지구의 물은 어떻게 생겨났나?

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지구는 우주의 패러다이스 – 5

지구가 이상기후 때문에 온갖 재난을 당한다. 인간이 살기에 지구보다 좋은 행성이 없는데도 사람들은 지구의 고마움을 생각하지 않는다. 생명의 파라다이스인 지구의 은총을 소개하는 시리즈–5이다.

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우주를 연구하는 과학자들이 우선 생각하는 것은 “달, 금성, 화성 그리고 다른 외계행성에 물이 존재하는가?” 하는 것이다. 그들이 달과 화성과 다른 외계로 물을 찾는 로봇 탐사선을 보내는 이유는 생명체의 존재가 물의 유무에 의해 결정되기 때문이다.

 

태양계에 지구가 처음 태어났을 때, 지구에는 액체 상태의 물(H2O)이 한 방울도 존재할 수 없었다. 그런 지구가 지금은 태양계의 행성 중에서 유일하게 액체의 물을 바다와 육지와 대기 중에 총 13억 8,600만km3나 보유하고 있다.

 

지구가 가진 물은 우주로 탈출하지 않고 그대로 유지된다. 그 이유는 지구의 중력이 물을 충분히 붙잡고 있을 만큼 태양과 떨어져 있기 때문이다. 생명체가 살 수 있을 만큼 태양과 안전거리에 있는 것을 과학자들은 서식가능지역(kabitable zone) 또는 골디록 지역(Golilocks zone)이라 말한다.

 

오늘날 이상기후 현상 때문에 세계 곳곳에서 기록적인 폭풍우가 닥쳐와 엄청난 수해가 발생한다. 폭설이 내린 곳에서는 교통사고가 발생하고, 눈길에 멈춘 차 속에서 며칠 동안 갇혀버리기도 한다.

 

 

 

 

칠레의 아타카마 사막은 몇 년이 지나도 비가 내리지 않는 지구상에서 가장 건조한 사막으로 유명하다. 2022년 10월, 이 사막에 5년 만에 처음 비가 내렸다. 그러자 며칠 사이에 황량한 사막은 전역이 200종이 넘는 붉은색, 노랑색, 흰색, 보라색 꽃들의 세계로 변했다. 어디서 나타났는지 온갖 곤충과 도마뱀 심지어 쥐와 사막여우까지 꽃식물의 융단 속을 활발히 돌아다녔다. 그리고 며칠 사이에 모든 식물은 완전히 말라 다시 사막으로 변했다. 하지만 식물들의 마른 가지에는 어김없이 씨들이 맺혀 있었다. 지구 전부가 아타카마 사막 모습이라면, 거기에 어떤 생명체가 살고 있을까? 인류는 태어나기라도 했을까?

 

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물이 없었던 지구

태양으로부터 지구가 처음 떨어져 나온 불덩어리에는 물이 한 방울도 없었다. 오늘처럼 지구를 수구(水球)로 만든 이 많은 물은 어떻게 생겨났을까? 지구 표면을 구성하는 물질의 분자들이 화학반응하여 생성된 것인가? 아니다. 화성과 목성 사이에 대규모로 흩어져 있는 소행성들은 많은 물(고체 상태)을 가지고 있다. 과학자들은 과거에 이 소행성들이 지구와 충돌하면서 물을 대량 공급했을 것이라고 생각한다.

 

 

 

 

혜성에도 많은 물이 얼음 상태로 존재한다. 그런 혜성이 태양에 접근하면 그 표면이 태양열에 의해 녹는다. 혜성의 얼음물은 혜성 본체의 바위덩이에서 떨어진 먼지와 함께 태양풍에 날려 꼬리를 만들며 이동하게 된다. 이런 혜성들도 수억 년 동안 지구에 상당한 양의 물을 공급했다. 영상은 혜성의 먼지와 수증기가 태양풍에 날려가는 모습을 나타낸 에니메이션이다. 과학자들의 조사에 의하면, 소행성이나 혜성에 존재하는 물은 지구의 물과 화학적으로 동일하다고 한다.

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소행성과 혜성 그리고 미지의 다른 천체가 지구에 가져다준 물은 고맙게도 고온 상태이던 지구를 빨리 냉각시켜주는 작용을 했다. 40억 년 전쯤부터 지구는 액체 상태의 물을 보유할 수 있을 정도로 냉각되었고, 이때부터 낮은 곳에 물이 고이기 시작했다. 얼마 후에는 드디어 바다에 최초의 생명체가 탄생했다.

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지구는 푸른 행성

 

 

 

 

외계로 나가 지구를 보면 눈이 덮인 남북극을 제외하고는 전체적으로 푸른 바다색으로 보인다. 탄생 초기의 지구는 붉은색과 검은색이었지만, 표면에 물이 가득 고인 40억 년 전부터는 푸른색 물의 행성이 된 것이다.

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지구 탄생 후 차츰 물이 형성되기 시작하자, 태양열에 의해 증발한 물은 수증기 상태로 대기층에도 가득해졌다. 이때부터 수증기는 태양으로부터 오는 강력한 자외선(방사선)을 차단해주는 우산과 같은 역할을 했다. 태양의 강력한 자외선이 그대로 비치면 지상의 물질들은 화학변화가 일어나 분자들이 파괴된다. 그러나 수증기는 지상의 물질과 생명체의 파괴를 막아주는 보호막이 되어주었으며, 동시에 수증기는 대기압이 항상 일정하도록 지켜주는 역할도 하게 되었다. 이러한 현상은 우주화학자들의 컴퓨터 모델 실험으로 밝혀낸 내용이다.

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오늘날 지구의 평균 기온은 15℃이고, 금성은 465℃이며, 화성은 –60℃이다. 물은 0℃에서 얼고 100℃에서 끓는다. 지구의 기온이 더 차거나 더워지지 않고 15℃로 일정하게 유지되는 중요한 이유는 3가지가 있다.

 

1. 매일 떠오르는 태양이 항상 열 에너지를 공급한다.

2. 태양에서 오는 강한 방사선을 수증기가 가득한 대기층이 반사해준다.

3. 대기권 안으로 일단 들어온 태양 에너지는 지구 바깥으로 나가버리지 않도록 ‘온실효과’ 현상이 일어나 유지해준다.

 

온실효과라고 하면 이산화탄소와 메탄가스가 즉시 떠오른다. 지구가 처음 탄생했을 때 지구의 대기에는 이산화탄소와 메탄가스가 매우 높은 농도로 존재하였고, 이들은 지구의 기온을 데워주고 있었다. 막 태어난 당시의 지구는 아직 추웠다. 그럴 때 짙은 농도의 온실가스가 기온을 높여주지 않았더라면 지구는 지금까지 얼어붙은 추운 행성으로 있을 것이다.

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지구 탄생 초기에 대기중에 그렇게 많았던 이산화탄소는 어떻게 감소하여 약 0,35%(지금은 0.4% 이상) 농도까지 줄어들게 되었을까? 그 이유는 대기 중의 이산화탄소가 바다의 물에 녹아 들어간 때문이다. 그러면 바닷물은 그 많은 이산화탄소를 어떻게 다 녹일 수 있었을까?

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지구에 물이 가득 생겨나 증발과 강우(降雨) 현상이 지속되자, 지표면을 구성하는 칼슘 성분이 대량 물에 녹아 바다로 들어가게 되었고, 이 칼슘이 해수 속의 이산화탄소를 만나 고체상태인 탄산칼슘(CaCO3)으로 변하여 해저로 침전한 것이다. 이런 과정이 수억 년 계속되는 동안 대기 중의 이산화탄소는 계속 줄어들었다.

 

 

 

 

지구에 태어난 식물은 광합성을 하면서 대기 중의 이산화탄소를 흡수하는 광합성작용을 했다. 그에 따라 대기 중의 이산화탄소는 더욱 감소했다. 그리고 육상과 바다에 증식한 생명체는 죽어서 해저에 두꺼운 층으로 쌓였고, 이들은 대륙이동 현상과 지각변동이 일어날 때 지층 아래에 매몰되었다. 그것이 지금 인류가 사용하는 화석연료이다.

 

 

 

 

당시 바다에 모인 물이 엄청난 압력을 가하지 않았더라면 ‘대륙이동’이라는 현상도 나타나지 않았을 것이라고 과학자들은 생각한다. 이런 모든 과정을 생각해보면, 지구를 생명체의 패러다이스로 만들어준 것은 물이었다는 사실을 확신하게 된다.

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바다에 사는 생명체의 전체 양은 육상에 사는 동식물의 양보다 훨씬 많다. 물의 양이 지금처럼 많지 않았다면 지구는 생명의 패러다이스가 될 수 없었다. 인류가 온실가스를 대량 방출하지만 않는다면, 앞으로 수십억 년이 지나도 지구는 언제나 푸른 행성으로 보일 것이다.

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때때로 소행성이 지구에 접근하고 있다는 뉴스가 나오면 신경이 쓰인다. 혹시나 작은 소행성이라도 충돌한다면 큰 피해가 발생할 것이고, 불운하게 6,500만 년 전 공룡시대를 끝나게 했던 충돌사건이 다시 발생할지도 모르기 때문이다.

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그러나 인류는 소행성의 충돌을 염려하기 이전에 지구에 넉넉하게 물을 제공해주었던 소행성과 혜성에게 고마운 생각도 가져야 할 것이다. 그들이 장구한 세월 동안 지구에 엄청난 물을 운반해주지 않았더라면 인류는 태어나지도 못했을 것이기 때문이다. 더군다나 낙하한 소행성이 공룡들을 멸종시키지 않았더라면, 인간은 태어났더라도 무력한 몸으로 육식공룡의 발톱과 이빨을 피할 수 없었을 것이다. 우리나라 남해안에서는 거대한 공룡 발자국이 다수 발견된다. 그들이 살아있다면 인간은 지구 어디에서도 생존하지 못할 것이다. - YS

 

 

 

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