 현상입니다. 풍화에 의해 생성된 미고결 물질들은 훨씬 쉽게 제거될 수 있기 때문에 침식당하는 것은 주로 이런 풍화 산물들이지만, 드물게 풍화되지 않은 물질들도 침식될 수 있습니다. 침식당한 물질들은 원래 있는 곳으로부터 다른 곳으로 이동되는데 이를 운반이라고 하고, 운반되는 물질들을 짐(load)이라고 합니다. 짐은 바닥에 끌리거나 구르거나 튀어서 운반되는 밑짐, 뜬 채로 운반되는 뜬 짐, 그리고 녹아서 운반되는 녹은 짐으로 구분됩니다. 유체의 운반력이 감소하면 어느 순간 바닥으로 내려앉아 더 이상 움직이지 않게 되든지 과도하게 녹은 성분들은 침전되어 쌓이게 됩니다. 이렇게 가라앉아 쌓이는 것을 퇴적, Deposition 또는 Sedimentation이라 합니다. 이와 같이 침식-운반-퇴적은 서로 매우 긴밀한 관계를 갖고 있는 일련의 지질 현상입니다. 침식-운반-퇴적 작용을 하는 유체는 크게 유수, 바람 그리고 빙하가 있습니다. 유수는 빗물을 위시해서 하천수 및 강수 그리고 해수를 포함합니다. 유수의 침식 및 운반 능력은 유체의 유속, 점도 및 밀도에 의해 결정됩니다. 이들 유속, 점도 및 밀도가 어떻게 짐을 움직이고 운반하고 가라앉히는지에 대한 자세한 내용은 다른 전문서적을 참고하시기 바랍니다. 에스토니아 룸 무의 언덕인데, 빗물에 의해 침식된 모양을 잘 보여줍니다. 여기 이 그림은 소위 휼스트롬 도표라 부르는 것으로 유속과 침식-운반-퇴적되는 짐의 입자 크기와의 상관관계를 보여줍니다. 그림에서 두 개의 곡선이 그려져 있고 이 두 곡선이 침식, 운반, 퇴적이라는 세 영역으로 나누는 것을 볼 수 있습니다. 아래쪽 곡선보다 낮은 영역에 해당하는 유속과 입자 크기를 가지면 퇴적되어야 하며, 위쪽 곡선보다 높은 영역의 유속과 입자 크기를 가지면 침식된다는 뜻이고, 그 중간에 해당하는 유속과 입자 크기를 가지면 운반될 수 있다는 뜻입니다. 먼저 아래쪽 곡선을 보면 유속이 증가할수록 더욱 커다란 짐을 침식해서 운반할 수 있음을 보여줍니다. 입자 크기가 매우 작아지면 낮은 속도로도 운반할 수 있지만, 위쪽 곡선이 나타내듯이 일단 퇴적된 입자들을 다시 띄워 침식시키기 위해서는 오히려 입자 크기가 작아질수록 더 높은 속도가 필요하게 됩니다. 이는 입자가 작아지면서 서로 보다 잘 엉겨 마치 큰 입자처럼 행동하기 때문입니다. 유수의 점도와 밀도는 뜬 짐 및 녹은 짐의 양에 따라 결정되며, 이들에 비례해서 침식력 및 운반력도 증가하게 됩니다. 폭우가 내린 날 뜬 짐을 가득 가진 흙탕물이 얼마나 파괴적일 수 있는지를 생각해보시기 바랍니다. 이때는 평상시 하천 바닥에 가라앉아 움직이지 않던 비교적 큰 돌덩이들도 하천에 휩쓸려 내려가는 일이 생깁니다. 이것은 물론 유속이 평상시보다 빨라서이기도 하지만, 많은 양의 뜬 짐으로 인해 높아진 밀도와 점성으로 더 큰 침식, 운반력을 갖기 때문이기도 합니다. 이 그림은 물에 의해 운반되는 밑짐과 뜬 짐 그리고 녹은 짐을 나타냅니다. 녹은 짐은 물에 녹아 있어 눈에 보이지는 않습니다. 물에 의해 운반되던 짐이 퇴적되어 쌓인 후 굳어지면 퇴적암이 됩니다. 밑짐 및 뜬 짐은 부서진 조각 및 가루들이므로 쇄설성 퇴적암이 됩니다. 이 사진은 나일 강 하구에 발달된 삼각주의 모습을 보여줍니다. 이 삼각주는 나일 강이 운반하던 뜬 짐을 퇴적시켜 만든 것입니다. 나중에 이것이 굳어져 퇴적암을 만들 것입니다. 녹은 짐은 침전되어 화학적 퇴적암이 됩니다. 여기서 한 가지 주의할 것은 녹은 짐의 퇴적은 유속 등과 같은 물리적 요인들이 아니라 포화 여부에 따라 결정된다는 점입니다. 캘리포니아 동부의 Deep Springs Lake가 마르면서 녹은 짐을 침전시키는 모습입니다. 이 침전물은 나중에 암 석화되면 증발 암이 됩니다. 퇴적암의 분류에 대한 내용은 이 강좌의 암석 부분을 참조하도록 하고, 더욱 자세한 것은 해당 분야의 전문서적을 통해 공부하도록 합시다. 바람에 의한 침식-운반-퇴적도 유수와 크게 다르지 않습니다. 하지만 바람은 물보다 밀도가 훨씬 낮고 그 변화도 적어 주로 속도에 따라 그 능력이 결정되며, 운반할 수 있는 물질의 크기가 극히 제한적입니다. 바람에 의해 운반되는 입자들은 떨어졌다 튀어 오르기를 반복하면서 움직이는 일이 매우 흔하며, 이런 이유로 운반 입자들은 일정 높이 이상 오르지 못하게 되어 이 사진과 같은 독특한 침식 지형이 만들어집니다. 바람의 운반력이 다하면 짐들은 떨어져 퇴적되게 되는데, 이렇게 형성된 퇴적암을 풍성 퇴적암이라 합니다. 빙하는 물이나 바람과는 매우 다른 침석-운반-퇴적 양상을 보입니다. 빙하의 이동은 자체 하중에 의한 소성 변형에 의해 이동합니다. 빙하에 의한 침식 및 운반력은 빙하의 이동 속도와 크게 관련이 없습니다. 이 사진은 빙하가 운반하는 짐과 그 주변의 퇴적물들을 보여줍니다. 빙하가 운반하는 짐은 빙하 위로 떨어진 것, 빙하의 측면 및 바닥에서 긁어 만들어진 것 그리고 빙하의 틈을 따라 아래로 이동하는 암석 부스러기들로 이루어져 있습니다. 이렇게 운반되는 짐들은 빙하가 따뜻한 곳으로 움직여 녹을 때 그곳에 퇴적됩니다. 이렇게 퇴적된 퇴적물을 빙퇴석이라 하고, 이것이 굳어져 된 암석을 빙성 퇴적암이라고 합니다. 빙하가 물러나면 빙하 퇴적물과 빙하에 의한 침식 지형이 남습니다. 빙하 침식 지형의 특징은 뾰족한 산릉, U자 모양의 계곡 그리고 빙하가 끌린 흔적인 빙하 조선 등을 꼽을 수 있습니다. 빙하 조선은 '빙하에 의해 생겨진 선 모양의 홈'이라는 뜻인데요. 사진은 캐나다에서 볼 수 있는 빙하 조선과 미국 Glacier 국립공원의 빙하 지형의 모습입니다.

자연재해 - 범람의 개념과 피해

물은 인간에게 있어 생명과도 같은 물질이지만, 때론 지나치게 많아 피해를 입히기도 합니다. 그중에 하나가 바로 범람입니다. 범람은 너무 많은 비로 물이 넘쳐 일어나는데, 가축과 사람의 생명을 앗아갈 뿐만 아니라 재산상의 피해도 유발합니다. 자연재해 중 기상재해로 분류되는 범람은 전 세계에서 가장 발생 빈도가 높으며, 최근에 발생하는 자연재해의 대부분을 차지합니다. 이 단원에서는 범람에 대해 자세히 알아봅니다. 범람이란 보통 때에는 마른땅이었던 곳이 물에 잠기도록 물이 넘치는 현상입니다. 이것은 하천, 호수 또는 해수가 너무 많은 물을 받아 물이 제방을 넘을 때 생깁니다. 범람은 하천을 따라 가장 자주 일어나는데, 하천 범람의 경우 하천 상류에서 발생하는 상류 범람과 하류 지역에서 발생하는 하류 범람으로 구분할 수 있습니다. 상류 범람은 짧은 시간에 집중적으로 비가 와서 하천의 배수 능력보다 더 많은 물이 공급되어 상류 지역에서 일어나는 범람으로 단기간에 좁은 지역에서 일어납니다. 하류 범람은 긴 시간에 걸쳐 계속되는 비로 너무 많은 물이 모여 하류 지역에서 일어나는 범람으로 장기간 넓은 지역에 걸쳐 일어납니다. 이 사진은 범람의 예를 보여주는 것으로 왼쪽의 것은 1997년 스페인 알리칸테에서 일어난 범람으로 도시가 물에 잠겼습니다. 오른쪽의 사진은 2002년 한강의 범람으로 올림픽대로가 물에 잠긴 것입니다. 범람은 주로 하천을 따라 발생하므로 우선 하천에 대해 간단히 알아보겠습니다.

하천의 범람

하천 또는 강은 보통 집수역이라 부르는 한 지역의 주력 배수 수단입니다. 따라서 하천의 배수 능력은 범람을 결정하는 주요인이 됩니다. 집수역은 해당 하천으로 물이 보이는 지역을 가리키는 말입니다. 하천은 아마도 육지에서 일어나는 침식, 운반 그리고 퇴적 작용의 가장 중요한 매체일 것입니다. 하천의 끊임없는 이러한 지질 작용으로 자연 제방과 사행천이 만들어지며, 좀 더 높은 곳은 깎이고, 낮은 곳에서는 퇴적물이 쌓이면서 지형이 변해갑니다. 하천은 아직도 인간 생활에 중요하게 관여합니다. 많은 사람들이 하천으로부터 필요한 식수 및 산업 용수를 공급받으며, 주요 운반 수단으로, 레저의 대상으로 사용합니다. 발원지부터 하구까지의 하천 각부의 명칭을 보여줍니다. 여러 개의 하천이 합쳐 좀 더 큰 물줄기를 이루면 흔히 강이라 부릅니다. 이때보다 큰 물줄기에 합쳐지는 하천들을 지류라고 합니다. 하천은 샘과 같은 수원지에서 시작할 수도 있습니다. 하천이 다니는 길을 하도, channel이라고 부르는데 이 길이 반듯한 법은 거의 없습니다. 하도가 구불구불 휘어져 흐르는데 이를 곡류 또는 사행천이라고 합니다. 상류 산악 지역에서는 높은 산들로 둘러싸여 하천이 자유롭게 곡류를 이룰 마땅한 공간이 많지 않습니다. 좀 더 하류로 내려가면 하천이 곡류를 이루면서 이리저리 왔다 갔다 할 수 있는 편평한 공간이 생깁니다. 이 편평한 공간은 평상시에는 물이 없지만 비가 많이 내리면 하천으로부터 넘친 물에 잠기게 됩니다. 이렇게 물에 잠기는 편평한 곳을 범람원이라고 부릅니다. 범람원에는 평상시에 물이 얕게 차있는 습지가 있을 수도 있고, 과거 하도였던 곳이 잘려 남아 만들어진 호수가 있을 수도 있습니다. 이 호수는 소 뿔 같이 생겼다 해서 우각호라고 합니다. 하천이 마침내 바다와 같은 넓은 물과 만나면 갑자기 너비가 넓어지는데, 이는 마치 관악기의 벨 모양으로 생길 때가 많습니다. 이런 부분을 하고, estuary라고 합니다. 하천의 세로 단면을 보면 오른쪽 그림과 같이 생겼습니다. 이 단면은 좌우 대칭입니다만, 대칭이 아닐 경우도 많습니다. 평상시에는 하도 내에 물이 흐르다가 범람이 일어나면 이와 같이 물이 넘쳐 범람원을 물에 잠기게 합니다. 이때 운반하던 퇴적물을 하도 주변과 범람원에 퇴적시키는데, 이와 같은 일이 몇 번 반복되면 여기 마지막 그림처럼 하도와 범람원 사이에 자연적으로 약간 높은 언덕을 만들게 되는데, 이를 자연제방이라고 부릅니다. 하천과 그 주변의 범람원을 좀 더 자세하게 표현한 것입니다. 이 범람원을 가로질러 하류 쪽으로 곡류가 흐르고 있습니다. 이 곡류와 평행하게 때로는 작은 하천이 같이 흐를 수도 있습니다. 범람원에는 과거 곡류 하도의 흔적들이 많이 남아 있을 수 있습니다. 하도가 휘게 되면 휘어진 안쪽은 물의 유속이 느려 퇴적이 일어나고 바깥쪽은 유속이 빨라지며 침식이 일어납니다. 휜 안쪽에 퇴적이 일어나 모래톱이 만들어지는데, 이를 사주라고 부릅니다. 휜 안쪽에 퇴적이 일어나고 바깥쪽에 침식이 일어나면서 하도가 휜 방향으로 더욱 휘게 됩니다. 하도가 너무 심각하게 휘게 되면 중간에 끊어지게 되면서 예전 하도가 기존의 하천으로부터 분리돼 우각호를 만들게 됩니다. 범람원에는 하천 퇴적물이 쌓이게 되는데, 이를 충적층이라고 합니다. 이 사진은 인공위성에서 찍은 미국 미시시피 강의 모습인데요. 현재의 곡류와 그 주변의 수많은 예전 곡류의 흔적과 우각호를 볼 수 있습니다. 이제 막 우각호를 만드는 곳도 몇 군데 보입니다. 범람은 매우 빈번히 일어나는 자연재해입니다. 범람에 의한 피해는 강수량, 배수량, 지형, 범람원 사용 여부, 인구 밀도 등에 의해 그 규모가 결정됩니다. 일반적으로 강수량이 많으면 더 큰 규모의 범람이 일어나 피해가 커집니다. 하지만 단순히 강수량이 많은 것보다 짧은 시간에 집중적으로 강수량이 많은 것이 훨씬 큰 피해를 일으킵니다. 배수량이 크면 웬만큼 큰 비가 와도 범람이 일어나지 않을 수 있습니다. 배수량이 작으면 작은 비에도 범람이 빈번하게 일어납니다. 지형의 기복이 심한 곳보다 넓고 편평한 곳이 범람의 피해를 키울 수 있습니다. 약간의 범람으로도 넓은 지역을 침수시킬 수 있기 때문입니다. 범람원에 건물을 짓거나 시설물을 설치하는 등 범람원을 사용할수록 범람이 일어날 경우 더 큰 피해를 입습니다. 우리나라처럼 용지 면적이 많지 않은 나라에서는 범람원을 집중적으로 사용하는 경향이 있습니다. 이 때문에 범람이 일어나면 많은 인명 및 재산 피해가 일어날 수 있습니다. 인구 밀도가 높은 곳일수록 범람에 의한 피해도 증가합니다. 이는 범람의 사용 정도가 늘어날수록 피해가 늘어나는 것과 비슷한 이치입니다. 범람에 좀 더 많은 사람과 재산이 노출되기 때문입니다.

범람에 의한 일차적피해, 이차적 피해

범람에 의한 피해는 일차적 피해와 이차적 피해로 나누어 볼 수 있습니다. 일차적 피해는 범람에 의해 직접적으로 발생하는 피해로 인명피해, 재산손실, 단전 및 단수, 토양 유실, 수질 오염 등이 있습니다. 이차적 피해는 범람에 의해 일어난 후유증으로 생기는 피해로 질병 또는 전염병 유발, 식량 및 식수와 같은 생필품 부족, 경기 침체 그리고 기타 정신적 피해 등이 있을 수 있습니다. 우리나라는 장마와 태풍으로 인해 7월과 9월 사이에 집중적으로 비가 내려 매년 많은 피해를 입습니다. 특히 2011년에는 7월 달에 집중호우가 내리면서 홍수뿐만 아니라 사태로 인해서 많은 피해가 있었습니다. 이 해에 범람으로 인한 피해는 최근 10년 이래 최악을 기록했는데, 서울특별시에서만 이재민 총 34,253명, 사망 22명, 재산 총액 313억에 달하는 피해를 입었습니다. 이때 전국적으로는 이 집중호우에 의해서만 69명의 사상자와 8명의 실종자 그리고 4,890억의 재산피해가 있었습니다. 사진은 2011년 7월의 집중 호우로 서울 강남 대치동 사거리가 물에 잠긴 모습입니다. 이 호우는 21세기 우리나라 최악의 호우입니다. 2011년 못지않게 그 한 해 전인 2010년에도 추석 연휴 기간에 집중호우가 있었습니다. 그 당시 광화문 거리가 물에 완전히 잠겨 있는 모습을 볼 수 있습니다. 지금까지 범람의 원인, 하천과 범람원의 특징, 범람에 의한 피해 등에 대해 알아보았습니다.

생명의 탄생에 관한 가설(무 기원설)과 초기 생명체의 증거

우리 지구 상에 지구 상에 생명체가 어떻게 탄생하였고 초기 생명체 존재의 증거는 어떤 것들이 있는지 살펴보도록 하겠습니다. 지구 상에 생명이 어떻게 시작되었는지는 아직 정확히 알지 못합니다. 현재 과학자들이 대체로 동의하는 것은 무기적인 방법으로 생명체가 탄생했다는 무기 기원설입니다. 무기 기원설은 무생물적인 화학반응을 통해 무기물들로부터 유기물이 만들어지고, 이 유기물들이 모여 좀 더 복잡한 유기물들을, 그리고 이것들이 모여 스스로 대사와 복제가 가능한 생명체가 만들어졌다는 가설입니다. 17세기 전까지 사람들은 생명체가 자발적으로 생겨난다고 믿었습니다. 이를 자연 발생설이라 하는데, 일정한 조건만 만족하면 부모 없이도 생명체가 저절로 생겨난다는 가설입니다. 현미경과 같은 과학적 관찰 기구가 부족한 상황에서 사람들은 아무것도 없던 빵에서 곰팡이가 생기고 동물 시체에 구더기가 꼬이며 바위에는 이끼가 덮이고 진흙 속에서 지렁이가 꿈틀거리는 것을 보고는 생명이 저절로 생긴다고 생각하게 되었던 것입니다. 그러나 17세기부터 19세기에 이르는 일련의 관찰과 실험을 통해 이런 생각이 잘못되었음이 드러났습니다. 1668년 프란체스코 레디는 고기에 파리가 알을 낳지 못하게 막음으로써 구더기가 생기지 않는다는 사실을 관찰했고, 1768년 라차로 스팔란차니는 공기 중에 미생물이 있어 이들을 끓여 살균할 수 있음을 보여주었으며, 그리고 마침내 1861년 루이 파스퇴르는 일련의 실험을 통해 박테리아나 균류 생물은 저절로 생겨나는 것이 아니라 외부로부터 감염되어 온다는 것을 보여주었습니다.

생명 탄생에 대한 가설(무 기원설)

무기 기원설의 시초가 되는 것은 1924년 알렉산더 오파린이 그의 저서 「생명의 기원」에서 제시한 생명 탄생에 대한 가설입니다. 오파린은 원시 지구의 환경이 지금과는 몹시 달라 파스퇴르 등이 틀렸음을 증명한 자연발생적 생명의 탄생이 생명이 아직 존재하지 않는 조건에서는 가능했었다고 생각하였습니다. 그의 가설에 따르면 원시 지구에는 산소 결핍 환경 하에서 태양 에너지에 의해 유기물이 풍부하게 만들어질 수 있었습니다. 이렇게 만들어진 유기물이 바닷물과 섞여 있는 것을 primeval soup 또는 primordial soup이라고 불렀습니다. 이를 우리말로 하면 '원시 국' 또는 '원시 수프'정도 되겠습니다. 이런 유기물들이 모여 코아세르베이트라는 구형 물질을 만들고 이것이 모여 점점 커지다가 분열에 의해 자신과 닮은 것을 만들면서 가장 원시적인 생명의 특징을 갖게 되었다고 하였습니다. 비슷한 시기에 존 할데인은 생명체 이전의 원시 바다에서 유기물이 만들어져 뜨거운 멀건 유기물 국과 같았을 것이라고 말했습니다. 오파린과 할데인의 가설은 시카고 대학의 헤롤드 유레이가 지도하였던 대학원생 스탠리 밀러의 1952년 실험으로 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 이 실험은 흔히 밀러-유레이 실험이라고 불리는데 원시 지구의 대기가 주로 메탄, 암모니아, 수소로 구성되어 있다고 가정하고, 여기 이 그림과 같은 장치를 만들어 원시 지구에서 물의 증발과 응결 그리고 전기 방전 같은 과정을 통해 유기물이 만들어질 수 있는가를 확인한 실험입니다. 이 실험 결과물을 분석한 결과, 20여 종 이상의 아미노산이 검출되었습니다. 무기물로부터 자연적인 과정을 통해 유기물이 만들어질 수 있음은 확인되었습니다. 하지만 분석된 아미노산이 실제 생명체에게서 발견되는 아미노산과는 달랐습니다. 이는 실제의 원시 대기의 성분이 밀러가 생각했던 것과는 상당히 차이가 있음을 암시하는 것이었습니다. 요즘에 과학자들은 원시 지구의 대기는 당초 생각했던 것처럼 메탄이나 암모니아보다는 수증기와 함께 이산화탄소 및 황화수소 가스로 주로 이루어져 있었을 것으로 생각하고 있습니다. 이들보다 조금 뒤 시드니 폭스와 카오루 하라다가 비슷한 실험 결과를 냈으며, 특히 폭스는 증발 과정을 통해 단순 아미노산보다 좀 더 복잡한 준단백질, 즉 프로테노이드를 합성하였습니다. 현대의 대부분의 생명 기원설은 오파린-할데인 가설에서부터 시작합니다. 즉, 지금과는 매우 다른 환원 환경에서 최초의 생명의 탄생은 무기물로부터 화학적인 반응을 통해 유기물이 만들어지고, 이 유기물들이 모여 좀 더 커다란 복합체를 만들면서 시작되었다는 것입니다. 하지만 아직까지 생명의 탄생에 대한 표준 모델은 없습니다. 현재 존재하는 한 가설들 사이에서 논쟁이 되는 점은 과연 최초의 유기물은 지구에서 만들어졌는지, 유기물의 합성을 위한 에너지는 어떻게 공급되었는지, 어떻게 처음에 단위체 유기물들이 결합하여 중합체를 형성하였는지, 그리고 이 중합체가 어떻게 대사와 복제가 가능한 생명체로 발전하게 되었는가에 대한 점입니다.

초기 생명체들에 대한 증거

지구의 나이는 대략 45~46억 년 정도 됩니다. 지구 상에 최초 생명체 기록은 지구의 탄생 후 약 10억 년이 흐른 35억 년 전 하데안 시기에 형성된 호주 아펙스 처트 층에서 발견된 화석 비슷한 물체일지도 모릅니다. 호주 아펙스 층의 모습과 그 안에서 발견된 화석이라고 믿어지는 것의 모습입니다. 이 필라멘트처럼 생긴 것은 스트로마톨라이트를 만든 미생물인 사이 아노 박테리아와 유사한 것으로 추정되었습니다. 하지만 이 물질을 조심스럽게 분석한 결과는 이 물질이 석영 및 적철석과 다른 광물로 되어 있어 이거는 그냥 틈을 매운 무기물이지, 실제로 화석이 아닐 수도 있다는 주장도 있었습니다. 만일 아펙스 처트에서 발견된 것이 정말로 화석이라면, 이 아펙스 화석은 가장 원시적인 미생 울보다 훨씬 복잡한 구조를 갖는 것으로, 이를 볼 때 최초의 생명체 탄생은 이보다 한참 전이었음을 짐작하게 합니다. 캐나다 퀘벡 지역의 누부 에이지 잇 턱 그린스톤 벨트에는 일련의 변성 퇴적암이 산출되는데, 그중에는 여기 이 사진에서 보는 것과 같은 banded iron formation이라 부르는 호상 철광층이 포함되어 있습니다. 이 철광층은 대략 37억 년~42억 년 전에 퇴적된 것으로 추정되는데, 학자들은 이 철광층의 일부인 처트에서 아펙스 처트에서 본 것과 비슷한 물질을 발견하고 이를 미화석이라고 하였습니다. 이 물질이 실제 화석인지와는 별개로 많은 학자들은 이 철광층이 생명체에 의한 대기 중의 산소 집적이 일어나는 시기에 만들어졌으며, 사이사이에 퇴적한 처트도 당시 생명의 유해가 퇴적되어 만들어졌다고 주장하는 경우도 많습니다. 어찌 되었든 이 호상 철광층의 존재가 당시 이미 생명체가 존재하고 있었음을 나타내는 좋은 간접적 증거라고 할 수 있습니다. 미국 글래이셔 국립공원에 있는 사이 예 층에는 스트로마토라이트가 산출됩니다. 이 스트로마토라이트의 연령은 약 35억 년 정도 된 것으로 추정되는데, 학자들은 이 안에서도 화석화된 미생물들을 발견하였다고 주장하였습니다. 스트로마토라이트는 사이 아노 박테리아라는 미생물이 현재에도 만드는 일종의 석회석 마운드입니다. 역시 마찬가지로 미생물 화석의 진위여부는 차치하고라도 스트로마토라이트의 존재는 그 당시 이미 사이 아노 박테리아와 같은 생명체가 존재하였음을 증명하는 것입니다. 참고로 발견된 미생물 화석은 현재의 사이아노 박테리아와 매우 비슷한 모습을 가지고 있습니다. 지금까지 초기 생명체와 관련된 증거를 살펴봤을 때 미생물 화석의 존재 여부는 불확실하다고 하더라도 당시 이미 꽤 복잡한 형태를 갖춘 생명체가 존재하였음을 지시합니다. 학자들은 아마도 대양이 만들어지고 얼마 지나지 않아 생명체가 탄생하였을 것이라고 짐작하고 있습니다. 하지만 지구의 진화 초기 수많은 소행성 조각 및 혜성들이 지구에 떨어졌을 것이며, 이러한 대규모 운석 및 혜성의 충돌은 약 39~40억 년 전까지 계속된 것으로 추측됩니다. 이러한 대규모 충돌은 당시의 바다를 완전히 증발시킬 정도로 격렬하였을 것이며, 이는 혹시 그전에 탄생한 생명이 있더라도 모두 멸종시켰을 것입니다. 만일 지구에서 생명의 탄생이 지표 가까운 곳에서 이루어졌다면, 지금 현재 지구 상 생명체의 모태가 되는 최초 생명체의 탄생은 이들 화석 형성 시기와 대규모 운석 충돌이 끝난 시기 사이가 될 것이며, 즉 지금으로부터 40~35억 년 사이가 될 것입니다. 만일 생명체가 대양저 밑의 열수 공과 같은 환경에서 시작되었다면, 생명체의 탄생은 40~42억 년 정도까지 거슬러 올라갈 수 있을 것으로 생각됩니다. 지금까지 지구 상에 생명이 어떻게 탄생하였고 그 초기 생명체들에 대한 증거가 어떤 것들이 있는지 설명드렸습니다.

가뭄의 정의와 원인, 대처방안

물은 지구 자원 환경적으로 매우 중요하며, 생명체에게도 필수 불가결한 물질입니다. 이 물이 너무 많아도 문제가 되지만, 부족하면 그야말로 치명적인 결과를 초래합니다. 가뭄이 들면 부족한 물로 인해 자연 생태계가 타격을 입고, 농업 생산성이 줄어들며, 용수와 식수가 제한되고, 연쇄적으로 지역 경제가 침체될 수 있습니다. 또 간접적으로는 수질오염이 심각해지고 화재가 발생하기 쉬워집니다. 극심한 가뭄이 들면 생명체는 해당 지역을 떠나야 하며, 그렇지 못한 것들은 모두 말라죽습니다. 현대사회가 아무리 기술이 발달하였다고 해도 심한 가뭄과 같은 자연재해에는 속수무책일 때가 많습니다. 우리는 이 단원에서는 이러한 가뭄에 대해서 배워봅시다.

가뭄의 정의

가뭄은 홍수와 반대되는 현상으로 한 지역에 지속적으로 물의 공급이 부족한 기간을 일컫는 말입니다. 이때 물의 공급은 강수든 지표수든 지하수든 어떤 형태의 물 공급도 관계가 없습니다. 만일 한 지역의 강수량이 평균보다 훨씬 적더라도 지표수나 지하수를 통해 충분히 물을 공급할 수 있으면 가뭄이라 말하기 어렵습니다. 평균 이하의 강수량이 계속되면 어느 순간부터 물의 공급이 부족해지기 시작할 것이고, 그렇게 되면 가뭄이 시작됩니다. 이 사진은 멕시코 소노란 사막의 건열을 보여주는 사진입니다. 건열이란, 말라서 쪼개지는 것을 가리키는 말입니다. 가뭄이 계속되면 논바닥 및 저수지 바닥이 드러나고 결국은 말라 이 사진과 같이 갈라지는 모습을 보여줍니다. 이와 같은 가뭄이 지나고 다시 비가 내려 그 위에 물이 덮이고 퇴적이 일어나면, 이 갈라진 구조가 그대로 퇴적암에 보존되는데 이 퇴적 구조의 이름도 건열입니다.

가뭄의 원인

이와 같은 가뭄이 일어나는 원인은 무엇일까요? 가뭄은 강수량 부족, 계절적 변화, 엘니뇨와 같은 대양 수온 변화, 침식 및 인간의 활동 그리고 전 지구적인 기후 변화 같은 것 때문에 일어날 수 있습니다. 비나 눈은 공기 중의 수증기가 응결하여 땅으로 떨어지는 현상입니다. 그러므로 비나 눈이 내리기 위해서는 충분한 수증기가 공급되어 응결될 수 있어야 합니다. 대개는 대지로부터 증발된 수증기가 위로 올라가 온도가 낮은 위쪽에서 응결되어 강수 되는데, 지상에 수증기를 공급할 수분이 충분치 않거나, 태양이 너무 많이 반사되어 지상의 수분을 충분히 증발시키지 못하거나, 고기압이 오랫동안 자리 잡아 공기가 계속 하강하거나, 해당 지역으로 이동하는 대기가 너무 건조할 경우 강수량이 부족하여 가뭄이 시작될 수 있습니다. 우리나라는 사계절이 뚜렷합니다. 이들 계절 중 여름에 주로 대부분의 강수가 집중되고, 겨울부터 봄에 이르기까지는 강수가 매우 저조합니다. 이와 같이 강수량이 매우 적은 시기를 갈수기라 하는데, 갈수기에는 통상 물이 부족하여 심각한 가뭄이 드는 경우가 많습니다. 엘니뇨란 적도 부근의 동태평양 지역의 대양 표면 온도가 평균보다 상승하는 현상을 말합니다. 이 해수의 온도는 주기적으로 평균보다 높아졌다 낮아졌다 반복하는데, 이와 같은 온도 변화의 반복을 남방 진동(Southern oscillation)이라 부릅니다. 이 난방 진동을 엘니뇨와 합쳐 ENSO라고 부르기도 합니다. 엘니뇨와는 반대로 동태평양 수온이 평균보다 낮아지는 것을 라니냐라고 합니다. 이와 같은 해수 온도의 변화는 단순히 대기의 기온에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 대류에도 영향을 미쳐 상승 기류와 하강 기류의 위치를 바꾸고 그에 따라 비가 내리는 곳과 마른바람이 불어 내려오는 곳을 바꿔 곳에 따라서는 집중 호우를, 다른 곳에서는 심각한 가뭄을 초래하게 됩니다. 이 그림은 겨울 12월부터 1월까지의 엘니뇨에 따라 형성되는 녹색의 강우 지역과 갈색의 건조 지역의 분포가 그 아래의 것과 어떻게 다른지를 보여줍니다. 이로부터 평상시 비가 충분하던 지역에 가뭄이 올 수 있음을 알 수 있습니다. 토양이 침식되거나 인간에 의한 농지 확장, 벌목, 산업 용지 개발 등에 의해 맨 땅이 드러나게 되면, 숲이 줄어들면서 해당 지역이 물을 잡아두는 능력이 줄어들게 되어 물 부족 현상이 일어날 수 있습니다. 이에 더해 증발산량도 줄어 대기가 더 건조해지게 되며, 이로 인해 가뭄이 더 심해질 수도 있습니다. 그림은 산림이 잘 보존된 곳과 개발에 의해 산림이 파괴된 곳의 증발산량, 지표 유출량 그리고 대기 중 수분의 농도를 비교하고 있습니다. 산림이 파괴되면서 증발산량은 줄고, 지표 유출은 늘며, 대기 중 수분의 양도 줄어 가용할 수 있는 물의 양이 줄어듦을 알 수 있습니다. 지구온난화와 같은 이유로 전 세계적인 기후 변화가 일어나면, 많은 지역이 예전과는 다른 기후를 경험하게 될 것입니다. 지구온난화는 전체적으로 더 많은 비를 만들지도 모르겠습니다. 그러나 전 지구적인 대기 대순환의 변동과 그에 따른 기후 변화는 몇몇 곳에서 유례없는 가뭄을 초래할 것이 분명합니다. 1951년부터 1980년까지의 평균 기온과 비교한 2015년 지구의 기온입니다. 분명히 과거보다 높은 온도를 보여 지구가 더워지고 있음을 나타냅니다. 이와 같은 기온의 변화는 결국 기후 변화로 이어지고, 이 기후 변화는 지구 곳곳에 홍수와 가뭄 같은 지난을 가져올 것입니다.

가뭄의 유형

가뭄은 기상학적 가뭄, 농업적 가뭄, 수문학적 가뭄으로 구분할 수 있습니다. 기상학적 가뭄은 평균 강수량보다 적은 강수량을 기록할 때 일어납니다. 이 가뭄은 다른 유형의 가뭄에 앞서 일어납니다. 농업적 가뭄은 지역적으로 농작물 성장에 필요한 토양 수분이 확보되지 못하는 것을 말하며, 토양 수분의 양에 의해 결정됩니다. 수문학적 가뭄은 흔히 물 부족 현상을 의미합니다. 댐이나 저수지, 하천 그리고 지하수 물이 고갈되어 물 부족의 피해가 예상되는 것을 말합니다. 공급이 줄어서 부족하든 소비가 늘어 부족하든 물의 부족으로 불편이나 재해가 발생하면 가뭄으로 취급한다는 점에서 기후학적, 기상학적, 농업적 가뭄과 다릅니다. 가뭄에 의한 피해는 환경적, 경제적 및 사회적 측면에서 살펴볼 수 있습니다. 환경적 피해는 동식물의 고사, 생태계 파괴, 수질오염의 증가, 화재 발생 가능성 증가 등과 같은 것이 있습니다. 경제적 피해는 농업 생산량 감소, 물 관련 산업의 침체, 각종 산업의 물 이용 제한 그리고 관련 관광 및 레저 활동의 위축 등이 있습니다. 사회적으로는 가뭄으로 인한 질병 및 스트레스 발생 같은 것을 생각해볼 수 있습니다. 호주 빅토리아 주 베남브라 들판에 가뭄이 들어 들판이 바싹 마른 모습입니다.

가뭄에 대한 대처 방안

이와 같은 가뭄의 피해를 최소화하기 위해 다양한 대처를 할 수 있습니다. 물 부족 상태에 대비해 관계 시설을 확충할 필요가 있습니다. 농지에는 가뭄에 강한 대체 작물을 키울 수도 있습니다. 수자원의 이용 효율을 높이고 사용한 물을 재사용해서 물 사용량을 줄여 물 부족 상황을 막아야 합니다. 강수를 그냥 흘려보내지 말고 모아서 이용한 후 배출할 수도 있습니다. 물이 부족할 때도 대비하여 토지 이용 계획을 잘 수립할 필요도 있습니다. 가뭄에 피해를 입었을 때를 대비해 보험 및 지원 제도를 미리 정비해야 합니다.

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.

백두산 폭발의 역사와 위험성

백두산은 과연 활화산입니까? 그리고 그것을 우리는 어떻게 알았죠? 여러분 많이 궁금하시죠. 활화산이라는 것은 우리가 제4기에 빙하기와 간빙기가 계속 10만 년 주기로 나타나고 있는데요. 그것은 마지막 간빙기 경우를 보면 지구가 따뜻해질 때에 그때 어떻게 나타나느냐 하면 처음에는 급격히 수온이 올라가게 되죠. 그래서 따뜻해지는데 그러다가 북극해 얼음이 녹게 되면서 바다로 들어오게 되죠. 그러면서 지구가 일시적으로 추워지게 됩니다. 그다음에 그것을 다 보상하고 지구가 온도가 본격적으로 올라가기 시작하는데요. 그 경계를 Younger Dryas, 그 시기부터 홀로 새라고 합니다. 그 시기가 만 11700년입니다. 그 11700년 홀로 새 때 그 안에 분화기가 한 번이라도 있으면 활화산이라고 이야기합니다. 백두산의 경우 일본에서 활화산이라는 것을 발견했는데, 그것은 일본에 도와다라고 하는 화산이 있어요. 서기 915년에 터진 것인데 그 화산재 위로 일본 열도선은 나타날 수 없는 굉장히 알칼리가 높은 화산재가 있어요. 그래서 이것은 대륙에서 온 것이라 생각하고 80년대 초반입니다만, 그 후로 동해 쪽으로 퇴적물을 건져서 보니까 백두산으로 갈수록 화산재 두께가 두꺼워지고 백두산에서 온 것임을 알 수 있었습니다. 따라서 서기 926년에 발해가 멸망했잖아요. 이 백두산 대분화가 발해 멸망과 관련 있는 것이 아닌가라는 이슈를 던졌습니다. 백두산이 언제 터졌는지를 카본 측정을 해서 알아냈는데요. 현재까지 알아낸 것에 의하면 서기 946년인 것으로 알려져 있습니다. 그래서 발해 멸망이 926년에 멸망했는데 그것보다 20년 후에 백두산 대폭발이 일어났다는 것을 알게 되었습니다. 그 백두산 대폭발의 화산재는 백두산 주변에서 볼 수 있는데요. 이것은 백두산 서쪽의 부분인데 지금 회백색으로 된 부분이 서기 946년에 터진 부분입니다. 70m 가까이 되는데요, 그리고 그 당시 뿜어낸 재를 남한 10만 제곱킬로미터에 쌓아 놓으면 그 높이가 무려 1m입니다. 그래서 화산 분화 지수 7이라는 것은 엄청난 양의 분화임을 알 수 있습니다. 그러면 지금은 어떨까요? 괜찮을까요? 사실 그렇지 않습니다.

최근 백두산 화산지진

지난 2002년 6월28일 백두산에 화산지진이 일어나기 시작했습니다. 그래서 이것이 2002년 7월부터 2005년 12월까지 화산지진이 빈번하게 일어났는데요. 전부 합치면 약 9000회에 육박하는 엄청난 화산지진이 있었습니다. 왜 그러한 화산지진이 일어났을까요? 보면 화산지진만 일어난 것이 아니라, 천지를 중심으로 해서 솟아오른 것을 볼 수 있습니다. GPS 결과를 보면 당시 약 5cm~8cm 정도 가량 천지 부분이 부풀어 올랐습니다. 부풀어 올랐다는 것은 밑에서부터 마그마가 올라왔다는 증거죠. 서울시의 몇 배가 되는 면적이 부풀어올랐다는 것은 엄청난 규모를 의미합니다. 지진이 일어난 것을 보면 마그마가 올라오게 되면 마그마가 뜨거우니까 주변 암석들이 깨지게 됩니다. 이것을 브리틀 존이라고 전문가들이 이야기하는데 그 브리틀 존에 지진이 일어나는 것을 보면 바로 천지 직하에 있다는 것을 의미합니다. 천지에서 약 7킬로미터 밑에 화산지진이 일어났다는 것은 천지 아래에 마그마가 올라왔다는 것을 의미합니다. 화산재가 나타나게 되면 어떨까요, 그리고 왜 우리가 백두산을 두려워할까요? 하와이를 보면 큰 피해를 주지 않고 용암들이 주변을 흐르거든요. 그러나 백두산은 그렇지 않고 폭발성이 강하다는 것입니다. 왜 그렇죠? 그것은 마그마의 성분에 달려있습니다.

백두산의 마그마 성분과 위험성

백두산 마그마는 SiO2 가 매우 매우 높은 유문암질에 속합니다. 유문암질은 SiO2가 높다는 것은 굉장히 끈적끈적하다는 것이죠. 우리 유리공예를 할 때에 불어서 자기의 모양을 만들어 내잖아요. 그 정도로 점성이 높습니다. 따라서 백두산 화산 마그마는 화산가스 같은 것들이 위로 올라오면서 발생하게 되는데 그런 것들을 꼭 잡고 있는 것입니다. 그래서 그것을 견디지 못할 때 한 번에 터저버리는 것이죠. 엄청난 폭발성을 갖는 것이죠. 그래서 하와이의 현무암질에 비해서 백두산이 커다란 피해를 가지고 있는 것은 바로 마그마의 성분에 달려있습니다. 화산이 터지게 되면 여러 가지 재해를 가져오는데, 일반적으로 화산이 터지게 되었을 때에 주변 환경입니다. 보시면 그러한 화산재들은 미세, 초미세 그리고 큰 것들은 자갈보다 더 큰 것들도 솟아내고 있는데요, 이러한 작은 화산재들도 포함하고 있는데, 이것들은 유리 포입니다. 굉장히 가볍고 날카롭고 독성도 가지고 있습니다. 따라서 우리 몸에 들어가게 되면 날카롭기 때문에 나오지도 않습니다. 그래서 이것이 지병을 일으키게 되는 것이고요. 백두산에는 화산재들이 많이 쌓여 있는데요, 그것이 터지게 되면 천지의 25톤의 물이 있죠. 그런 것들이 이러한 재들을 같이 쓸고 끌고 나오게 됩니다. 그래서 그것들이 터져 나왔을 때 주변 일대가 매몰됩니다. 그것은 영구적으로 매몰됩니다. 따라서 이것은 굉장히 위험한 것인데 라하라고 부릅니다. 그리고 화산 분화가 되면 주변에 이온화된 입자들이 전압차에 의해서 낙뢰가 나타나게 됩니다. 낙상 유사시에는 우리가 연락할 수 있는 방법이 없습니다. 그리고 이러한 화산재들이 주변 2~3일 정도 떠있습니다. 이것은 독성이 있기 때문에 생태계가 완전히 파괴되는데요. 어떠한 동물들도 살아나기 어렵게 됩니다 그리고 천지라는 특별한 분화구가 있는데요, 그것은 왜 위험하냐면 천지는 최대 약 384m 수심을 가지고 있는데, 그 밑에는 이산화탄소가 액상으로 가라앉아 있을 것입니다. 그래서 이 양이 어느 정도인지 조사를 해봐야 합니다. 한 예로 1986년에 아프리카에 있었던 실제 일인데요, 칼데라가 호수 분화구에 떨어져서 호수가 뒤집혔습니다. 반경 25km에 동물들이 전부 질식사했습니다. 사람은 1700명이 사망했는데요. 한 사람 만이 기절했다가 살아난 정도로 엄청난 피해를 가지고 왔습니다. 그리고 대분화가 일어나게 되면 화산재가 성층 권위에 3년 가까이 떠있습니다. 그러면 태양에너지를 반사시키기 때문에 전체적으로 지구 기온이 내려가고 작물이 열리지 않게 됩니다. 작물이 수확을 맺을 수 없게 되어 지구에 대 기근을 가져올 수 있습니다. 이것은 우리가 모델링을 통해서 화산 폭발이 지구 기후에 영향을 미칠 수 있다는 것은 사실입니다.