📚 지식 노트

지구계와 지구의 층

지구과학은 지구를 서로 맞물린 지구계로 본다. 단단한 땅과 그 속인 지권, 바다와 빙하와 지하수인 수권, 공기층인 기권, 그리고 모든 생물인 생물권이다. 넷은 따로 놀지 않는다. 바닷물이 증발해 비가 되고(수권 → 기권), 빗물이 바위를 깎아 강으로 나르며(기권 → 지권 → 수권), 식물이 공기 속 탄소를 몸에 넣었다가 땅속 화석 연료로 남긴다. 이 순환을 돌리는 에너지는 바깥의 태양 복사와 안쪽의 지구 내부 열 두 가지다.

지권은 다시 양파처럼 층을 이룬다. 맨 겉의 지각은 대륙에서 30~70km, 해양에서 5~10km 두께로 지구 반지름에 비하면 사과 껍질보다 얇다. 그 아래 깊이 약 2,900km까지가 맨틀, 그 아래가 철과 니켈로 된 핵이다. 핵은 액체인 외핵과 고체인 내핵(깊이 약 5,150km부터)으로 나뉜다. 지각과 맨틀의 경계를 모호로비치치 불연속면(모호면)이라 부른다.

맨틀은 고체지만 수백만 년에 걸쳐 아주 느리게 흐른다. 얼음 덩어리가 빙하가 되어 흘러내리는 것과 비슷하다. 그래서 맨틀 위쪽의 단단한 판이 움직일 수 있다(다음 절의 판 구조론).

지진파로 들여다보는 지구 속

지구 속을 직접 파 본 깊이는 12km 남짓이다. 그보다 깊은 곳의 모습은 지진파가 알려 준다. 지진이 나면 두 종류의 실체파가 지구 속을 지난다. P파(종파)는 진행 방향으로 밀고 당기며 고체, 액체, 기체를 모두 지나고 가장 빠르다. S파(횡파)는 진행 방향과 수직으로 흔들며 고체만 지나고 P파보다 느리다. 지진파 속도는 지나는 물질의 단단함과 밀도에 따라 달라서, 층의 경계에서 속도가 뛰고 방향이 꺾인다.

세계 곳곳의 관측소가 기록을 모으면 규칙이 보인다. 진앙에서 각거리 약 103°~142° 사이(지표 거리로 약 11,500km 너머의 띠)에는 P파가 직접 닿지 않는다. 외핵에 들어가며 느려진 P파가 크게 꺾이기 때문이다. S파는 103° 너머 어디에도 직접 닿지 않는다. 액체인 외핵을 통과하지 못하기 때문이다. 이런 그늘을 암영대라 한다. 표준 모형 PREM(Dziewonski와 Anderson, 1981)이 이런 관측을 모아 깊이별 속도와 밀도를 정리한 것이다.

진원 거리 구하기

P파가 S파보다 빠르므로 관측소에는 P파가 먼저, S파가 나중에 닿는다. 그 시간차를 PS시라 하고, 멀수록 길어진다. 거리 d를 두 파가 각각 달린 시간의 차로 쓰면 PS시 = d/v_S − d/v_P이므로 d = PS시 × v_Pv_S/(v_P − v_S)다. 지각에서 v_P ≈ 6km/s, v_S ≈ 3.5km/s로 잡으면 PS시 10초는 약 84km다. 관측소 셋의 거리를 반지름으로 원을 그리면 세 원이 만나는 점이 진앙이다. GPS가 위성 거리로 위치를 찾는 원리와 같으며, 좌표와 거리 계산은 GIS와 지도 노트에 있다.

판 구조론, 지진, 화산

대서양 양쪽 해안선이 퍼즐처럼 맞는다는 것은 오래전부터 눈에 띄었다. 1912년 베게너는 같은 화석과 지층, 옛 빙하 흔적이 지금은 떨어진 대륙에 이어져 있다는 근거로 대륙이 움직였다는 대륙 이동설을 내놓았다. 그러나 무엇이 대륙을 움직이는지 설명하지 못해 오래 받아들여지지 않았다. 20세기 중반 해저 지형과 해저 암석의 고지자기 줄무늬가 조사되면서, 해령에서 새 해양 지각이 생겨 양쪽으로 밀려난다는 해양저 확장설이 나왔고, 이것이 판 구조론으로 정리되었다.

판 구조론에서 지구 겉은 두께 약 100km 안팎의 단단한 판(암석권) 십여 개로 나뉘어, 그 아래 부드러운 연약권 위를 1년에 몇 cm씩 움직인다. 손톱이 자라는 속도와 비슷하지만, 1년에 2.5cm라도 1억 년이면 2,500km다. 판을 움직이는 힘으로는 맨틀 대류와 함께, 섭입하는 무거운 판이 끌어당기는 힘(섭입대 인력), 해령에서 높이 솟은 판이 미끄러져 내려가는 힘이 꼽힌다. 오늘날에는 섭입하는 판의 무게가 가장 큰 몫이라고 본다.

지진과 화산은 대부분 판 경계에 몰린다. 태평양을 둘러싼 섭입대를 따라 지진과 화산이 늘어선 고리를 환태평양 조산대(불의 고리)라 부른다. 하와이처럼 판 한가운데에 있는 화산은 맨틀 깊은 곳에서 뜨거운 물질이 솟는 열점에서 생긴다. 판이 열점 위를 지나가므로 화산섬이 한 줄로 늘어서고, 줄 끝으로 갈수록 오래되었다.

지진의 규모와 진도

규모는 지진 자체가 낸 에너지의 크기로, 지진 하나에 값이 하나다. 지금은 단층이 미끄러진 넓이와 거리로 계산하는 모멘트 규모(M_w)를 주로 쓴다. 규모는 로그 눈금이라 1 커지면 지진계 진폭은 10배, 에너지는 약 31.6배, 2 커지면 1000배가 된다. 2016년 경주 지진(규모 5.8)은 2017년 포항 지진(규모 5.4)보다 숫자로는 0.4 크지만 에너지로는 약 4.0배다.

진도는 어떤 장소에서 땅이 얼마나 흔들렸고 피해가 어땠는지를 나타낸다. 같은 지진이라도 진앙에서 멀수록, 단단한 암반 위일수록 진도가 작다. 한국 기상청은 I~XII 단계의 수정 메르칼리 진도를, 일본은 0~7의 자체 진도 계급을 쓴다. 그래서 "규모 5.8"과 "진도 VI"은 서로 다른 질문의 답이다.

화산의 성격은 마그마의 끈적임(점성)이 정한다. 규산(SiO₂)이 적은 현무암질 마그마는 묽어 기체가 잘 빠지고 용암이 넓게 흘러 완만한 순상 화산(하와이)을 만든다. 규산이 많은 유문암질·안산암질 마그마는 끈적여 기체가 갇혔다가 폭발하고, 화산재와 쇄설물이 쌓인 가파른 성층 화산(후지산)을 만든다. 제주도와 한라산은 주로 현무암질 화산 활동으로 생겼다.

광물과 암석의 순환

광물은 일정한 화학 조성과 규칙적인 원자 배열(결정 구조)을 가진 천연 고체다. 지각의 원소는 질량으로 산소와 규소가 대부분이라, 지각을 이루는 광물의 대다수가 규소와 산소가 사면체로 묶인 규산염 광물(석영, 장석, 운모, 감람석 등)이다. 광물은 굳기(모스 경도, 활석 1~다이아몬드 10), 쪼개짐, 색, 조흔색, 광택으로 구별한다. 같은 탄소라도 원자 배열이 다르면 흑연과 다이아몬드처럼 전혀 다른 광물이 된다. 원자 배열과 결합의 원리는 화학 노트에 있다.

암석은 광물의 집합이고, 만들어진 방식으로 셋으로 나뉜다. 마그마가 식어 굳은 화성암은 땅속에서 천천히 식으면 결정이 커지고(화강암), 땅 위에서 빨리 식으면 결정이 작다(현무암). 부서진 암석 조각과 생물의 껍데기가 쌓여 눌리고 굳은 퇴적암(사암, 셰일, 석회암)은 층리와 화석을 품는다. 이미 있던 암석이 열과 압력으로 녹지 않은 채 바뀐 변성암(편마암, 대리암)은 광물이 한 방향으로 늘어선 엽리가 보이기도 한다.

지층과 지질 시대

퇴적암은 책장처럼 층을 이룬다. 지층을 읽는 기본 원리는 몇 가지다. 뒤집히지 않았다면 아래층이 먼저 쌓였다(누중의 법칙). 퇴적층은 처음에 수평으로 쌓인다(수평 퇴적). 다른 암석을 뚫고 들어간 관입암은 뚫린 암석보다 젊다(관입). 퇴적이 멈추고 깎인 뒤 다시 쌓인 자리는 부정합으로 남는다. 멀리 떨어진 지층은 같은 표준 화석(삼엽충, 암모나이트처럼 짧게 살고 넓게 퍼진 생물)으로 나이를 맞춘다. 이것은 "무엇이 먼저인가"를 알려 주는 상대 연령이다.

몇 년 전인지를 숫자로 알려 주는 절대 연령은 방사성 원소의 붕괴로 잰다. 방사성 동위 원소(모원소)는 일정한 확률로 다른 원소(자원소)로 바뀌어, 정해진 시간인 반감기마다 절반이 된다. 남은 비율이 f이면 나이는 t = 반감기 × log₂(1/f)다. 탄소-14의 반감기는 약 5,730년이라(최신 측정은 5,700 ± 30년), 탄소-14가 처음의 1/8 남은 나무 조각은 반감기 세 번, 약 17,190년이 지난 것이다. 탄소-14는 5만 년 남짓까지만 쓸 수 있어, 암석 나이는 반감기가 수억~수십억 년인 우라늄-238(약 44.7억 년), 칼륨-40(약 12.5억 년)으로 잰다.

이런 측정을 모아 지구의 나이는 약 45.4억 년으로 추정된다. 지구 역사는 누대와 대로 나뉜다. 생물이 껍데기와 뼈를 갖게 되어 화석이 많아지는 캄브리아기부터가 현생누대이고, 그 안을 큰 멸종 사건을 경계로 고생대, 중생대, 신생대로 나눈다. 지구 역사를 하루로 줄이면 현생 인류(약 30만 년 전)는 23:59:54에야 나타난다.

대기의 구조와 조성

건조한 공기는 부피로 질소 약 78%, 산소 약 21%, 아르곤 약 0.93%이고, 이산화탄소는 0.04%를 조금 넘는다. 여기에 장소와 때에 따라 0~4% 정도의 수증기가 더해진다. 양은 적지만 수증기와 이산화탄소가 온실 효과의 주인공이다.

대기는 높이에 따라 기온이 어떻게 변하는지로 네 층을 나눈다. 땅이 햇빛을 받아 데워지고 그 열로 공기를 데우므로, 아래층인 대류권에서는 올라갈수록 1km에 약 6.5°C씩 기온이 떨어진다. 위가 차고 아래가 따뜻해 공기가 뒤섞이며(대류) 구름과 비, 곧 날씨가 모두 여기서 생긴다. 대류권 꼭대기(표준 대기에서 11km, -56.5°C) 위의 성층권은 오존층이 자외선을 흡수해 위로 갈수록 오히려 따뜻해진다. 따뜻한 공기가 위에 있어 섞이지 않고 안정하다. 그 위 중간권은 다시 차가워져 80~85km에서 대기에서 가장 춥고, 열권은 희박한 기체가 태양의 짧은 파장 빛을 흡수해 온도가 매우 높다(오로라가 나타나는 높이).

기압은 머리 위 공기 기둥의 무게다. 해수면 표준 기압은 1013.25hPa이고 높이 올라갈수록 위에 남은 공기가 적어 지수적으로 줄어, 5.5km에서 약 505hPa로 절반, 에베레스트 꼭대기(8,849m) 높이에서는 표준 대기로 약 314hPa로 3분의 1이 안 된다.

기압과 바람

바람은 기압 차이 때문에 분다. 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 공기를 미는 힘이 기압 경도력이고, 등압선이 촘촘할수록 세다. 햇빛을 받는 양이 위도와 땅·바다에 따라 달라 기온과 기압 차가 생기고, 바람이 그 차이를 메운다. 낮에 바다에서 육지로 부는 해풍, 밤에 반대로 부는 육풍이 가장 작은 예다.

그런데 큰 규모의 바람은 기압이 낮은 쪽으로 곧장 불지 않는다. 지구가 돌고 있어서, 돌고 있는 땅 위에서 보면 움직이는 공기가 북반구에서는 오른쪽, 남반구에서는 왼쪽으로 휘는 것처럼 보이기 때문이다. 이 겉보기 힘이 코리올리 효과이고, 크기는 2Ωv·sin(위도)로 적도에서 0, 극에서 가장 크다(Ω는 지구 자전 각속도). 북위 37.5°의 코리올리 매개변수는 약 8.88 × 10⁻⁵/s다. 회전 좌표계의 겉보기 힘은 물리 노트에 있다.

지표 마찰이 없는 높은 하늘에서는 기압 경도력과 코리올리 효과가 균형을 이뤄 바람이 등압선과 나란히 분다(지균풍). 지구 전체로 보면 적도에서 데워진 공기가 올라가 극 쪽으로 흐르고, 코리올리 효과로 꺾이면서 위도대마다 무역풍(저위도의 동풍), 편서풍(중위도), 극동풍의 띠가 생긴다. 한국 위 날씨가 대체로 서쪽에서 동쪽으로 옮겨 오는 것은 편서풍 때문이다.

구름과 강수

공기가 올라가면 주변 기압이 낮아 부피가 커지고, 그 일을 하느라 자기 열을 써서 식는다(단열 팽창). 수증기가 응결하지 않은 공기는 1km에 약 9.8°C씩 식는다(건조 단열 감률). 공기가 식어 이슬점에 닿으면 수증기가 작은 먼지(응결핵)에 붙어 물방울이 되고, 그 물방울 무리가 구름이다. 응결이 시작되는 높이가 구름 밑면이며, 지표 기온과 이슬점의 차에 약 125m를 곱하면 어림할 수 있다. 기온 25°C, 이슬점 17°C면 약 1000m다.

응결하면 수증기가 품고 있던 숨은열이 나와 공기를 데우므로, 구름 속에서는 1km에 약 4~7°C로 덜 식는다(습윤 단열 감률). 그래서 들어 올린 공기가 주변보다 따뜻해지는 높이를 넘으면 스스로 솟구치며 높은 적운과 적란운으로 자란다. 여름 오후의 소나기와 뇌우가 이렇게 생긴다. 반대로 주변 기온이 위로 천천히 식는 안정한 날에는 구름이 옆으로 퍼진 층운이 된다.

구름 물방울은 지름 0.01mm 안팎이라 떠 있을 뿐 떨어지지 않는다. 빗방울(지름 1~2mm)이 되려면 부피가 백만 배쯤 커져야 한다. 열대처럼 따뜻한 구름에서는 큰 물방울이 작은 물방울과 부딪쳐 합쳐지며 자란다(병합설). 중위도의 찬 구름에서는 0°C 아래에서도 얼지 않은 과냉각 물방울과 얼음 알갱이가 섞여 있고, 얼음 위의 포화 수증기압이 더 낮아 수증기가 얼음 쪽으로 옮겨 붙으며 얼음이 자란다(빙정설). 떨어지다 녹으면 비, 녹지 않으면 눈이다.

날씨: 기단, 전선, 태풍

넓은 땅이나 바다 위에 오래 머문 공기는 그곳의 기온과 습도를 닮은 덩어리, 기단이 된다. 한국 날씨에는 겨울의 차고 건조한 시베리아 기단, 초여름의 차고 습한 오호츠크해 기단, 한여름의 덥고 습한 북태평양 기단이 크게 작용한다. 초여름 오호츠크해 기단과 북태평양 기단이 맞서며 한자리에 머무는 정체 전선이 장마 전선이다.

성질이 다른 두 기단이 만나는 경계면을 전선이라 한다. 찬 공기가 따뜻한 공기 밑을 파고드는 한랭 전선은 경계면이 가팔라 따뜻한 공기가 급히 솟으며 적란운과 좁은 곳의 소나기, 돌풍, 천둥을 만들고, 지나가면 기온이 떨어진다. 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 천천히 올라타는 온난 전선은 경계면이 완만해 층운형 구름이 넓게 깔리고 약한 비가 오래 내리며, 지나가면 기온이 오른다. 중위도의 저기압(온대 저기압)은 이 두 전선을 끼고 편서풍을 따라 동쪽으로 움직인다.

태풍은 북서태평양에서 발달한 열대 저기압이다. 수온이 대략 26~27°C 이상인 바다에서 증발한 수증기가 솟아 응결하며 내놓는 숨은열이 연료다. 그래서 바다 위에서는 세력을 키우고, 육지에 오르거나 찬 바다로 가면 약해진다. 가운데에는 바람이 약하고 맑은 태풍의 눈이 있다. 북반구에서는 진행 방향의 오른쪽이 태풍 자체의 바람과 태풍을 미는 바람이 더해져 더 위험하다(위험 반원). 기상청은 중심 부근 10분 평균 최대풍속으로 강도를 나눈다.

최대풍속이 17m/s에 못 미치면 열대 저압부라 부르고 태풍으로 치지 않는다. 같은 현상을 대서양과 북동태평양에서는 허리케인, 인도양에서는 사이클론이라 한다.

해양

바닷물에는 평균 약 3.5%(35psu)의 염류가 녹아 있고, 대부분 염화 나트륨이다. 증발이 많고 비가 적은 아열대 바다는 짜고, 강물이 들어오거나 비가 많은 곳은 덜 짜다. 바닷물은 깊이에 따라 세 층을 이룬다. 바람이 휘저어 수온이 거의 같은 혼합층, 깊어질수록 수온이 급히 떨어지는 수온 약층, 그리고 1년 내내 2~4°C 안팎으로 차고 고른 심해층이다. 수온 약층은 따뜻하고 가벼운 물이 차고 무거운 물 위에 놓인 안정한 층이라, 위아래 물이 섞이는 것을 막는 뚜껑 노릇을 한다.

표층 해류는 바람이 끈다. 무역풍과 편서풍이 바닷물을 밀고, 대륙에 막히고 코리올리 효과로 꺾이며 대양마다 큰 원을 그리는 순환이 생긴다. 한국 둘레의 쿠로시오 해류와 그 갈래인 쓰시마 난류가 따뜻한 물을 북쪽으로 나른다. 깊은 바다에서는 극지방에서 차고 짠(그래서 무거운) 물이 가라앉아 대양 바닥을 따라 퍼지는 열염 순환이 수백~천 년에 걸쳐 바다 전체를 돌린다. 해류는 적도의 열을 고위도로 날라 기후를 고르게 한다.

조석

바닷물이 하루 두 번 꼴로 들고 나는 조석은 달과 태양의 인력 차이(조석력) 때문이다. 지구에서 달 쪽의 바닷물은 지구 중심보다 더 세게, 반대쪽 바닷물은 덜 세게 당겨져 바닷물이 양쪽으로 부푼다. 지구가 그 아래를 돌므로 한 곳에서 만조가 하루 두 번 온다. 달도 그사이 공전해 앞서 나가므로 만조 간격은 12시간이 아니라 약 12시간 25분이다. 태양도 조석을 만들지만 달 몫의 절반이 안 된다. 보름과 그믐에는 달과 태양이 한 줄로 서 조차가 큰 사리, 반달 때는 서로 엇갈려 조차가 작은 조금이 된다.

그림의 사리 주기 14.8일은 두 주기의 차에서 나온 맥놀이 주기 1/(1/12 − 1/12.42)다. 소리에서 비슷한 두 음이 "우웅우웅" 맥놀이를 내는 것과 같은 수학이며, 파동의 합은 신호 처리 노트에 있다.

엘니뇨와 라니냐

적도 태평양에서는 평소 무역풍이 따뜻한 표층수를 서쪽(인도네시아, 호주 쪽)으로 밀어 쌓고, 동쪽(남아메리카 앞바다)에는 찬 심층수가 솟는다(용승). 몇 년에 한 번 무역풍이 약해지면 따뜻한 물이 동쪽으로 퍼져 동태평양 수온이 오르는데, 이것이 엘니뇨다. 반대로 무역풍이 더 세져 동태평양이 평소보다 차가워지면 라니냐다. 바다와 대기가 함께 흔들리는 현상이라 엘니뇨–남방 진동(ENSO)이라 부르고, 비구름의 위치가 옮겨 가며 세계 곳곳의 가뭄과 홍수, 기온에 영향을 준다. 미국 해양대기청(NOAA)은 니뇨 3.4 해역의 3개월 평균 수온 편차가 +0.5°C 이상(라니냐는 −0.5°C 이하)인 상태가 다섯 번 겹치는 3개월 이상 이어지면 사건으로 판정한다.

기후와 기후 변화

날씨는 지금 이 순간의 대기 상태이고, 기후는 보통 30년 이상의 평균과 변동 폭이다. 하루 춥다고 온난화가 틀린 것도, 하루 덥다고 온난화의 증거가 되는 것도 아니다. 기후는 긴 평균의 흐름으로 본다.

지구의 평균 기온은 들어오는 햇빛과 나가는 적외선의 균형이 정한다. 태양 상수 1361W/m²를 지구 전체 겉넓이에 고르게 나누면 4분의 1, 그중 약 30%는 구름과 얼음에 반사된다. 남은 에너지만큼 적외선으로 내보내려면 슈테판–볼츠만 법칙(σT⁴)으로 약 255K(-19°C)여야 한다. 그런데 실제 지표 평균은 약 15°C다. 그 차이가 온실 효과다. 수증기, 이산화탄소, 메테인 같은 온실 기체는 햇빛(가시광선)은 거의 통과시키고, 땅이 내보내는 적외선은 흡수했다가 일부를 다시 땅으로 돌려보낸다.

온실 효과 자체는 생명이 살 수 있게 해 주는 자연 현상이다. 문제는 사람이 화석 연료를 태워 그 세기를 빠르게 키우고 있다는 점이다. 하와이 마우나로아 관측소의 연평균 CO₂는 관측을 시작한 1959년 315.98ppm에서 2024년 424.61ppm, 2025년 427.35ppm으로 올랐다(NOAA GML, 2026년 10월에 받은 연평균 자료). 산업화 이전은 약 280ppm이었다. 같은 동안 지구 평균 기온도 올라, NASA GISTEMP v4에서 2024년은 1951~1980년 평균보다 1.28°C, 2025년은 1.18°C 높았다(NASA GISS, 2026년 10월 확인). IPCC 제6차 평가 보고서는 2011~2020년 지구 표면 온도가 1850~1900년보다 약 1.09°C 높고, 사람의 영향이 대기, 해양, 육지를 데워 왔다는 것은 "명백하다"고 평가했다(IPCC AR6 WG1).

기후는 스스로를 키우는 고리(되먹임)도 가진다. 얼음이 녹으면 햇빛을 덜 반사해 더 데워지고(얼음–반사율 되먹임), 따뜻한 공기는 수증기를 더 품어 온실 효과를 키운다. 과거에도 공전 궤도와 자전축의 느린 변화(밀란코비치 주기), 화산 폭발, 태양 활동이 기후를 바꿨지만, 지금의 빠른 상승은 이런 자연 요인만으로 설명되지 않는다는 것이 IPCC의 평가다. 수치 모델로 기후를 계산하는 법은 계산 과학 노트에 있다.

태양계와 케플러 법칙

태양계는 약 46억 년 전 성간 구름이 수축하며 생겼다. 가운데에 태양이, 둘레의 원반에서 행성이 만들어졌다. 태양에 가까운 따뜻한 곳에서는 암석과 금속만 뭉쳐 작고 단단한 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성)이, 얼음이 얼 수 있는 먼 곳에서는 큰 핵이 기체를 끌어모아 거대한 목성형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)이 되었다. 명왕성은 2006년 국제천문연맹의 정의에 따라 왜소행성으로 분류된다. 지구와 태양 사이의 평균 거리가 1천문단위(AU, 약 1억 5천만 km)다.

17세기 초 케플러는 티코 브라헤의 관측 자료에서 행성 운동의 세 법칙을 찾아냈다. ① 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 돈다. ② 태양과 행성을 잇는 선은 같은 시간에 같은 넓이를 쓸고 지나간다 — 태양에 가까울 때 빠르고 멀 때 느리다. ③ 공전 주기의 제곱은 궤도 긴반지름의 세제곱에 비례한다(T² ∝ a³). 년과 AU로 재면 T = a^1.5라서, 긴반지름 1.524AU인 화성의 주기는 1.88년이다. 뉴턴은 이 세 법칙이 만유인력과 운동 법칙에서 나온다는 것을 보였다. 궤도 역학의 물리는 물리 노트에 있다.

별의 일생과 HR도

별은 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합으로 빛난다. 별빛의 색은 표면 온도를 알려 준다. 뜨거운 물체일수록 가장 센 빛의 파장이 짧아지므로(빈의 변위 법칙 λ = b/T), 표면 약 5,800K인 태양은 502nm 언저리(초록빛)가 가장 세고, 더 뜨거운 별은 푸르게, 차가운 별은 붉게 보인다. 별의 밝기(광도)는 반지름의 제곱과 온도의 네제곱에 비례한다.

별을 가로축 표면 온도, 세로축 광도로 찍은 그림이 HR도(헤르츠스프룽–러셀도)다. 별 대부분은 왼쪽 위(뜨겁고 밝음)에서 오른쪽 아래(차갑고 어두움)로 이어지는 띠, 주계열에 놓인다. 중심에서 수소를 태우는 동안의 별들이다. 오른쪽 위에는 차갑지만 커서 밝은 거성과 초거성, 왼쪽 아래에는 뜨겁지만 작아서 어두운 백색 왜성이 있다.

별의 일생은 질량이 정한다. 무거운 별은 연료가 많지만 훨씬 빨리 태워, 주계열 수명이 대략 질량의 2.5제곱에 반비례한다. 태양은 주계열에 약 100억 년 머물고(지금 약 46억 년째), 태양 질량 10배인 별은 3,162만 년 남짓에 그친다. 태양 정도의 별은 수소가 떨어지면 부풀어 적색 거성이 되고, 바깥층을 행성상 성운으로 날려 보낸 뒤 중심이 백색 왜성으로 남는다. 태양 질량의 약 8배가 넘는 별은 철까지 핵융합을 하다 중심이 무너지며 초신성으로 폭발하고, 중성자별이나 블랙홀을 남긴다. 철보다 무거운 원소의 상당수가 초신성과 중성자별 충돌에서 만들어져 우주로 흩어졌다 — 우리 몸의 원소도 그렇게 왔다.

은하와 우주론

별은 중력으로 묶인 거대한 무리, 은하를 이룬다. 태양계가 속한 우리은하는 지름 약 10만 광년의 막대 나선 은하로, 수천억 개의 별이 있고 태양은 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어진 나선팔 근처에 있다. 은하는 모양에 따라 나선 은하, 타원 은하, 불규칙 은하로 나뉘고, 관측 가능한 우주에는 수천억 개가 넘는 은하가 있다.

먼 은하의 빛은 파장이 긴 쪽(붉은 쪽)으로 밀려 있다(적색 편이). 은하가 멀어지고 있다는 뜻이고, 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다. 후퇴 속도가 거리에 비례한다는 이 관계 v = H₀·d가 허블 법칙(르메트르의 이름을 함께 붙여 허블–르메트르 법칙이라고도 한다)이다. 은하가 공간 속을 날아가는 것이 아니라 공간 자체가 늘어나기 때문이다. 늘어나는 고무줄 위의 점들처럼, 어느 은하에서 보아도 다른 은하들이 거리에 비례해 멀어진다.

시간을 거꾸로 돌리면 우주는 과거에 훨씬 작고 뜨겁고 빽빽했다. 이것이 빅뱅 우주론이다. H₀ = 70km/s/Mpc이면 1/H₀는 약 140억 년으로, 우주 나이의 대략적인 눈금이 된다. 빅뱅의 증거로는 허블 법칙 말고도, 초기 우주의 열이 식어 남은 약 2.7K의 우주 배경 복사, 그리고 관측되는 수소와 헬륨의 비율(질량으로 약 3:1)이 빅뱅 직후의 핵합성 예측과 맞는다는 점이 꼽힌다. 우주 배경 복사를 정밀하게 잰 플랑크 위성의 결과는 우주 나이를 약 138억 년, H₀를 약 67.4로 준다(Planck 2018). 그런데 가까운 은하의 거리를 단계적으로 재는 방법은 약 73을 준다(SH0ES, Riess 외 2022). 이 어긋남(허블 긴장)은 아직 풀리지 않은 문제다.

흔한 오해

• 여름은 지구가 태양에 가까워서 덥다? 아니다. 지구가 태양에 가장 가까운 근일점은 1월 초로, 북반구는 그때 겨울이다. 거리 차이로 인한 햇빛 세기 차이는 약 6.9%뿐이다. 계절은 자전축이 23.44° 기울어 있어서 생긴다. 서울의 남중 고도는 하지 약 75.9°, 동지 약 29.0°로, 여름에는 햇빛이 같은 땅에 거의 두 배 세게 닿고 낮도 길다. 남반구는 계절이 반대다.
• 달의 위상은 지구 그림자 때문이다? 아니다. 달은 늘 절반이 햇빛을 받고, 우리가 그 밝은 반쪽을 어느 각도에서 보는지에 따라 모양이 바뀐다. 지구 그림자가 달을 가리는 것은 월식이다.
• 규모 7은 규모 6보다 조금 센 지진이다? 에너지로 약 31.6배다. 그리고 규모는 지진 하나에 하나, 진도는 장소마다 다르다.
• 지구 속은 대부분 녹은 마그마다? 지진파는 외핵만 액체임을 보여 준다. 맨틀은 고체이고, 다만 아주 느리게 흐를 뿐이다. 화산의 마그마는 판 경계나 열점처럼 특별한 곳에서 맨틀이나 지각 일부가 녹아 생긴다.
• 세면대 물은 북반구에서 반시계로 빠진다? 세면대 크기와 몇 초의 시간에서는 코리올리 효과가 너무 작아, 물이 도는 방향은 세면대 모양과 처음 물의 움직임이 정한다. 코리올리 효과는 수백 km, 몇 시간 이상의 큰 흐름(태풍, 해류)에서 드러난다.
• 구름은 수증기다? 수증기는 보이지 않는 기체다. 구름은 수증기가 응결한 작은 물방울이나 얼음 알갱이의 무리다. 주전자 입구의 흰 김도 마찬가지다.
• 오존 구멍이 지구 온난화의 원인이다? 다른 문제다. 오존층 파괴는 프레온(CFC) 때문에 자외선 차단이 약해지는 문제이고, 온난화는 온실 기체가 적외선을 붙잡는 문제다. 오존층은 몬트리올 의정서 이후 회복 중이다.
• 빅뱅은 한 점에서 일어난 폭발이다? 폭발이 공간 속 어디에서 퍼진 것이 아니라, 공간 전체가 어디서나 함께 늘어나고 있다. 그래서 우주에는 "빅뱅이 일어난 중심"이 따로 없다.

핵심 자료

지도와 좌표계, 위치 계산은 GIS와 지도 노트, 궤도와 힘, 에너지의 물리는 물리 노트, 광물과 원소의 바탕은 화학 노트, 생물권과 진화는 생물 노트에 있다. 빨리 바뀌는 숫자(CO₂, 기온, 허블 상수)는 아래 출처에서 최신 값을 다시 확인한다.