전 지구 동결. 「투모로우」, 빙하기 도래(1)

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<전 지구 동결. 「투모로우」>

헐리우드에서 블록버스터 제작에 이력이 있는 롤랜드 에머리히 감독이 2004년에 출시한 영화 「투모로우」의 줄거리는 다음과 같다.

 

‘기상학자인 잭 홀 박사는 남극에서 빙하 코어를 탐사하던 중 ‘라센B’라는 커다란 얼음 덩어리가 떨어져나가는 것을 목격하고 국제회의에서 지구의 기온 하락에 관한 놀라운 내용을 발표한다. 급격한 지구 온난화로 인해 남극과 북극의 빙하가 녹고 바닷물이 차가워지면서 해류의 흐름이 멈추는 일이 발생하고 이로 인해 지구 전체가 빙하로 뒤덮이는 거대한 재앙이 올 것이라고 경고한다. 홀 박사가 해양 온도가 13도나 떨어졌다는 소식을 듣게 되고 수퍼컴퓨터로 기후예측모델을 추정하자 6주 안에 상상을 불허하는 엄청난 기상이변이 불어 닥치며 곧바로 빙하기에 접어든다는 결론을 얻는다. 아들 샘을 찾기 위해 뉴욕으로 향하는 도중 홀 박사는 고기압 태풍의 중심부와 만난다. 태풍의 중심에 놓인 뉴욕 맨해튼의 건물들은 꼭대기에서부터 순식간에 바닥까지 얼어붙지만 다행히도 샘은 도서관으로 피신하여 장서들을 태우면서 살아남는다. 아들을 구조한 홀 박사는 멕시코의 미 난민촌으로 남하하는데 헬기에서 바라본 뉴욕은 그야말로 얼음의 도시다. 또한 우주에 떠있는 국제우주정거장에서 내려다 본 지구 북반부는 온통 얼음으로 뒤덮여 있다.’

 

영화「투모로우」는 지구온난화가 초래할 기상이변의 시나리오를 매우 생생하게 묘사하면서, 그 과정에서 제기될 수 있는 여러 가지 과학적 가능성들을 과감하게 던져놓았다. 미국 작가 위틀리 스트리버가 2001년 출판한 『글로벌 수퍼스톰(Global Super-storm)』을 모본으로 삼았을 것으로 추정하지만 영화는 매우 날카로운 질문을 던지고 있다. 이를테면 왜 해수면 상승이 아니라 빙하기의 도래인가? 또 국지적으로 기온이 영하 수십 도로 급강하하는 현상이 과연 가능한가? 지구상의 얼음은 90%가 남극에 모여 있다는데 과연 북극해의 유빙들이 녹는다고 그 정도의 급격한 기상이변이 일어날 수 있는가 등이다.

1994년에 출시된 「워터월드」에서는 노아의 홍수와 같은 전지구가 물에 덮인다. 그러나 이보다 10년 후에 출시된 「투모로우」는 이와는 달리 지구가 물로 덮이는 것이 아니라 대빙하기가 닥친다. 그런데 대빙하기는 지구의 북반구 일부에만 찾아오며 위도가 낮은 곳은 빙하가 오지 않는다.

 

<표층해수의 움직임>

바다속과 마찬가지로 대양에 대해서는 아직 인간의 지식이 일천한데 이 분야의 선구자는 대체로 난센(Fridtjof Nan´sen, 1861〜1930)을 꼽는다. 난센은 1861년 노르웨이의 크리스티아니아(현 오슬로)에서 태어났으며 극지 탐험가로 유명하지만 외교가로도 명망을 갖고 있다. 난민 신분증명서인 ‘난센여권’을 창안해 동유럽에서 방랑하는 러시아 난민의 귀환을 도와주어 1922년 노벨평화상을 수상했다.

 

난센은 해양 동물을 채취하기 위해 1882년 포경선을 타고 탐사에 나선 후 1888년 5명의 동료와 함께 썰매를 타고 당시 불가능으로 알려진 그린란드 횡단에 성공하여 명성을 얻었다. 난센은 특히 북국이 큰 대양으로 되어 있다는 것을 처음으로 밝혔다. 여러 탐험에 성공하자 그는 실로 대담한 계획을 세운다. 즉 배를 빙하에 얼어붙게 한 후 해류와 빙하의 움직임에 따라 함께 움직여가면서 북극에 도달하겠다는 것이다. 이 용도로 제작된 배가 유명한 ‘프람’호이다. 선체를 둥글게하여 얼음의 압력이 가해지더라도 선체가 위로 들려지도록 만들어진 특수한 배이다. 남극점에 도달한 아문젠을 남극 로스해의 웨일스만까지 태워준 배도 프람호였다.

 

난센의 야심찬 프로젝트에 의해 1893년부터 프람호는 얼음에 고의적으로 갖힌 상태에서 1년 9개월만인 1895년 3월 북위 81도 4분의 지점까지 전진했다. 더 이상 북극으로의 전진이 어렵자 그는 요한센만 대동한 채 배에서 내려 개가 끄는 썰매와 카약을 갈아타며 사상 처음으로 북극점을 향해 달렸다. 4개월에 걸친 혈투로 당시 인간이 도달한 가장 북쪽 지점인 86도 14분까지 전진했으나 더 이상 북상이 불가능하여 결국 발길을 돌렸다. 북극 정복에는 실패했지만 두 사람의 북상 기록은 당시로서는 최고의 기록이므로 난센은 노르웨이의 영웅이 되었다.

 

탐험가로서 유명하지만 난센은 과학사에서 매우 중요하게 다뤄지는데 그것은 프람호가 얼음에 갇혀 표류하고 있는 동안 표류 방향 즉 해류의 방향과 바람의 방향을 관측하여 해류에 관한 중요 정보를 제공했기 때문이다. 그의 측정에 의하면 해류의 방향은 바람의 방향에 비해 항상 우측으로 20도에서 40도 사이로 어긋나 있었다. 이것은 지구의 자전 떄문으로 추후 에크먼 박사에 의해 에크만 나선(Ekman spiral) 또는 에크만 수송(Ekman transport)으로 공식화된다.

이 이론에 따라 바람의 효과와 지구 자전의 효과가 결합되어 ‘바람부는 방향과 평균 90도의 방향으로 표층의 해수가 이동한다는 것이다. 1835년 지상에 있는 유체의 운동에 대한 지구의 자전 효과를 처음 밝힌 프랑스의 과학자 코리올리의 이름을 따 코리올리 효과라 부른다.

중위도의 바다에 물의 억덕이 생기면서 대기 내에서 발생하는 고기압과 저기압에 유사한 상황이 만들어진다. 물이 많이 쌓여 해수면이 높아진 곳에서 그 주위의 낮은 고스로 물이 흘러가려는 중력의 힘이 작용한다. 여기에 코리올리 효과가 합세하여 바닷물은 90도 어긋난 방형으로 이동하면서 하나의 거대한 순환류를 만들어낸다.

순환류의 가장 중요한 역할은 위도를 가로지르며 해수를 섞는 것이다. 즉 저위도에 있는 해수가 고위도 지방으로, 반대로 고위도의 해수가 저위도로 이동하면서 기후 조절의 주역을 담당한다.

극 쪽을 향해 움직이는 더운 해수가 하는 조절 작용은 잘 알려져있다. 더운 멕시코만류의 연장인 북대서양해류는 영국과 서부 유럽의 많은 지역의 겨울철 기온을 그 위도에서 예상되는 온도보다 훨씬 더 높게 유지시켜 준다. 이 지역에 우세한 편서풍 덕분에 온도조절 기능은 내륙 안쪽으로도 깊숙이 전달된다. 예를 들어 베를린9북위 52도)의 1월 평균기온은 이보다 12도나 남쪽에 위치한 뉴욕의 온도와 비슷하다.

멕시코 만류와 같이 겨울에 그 영향을 주로 것과는 달리 한류의 영향은 적도나 중위도 지역의 여름에 가장 강하게 나타난다. 아프리카 연안의 벵겔라 해류나 페루 해류는 열대의 열을 조절하는 역할을 한다.

인접한 대륙의 기온에 영향을 미치는 것 이외에 한류는 또 다른 방법으로 기후에 영향을 미친다. 특히 대륙의 서족 해안을 따라 열대사막이 위치하고 있는 지역에서 한류는 매우 큰 영향을 준다. 대기와 바닷물의 흐름이 지구 기후에 큰 영향을 미치는데 바다에는 또 하나의 흐름이 있다. 이것 역시 지구 기후에 엄청난 영향을 미치는데 바로 바다 속 깊은 곳의 바닷물 즉 심해수가 흐르면서 저어지는 운동이다.

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<심해수의 움직임>

심해수에 대한 인간의 호기심은 18세기 중반으로 거슬러 올라간다. 1751년 영국의 노예매매선 ‘헬리에스 백작’호의 선장 엘리스는 서아프리카로 가던 도중 갑판에서 몇 가지 측량을 실시했다. 뱃전에서 온도계가 부착된 뚜껑이 달린 해수 채취 물통을 줄에 매달아 바다로 내렸다.

그의 단순한 실험 결과는 놀라웠다. 표층 바닷물의 온도는 29도 인데 이는 주위 대기온도와 같았다. 그러나 1,500미터 깊이의 바닷물은 언제나 12도를 넘지 않았다. 호기심 때문에 발견된 사실이지만 이것은 배를 탄 선원들이 포도주를 식히는데 적격이었다.

그러나 이 발견은 매우 중요한 점을 시사한다. 온대지역의 호수나 깊은 곳의 온도가 낮은 것은 추웠던 겨울의 잔재이기 때문이다. 표층의 온도는 겨울에 매우 낮아졌다가 봄ㆍ여름에 더워지므로 여름에 더운 표층수 아래 깊은 곳이 차거워진다는 것을 잘 설명할 수 있다. 그런데 엘리스의 측정은 외기온에 관한 한 계절적인 변화가 없는 열대지방에서 이루어졌다는 것이다.

1872년 해양장비에서 획기적인 발전이 이루어졌다. 당시 심해의 압력을 견디면서 최고와 최저의 온도를 정확히 측정할 수 있는 온도계가 발명된 것이다. 이러한 온도계를 통해 남대서양의 동서를 가로지르는 단면의 온도 분포는 약 400m(200 fathom) 이하의 물 대부분이, 섭씨 2〜5도의 찬물임을 분명히 보여주었다. 또한 가장 낮은 온도를 보이는 해수는 남극 주변 바다와 직접 인접한 해역에서 관측되면서 깊은 바다의 찬물이 남극해에 그 기원을 두고 있다고 파악했다.

바다 연구는 계속되어 대서양ㆍ태평양 및 인도양을 남북으로 가로지르는 단면에서의 염분과 온도의 분포도 알려지기 시작했다. 이런 분포의 특징 중 하나는 ‘혀’ 모양의 염부 분포가 보인다는 것이다. 대서양의 경우 염혀(salinity tongue)가 해수 표면으로 연결되어 있는 지역이 표층해수가 가라 앉아 심해수를 만드는 것이다. 그리고 이곳에서 가라앚아 만들어진 심해수가 이동하면서 염허를 만들어내는 것도 발견되었다.

더구나 놀라운 것은 깊은 바다로 표층수가 가라앉는 일이 아무데서나 일어나는 것이 아니라는 점이다. 표층수의 침강이 일어나는 곳은 북대서양의 레브라도 바다 인근으로 바로 이곳의 표층수가 가라앉으면서 ‘북대서양 심층수’를 형성하며 이들이 전대양으로 퍼지며 깊은 바다를 채운다는 것이다. 그렇다면 왜 대서양에서만 깊은 심층수가 만들어지는 지 의문이 생긴다.

표층수가 가라 앉으려면 아래에 있는 해수에 비해 밀도가 더 커져야한다. 그런데 해수의 밀도를 결정하는 것은 온도와 염분이므로 이를 ‘열염분 순환’이라고 한다. 그런데 대서양과 태평양을 비교하면 고위도의 해수에서 온도가 특별히 달라져야 할 이유가 없다. 자연적으로 염분에서 그 이유를 찾는다. 지역적 염분의 변화를 보면 최저 32(북태평양 연안)에서 최대 38(지중해)까지 약 20%의 변화 폭을 보인다. 그런데 각 대양별 염분의 분포를 보면 중위도 지역의 염분이 높으며 고위도와 저위도에서는 염분이 낮다. 대서양의 바닷물이 태평양에 비해 더 짜다.

이런 몇 퍼센트밖에 되지 않는 비교적 작은 차이이지만 대서양의 표층수는 2,000〜3,000미터 이상의 깊은 바닷속까지 가라앉지만 태평양의 경우 1,000미터에 머무른다. 그런데 이렇게 만들어지는 심해수의 순환이 지구 기후에 미치는 영향은 엄청나다.

표층해수의 염분 분포를 일차적으로 결정하는 것은 그 지역의 증발량과 강우량의 상대적 차이다. 대서양은 증발된 수증기의 일부를 태평양에 잃어버리면서 상대적으로 증발량이 증가해 오늘날의 염분 차이를 유지하면서 열염분 순환의 시발점이 된 것이다.

이런 복잡하고도 어려운 내용을 어떻게 발견할 수 있느냐에 질문에 정답은 간단하다. 그런 것을 분석할 수 있는 추적장치가 개발되었기 때문이다. 영화에서 자주 나오는 장면으로 용의자 검거를 위해 자동차 등에 신호발생장치를 몰래 달아놓고 이를 추적해 범인을 찾는다. 간단하게 말하여 비행기 가방에 꼬리표를 붙이는 것도 추적장치라 볼 수 있다. 바로 이 추적장치가 과학의 발전에 큰 기여를 했고 현재도 광범위하게 이용된다.

헝가리의 조르주 샤를 드 헤베시(George Charles de Hevesy, 1885〜1960)가 바로 이 업적으로 1943년 노벨화학상을 수상했다. 부다페스트 대학교와 베를린 대학교에서 공부한 후 1908년 프라이부르크 대학교에서 박사학위를 받은 조를주 샤를 드 헤베시는 스웨덴의 테크니칼대학의 물리화학연구소에서 연구했고 영국 맨체스터대학교의 어니스트 러더퍼드 밑에서 라듐의 화학적 분리에 관한 연구를 시작했는데 이곳에서 방사성 동위원소를 추적자로 사용하는 법을 착안한다. 방사성 동위원소를 이용한 그의 연구는 인체의 구성성분들의 다양한 생리학적 과정 및 동적 상태를 규명하였다. 그의 수상 업적은 「화학 연구에 방사성 동위원소를 추적자로 이용」이다. 노벨상도 세계 정황에 영향을 받지 않을 수 없으므로 노벨화학상은 1940년부터 1943년까지 수상자가 없다. 그런데 막상 노벨화학상 선정 과정 중 노벨 화학 위원회가 당해 수상자 후보들이 알프레드 노벨 박사의 유지에 부합하는 기준을 충족시키지 못했다고 판단했기 때문에 조르주 드 헤베시는 1년 후인 1944년에 노벨 화학상을 수상한다. 물론 수상 연도는 1944년이 아니라 1943년이다. 그의 수상 업적은 「화학 연구에 방사성 동위원소를 추적자로 이용」이다.

 

‘전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

1913년 헤베시 교수가 맨체스터의 러더퍼드와 함께 일할 때 이 젊은 과학자는 방사성 납으로부터 라듐 D를 분리하라는 임무를 받았습니다만 노력에도 불구하고 성공하지 못했습니다. 사실 방사성 라듐 D가 라듐의 후예 계열 중 마지막 물질인 비활성 라듐 G와 다른 점이 거의 없어서 그것들을 서로 분리하려는 모든 노력은 애초에 실패할 운명으로 보였습니다. 이에 대한 원인이 동시에 발견되었습니다. 라듐 D와 라듐 G는 동위원소이며 납의 다른 종을 구성합니다. 그 원자들은 같은 핵전하를 갖는 반면에 원자량은 다릅니다. 그러므로 전자들로 이루어진 껍질은 거의 동일합니다. 이 껍질이 그들의 화학적 성질을 결정하기 때문입니다.

비록 성공하진 못했지만 헤베시 교수의 노력은 헛되지 않았습니다. 그러한 노력들이 그에게 화학 연구의 새로운 방법에 관한 아이디어를 준 것입니다. 만일 하나의 원소로부터 그것의 부분을 구성하고 있는 방사성 동위원소를 화학적으로 분리해 낼 수 없다면, 다른 종류의 화학반응이나 물리적 과정 중에 이 원소의 거동을 자세하게 추적하는 데 이러한 특이성을 이용할 수 있어야만 합니다. 활성인 원자들은 방사능에 의해 인식되며, 한 원소의 비활성인 원자와 충실하게 함께하기 때문에 이들을 추적자로 사용할 수 있습니다. 방사능의 세기는 극히 적은 양이 측정될 수 있을 만큼 정밀하므로 극히 적은 양의 추적자만 있으면 충분합니다.

헤베시 교수는 라듐 D를 추적자로 사용해서 용해도가 매우 낮은 납 화합물의 용해도를 결정했습니다. 또한 다른 형태의 용매로부터 다른 조건에서 얻어진 황화납 또는 크롬산납의 양을 정확히 결정하는 데 성공했습니다. 그는 고체로부터 용해된 물질 속으로 납원자의 교환 가능성을 연구해서 납원자의 거동이 납이온에 상응한다는 것을 확인했습니다. 고체 납에서 원자의 움직임 즉, 이 금속에서 일어나는 자발적 확산도 측정할 수 있었습니다. 전에는 이 과정을 측정하는 것이 불가능했습니다. 납 결정 표면에 납의 고활성 동위원소인 토륨 B를 침전시키면, 이어서 방사능 세기가 감소하면서 활성원자가 아래층의 비활성 납원자로 치환되는 변화가 일어납니다. 이렇게 결정에서 일어나는 침투현상으로 헤베시 교수는 납의 결정 부분으로부터 원자를 방출하는 데 필요한 에너지, 달리 말하면 결정격자의 해리 에너지를 측정할 수 있었습니다. 이 에너지는 납의 기화열과 같은 정도의 크기로 밝혀졌습니다. 이러한 연구는 물리화학적 관점에서 특히 흥미롭습니다.

새로운 방법은 또한 생물학적 과정을 연구할 수 있게 했습니다. 활성 납원자의 혼합물을 포함하고 있는 용액 속에 놓인 콩은 이 염의 일부를 흡수하지만 이 금속의 분포는 뿌리와 줄기와 잎에서 같지 않습니다. 대부분의 납은 자연스러운 생물학적 발전을 허용하지 않고 오히려 독으로 작용하며 뿌리에 머무릅니다. 더 진한 용액보다 묽은 용액으로부터 상대적으로 더 많은 납이 추출됩니다. 동물 유기체에 의한 납, 비스무트, 그리고 탈륨 염의 흡수와 제거는 이러한 방식으로 연구됩니다. 동물 유기체 내에 들어온 비스무트 화합물의 분포에 관한 지식은 아시다시피 이 화합물들의 일부가 치료용으로 사용되기 때문에 의학적 관점에서 중요합니다.

자연 방사성 원소만을 추적자로 사용하는 한 새로운 방법의 사용은 불가피하게 매우 제한적입니다. 사실 이 방법은 납, 토륨, 비스무트와 탈륨, 그리고 이들의 화합물과 같은 중금속의 경우에만 적용될 수 있습니다. 이 상황은 프레데리크와 이렌 졸리오퀴리, 그리고 페르미가 어떤 원소에든 입자를 충돌시켜 방사성 동위원소를 만드는 데 성공했을 때와 매우 다릅니다. 이 발견은 10여 년 전에 만들어졌고 방사성 추적자를 이용한 화학 공정의 연구는 그때 이래로 지금까지 전 세계적으로 실험실에서 널리 사용될 정도로 수행되어 왔습니다. 헤베시 교수는 이 새로운 분야의 연구에서 선구자로 남아 있었고, 가장 중요한 많은 연구가 그와 동료들에 의해 수행되었습니다.

그리하여 의외의 중요한 결과가 생물학에서 얻어졌습니다. 황에 중성자를 조사하거나 중수소핵을 보통 인에 조사하면 얻어지는 방사성 인의 동위원소가 대부분 사용되었습니다. 이 방사성 인은 자연을 테스트할 만큼 충분히 오래 견딥니다. 방사성 인은 거의 14.8일의 반감기를 갖습니다. 헤베시 교수는 이 추적자를 포함하는 인산나트륨 생리액을 만들어서 동물과 사람에게 주사하였습니다. 인의 분포는 일정한 간격으로 측정되었습니다. 혈액 시료를 연구한 결과 이렇게 주사된 인은 빠르게 혈액에서 없어지는 것이 발견되었습니다. 사람의 혈액에서 방사성 인의 함량은 단 두 시간 뒤에 초기값의 2퍼센트로 떨어졌습니다. 방사성 인은 세포 외의 체액으로 확산되고 점차 조직, 기관, 골격의 인璘 원자와 자리를 바꿉니다. 얼마 후에는 비록 적은 양이지만 치아의 에나멜에서도 발견됩니다. 교환은 조금씩 천천히 진행되며 이의 바깥쪽 단단한 부분과 뼈와 림프의 안쪽 조직 사이에 일어납니다. 주사된 인의 대부분은 골격, 근육, 간, 위와 장 기관으로 갑니다. 살아 있는 유기체에서 인이 제거되는 것도 이 방법으로 연구되었습니다.

인은 생물학적 과정에서 극히 중요한 원소입니다. 방사성 추적자의 사용으로 얻게 된 살아 있는 유기체에 작용하는 인에 대한 지식은 가장 큰 관심거리입니다. 헤베시 교수는 어디에서 어떤 속도로 여러 가지 인의 화합물이 형성되는지, 그리고 동물 유기체 내에서 인이 이동하는 경로를 알아내는 데 성공했습니다. 혈액 속으로 주입된 인산염으로부터 인화합물을 만들기 위해서 인산염이 먼저 세포 속으로 침투해 들어가야 합니다. 산에 용해되는 인화합물은 빠르게 형성되고, 반면에 지방 물질과 긴밀하게 관련있는 인지질은 천천히 형성됩니다. 인지질은 주로 간에서 형성되며 거기에서 소비될 곳까지 혈장이 운반합니다. 헤베시 교수는 닭 태아의 인지질이 태아 자체 내에서 생산되며 계란 노른자로부터는 추출할 수 없다는 것을 밝혔습니다.

헤베시 교수는 또한 방사성 나트륨과 칼륨으로 여러 연구를 수행했습니다. 그는 사람에게 주사된 방사성 나트륨을 포함하는 생리적 식염수가 어떻게 혈액 속으로 퍼져나가는지, 그리고 어떻게 천천히 세포 속으로 침투해 들어가는지 연구했습니다. 아울러 그것이 배설되는 과정도 연구했습니다. 24시간 후에 적혈구는 그 나트륨 함량의 거의 절반을 잃었습니다.

위에서 언급한 추적자 외에도 마그네슘, 황, 칼슘, 염소, 망가니즈, 철, 구리와 아연 같은 다양한 다른 활성 동위원소들이 이러한 종류의 연구에 사용되었습니다. 더 가벼운 원소는 원자량 2인 중수소, 원자량 15인 질소, 원자량 18인 산소와 같은 비활성 동위원소를 사용하는 것도 가능했습니다. 물론 활성 추적자보다는 비활성 추적자의 함량을 측정하는 것이 다소 어렵지만 밀도 측정이나 질량 분석으로 가능합니다. 보통 수소보다 두 배 무거운 중양성자 또는 중수소의 농도를 측정하는 것은 상대적으로 쉽습니다. 드 헤베시 교수는 많은 실험에서 중양성자를 추적자로 사용하였습니다. 그리하여 중수소를 포함하는 물을 마신 사람은 불과 26분 뒤에 소변으로 중양성자를 배설한다는 것을 알게 되었습니다. 중양성자를 포함한 물에서 헤엄치는 개구리와 물고기는 그것을 흡수하여 약 4시간 뒤에는 중양성자에 관한 한 매질과 평형을 이룹니다. 중질소와 중산소 또한 많은 연구에 사용되었습니다.