[저속한과학] 지구로 장난치기 Mini scale

과학 이야기를 통해 삶의 템포를 잠깐 늦춰보는 저속(低速)한 과학

앞 시간엔 지구로 Big scale 장난을 쳤었죠? 이번 시간엔 Mini scale로 좀 더 섬세하게, 그럴듯한 장난을 쳐보면서 우리의 손길에 지구가 어떻게 변하는지 무엇이 지구의 환경을 좌우하는지 알아보는 시간을 가져보겠습니다.

먼저 이상한 그림을 한번 보죠.

그림을 보면 지구 위에 작은 물방울이 보이죠? 지구 표면 근처에 있는 물을 모두 모으면 저 파란색 물방울만하게 됩니다. 지구 표면의 70%를 덮고 있지만 모아놓으면 의외로 얼마 안됩니다. 질량으로 치면 지구 전체의 0.02%밖에 안되죠. 민물만 따로 모으면 훨씬 더 작고 그나마도 지하수를 뺀 지표수(강물, 호수)만 모으면 정말 눈에도 잘 안보일 정도로 작습니다.

사실 지구는 비교적 물이 적은 행성입니다. 지구와 비슷한 행성으로 여겨지는 글리제581d 의 경우 육지는 아예 없고 온통 바다로만 이루어져있을 것으로 생각되는데 바다의 깊이가 수백에서 수천km나 될 수도 있죠. 지구에 비해 수천배나 깊은 거대한 바다로 뒤덮인 행성인 겁니다.

이런 바다에서는 매우 이상한 현상이 일어날 수 있는데 바로 뜨거운 얼음입니다. 엄청난 바닷물의 무게 때문에 바다 밑바닥의 물이 짓눌리면서 고체가 되어버리는 거죠. 그렇다고 우리가 생각하는 얼음은 아닌 것이 얼음의 온도가 수백 수천도에 달합니다. 말 그대로 뜨거운 얼음인 거죠. 우주에는 이런 바다행성들이 상당히 많을 것으로 생각되고 있습니다.

만약 지구가 저런 바다행성이었다면 어떻게 됐을까요?

육상동물은 당연히 존재할 수 없지만 의외로 수중동물인 물고기 같은 생물들도 존재할 수 없었을 가능성이 있습니다. 바다만 있으면 물고기한텐 더 좋을 거 같은데 의외죠? 그 이유를 알려면 6억년 전 무렵으로 시간여행을 떠나봐야합니다.

6억년전 바다

바다 속은 매우 조용하고 평화롭습니다. 물고기는 단 한마리도 보이지 않고 해파리들만이 평화롭게 둥둥 떠다닙니다. 바다 밑바닥에는 젤리로 만들어진 욕실 발판처럼 생긴 생명체가 보이는데 움직이는 건지 살았는지 죽었는지 헛갈릴 정도로 느리게 움직입니다. 매우 느린 클래식 음악이 어울리는 풍경이죠. 그러나 얼마후 분위기는 반전됩니다.

5억년전 바다

1미터가 넘는 크기에 무시무시한 이빨을 가진 포식자가 빠른 속도로 몸을 움직이며 헤엄쳐 날아가고 조그마한 물고기는 사력을 다해 도망칩니다. 바다 밑바닥에는 벌레들이 기어다니죠. 우리가 익히 아는 바다, 물고기들이 헤엄치고 서로 잡아먹고 먹히는 역동적인 바다의 모습입니다. 왜 갑자기 이렇게 바뀌었을까요. 그 이유에 대해서 아직 확실히 밝혀진 것은 없습니다. 여러가지 설들이 있는데 그 중 하나가 육지와 관계가 있죠.

5억 5천만년 전 무렵 대부분의 육지, 특히 북아메리카 대륙이 매우 얕은 바다에 잠겨 있었고 덕분에 육지를 바닷물이 휩쓸고 다니면서 침식시켰다고 합니다.

그렇다보니 침식 당한 바위 속에 있던 막대한 양의 칼슘 같은 무기물들(칼륨, 철분, 이산화규소 등)이 바다 속으로 녹아들어갔고, 바로 이런 칼슘같은 성분들이 몸 속에 들어가 단단한 껍질과 뼈대가 되면서 물고기와 무시무시한 괴물들이 탄생할 수 있었다는 주장이죠. 이 주장이 맞다면 육지의 존재는 뼈대의 존재와 뗄래야 뗄 수 없는 관계가 됩니다. 육지가 없었다면 바위들이 침식 당할 일도 없고 바다에 막대한 양의 칼슘이 녹아들어갈 일도 없었을테니까요.

그러면 지구는 왜 물이 꽤 적은 행성이 되었을까요?
사실 단순한 운이었을 가능성이 높습니다. 지구가 처음 생겨났을 때 수많은 얼음덩이들이 지구와 충돌했는데 그 때 얼마나 많이 충돌했느냐가 결정적 원인이 되는 거죠. 주변에 얼음덩이들이 많았으면 바다행성이 됐을 수도 있고 적었으면 반대로 사막행성이 됐을 수도 있습니다. 우리의 지구 주변엔 꽤 적당한 양의 얼음덩이들이 있었던 거죠.

그런데 얼음덩이의 양 말고도 중요한 것은 또 있습니다. 바로 지구의 크기죠. 지구가 너무 크면 중력이 강해지고 중력이 강하면 땅이 전체적으로 평탄해집니다. 중력에 의해서 땅이 잡아당겨지니까 울퉁불퉁하게 솟아오르지 못하고 아주 매끈해지는 거죠. 그러면 물의 양이 적어도 육지는 생겨날 수가 없게 됩니다. 땅이 워낙 평탄하니 얕은 바다에 다 잠기게 되는 거죠. 지구도 평탄하게 만들면 수심 3km의 바다로 뒤덮이게 됩니다.

지구가 너무 작아도 문제입니다. 작고 가벼운 지구는 중력도 약해지기 때문에 대기를 붙잡아둘 힘이 없어 대기를 잃게 될 가능성이 높죠. 달이나 화성에 대기가 없거나 매우 희박한 것이 바로 그런 경우입니다.

그리고 대기가 희박하면 바다 역시 존재할 수 없습니다. 물이 금방 끓어서 기체가 되어버리거든요. 대기가 희박해서 공기의 압력이 낮으면 물분자들을 눌러주는 힘이 없기 때문에 물분자들이 금방 흩어져 버리게 되는 거죠. 기압이 낮은 산꼭대기에 올라가 물을 끓이면 100도가 되기 전에 금방 끓는 것도 똑같은 현상입니다.

태양도 중요합니다. 당연하긴 하지만 태양의 성질에 따라 지구의 환경도 확 바뀌거든요. 그 차이를 알려면 태양을 다른 별로 바꿔보면 됩니다. 실제로 바꿀 수는 없으니 유니버스 샌드박스2라는 우주시뮬레이션 게임을 이용하면 그럴듯한 결과물을 만들어볼 수 있습니다. 먼저 가장 흔한 별인 적색왜성, 예전에 다뤘던 서민별 바너드Barnard's Star로 바꿔보죠.

일단 가장 먼저 눈에 띄는 변화는 어둠입니다. 태양 밝기에 2500분의 1 밖에 안되니 당연히 지구는 어두워질 수 밖에 없죠. 바너드별이 우리의 태양이라면 대낮에도 어슴프레한 새벽 정도의 밝기 밖에 안될 겁니다.

보통의 지구

바너드별의 지구

그렇게 어두우니 기온 역시 떨어질 수 밖에 없습니다. 바너드별로 바뀌치기된 후 4개월이 지나면 한반도가 북극처럼 하얗게 얼어붙고 지구 평균기온이 15.4도에서 0도로 떨어집니다.

1년 2개월이 지나면 동해바다가 얼어붙어 버리고 드넓은 태평양도 3분의 1 정도 얼어붙습니다. 지구 평균 기온은 -22.8도까지 내려가죠.

한달이 더 지나면 서해바다가 얼어붙고 두달이 더 흐르면 모든 바다가 얼어붙습니다. 바꿔치기 1년반만에 지구가 온통 하얗게 얼어붙었고 기온은 -31.5도까지 내려가죠. 이런 눈덩이 세상에서 인간이 살아남으려면 땅 속 깊은 곳으로 파고들어가 지열을 이용해 살아가는 수 밖에 없을 겁니다.

얼어붙은 서해바다

왕별 시리우스Sirius로 바꿔치면 어떻게 될까요. 서민별 바너드는 좀 천천히 변한 편이고 시리우스는 아주 화끈하게 지구를 바꿔버립니다.

일단 바꿔치기 하자마자 두시간만에 지구평균기온이 10도나 폭등해서 24.5도나 되죠. 시리우스가 태양에 비해 24배나 밝으니까 당연한 결과긴 합니다.

뜨거운 열에 바다가 증발하면서 9일이 지나면 서해바다가 사라지고 기온은 77도까지 치솟습니다. 이정도 온도면 지상에서 동식물은 다 죽을 운명이라고 봐야하죠. 35도 정도만 되도 식물이 광합성을 멈추고 생산활동이 정지되니까 생태계는 붕괴될 수 밖에 없습니다. 사람들 역시 식량을 가지고 땅속으로 대피해야하죠.

말라붙은 서해바다



12일하고 6시간이 지나면 드디어 기온이 100도에 도달하게 됩니다. 물이 끓는 온도죠. 지상의 민물은 부글부글 끓어오르면서 사라져가고 바다 역시 더 빠르게 증발해 사라져갑니다. 21일째 되는 날 깊이 천미터가 넘는 동해바다도 끓어올라 사라지고 기온은 140도를 돌파하죠.

사라진 서해, 동해바다



그리고 드넓은 태평양도 불과 한달만에 깨끗이 사라집니다. 그래도 깊이 만미터가 넘는 해구 밑바닥에는 매우 짠 소금물이 좀 남아있지만 이 역시 일주일 안에 모두 말라붙게 되죠. 기온은 180도를 돌파했고 지구를 푸르게 만들어주던 물은 지상에서 이제 단 한방울도 찾아볼 수 없게 된 겁니다. 역시 태양이 제일 낫죠?

태양뿐만 아니라 목성도 중요합니다. 목성처럼 크고 무거운 행성(지구 질량의 317배)이 나쁜 마음(?)을 먹으면 지구 같은 조그마한 행성에 문제가 생길 수 밖에 없거든요. 물론 진짜 흉기를 들고 목성이 지구를 위협할 일은 없는데 목성의 위치가 문제입니다.

목성이 지금은 지구보다 멀리 바깥쪽에서 태양 주위를 공전하고 있는데 만약 지구보다 안쪽에서 태양 주위를 공전한다면 어떤 일이 생길까요? 그것도 원궤도가 아니라 찌그러진 타원궤도라면?

굳이 불필요하게 이상한 상황을 설정하는게 아닙니다. 목성처럼 크고 무거운 가스형 행성 중에는 실제로 그렇게 공전하는 경우가 많거든요. 예를 들어 지구로부터 57광년 떨어져 있는 글리제 3021 b라는 행성이 그렇습니다. 이 행성은 목성 질량보다 최소 3.37배 더 클 것으로 예상되는 매우 큰 행성인데요. 중심이 되는 별과의 거리가 평균 0.5au, 즉 지구와 태양 거리의 반 밖에 안됩니다. 그리고 타원궤도로 찌그러져 있구요.

게임에서 그런 행성을 만들어넣어 돌려보니 일단 눈에 띄는 것은 지구의 궤도가 타원으로 찌그러지는 것이었습니다. 중간에 있는 목성이 지구를 잡아당기면서 궤도가 불안정해진 거죠. 목성과의 거리가 가까울 땐 강하게 잡아당기고 멀어질 땐 또 느슨해지고하면서 불규칙한 힘이 가해지는 겁니다. 마치 공에 줄을 달고 뱅글뱅글 공중에서 돌리는데 줄을 세게 잡아당겼다가 좀 풀어줬다가 하는 식으로 흔들면서 돌리는 것을 상상해보면 될 것 같습니다.

이렇게 되면 먼저 생기는 문제가 기온변화입니다. 태양과의 거리가 들쭉날쭉해지면서 기온이 큰 폭으로 오르락 내리락하게 되는 거죠. 게임 상에서는 15.4도였던 지구의 기온이 3년만에 17도까지 올랐다가 15년째에는 -10도까지 떨어지고 30년이 지났을 때는 30도까지 치솟습니다. 이렇게 되면 지구는 얼어붙었다 녹았다를 반복하게 되고 왠만한 동식물은 살아남기 어렵게 되죠. 참고로 지구가 불지옥이 되면서 동식물 종의 96%가 멸종했던 페름기 대멸종 때 기온이 약 21도이고 십만년전 빙하기 당시 기온은 약 13도입니다.

그러나 진짜 문제는 바꿔치기한지 178년째 되던 어느날 발생했습니다. 게임 상에서 지구가 아예 태양계 밖을 향해 내던저져 버렸죠. 혜성들이 당했던 그 일을 지구도 당하게 된 겁니다. 지구도 혜성처럼 차가운 암흑의 공간을 떠돌 운명에 처하게 된 거죠.

날아가는 지구

이런 목성은 지구입장에서 굉장히 못되보이겠죠? 그래서 과학자들은 이런 목성을 '사악한 목성', 반대로 우리의 목성처럼 지구보다 먼 곳에 있는 목성을 '선량한 목성'이라고 부릅니다.

선량한 목성이란 이름이 붙은 이유는 얼음덩이나 소행성들을 깨끗이 태양계 밖으로 날려보내줘서 지구에 별 위협이 안되도록 만들어주기 때문입니다. 일종의 착한 청소부 역할이죠. 선량한 목성이 없었다면 지구는 소행성이나 얼음덩이들이 수시로 충돌하는 통에 지금과 같은 생태계가 존재하지 못했을 가능성이 높습니다.

참 쉽지 않죠?

물의 양, 지구의 크기, 태양과 목성 같은 파트너들의 성질 등 우리가 이 지구에서 발 뻗고 편히 살려면 맞아야할 조건이 한두가지가 아닙니다. 조건 맞추기도 쉽지 않구요. 지구 행성 거주민이라는 거 하나만으로도 우주적으로보면 꽤 행운인 거죠. 영화에서 외계인들이 하고 많은 다른 행성들 냅두고 지구를 침공하는건 다 이유가 있는 겁니다.

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참고자료

새로운 하늘의 발견 : 두번째 지구를 찾아서, 플로리안 프라이슈테터, 박여명 옮김, 재승출판(2016.4)
뜨거운 얼음

캄브리아기 대폭발의 지질학적 원인

뜨거운 목성

글리제 3021b
http://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/210262.html http://www.yonhapnews.co.kr/international/2012/04/19/0619000000AKR20120419044500009.HTML https://ko.m.wikipedia.org/wiki/뜨거운_목성 https://ko.m.wikipedia.org/wiki/글리제_3021_b