지구과학, 자원, 환경기술 발전, 환경오염 대처 방안

안정동위원소의 개념과 응용분야

우리는 환경 생태학에서의 안정동위원소 활용을 공부할 것입니다. 그래서 먼저 안정동위원소가 무엇인지, 그리고 환경 생태학 분야에서의 광범위하고 일반적인 응용 분야에 대해 이야기할 것입니다.

안정동위원소란 무엇일까요?

안정동위원소는 본질적으로 전자와 양성자의 수는 같지만 중성자와 질량이 다른 원소입니다. 안정동위원소에 대해 정말 흥미로운 점은 시간이 지남에 따라 환경에서 붕괴되지 않는다는 것입니다. 그리고 이것은 방사성 붕괴가 잘 일어나고 본질적으로 다른 유형의 원소로 변하는 방사성 동위원소와 대조됩니다. 사람들이 다양한 환경 시료에서 안정동위원소를 연구하거나 안정동위원소를 측정하는 것은 이 생태학 분야와 관련성이 높은 생지화학적 과정뿐만 아니라 기원 물질에 대한 정보를 이해하기를 원하기 때문입니다. 다양한 환경 샘플의 상대적 풍부도는 기원 물질에 따라 다릅니다. 한 가지 간단한 예로, 화산 방출과 관련하여 모암의 수은 안정동위원소의 자연적 풍부도에 차이가 있을 수 있으며, 이는 우리가 기원 물질에 관해 수집할 수 있는 일종의 정보입니다. 생지화학적 과정에 관해서는 실제로 환경에서 발생하는 모든 유형의 생지화학적 또는 물리적 반응으로 인해 환경에서 측정되는 안정동위원소의 상대적 풍부도가 변하는 과정을 말하며 이는 바로 동위원소 분별을 나타냅니다. 생지화학적 과정 또는 동위원소 분별에 관한 또 다른 예는 환경에서 철 광물의 용해입니다. 본질적으로 일어나는 일은 용해 전에 광물의 철 동위원소비를 측정하는 것입니다. 그러나 본질적으로 용해 후에는 환경에서 발생할 수 있는 화학반응으로 인해 다른 유형의 철 동위원소비를 얻게 됩니다. 이것이 동위원소 분별의 개념입니다. 이 동위원소 분별로, 특정 유형의 철 광물이 환경에서 어떤 생지화학적 과정을 거쳤는지에 대한 통찰력을 모을 수 있습니다. 환경과 생태계의 안정동위원소 적용에 대해 이야기할 때, 우리는 이 전통적 안정동위원소를 잊을 수 없습니다. 이러한 전통적 안정동위원소를 말할 때는 수소, 탄소, 질소, 산소 및 황과 같은 동위원소를 말합니다. 그리고 이러한 원소들과 그 안정동위원소는 유기체의 다른 생활 특성뿐만 아니라 생태 과정을 이해하는 데 가장 널리 사용됩니다.

탄소 질소, 황, 수소 및 산소의 안정 동위 원소 비율을 사용하여 무엇을 이해할 수 있을까요?

정말 다양한 것들이 있습니다. 제가 보여드리고 싶은 몇 가지 예 중 하나는 영양 단계에 대한 이해입니다. 영양 단계는 본질적으로 먹이 그물 내 유기체의 순위이므로 특정 유기체가 더 높은 영양 단계에 위치한 다른 유기체에 비해 정말 낮은 영양 단계에 있는지 이해할 수 있습니다. 우리가 수집할 수 있는 다른 정보는 유기체의 섭식 서식지입니다. 수계에서 저서 또는 원양 지역에서 먹이를 먹는 유기체들도 마찬가지입니다. 이 정보는 한 예로 탄소 동위원소를 측정하여 수집할 수 있습니다. 우리가 수집할 수 있는 다른 정보는 섭식 행동입니다. 섭식 서식지는 그들이 섭식하는 장소였습니다. 섭식 행동은 본질적으로, 환경에서 그들이 어떻게 섭식할까요? 여과 섭식을 할까요? 초식일까요? 아니면 육식성 유기체로 특징지어지고 더 높은 영양 단계의 유기체를 먹을까요? 와 같은 질문을 가집니다. 또 다른 정보는 식이 자원입니다. 육상 환경이나 수생 환경에서 어느 곳에서 먹이를 구할까요? 생태학 분야에 적용되고 있는 몇 가지 다른 예는 이동 위치와 경관 생태학을 이해하는 것입니다. 그래서 이 수생 생태학 분야에서 탄소 안정동위원소의 예를 보여드리기 위해, 호수의 연안 지역 또는 외양 사이에서 서로 구별되는 탄소 동위원소 비율을 얻습니다. 원양 생태계와 저서 생태계에서 매우 다른 탄소 동위원소비를 가지고 있으며 이는 유기체의 식이 자원뿐만 아니라 섭식 서식지에 대한 정보를 제공합니다. 그리고 특히 탄소 안정동위원소에 대해 정말 흥미로운 점은 이 유기체가 원양 또는 저서 시스템에서 특정 탄소 자원을 얻으면 대사 과정에서 동위원소 분별이 없다는 것입니다. 따라서 본질적으로 탄소 동위원소비로 유기체의 몸에서 측정할 수 있는 것은 본질적으로 환경과 동일하며 실제로 섭식 서식지와 식이 자원을 이해하기 위한 보존적 추적자 역할을 합니다. 이는 질소 안정동위원소와 대조적입니다. 질소 안정동위원소를 측정할 때 가장 중요한 응용 분야는 영양 단계에 대한 통찰을 얻을 수 있다는 것입니다. 말씀드렸듯이, 이 유기체들을 조사하고, 그 질소 동위원소를 측정하고, 어느 정도의 영양 단계에 있는지 알아낼 수 있습니다. 따라서 기본적으로 높은 영양 단계에 위치한 유기체는 매우 낮은 영양 단계의 1차 생산자들에 비해 가장 높은 질소 안정 동위원소비를 가집니다. 영양 단계에서 이러한 변화를 볼 수 있는 이유는 대사 과정에서 질소 동위원소의 상당하고 중요한 분별이 있기 때문입니다. 이러한 대사 과정에서 더 가벼운 질소 동위원소가 우선적으로 배설되기 때문에 본질적으로 더 높은 영양 수준의 유기체에서 질소 동위원소가 2~3 퍼밀 농축됩니다. 이것이 본질적으로 우리가 수생 생태계에서 영양 단계의 차이에 대한 통찰력을 얻는 방법입니다. 응용 분야 및 환경 생태학에 매우 널리 사용되는 전통적 안정동위원소 시스템 외에도 오늘날 많은 과학자들은 비전통적 안정동위원소 시스템을 사용하여 매우 복잡한 생태학적 과정뿐만 아니라 환경의 생지화학적 과정에 대한 통찰력을 얻을 수 있다는 것을 밝히고 있습니다. 그리고 이는 관심을 가지거나 조사할 수 있는 원소의 유형에 따라 다릅니다. 비전통적 동위원소 시스템과 관련하여 제가 보여드리고 싶은 예는 수은입니다. 수은은 이 환경에 존재하는 정말 유독하고 생물 농축성이 있는 중금속으로 알려져 있습니다. 그리고 이것은 가장 최근에 발견된 비전통적 안정동위원소 중 하나로서 기원과 생지화학적 과정을 이해하기 위한 것입니다.

수은 안정동위원소

수은 안정동위원소에 대해 정말 흥미로운 점은 수은의 안정동위원소가 196에서 204까지 7개 있다는 것입니다. 과학자들은 일반적으로 수은 공급원의 차이 및 생지화학적 과정을 이해하거나 통찰력을 얻기 위해 202 수은과 199 수은을 활용하고 있습니다. 생태 및 환경 과학 분야에서 수은 안정동위원소의 장점은 환경 시료 유형이 다르다는 것입니다. 따라서 퇴적물이나 잎사귀 또는 수은 공급원에 대해 이야기하든 그것이 인위적 또는 자연 활동을 통해 배출된 것이든 환경에서 서로 구별되는 동위원소비를 가지고 있습니다. 이러한 구별 때문에 우리는 본질적으로 그곳에 가서 샘플을 수집하고 그 수은이 어디에서 왔는지 이해할 수 있습니다. 흥미로운 예 중 하나로, 석탄 화력 발전소의 영향을 받는 강수가 석탄 화력 발전소의 영향을 받지 않는 강수에 비해 훨씬 음의 수은 동위원소비를 갖는다는 것을 알고 있기 때문에 이러한 인위적 수은 공급원을 이해하기 위한 비교적 보존적인 추적자가 됩니다. 그리고 수은 동위원소의 또 다른 장점은 대사 과정 중의 보존적 특성에 관해 논의한 탄소 동위원소와 달리 수은 동위원소는 다양한 분별 경로를 거칠 수 있다는 것입니다. 본질적으로, 수은 동위원소는 다양한 생지화학적 과정을 통해 분별 또는 비율 변화가 일어나는 대상이 되고, 이는 무기수은 종을 아주 유독한 형태로 바꾸는 미생물 메틸화라고 하는 반응일 수 있습니다. 메틸수은은 수은에서 가장 독성이 강하고 생물학적으로 축적되는 형태로 알려져 있습니다. 그리고 그에 대한 대조적인 반응은 탈메틸 화이며, 이는 또한 수은 동위원소의 분별과 증발, 휘발, 흡수와 같은 다른 과정을 유발할 수 있습니다. 이러한 모든 환경 관련 과정은 수은 동위원소비를 변하게 합니다. 본질적으로 이러한 수은 동위원소가 분별되고 있는 정도를 이해하거나 알면 생태계 먹이 그물에 노출되기 전의 원래의 생지화학적 순환을 추적할 수 있습니다.

인류 발전과 환경오염 정화기술

그럼 인류의 기술 개발은 항상 환경에 악영향을 미치는 것일까요? 환경오염으로 인한 인류 문명의 쇠퇴 사례와 반복된 문제를 극복하는 환경정화 기술의 개념에 대해서 배우도록 하겠습니다. 인류문명의 시작과 인구증가에 의해서 시작된 환경 파괴의 예는 비옥한 초승달 지대의 사막화입니다. 여러분은 4대 문명의 발상지 중 두 개가 티그리스, 유프라테스강 유역의 메소포타미아 지방과 나일강 유역의 이집트 지방의 비옥한 초승달 지대라고 배우셨을 겁니다. 하지만 현재 이곳을 여행해 보거나 사진이나 동영상으로 보았을 때는 더 이상 인류가 살기 힘든 더운 사막지역이라는 것을 여러분은 인지하실 수 있을 것입니다. 왜 이런 현상이 일어났을까요?

인류 문명의 쇠퇴 사례

메소포타미아 지방 지역은 강수량이 매우 적습니다. 하지만 위에서 언급한 3종류의 대표적인 강들이 민물을 운반해주어, 인류문명이 이 강 인근에서 관개를 통해서 식량을 생산하고 가축을 키워서 인류문명을 꽃피울 수 있었습니다. 하지만 이 하천이 운반하는 물은 소금, 염분의 함유량이 많았습니다. 그래서 이 강 유역의 소금기의 농축, 염화라고 하는데요. 이것을 방지하기 위해서 대량의 민물을 유입시켜서 소금기를 씻어내는 관개기술을 발전시키게 됩니다. 즉, 토양의 오염을 단기적으로 막기 위해서 관개기술을 개발하여서 환경에 적용하였지만, 장기적으로는 그 인근 토지 및 농지의 염분 농축을 일으켜서 우르 등의 남부 메소포타미아 지방은 멸망하고, 염분이 더 적은 중부 메소포타미아 지역으로 중심지가 옮겨가게 됩니다. 구체적으로 기원전 3500년에 밀과 보리가 반반이었던 메소포타미아 남부지역이 기원전 2100년에는 염분에 약한 밀의 수확량이 2% 이내로 감소하고, 염분이 높아져서 경작을 포기하는 농지가 남부에서 증가함으로써, 남부 메소포타미아 문명이 쇠퇴하고 중부 메소포타미아 지역으로 역사의 중심지는 옮겨가게 됩니다. 그리고 화석연료가 대량으로 시추되기 전에 메소포 타미야 지역은 인류의 역사에서 한동안 잊힌 장소로 변하게 됩니다. 남부 메소포타미아의 농업의 파멸을 불러온 토양의 염해는 오늘날에도 반복되고 있습니다. 미국 콜로라도 강 유역, 캘리포니아 남부 및 애리조나 인근은 비가 많지 않은 사막지역입니다. 앞서 언급드린 메소포타미아 지역과 기후가 유사한 편입니다. 강수량이 부족한 이 지역들은 미국 중부에서 서부로 흐르는 콜로라도 강의 물줄기에 인공운하를 만들어서 강우량이 부족한 사막지역을 비옥한 농토로 만들었습니다. 그 지역이 유명한 미국 캘리포니아의 솔튼 호수와 임페리얼 벨리 지역입니다. 하지만, 콜로라도 강 상류와 중부에 위치한 물이 부족한 애리조나 주에서도 적극적으로 콜로라도 강을 활용해서 적극적인 관개가 일어나게 되었고, 그로 인해서 상대적으로 콜로라도 강 하류에 위치한 임페리얼 벨리의 50만 에이커에 달하는 농지가 염해의 피해를 갖게 되었습니다. 역사는 반복됩니다.

환경기술 개발

인류의 과거 역사에서 교훈을 현실에 적용해서 이를 해결할 수 있는 환경기술 개발을 시도하였습니다. 즉 해수담수화, 즉 염수에서 염을 제거하는 분리막 공정기술을 콜로라도 강과 운하의 입구에 설치하여서 이러한 문제를 극복하였습니다. 임페리얼 댐은 운하의 입구에 설치되어 염이 제거된 물을 임페리얼 벨리 지역에 공급함으로써 이러한 염해를 해결하게 되었지요. 또한, 대부분이 사막으로 구성되어 있는 애리조나 지역의 생활하수 90% 이상은 이러한 분리막 기술을 활용해서 상수도, 즉 먹는 물로 다시 공급되고 있습니다. 인류는 환경문제가 생겼을 때 다시 극복할 수 있는 능력도 가지고 있음을 보여 주었습니다.

인구증가와 질소비료가 환경에 미치는 영향

환경이라는 주제가 인류의 주된 관심사가 된 것이, 인간이 늘어나면서 발생한 오염이 인류와 생태계에 큰 피해를 주는 것을 우리가 알게 되었기 때문입니다. 인구증가와 함께 자연의 개발, 자연의 이용, 기술의 발전은 현대 인류에게 풍요와 번영을 가져다 줄 때도 있었지만, 이러한 인류의 증가는 환경을 파괴해서 인류에게 파멸을 가져다주는 현상을 쉽게 역사를 통해서 발견할 수 있습니다. 고대 메소포타미아 문명은 풍요를 가져다주었던 농경지의 개간에 의해서 다시 멸망하였고요. 고대 로마인들의 뛰어난 수자원 관리 기술은 아이러니하게 고대 로마인들을 납중독으로 멸망에 이르는 원인을 제공했습니다. 현재에도 난분해성 폐기물에 의한 환경 오염문제를 필두로, 자원의 고갈, 지구 온난화, 생태계 파괴, 종의 멸종 등을 일으키며 인류의 삶을 위협하고 있습니다. 현대 인간의 증가와 풍요로움을 만들어 준 현대 문명이 인류와 생태계에 해로움을 주는 도전으로 다가오고 있습니다.

인구 증가와 질소비료

20세기를 거쳐서 인구수는 급격하게 증가하였습니다. 그리고 현재는 얼마나 많은 인구가 지구상에서 살 수 있을지에 대해서 많은 학자들의 논쟁거리입니다. 그럼, 현재 인류가 급격하게 증가하게 된 계기가 된 사건은 무엇일까요? 아마도 인류 역사상 가장 큰 문제를 해결했기 때문에 19세기 말에서 11억 인구에서 현재의 75억 인구로 지구 상의 인구는 증가했을 것으로 생각됩니다. 과연 이 문제는 무엇일까요? 그것은 여러분들이 예상하셨겠지만, 식량문제를 해결했기 때문입니다. 19세기 말 인류는 지구상에 최대 거주할 수 있는 인구수가 20억으로 예상했습니다. 하지만 지금은 70억 인구가 지구 상에 살고 있고, 앞으로는 95억까지 2050년에는 증가할 것으로 예측되고 있습니다. 이를 가능케 한 기술이 독일 유태인계 과학자인 '프리츠 하버'와 '보쉬'가 개발했던 공기의 80%를 차지하는 질소를 암모니아로 전환시켜 질소비료를 만들었기 때문입니다. 즉, 공기로부터 빵을 만들기 시작했던 것이지요. 여러분이 고기를 풍부히 먹을 수 있는 것도, 질소비료의 발명으로 인간의 식량자원이 동물의 사육과 수산자원의 양식으로 활용되고 있기 때문입니다. 구한말이나 일제 강점기 때에 비료공장 이야기를 역사 속이나 역사 드라마, 다큐멘터리를 통해서 많이 들으셨을 것입니다. 그리고 가까운 2000년대 초반에 북한에 지원했었던 대표적인 자원이 비료입니다. 비료를 통해서 땅의 식량 생산성이 높아지고 잉여의 식량자원이 인구증가를 시켰기 때문이지요. 즉 비료는 인류의 오래된 난제, 식량문제를 해결한 위대한 기술입니다. 그래서 이러한 공로로 하버는 1918년, 보슈는 1931년 각각 노벨상을 수상하게 됩니다. 여러분, 중세시대 때 장원을 춘경지, 추경지, 휴경지로 나누어서 농업을 진행한 것을 잘 알고 계실 겁니다. 이는 광합성으로 탄수화물을 생산하는데 필요한 에너지가 대부분 공기 속의 질소를 고정화시키는데 활용되어 땅의 생산성이 떨어지게 되기 때문에, 인류가 수 백 년간의 경험을 반영해서 만든 경작 방식입니다. 하지만, 화학적으로 질소비료, 주로 질소산화물이나 암모니아를 의미하는데요. 이러한 질소비료를 넣어주면 지속적으로 식물이 광합성을 계속해서 땅의 생산성, 즉 식량자원의 생산성을 높이겠지요. 그래서 비료는 현대 농업의 필수품이며, 현대 인류를 지탱하고 있는 흔하고, 값싸지만 인류에게 꼭 필요한 물질입니다.

질소산화물, 질소비료기술의 문제점

현대에는 질소산화물이 대기 중에 너무 많고, 이러한 대기의 질소산화물들이 온실효과를 일으키는 것이 하나의 큰 문제점이 되고 있다는 사실 또한 언급하고 싶습니다. 여러분들이 흔히 알고 있는 이산화탄소뿐만 아니라 질소산화물도 온실가스입니다. 그리고 이들과 지구온난화의 상관관계는 많은 연구자들에 의해서 증명하고 있습니다. 인류의 식량문제를 해결했던 질소비료기술은 단기적으로는 독가스로 인류를 위협했고, 장기적으로는 온실가스로 인류의 생존에 위협이 되고 있습니다.

뮐러의 DDT 살충제 개발과 그로 인한 환경론 대두

그럼 인류의 역사와 현재 우리를 지배하고 있는 환경론과 관련된 이야기를 하기 위해서 DDT라는 살충제의 예를 들어보겠습니다. 2021년 현대 인류는 코로나의 대유행(Pandemic) 시대에 살고 있습니다. 마찬가지로 흑사병이나 티프스 등 인류 역사상 대유행으로 수많은 인류의 목숨을 가졌던 질병의 대유행이 있었습니다. 20세기 초반에 살았던 Paul Hermann Muller라는 과학자는 우리가 매우 나쁘다고 생각하는 DDT라는 살충제를 발명한 공로로 노벨상을 1948년에 수상하였습니다.

뮐러의 살충제 개발(DDT)을 위한 노력

Müller는 두 가지 사건 때문에 살충제 개발에 노력했습니다. 그중 첫 번째는 스위스의 식량 부족 문제로 곤충에 의한 농작물을 침입해서 이것들을 통제할 수 있는 더 나은 방법을 찾기 위함이었습니다. 두 번째는 러시아의 티푸스 전염병으로 역사상 가장 광범위했고 치명적인 전염병이었습니다. 그는 이 두 가지 이유 때문에 1935 년에 살충제를 찾기 시작했습니다. 그는 살충제에 관해 찾을 수 있는 모든 데이터를 연구하고, 그가 찾고 있던 살충제의 종류가 어떤 화학적 특성을 나타낼 것인지 결정하고 그의 목적에 맞는 화합물을 찾기 시작했습니다. 뮐러는 4년 동안 수색을 했지만 349번 실패했고, 마침내 1939년 9월 그가 간절히 찾고 있던 화합물을 찾았습니다. 그는 특정 화합물을 묻힌 새장에 파리를 넣었고, 얼마 지나지 않아 파리가 죽는 것을 발견하였습니다. 그가 새장에 넣었던 화합물은 DDT이고, Othmar Zeidler라는 오스트리아 약리학자가 1874년에 처음으로 합성한 물질인데요. 뮬러는 이를 살충제로 재발견한 것입니다. 이 DDT는 2차 세계대전 동안에 수많은 군인들의 목숨을 말라리아 등의 전염병에서 구할 수 있었고, 곤충을 죽임으로써 세계 식량문제 해결에도 기여하였습니다. 그리고 미국, 우리나라를 포함한 나라에 모기로 인한 말라리아나 일본뇌염 같은 질병을 현저하게 줄었습니다. 즉, Covid-19의 팬데믹 현상 속에서 이를 치료하거나 예방하는 물질을 발견했기 때문에 노벨상을 수상할 가치가 있었던 것이지요. 이 DDT를 개발한 뮐러는 노벨상을 수상할 만한 기술을 개발했던 것입니다. DDT에 의한 노벨상 수상이 잊히게 된 계기는 Rachel Carson으로 대표되는 환경론의 대두 때문입니다.

DDT로 인한 환경론 - 침묵의 봄 프로젝트

1940 년대 중반에 카슨은 DDT로 대표되는 합성 살충제의 사용에 대해 우려하게 되었습니다. 모기를 죽이기 위해서 DDT를 공중에 뿌렸고 그 결과 매사추세츠 주에 있는 그녀의 집 주변에 있는 새들의 죽음을 그녀는 목격하였습니다. Carson은 DDT로 인한 환경 피해 사례를 수집하여 4 년 간의 침묵의 봄 프로젝트를 시작했습니다. 노벨상을 수상했던 DDT를 찬성하는 농업 사업자, 몬센토를 위시한 종자회사, 군수업체와 싸움을 벌려서 DDT의 환경 유해성, 즉 생태계를 파괴할 수 있다는 사실을 대중에게 납득시켰으며 이를 통해서 시작된 것이 환경론입니다. 그럼, 환경론이 무조건 맞는 것일까요? 저는 그렇게 생각하지 않습니다. 저는 Muller와 Carson, 두 분 모두 인류 사회에 대한 공헌을 했다고 생각합니다. 인류의 생명을 위협하는 것에 대한 직접적인 해결책이었던 살충제와 또한 그것의 부작용을 고발해서 DDT의 남용을 억제했던 카슨의 노력을 동시에 인정하고 싶습니다. DDT 같이 인류에 의해 합성되어 생태계에 환경문제를 일으키는 화합물은 정말 많습니다. 그리고 현재는 DDT 같은 화합물에 대한 내성을 갖는 모기들도 많이 보고 되고 있습니다. 하지만 DDT에 대해 내성을 갖는 문제를 인류는 역이용할 수 있는 가능성이 있습니다. 모기가 DDT에 대해서 내성을 가졌다는 것은 모기 소화기관내의 미생물이 DDT를 분해하고 있다는 사실이기 때문입니다. 아이러니하게 이런 미생물을 찾아낼 수 있다고 생각해봅시다. 이러한 미생물을 활용해서 DDT 같은 인류에 의해 합성되어 생태계에서 환경문제를 일으키는 수많은 화합물들을 자연계에서 분해를 시킬 수 있는 방법과 공정기술을 개발할 수 있다는 사실도 여러분들이 인지하셨으면 좋겠습니다.

기후 변화에 따른 물순환의 변화(물체류 시간)

물순환 과정 동안의 물체류 시간에 대해 설명하겠습니다. 주요 학습 내용은 Steady state에 대한 개념 소개와 물 체류 시간 개념 소개로 구성되어 있습니다. Steady state이란 저장되어 있는 매개체, 여기서는 물의 양이 시간의 흐름에 따라 변하지 않고 그대로인 상태를 말합니다. 다시 말해, 유입량과 배출량이 같아서 한 시스템 안에서의 물 저장량은 시간이 지나도 변화하지 않는 상태입니다. 체류시간의 개념은 Steady state인 시스템이라는 점을 전제하에 설명할 수 있습니다. 물체류 시간은 한 시스템에 저장되어 있는 물의 부피를 유입량 또는 배출량을 나누어 줌으로써 계산할 수 있습니다. 예를 들어 해양에서의 물 체류 시간을 구해 보겠습니다. 해양의 물 저장량은 1. 3 곱하기 십의 십팔승 큐빅 미터로 알려져 있습니다. 해양으로 연간 물 유입량은 강수와 지표수/지하수를 통해 324 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터, 그리고 37 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터의 물의 양이 유입됩니다. 그리고, 연간 361 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터의 물이 해수면에서의 증발 유출됩니다. 따라서 해양에서의 물의 체류 시간 공식을 이용하여 해양에서의 물 저장량을 배출량인 해수면에서의 증발량로 나누어 주면 3,740년으로 추정할 수 있습니다.

육지에서의 물 체류시간

다음으로 육지에서의 물 체류 시간을 구해 보겠습니다. 육지의 물 저장량은 33.6 곱하기 십의 십오 승 큐빅미터로 이라고 알려져 있습니다. 육지로 연간 물 유입량은 대기로부터의 강수를 통해 99 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터로 유입되고 있습니다. 반면, 연간 62 곱하기 십의 십이 승 큐빅 미터의 물은 지표면에서 증발산 과정을 통해 유출되고, 연간 37 곱하기 십의 십이 승 규비미터의 물의 양이 지표수 또는 지하수를 통해 해수면으로 유출됩니다. 따라서 육지에서의 물의 체류 시간 공식을 이용하여 육지에서의 물 저장량을 유입량인 대기에서의 강수량으로 나누어 주면 340년으로 추정할 수 있습니다.

대기에서의 물 체류시간

마지막으로, 대기에서의 물 체류 시간을 구해 보겠습니다. 대기의 물 저장량은 13 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터로 이라고 알려져 있습니다. 대기로 연간 물 유입량은 해수면 또는 지표면에서 증발산 과정을 통해 연간 423 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터의 물의 양이 유입됩니다. 그리고, 연간 361 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터의 물이 해수면에서의 증발 유출됩니다. 따라서 대기에서의 물의 체류 시간 공식을 이용하여 대기에서의 물 저장량을 배출량인 대기에서의 강수량으로 나누어 주면 11일로 추정할 수 있습니다. 따라서 물체류 시간은 해양, 육지, 대기에 따라 물체류 시간은 3740년에서 11일까지의 큰 차이를 보입니다.

기후 변화에 따른 물순환 변화

그렇다면 기후 변화에 따라서 물순환 변화에 대해서 알아보겠습니다. 인류 활동으로 인한 기후 변화는 기후 시스템에 큰 영향을 줍니다. 우선, 산업혁명 이후 인류 활동에 따른 화석연료의 사용은 이산화탄소 배출량을 급격하게 증가시키고 있습니다. 대기 중의 이산화탄소량의 증가는 온실효과를 통해 지구의 지표면 온도를 급속도로 상승시키고 있습니다. 지구의 지표면 온도 상승으로 인한 해양의 증발량 또는 육지의 증발산량을 크게 증가시켜 물순환 과정에 변화를 일으킵니다. 기후 변화로 인한 해양에서의 물 체류 시간 변화에 대해 알아보겠습니다. 만약 지표면 온도 증가로 인해 10%의 증발량이 증가했다면 해양에서의 물 체류 시간은 어떻게 변화는 지를 물체류 시간 공식을 이용하여 계산해보겠습니다. 해양의 물 저장량에는 변화가 없고 연간 361 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터의 물에서 10%를 증가시켜 391 곱하기 십의 십이 승 큐빅미터의 물을 증발산을 통해 배출하게 됩니다. 따라서 해양에서의 물 체류시간은 3,453년이 걸리게 됩니다. 이는 10%의 증발량의 변화로 해양에서의 물체류 시간은 300년 정도를 줄인 게 되는 결과를 가져옵니다. 이로 인해 지구 기후시스템의 물순환과정을 통해 육지, 그리고 대기에서의 물체류 시간 짧아지게 되고, 이 과정을 통해 물순환은 가속화되는 것으로 추론할 수 있습니다.

탄소의 소재적인 측면과 미래산업

석탄산업을 흔히 에너지 산업으로 착각을 합니다. 석탄 산업은 '에너지 산업'이면서 '소재산업'이라는 것을 강조하고 싶습니다. 현 정부에서는 그린 뉴딜과 함께 '소재, 부품, 장비(소 부장)'사업을 동시에 추진하고 있습니다. 그린 뉴딜 사업의 과점에서는 석탄산업은 우리나라에서 사장되는 것이 맞습니다. 하지만'소 부장 사업'적인 측면에서는 석탄산업은 우리에게는 없어서는 안 될 현재 우리나라의 먹거리이고 미래 전략산업이기도 합니다. 왜 석탄산업은 소 부장적인 측면에서 우리나라의 현재 먹거리이며, 미래 전략산업일까요?

미래 석탄 산업의 예

이것에 대한 구체적 예를 들어봅시다. 첫 번째는 아까 말씀드렸듯이 철광석입니다. 철광석 1톤을 생산하는데 1톤의 석탄이 필요합니다. 그리고 석탄은 용광로에서 철광석을 만나면서 스테인리스 스틸에 녹아들어 가게 되고요. 현재 팔리고 있는 모든 철강 소재 그리고 인류 역사상의 사용되었던 모든 철강 소재인 탄소강이라는 소재를 만듭니다. 1500도가 되는 용광로에서 소량의 석탄 속의 탄소는 철강 속에 스며들게 되고, 이것들이 현재까지 인류가 수천 년 동안 사용하고 있었던 탄소강이라는 소재를 만들게 되는 것입니다 많은 사람들이 석탄이 없는 수소환원 제철에 대해서 꿈꿉니다. 하지만은 탄소가 석 철강 속에 들어가 있지 않게 된다면 철강이 가지고 있는 좋은 물리적 특성, 단단하면서도 이 휘어지는 유연성 사라져 버리는 문제가 생깁니다. 그렇기 때문에 석탄이 없는 100% 완벽한 수소환원 제철도 불가능합니다. 그 말인 즉, 무엇일까요? 금속 소재를 생산하는데 이 석탄 소재로부터의 완벽한 독립은 기술적으로 어렵다는 말입니다.

조선과 자동차 산업의 기반이 되는 석탄

또한 두 번째는 석탄 화석 연료를 통해서 생산된 철강은 우리나라의 핵심 먹거리인 조선과 자동차 산업의 기반이 됩니다. 그렇기 때문에 온실가스는 줄여야 하는데 우리나라가 자동차 산업과 조선 산업은 포기할 수 없는 딜레마에 빠져 있는 것입니다. 그래서 제가 이 강의를 통해서 강조하고 싶은 것은 석탄이 에너지원이라는 알려진 사실에 소재라는 다른 두 얼굴을 가지고 있다는 것에 대해서 여러분들이 생각을 해 주셨으면 좋겠고요. 또한 에너지원이라는 측면 그리고 그 에너지를 뽑아내면서 환경오염이 발생하는 부분에 대해서 너무 강조가 되고 있는 현시점에서 석탄 화석 연료의 소재적인 측면들도 간과하면 안 된다는 사실을 이야기하고 싶습니다. 나무가 집을 짓는 소재와 땔감인 에너지원으로 인류의 역사와 같이 활용이 된 것처럼, 그 환원 물인 석탄도 소재와 에너지원으로 활용된다는 것을 기억했으면 합니다. '에너지원'으로써 석탄은 점차적인 일몰이 필요하지만 '소재'로써의 석탄은 우리나라와 인류의 지속 가능한 소재 자원으로써 활용되는 귀중한 물질이며 이 '소재'를 어떻게 환경친화적으로 활용할 것인가에 대한 깊이 있는 고민이 필요합니다. 인류가 화석연료를 역사적 과정을 살펴보면 제일 처음에는 나무를 쓰기 시작했고요. 그 다음에 석탄. 그다음에 석유. 그리고 수소로 넘어가는 것을 목표로 하고 있습니다. 그리고 이것에서 탄소와 수소의 비율을 비교해 보았을 때 점차 수소의 비율이 높아지는 것을 볼 수 있습니다. 구체적으로 화석 연료의 수소 : 탄소(H/C)의 비율이 나무가 약 0. 1이었는데, 석탄이 약 1. 0 석유가 2. 0 그리고 현재 친환경 연료로 쓰이고 있는 천연가스(H/C)에서는 4까지 점진적으로 증가하는 것을 여러분들 아실 수 있을 겁니다. 그리고 수소로 완벽하게 대체가 된다면 이 값은 무한대로 수렴하겠지요. 그래서 수소가 지배적인 에너지 시스템으로 가는 것은 맞는 말이라고 생각합니다. 하지만 우리가 에너지만 볼 것이 아니라 소재적인 측면도 같이 고려해서 바로 짧은 시간 안에 수소 사회로 직행하는 것이 아니라 점진적으로 탄소와 수소의 비율을 조절해 줌으로써 나가는 전략이 필요하다고 생각합니다.

판구조론 탄생과 역사

지질학은 상당히 긴 역사를 가지고 있습니다. 여러분 어떤 곳에서는 지진이 일어나서 큰 피해를 봤고 어떤 곳은 또 화산이 일어나서 또 다른 그런 피해를 봤고 도대체 왜 지구는 그런 현상들이 일어난 것일까요. 이 수수께끼를 풀어준 것은 판구조론이 등장하면서 설명이 되게 되었습니다. 이것은 지난 20세기에 지질학의 혁명을 가져온 것인데요. 이것을 이해하는데 우리가 어떻게 이러한 판구조론이 탄생하게 되었냐는 것을 거꾸로 이야기를 재구성해보겠습니다.

판구조론의 탄생 배경

만약 저에게 판구조론에 이제 가장 기여를 많이 한 사람을 들라 그러면 사람에 따라 다를 수 있습니다. 저는 이 여섯 사람을 들고 싶습니다. 처음에 브룬스라는 분이 있고요. 이분은 이제 지자기 하시는 분이고 그리고 웨게너 기후학자입니다. 그리고 헤스라는 헤리 헤스라는 분이 있고요. 그리고 파이엔 메슈라고 하는 사제지간 아주 다정다감한 그런 사제지간 학자가 있고, 그리고 투조 윌슨 캐나디안 학자죠. 선이 있고 구텐베르크라고 하는 지진학자를 들 수 있습니다. 이분들이 지난 20세기에 활약을 했던 분인데요. 이 부분의 앞쪽에 있는 분들은 이런 설을 주장했지만 받아들여지지 않아서 많은 그런 그 고난을 받고 그리고 돌아가신 분들입니다. 그래서 그런 미안한 마음을. 지질학자들은 많이 가지고 있습니다. 우선 브론스라고 하는 분은 자기 주변에 그런 암석을 자유 자화를 측정을 했어요. 그럼 북쪽으로 이제 잔류자 화가 이를테면 화산암 같은 경우에 이 암석이 굳으면서 당시의 지구 자기장 방향으로 배열을 하거든요. 식으면서, 그래서 그대로 있는데, 따라서 북쪽을 가리켜야 되거든요. 그런데 어떤 암석은 보면 북쪽을 가리키는데 어떤 암석은 반대를 가리켜요. 남쪽을 가리켜요. 이게 어떻게 된 일일까 바로 밑에 있는 것은 반대를 가리키고. 또 어떤 것은 똑같은 방향을 가리키고. 그래서 이분은 지자기가 역전하는 것이 아닌가 이렇게 얘기를 했습니다. 주변 사람들이 와 맞았습니다. 손뼉 쳤을까요? 아니에요, 뭐 지구 자기장이 역전한다고. 말도 안 되는 소리 하지 마. 왜 그게 역전하는데? 이렇게 해서 핍박을 밝히지 못하고 그냥 돌아가셨습니다. 그다음에 우리가 기억해야 될 사람은 베게너라는 분인데요. 굉장히 상상력이 풍부한 분인데 남미하고 아프리카가 해안선이 굉장히 비슷하잖아요. 해안선만 비슷한 게 아니라 이렇게 보면 거기에 지질도 비슷합니다. 화석도 비슷하고 그래서 이것이 한때 옛날에는 이 두 개가 붙어 있었던 것이 아닌가. 붙어 있다가 이것이 대륙이 이동해서 현재 위치로 온 것이 아닌가라는 것을 제기했습니다. 이분도 역시 커다란 환영을 못 받았죠. 말도 안 되는 소리 하지 말라고. 그래서 이분은 결국 다른 그런 탐험을 하다 북극에서 돌아가셨습니다. 그리고 헤스라고 하는 분이 있는데요. 이분은 2차 대전 때 지구 물리학자지만 2차 대전 때 해군으로 미 해군으로 참전했던 분입니다. 그래서 이분은 태평양 대서양을 지날 때 탐사를 하면서 갔는데 그 지형이 해조에는 아주 특이한 지형이 있다는 것을 발견해서 그것이 과연 무엇인가. 만약에 우리가 지구의 바닷물을 모두 빼버린다면 어떤 구조가 보이냐면 야구 실밥처럼 끝없이 이어진 그런 해령이 이제 보일 겁니다. 그것이 대서양을 남북 방향으로 가지고 있고 또 태평양도 마찬가지입니다. 태평양에도 그런 해령이 있는데 이전 시간에 설명드렸듯이 그 해령이라고 하는 것은 맨틀 물질이 올라와서 결국은 해양 지각을 만드는 공장인 거죠. 거기서부터 계속 맨틀 물질이 채워져서 밀어내는 겁니다. 그래서 그것을 헤스라는 분이 구체적으로 제기를 했고요. 근데 바 이난 메스라고 하는 분들은 이제 60년대 초에 그때 대서양 쪽을 탐사를 했는데 보면 이전에 해저에 다니다 보면 해저의 자기장이 어떤 것은 높고. 어떤 것은 낮고, 높고 낮은 게 대칭적인 주기를 갖고 있다는 것을 이미 이분들은 알고 있었고. 그것을 그 높고 낮은 게 아이슬란드를 지나고 있거든요. 그래서 아이슬란드 가까운 곳에서 다시 한번 확인을 했습니다. 정확히 확인을 했는데 역시 아이슬란드의 중앙부에서 자기장이 없고요. 그리고 바깥으로 가면 낮고. 그것이 대칭적으로 분포한다는 것을 구체적으로 제기를 했습니다. 그리고 그곳에 연대를 측정해 보니까 중앙부가 연대가 적고 바깥으로 갈수록 연대가 오래된다는 걸 알 수 있습니다. 그것은 뭐죠? 해저가 확장된다는 얘기죠. 해저가 확장되고 또 하나 밝힌 건 왜 그러면 중앙부가 높으냐. 중앙부는 지금과 같이 그 해저의 자성 광물들이 북쪽을 가리키고 있기 때문에 지구 자기장 하고 같은 방향이라 그것이 높고, 그리고 어떤 시기에는 반대 방향을 가진 것도 있었다. 따라서 이 차이를 빼야죠. 지구 자기장에서 뺀 값이 나오기 때문에 그것이 낮고 또 높고 낮고 이것은 뭐냐 하면 지구 자기장이 역전한다라는 것은 두 가지 설을 입증해 준 아주 중요한 사건입니다. 그렇다면 지각이라는 것이 해령에서부터 계속 벌어지게 되면 지구는 유한하다 그랬죠. 따라서 어느 곳에서는 반드시 들어가야 됩니다. 그 들어가는 곳이 해구인데 이 시스템에 대해서 판구조입니다. 지구가 맨틀 대류로 형성됐다가 그것이 소멸되는 이것을 판구조론의 개념을 확립한 사람이 투조 윌슨입니다. 그리고 구텐베르크라는 분은 이제 지진파 우리가 몸속의 내부를 알고 싶을 때 초음파 사용하잖아요. 마찬가지로 지구에는 이런 판구조론 활동에 의해서 경계부에서 지진이 많이 일어나죠. 그래서 그런 것들을 연구를 해서 이렇게 보면은 내부의 속도 구조를 알 수 있어요. 지진파의 속도 구조를 알 수 있는데 보면 불연속 면이 두 개가 있어요. 위에 있는 것이 약 30~40km 그 정도에 있는 불연속면을 모호 불연속면이라고 하죠. 그리고 2900km 에도 또 하나 불연속면이 있는데 그것을 구텐베르크 불연속면이라고 합니다. 그 불연속면 사이에 있는 것이 맨틀이고요. 그 심부에 있는 것이 핵입니다. 따라서 맨틀과 핵은 불연속으로 나눌 수 있고요. 맨 위에 모호는 지각하고 멘토라고 해요. 그것은 매질 자체의 성분이 다르기 때문입니다. 그리고 우리가 중요한 것 중의 하나는 핵의 외핵 부분을 2900km에서 51000km 사이에는 S파가 전파가 안 돼요. S 파라고 하는 것은 이제 실체파에서 횡파죠. 종파가 아닌 횡파인데. 횡파의 속도는 루트 로우분의 뮤인데. 이 분자에 해당하는 뮤라는 것이 전단력입니다. 전단력은 우리가 '칼로 물베기'라는 게 있죠. 그 얘기는 칼로 못 벤다는 얘기입니다. 전단력이 제로라는 거죠. 액체에서는요. 따라서 S파는 액체에서는 분자가 제로가 되기 때문에 전파가 안 되는 것이죠. 따라서 외핵에서 S파가 나오지 않는 것은 외핵이 액체라는 것을 의미합니다. 이것은 매우 중요하고 이 지구 내부의 외핵이 액체로 있어서 이것이 지구 자기장을 만들고 있다는 것을 알 수 있게 해주는 굉장히 중요한 결과입니다.

판구조 경계부

그러면 우리가 조금 더 자세히 판구조 경계부에서 어떻게 일어나고 있는지를 보시면 지구는 이렇게 한 10여 개의 판으로 구성되어 있습니다. 이 판이라고 하는 것은 이제 암 건 단위인데 암 건이라고 이야기하고 있습니다. 이것이 그 판 내에서는 같은 운동을 하고 있는 것이죠. 이것이 판에서 운동 방향이 서로 다르기 때문에 판과 판의 경계부에서 지진이 많이 일어나고 있는 것이죠. 그리고 그 지진이 일어나고 있을 뿐만 아니라 지금 오른쪽 그림은 삽 입대, 즉 땅이 들어가고 있는 곳을 자세히 나타내고 있는데요. 해양판하고 지금 그림에서는 대륙판을 나타내고 있는데 그 판 경계부에서 지진이 많이 일어나고 있죠. 마찰 때문에요. 지진이 많이 일어나고 있고 심부까지 상부 맨틀. 그 윗부분이 색칠해져 있는 부분이 이제 상부 멘틀이고, 그 밑이 하부 멘틀인데요. 그 경계부에서 들어가고 있습니다. 이러한 해양판은 많은 그러한 바다에 그 물을 같이 끌고 들어갑니다. 그래서 물을 끌고 들어가면서 이 밑으로 들어오게 되면 약 한 100km 전후에서 이제 그 물들이 계속 수증기로 나오게 되는 거죠. 그래서 100km 심도에서 암석에다가 물을 뿌려주게 되면 마치 소금에 물을 부으면 녹잖아요. 마찬가지로 암석이 녹습니다. 그래 가지고 그 부분에서 마그마가 만들어지고 그 마그마가 위로 가벼우니까 위로 분출하게 되는 것이 그것이 화산호입니다. 일본의 지진과 화산이 많은 이유가 여기에서 비롯됩니다. 그러면 그 상부 맨틀과 이 하부 맨틀 그 사이로 이제 계속 그 판이 해양판이 들어가게 되죠. 들어가게 되면 어떻게 되느냐. 그다음에는 그 하부 멘틀 밑으로 떨어집니다. 보면 지금 연두색으로 나타나는 것이 밑으로 이제 떨어지게 되는데 이 판에서 명심해야 될 것은 해양판이 이러한 수분을 포함하고 있다는 것입니다. 그래서 이것이 어디까지 내려가냐. 그다음 이질적인 그런 핵까지 내려갑니다. 외핵까지 내려가면 돼요. 외핵 뜨겁죠. 거의 맨틀 하고 이 외핵과의 경계부는 약 한 3000도 가까운 그런 온도를 나타내고 있습니다. 그래서 이러한 차가운 물질이 뜨거운 핵 하고 만나게 되면 어떻게 되죠. 여러분 그 냉동 감자를 기름에다 튀길 때 어떻게 하세요. 감자를 넣고 이렇게 하시는 분이 있어요. 경험적으로 알고 있어요. 이렇게 놓고 이렇게 피하죠. 튄다는 걸 알거든요. 따라서 차가운 게 뜨거운 거하고 만나게 되면 반응을 하게 됩니다. 그것을 보시면은 우리가 왼쪽에 이제 이 파란 해양판이 들어가게 되면 왼쪽처럼 이렇게 모이게 되는데요. 그 부분은 S웨이브가 그 웨이브 S웨이브가 굉장히 느려지는 부분이 있습니다. 그래서 그런 부분을 이렇게 빨갛게 나타냈는데요. 그 부분에서는 S파가 더욱더 느려집니다. 그래서 그런 부분이 일정하게 정해져 있는데 그 부분이 어떻게 되겠습니까. 외핵 하고 물을 포함하고 있죠. 외핵 하고 반응하게 되면 거기서 많은 그러한 작용이 일어나게 되어서 이것이 다시 활성화되어 멘틀을 올리는 그런 멘틀 플룸을 만드는 그러한 역할을 하게 되는 겁니다.

지구 기후 시스템 이해(태양, 물순환)

지구 기후 시스템의 이해를 위해서 태양 에너지의 중요성을 알아보겠습니다. 태양은 지구 기후 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 태양은 지구에서 가장 가까운 항성으로 태양과 지구의 거리는 1억 5천만 킬로미터입니다. 태양의 지름은 139만 킬로미터로 지구 지름의 100배가 넘고, 태양 질량의 75%정도가 수소로 구성되어 있고, 나머지는 헬륨 등 다양한 대기 화학 물질로 구성으로 되어 있습니다. 태양의 표면 온도는 섭씨 5,500도가 넘으며 고온의 열과 빛은 복사 에너지의 형태로 지구에 전달됩니다. 이런 태양의 고온의 열이나 빛은 지구의 기후 시스템나 생태 시스템의 중요한 원동력이 됩니다. 태양 에너지를 통해 식물은 광합성을 하고 해양이나 육지의 물을 증발시켜 물순환을 가능하게 합니다. 이런 물순환 과정을 통해 지구의 날씨 및 기후가 만들어집니다. 지구 기후 시스템에서는 해양, 대기, 그리고 육지로 구성되어 있습니다.

물순환 과정에 대한 연구 역사

물순환 과정에 대한 연구의 역사를 간략하게 소개하겠습니다. 레오나르도 다빈치는 누구나 다 아는 다양한 분야의 뛰어난 업적을 이룬 석학이며 모나리자나 최후의 만찬이라는 세기의 명작을 그린 화가입니다. 왜 물순환 과정을 이야기하는 데 레오나르도 다빈치를 이야기 하는냐하면 레오나르도 다빈치가 14세기경 과학적인 사고를 통해 물순환 과정에 대한 연구를 시작한 수문학자이기도 하기 때문입니다. 그의 물순환 과정 연구에 대한 호기심은 아주 간단한 질문에서 시작됩니다. 어느 날 다빈치는 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는데 바닷물은 짠데 빗물은 왜 짜지 않을까라는 질문을 가지게 됩니다. 이를 설명하기 위해 그가 제안한 가설은 물은 태양에 의해 증발이 되는 데 이 과정에서 물만 증발이 되어 수증기가 되고 소금은 물과 함께 증발되지 않는 다는 가정을 하게 됩니다. 이 물의 증발과 강수 과정을 통해 지구 기후 시스템의 물 순환과정의 개념이 처음으로 제안이 된 것입니다. 하지만, 서양에서는 17세기 이후부터 물순환 과정에 관련된 변수들을 관측하기 시작했기 때문에 많은 시간이 지나서야 레오나르도 다빈치의 물순환 과정 가설이 증명되었습니다. 서양에서 1639년 로마에서 이탈리아의 가스텔리가 처음으로 측우기로 강우량을 관측을 시작하게 됩니다. 참고로 조선 시대 장영실의 측우기는 1441년에 개발된 세계 최초의 강우량 측정기이고, 이 측우기를 개발하게 된 계기는 각 지방의 강우량을 측정하기 위해 비 온 후에 땅에 고여있는 빗물의 깊이를 측정하였는데 흙에 스며드는 정도가 서로 달라 강우량의 측정이 어렵다는 점에서 고안되었습니다. 이는 우리 선조들이 15세기부터 물순환 과정에서 중요한 부분인 토양 수분 및 침투 과정을 이해하고 있음을 잘 보여주는 예입니다. 다빈치의 물순환 과정은 현대 수문학에서 다루고 있는 물순환 과정과 비교해 크게 다른 점이 없습니다. 우선, 태양 에너지를 원동력으로 해양이나 육지에서 대기로 물을 증발시키는 과정에서 시작되고 증발된 수증기는 대기압 차이를 통해 만들어진 바람에 의해 대기 내를 이동하거나 대기에서 해양이나 육지로 빗물 또는 눈 등 다양한 형태의 강수 과정을 통해 일련의 물순환 과정을 이루게 됩니다.

물순환 과정

이런 물순환 과정을 통해 지구 기후 시시스템의 해양, 대기, 육지를 하나의 시스템으로 연결하게 됩니다. 해양 물순환 과정에서는 태양에너지에 의한 해수면에서의 증발, 대기에서 강수를 통한 담수 유입, 육지에서 지표수나 지하수를 통한 담수 유입과정들이 있습니다. 대기 물순환 과정에서는 해양으로부터 담수 증발, 해양 또는 육지로의 강수, 육지에서의 식생을 통한 증발산, 그리고 대기 내 수증기의 응결과정을 통한 구름 생성과 이동 과정들이 있습니다. 육지 물순환 과정은 지표수나 지하수를 통한 해양으로 담수 유입, 식생을 통한 증발산, 대기에서의 강수, 육지내 지표수나 지하수를 통한 물의 이동과정들이 있습니다. 육지내 지표수나 지하수를 통한 물의 이동과정은 복잡한 토양 수분 및 침투 과정이나 지하수의 이동 과정들로 구성되어 있습니다.

동해의 탄생과 지각구조

제일 처음에 우리나라 애국가에 제일 처음에 나오는 동해인데요, 우리가 동해에 대해서 얼마나 잘 알고 있을까요. 여기에서 배워보도록 하겠습니다. 동해를 보시면 동해는 해저지형으로 되어 있고요, 그리고 동해 전체는 해저는 2000~3000m 깊이입니다. 그런데 1000m 내외의 깊이의 지대가 가라앉아 있는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 한국 대지라든지, 울릉대지라든지, 야마토 뱅크, 오 끼 뱅크 이렇게 이름이 붙여져 있습니다. 우선 가운데 있는 야마토 뱅크의 모습을 보시면 우리가 동해에 대한 힌트를 얻을 수 있습니다. 이렇게 생겼죠. 이것을 우리나라의 길주 명천 지구대 쪽에 파인 부분이 있는데 지각이 굉장히 유사하게 생겼습니다. 여기에 붙여보면 딱 맞네요. 이 얘기는 뭐죠? 야마토 뱅크가 어쩌면 저기에 붙어있지 않았을까 라는 것이죠. 붙어 있다가 떨어져 나온 거다. 이 얘기는 뭐냐면 동해가 예전에는 없었는데, 대륙지각이 떨어져 나오면서 동해가 형성된 것 아닌가 의심할 수 있습니다. 그리고 동북일본에 보면 녹색 응회암들이 있는데 그 녹색 응회암의 연대가 가장 오래된 것이 22. 5ma, 따라서 녹색 응회암은 대륙지각이 열작용에 의해 만들어지는 거예요. 그래서 이것이 가장 오래된 것이 22. 5ma이기에 동해가 22. 5ma, 2250만 년 전에 생겼다는 그러한 지질학자들의 지적이 있었습니다.

동해가 분리된 힘의 근원 - 외부 기원설과 내부 기원설

그러면 동해를 떨어뜨리게 된 그런 힘은 어떻게 된 걸까요? 동해는 떨어져 나오기 싫은데, 밖에서 너 이리나와 하고 뜯어냈을까요, 아니면 동해 내부에서 어쩔 수 없이 확장됐을까요? 이 두 가지 설이 있습니다. 첫 번째 설은 인도 충돌로 인해서 태평양판 자체가 반시계 방향으로 회전하는 효과를 갖게 되는데 그때 만들어졌다. 즉, 4500만 년 전 그런 사건으로 인해 만들어졌다는 것이 외부 기원설의 주장의 근거고요. 이것은 지진파 토모그래피에 의해서 지진파를 가지고 받게 되면 빨리 들어오는 파가 있고 늦게 들어오는, 어느 영역에서는 빨리 들어오고 어느 영역에서는 늦게 들어올 수 있는데 이것을 이미지화할 수 있습니다. 태평양판이 일본 열도 밑으로 들어간 파란색으로 나타나 있죠. 그리고 그 위에 동해와 백두산이 있는데 따라서 그러한 화산활동들, 거대한 열 구조는 서밋 활동에 의해서 동해 내부에서 만들어졌다는 그런 내부 기원설이 있습니다. 현재로는 내부기원설이 정설입니다. 그러면 동해의 지각구조는 어떻게 생겼냐는 것이죠.

동해의 지각구조가 생긴 이유

동해에 대한 지각구조까지 실은 시추를 해서 연대를 냈습니다. 그 연대가 제일 오래된 게 2400만 년보다 오래된 게 없습니다. 따라서 내부 기원설 하고 많이 일치하고 있습니다. 그리고 동해의 퇴적물의 화석 연대를 봐도 동해에 바다가 형성된 것은 1900만 년 전 가장 오래된 게 현재까지는 그 정도의 연대가 나오고 있습니다. 따라서 내부 기원설과 일치된 결과입니다. 동해의 지각구조를 보면 파란색이 바닷물, 노란색이 퇴적물입니다. 그리고 연갈색이 현무암입니다. 그리고 갈색이 현무암이 땅속에서 굳은 것 그래서 이것을 반려암이라고 하죠. 그런 걸 보면 동해를 세 개의 분지로 나눌 수 있습니다. 북쪽에 있는 것은 일본 분지, 남서쪽의 울릉분지, 동쪽의 야마토 분지라고 하는데 그것을 보면 북쪽에 있는 일본 분지를 보면 퇴적물을 제거한 지각이 5km 정도밖에 안됩니다. 그것은 일반적으로 전형적인 해양분지와 일치합니다. 그래서 북쪽 부분 일본 분지는 해양지각이다 라는 것은 모두 동의하고 있습니다. 하지만, 남쪽에 있는 울릉분지와 야마토 분지는 게브로층이 굉장히 두껍습니다. 반려암 층이 굉장히 두꺼워서 해양지각인지 대륙지각인지 대륙지각이 늘려진 것인지에 대해서는 이론이 있습니다. 그래서 동해가 그러면 어떻게 형성되었는가 볼 수 있는데요, 중요한 전처는 일본인 학자들에 의해서 제의가 되었는데요. 일본 열도에 일본이 이전에는 우리나라와 붙어있었는데, 이것을 암석에 대해서 잔류자를 측정해보면 자화의 방향이 잔류 자화라고 하는 것은 현재 보면, 나침반을 보면 북쪽을 가리키는데 완전히 일치하지는 않지만 오랜 시간 평균하면 진북과 자북은 일치합니다. 그래서 그 결과들을 보면 15~16ma이전에는 그 북쪽을 가리키지 않고 틀어져 있었다는 것입니다. 평균에서 47도만큼 시계방향으로 틀어져 있습니다. 측정을 하면, 그런데, 15~16ma보다 젊은것은 지금 현재의 방향과 같고, 그리고 15~16ma에서 보면 현재와 점점 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 지구 자기장이 변하는 것이 아니라 일본 열도가 시계방향으로 돌았기 때문입니다. 즉 그런 것을 'Fan-shape Opening'이라고 하는데요, 마치 부채가 펴지듯이 일본 열도가 회전되어 나갔다 라는 것이 제기될 수 있다. 그런데 여기에서 문제는 무엇이냐면, 아까 중간에 야마토 뱅크라든지, 한국 대지, 울릉대지가 들어갈 곳이 만만치 않다는 것입니다. 그럼 동해 형성이 1600만 년 전에 된 것일까요? 그래서 그 설에 대해서 이의를 제기했는데요, 그 단서는 한국에서 그 해가 풀렸습니다. 우리나라의 포항 일원에는 신생대 분지가 있습니다. 그래서 화산활동과 퇴적암이 위에 덮여있는데요. 이것들에 대해서 역시 시대에 따라서 잔류 방향을 측정해보면 일본, 우리나라도 약 17. 3ma보다 즉 1700만 년보다 오래된 암석들은 시계방향으로 45도 가까이 돌아있습니다. 그런데 그에 반해서 1700만 년보다 젊은 암석들은 현재 지구의 자기 방향과 일치하거든요. 따라서 우리나라도 회전을 했는데 일본보다는 좀 더 빨리 회전되었다는 것이죠. 그러면 왜 회전했을까요. 그것은 동해가 확장되면서, 우리나라에 응력을 가하게 되겠죠. 그런 응력이 가해지면서 인장력을 야기 시기키고 그 인장력에 의해 가라앉았다는 것입니다. 그래서 동해가 처음에는 평행하게 확장되다가 16ma부터 일본 열도가 회전하게 되었다. 그래서 두 단계로 형성되었습니다.라는 설입니다. 즉 그것을 복원하면 이렇습니다. 2300만 년 전에는 그림에서 보시듯 일본 열도가 붙어있었구요. 2300만년에서 1700만년까지는 평행하게 확장을 이루었죠. 그러다가 1600~1500만년전 이 때에 일본열도가 회전하게 되는데요. 그 회전하는 것은 필리핀판의 충돌로 이루어진 것이 아닌가 이렇게 해석하고 있습니다. 그래서 두 단 계설이 현재까지 지지를 받고 있는데요. 거꾸로 현재 위치에서 47도 반시계 방향으로 회전시키면 가운데 그림이 되겠죠. 그것을 주욱 밀면 현재 위치로 오고 그 해저지각들이 다 채워지는 복원도가 되는 것입니다.

대체에너지에 대한 고민(원자력 발전, 태양광 발전)

많은 환경론자들이 석탄의 퇴출을 위해서 신재생에너지의 활용을 제안합니다. 하지만, 무분별한 신재생에너지 자원의 개발은 예상치 못한 사회적 문제를 일으킬 수 있습니다. 어떻게 다양한 친환경 에너지 자원들이 부흥과 몰락을 인류 역사상에서 경험했는지 지적하고 싶습니다. '석탄이 산림 파괴를 막았다'라고 얘기를 했습니다. 여러분들이 19세기에 영국에 살고 있다고 생각해 보면 황폐한 살림을 보존할 수 있고, 산림을 다시 만들어주는 석탄이 친환경적인 자원으로 생각될 수 있을 것입니다. 하지만 미세먼지를 경험하고 있는 현대 시대에서는 석탄이 친환경적인 에너지 자원으로 받아들이기 힘들 거라고 생각이 됩니다. 마찬가지로 2010년도로 타임머신을 타고 돌아갔다고 생각해 봅시다.

원자력 발전의 문제

그 당시에 친환경 에너지 자원은 무엇이었느냐. 원자력이었습니다. 미국의 오바마 정부가 들어서면서 온실가스를 줄여야 되겠다는 심각한 고민들이 미국 행정부에서 일어나게 됐고요. 그 정책 수립에 관여한 과학자들은 미래 친환경 에너지원으로 원자력을 채택하였습니다. 원자력은 핵분열에서 발생한 에너지를 활용해서 증기를 만들어서 발생하기 때문에 온실가스는 발생하지 않습니다. 또한 다양한 원자력 제어 기술의 발전으로 미국 쓰리마이 섬의 원자력 사건이나 체르노빌의 원자력 발전소 폭발 사건은 앞으로 일어나지 않을 재앙으로 예측했습니다. 하지만 2011년 3월에 일어난 후쿠시마 원전 사태는 인간이 원자력을 제어할 수 있다는 자신감에 크나큰 상처를 주게 되었고 더 이상 원자력이 환경 친화적이라고 주장하는 사람은 다수가 아닌 소수가 되었습니다. 하지만 원자력을 완벽하게 제어할 수만 있다면 탄소 배출은 거의 안 되기 때문에 친환경적인 에너지 자원으로도 생각을 할 수 있는 것이죠. 마찬가지로 2015년으로 또 타임머신을 타고 돌아가 보겠습니다. 포항에는 포항 지열발전소가 건설이 한참 진행되었습니다. 그리고 이 지열 발전을 통해서 새로운 친환경 에너지, 자원의 산업화를 이룰 것이라고 포항사람들과 대한민국 지질 과학자들은 깊은 믿음을 갖고 있었습니다. 하지만 무리하게 물을 땅 속에 주입함으로써 2017년 11월에 포항 지진이 유발되었고 주변 주민에게 많은 피해와 상처를 주었고 국내에서 지열 발전은 더 이상 친환경 에너지원으로 고려가 되고 있지 않습니다. 지금까지 과거로 타임머신을 타고 시간 여행을 해보았고요. 그럼 다시 타임머신을 타고 2100년대에 미래의 대한민국 어디론가 떠나보겠습니다.

태양광 발전의 문제

제가 예측하는 미래에서는 미래의 과학자들이 태양광 발전에 대해서 친환경이 아니라고 주장하는 사람들도 있을 것으로 생각합니다. 태양광 발전소의 경우에는 상대적으로 땅값이 싼 산지에다가 태양광 발전 시설을 설치를 하고 있습니다. 하지만 산사태 등의 지질학적 문제 때문에 태양광 발전소의 손상이 이루어지고 있고요. 또한 녹취에서 광합성을 막고 있기 때문에 태양광 발전은 광합성과 경쟁하는 구도이기 때문에 식물의 광합성을 저해할 수 있다는 단점을 가지고 있습니다. 또한, 태양광 발전소의 하나의 구성요소인 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)는 불완전해서 화재도 자주 일어나는 편입니다. 또 태양광 발전소의 경우 20년에 한 번씩 태양광 패널들을 다시 수거해서 새로운 것으로 바꾸어 주어야 하는데요. 그것들의 폐기물 처리 비용 환경 비용, 또 이것들을 생산하는 에너지 비용도 만만치 않은 환경 문제입니다. 모든 요소를 고려해서, 우리나라 면적의 약 7%를 활용할 경우, 현재 우리가 쓰는 전력을 모두 태양광에너지로 전환할 수 있다는 결론을 얻을 수 있습니다. 하지만 70%가 산지인 우리나라 형편상 7%의 국토 면적은 전혀 작은 면적이 아닙니다. 그래서 대부분의 태양광 발전은 산지가 별로 없고, 인구 밀도가 낮은 전라도 지방의 편중되고 있는 사실도 태양광 발전의 한계점을 보여주는 한 가지 예로 볼 수 있습니다. 그래서 친환경 에너지가 정말 우리에게 필요한 친환경 에너지 소스로 활용될 수도 있지만 가끔은 탄소 중립을 위해서 원자력과 같은 수많은 편법이 되는 것은 아닌가 하는 생각을 갖고 있습니다. 인류는 문제를 만났을 때 그 문제를 다양한 방법으로 해결할 수 있는 창의력을 보여주었습니다. 그래서 현재 우리가 생각하는 대체 에너지 자원뿐 아니라 새롭게 개발되는 대체 에너지 자원에 대해서 깊이 있는 연구와 어떤 혁명적인 창의적인 놀라운 발견이 발견이나 발명이 생긴다면, 우리가 눈앞에 맞닥뜨리고 있는 화석 연료의 대량 사용으로 인한 기후변화 이슈를 언젠가는 해결할 수 있지 않을까 개인적으로 생각합니다.