<지구의 탄생>
태양계가 처음 생겨날 때 원시 태양 주위의 원반에 모여 있던 먼지 입자들이 서로 뭉쳐 ‘미행성(微行星, 지름 10km 정도 작은 천체)을 이루었다. 이때 만들어진 미행성의 수는 엄청나게 많아서 약10조 개로 추산되는데 이 미행성들 사이에서 충돌이 일어나기 시작했다. 여기저기 충돌이 일어나면서 미행성의 크기는 점점 커졌다. 수백만 년 동안 이런 충돌이 일어나는 사이에 미행성들은 커다란 원시 행성들이 되었는데 그중 하나가 바로 ‘원시 지구’다.
미행성의 재료는 서로 다른데 암석 성분이 많으면 서로 부딪칠 때 부서지며 반면에 금속 성분이 많은 미행성들이 부딪치면 더 커진다. 암석은 초속 10미터 정도의 비교적 느린 속도로 충돌해도 산산조각이 나지만 금속은 훨씬 더 빠른 속도로 충돌해도 부서지지 않고 하나가 된다.
미행성들이 아주 많이 부딪쳐 그 크기가 어느 이상으로 커지면 이 때부터 상황은 달라진다. 몸집이 커지면서 주위의 물체를 잡아당기는 힘인 중력이 커지기 때문이다. 그러므로 원시 지구에는 많은 미행성들이 떨어졌고 그 중에는 다소 큰 것들도 있었다. 더불어 이때부터는 부서져 흩어지는 파편들도 붙들어 둘 수 있게 되었으므로 지구는 더욱 커졌다.
미행성 충돌은 미행성이 부서지거나 하나로 뭉치는 과정일 뿐만 아니라 미행성이 포함하고 있는 휘발성 성분을 방출하는 과정이기도 하다. 암석이나 금속으로 된 미행성에 포함된 휘발 성분은 주로 물과 이산화탄소다. 이런 충돌로 엄청난 압력과 열이 방생했고 그 과정에서 미행성에 갇혀 있던 물과 이산화탄소가 튀어나왔다. 시간이 지나면서 원시 지구의 표면에는 수증기와 이산화탄소가 쌓였고 이것이 지구의 대기를 이루었다.
원시 지구가 수증기와 이산화탄소로 덮여 있었다는 사실은 매우 중요하다. 수증기와 이산화탄소가 온실 효과를 일으키는 기체이기 때문이다. 미행성이 원시 지구와 충돌할 때 엄청난 열이 발생한다. 그 열이 모두 우주 공간으로 달아나 버렸다면 현재의 지구가 되지 못하는데 다행하게도 온실효과 때문에 지구 표면이 녹기 시작했다. 펄펄 끓는 마그마(용암)이 원시 지구 전체를 덮어 마그마의 바다가 만들어진 것이다.
지구는 마그마 바다, 수증기와 인산화탄소로 이루어진 두터운 대기가 형성되었다. 그리고 시간이 지나면서 원시 지구의 성장은 느려졌다. 원시 지구의 덩치가 워낙 크므로 미행성이 충돌해도 큰 영향을 받지 않아, 행성이 지구에 떨어지면서 내는 열도 크게 줄었다. 그러자 지표 온도가 낮아지면서 마그마의 바다도 차츰 식어갔다.
마그마의 바다가 식기 시작하면서 공기 중의 수증기가 물방울로 변하기 시작했다. 온도가 낮아지면서 공기 중에 있을 수 있는 수증기의 양이 줄어들기 때문이다. 이 말은 공기 중의 수증기가 비로 지표면에 내리기 시작했다는 것인데 당시 내리던 비는 시원한 비가 아니라 300여 도에 달하는 뜨거운 비였다. 폭포수처럼 땅으로 쏟아진 이 뜨거운 비는 1,300도 정도의 펄펄 끓는 땅 표면을 빠른 속도로 식히면서 더 많은 공기 중의 수증기를 물방울로 바꾸었다. 이런 일이 얼마나 오래 계속되었는지는 모르지만 비가 비를 부르면서 원시 지구에는 엄청난 양의 물이 고여 바다가 만들어졌다.
원시 대기의 수증기가 비로 변해 쏟아지면서 마침내 지구를 덮고 있던 두꺼운 구름은 자취를 감추고, 대기의 주성분은 이산화탄소가 되었다. 대기의 농도가 낮아짐에 따라 지표의 온도가 내려갔다. 지구에 육지와 바다, 그리고 맑게 개인 하늘이 생긴 것이다.
이제 지구에는 생명이 탄생할 터전이 마련되었다. 이런 상황에서 생물이 태어났는데 초창기 지구 대기는 지금과 달리 오존층이 없었기 때문에 태양으로부터 나오는 생물에 치명적으로 유해한 자외선으로 가득 차 있었다. 이 자외선을 피할 수 있는 곳은 유일하게 바닷속이므로 최초의 생명체가 바다에서 태어났다고 믿는 것이다.
실제로 35억 년 전에 생명체가 바다가 살고 있었다는 확실한 증거가 스트로마톨라이트다. 이들은 세포 속에 핵이 따로 없는 원생동물인 남조류들이 무리지어 살면서 만든 둥근 바위다. 현재도 이들은 오스트레일리아 서쪽의 샤크 만에서 스트로마톨라이트를 만들고 있다.
35억년 전에도 광합성을 하는 생물체가 있었다는 것은 이 때 이미 산소가 만들어지고 있다는 뜻이다. 물론 지금처럼 자유롭게 호흡할 수 있을 정도의 산소가 쌓이기까지는 매우 오랜 세월이 필요했다. 여하튼 긴 세월을 거쳐 산소의 양이 늘어나자 오존층도 만들어졌다.
오존층이 태양으로부터 지구로 들어오는 생물에 유해한 자외선을 흡수하여 막아 주는 역할을 했다. 이제 산소를 충분히 포함한 대기와 오존층의 보호로 지구는 새 세상이 되었다. 오존층이 만들어짐으로써 바다에서 태어나 진화한 생물들이 육지로 올라와 살 수 있게 되었기 때문이다.
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<지구의 나이>
인간이 지구에서 살고 있으며 현 우주에서 지구 외에 지적 생명체를 발견하지 못한 상태에서 인간의 궁금증은 지구의 나이가 얼마나 되느냐이다. 현재 인간들이 살고 있는 곳은 태양이 아니라 지구이기 때문이다.
이 질문에 대해 천문학자들의 설명은 명쾌하다. 약 138억 년 전에 우주가 일단 태어나고 이후 별 즉 태양이 약 50억 년 전에 태어났으며 그중 하나의 행성인 지구가 약 45억 년 전에 태어났다는 것이다. 또한 태양의 미래도 예측하는데 대체로 50억 년은 태양이 현재와 같이 존재할 수 있다고 설명한다.
지구 나이를 가장 궁금하게 생각한 사람은 종교학자들이다. 기독교의 경우 신이 우주를 창조하였고 이어서 인간을 만들었으므로 신이 언제 우주를 창조했는가는 매우 중요한 일이었다. 그런데 종교계에서도 신이 창조한 우주의 나이를 명확하게 설명한다는 것이 간단한 일은 아닌데 중세의 유대학자들은 기원전 3760년경에 우주가 창조된 것으로 생각하였다. 그러므로 유대인들은 이때를 달력의 기원으로 삼는다.
한편 17세기 중엽 성공회의 대주교 어셔(Ussher)는 BC 4004년, 그리스 정교회에서는 5508년을 우주 창조의 해로 생각했다. 지금 생각하면 전혀 터무니없다고 생각되지만 그 당시에는 몇 천 년이라는 세월도 무척이나 오랜 세월로 생각되던 시절이었다.
과학적 근거를 가지고 지구의 나이를 논한 사람은 지질학자 허턴이었다. 허턴은 1758년 『지구의 역사』라는 책에서 지표의 역사는 수백만 년이 된다고 주장했다가 수많은 사람들로부터 터무니 없이 긴 시간을 이야기했다하여 비난을 받았다. 그후 1830년에 지질학자 라이엘이 『지질학원론』에서 이를 재증명하고 지구의 나이는 최소한 5억년은 된다고 주장하였다.
지질학자들이 과학적 근거를 가지고 그 때까지의 상식을 뛰어넘는 지구의 나이를 이야기하자, 사람들은 태양계 에너지의 근원인 태양이 언제부터 타올랐고 또 얼마나 더 탈 수 있을 것인가를 생각하기 시작했다. 지구의 나이가 관건이 된 것은 지구에 살고 있는 인류의 장래가 걸린 문제이기 때문이다.
이 문제는 다소 현실적인 면에서 매우 중요한 일이었다.
당시 가장 중요한 에너지원은 석탄인데 당대의 사람들은 태양이 태우고 있는 원료를 석탄이라고 믿었다. 그러므로 태양이 석탄 덩어리라면 얼마나 탈 수 있는지 관건인데 태양의 질량으로 미루어 수천 년은 탈 수 있다고 생각했다. 당대의 지식인들로 볼 때 태양은 충분히 긴 시간 동안 존재할 수 있다고 생각했는데 지질학자의 주장이 사실이라면 태양은 벌써 오래전에 다타버렸어야 했다. 무언가 아귀가 안 맞는 일이었다.
물리학자 헬름홀쯔는 태양의 에너지원을 석탄이 아닐지 모른다고 생각했다. 그는 매우 놀라운 발상을 했는데 태양이 수축하면서 나오는 열이 에너지로 방출한다고 생각하면 어떻게 되느냐고 질문을 던졌다.
그는 태양이 처음에는 지구궤도 정도까지 컸다고 생각했는데 그가 그렇게 규모를 조정한 것은 지구까지 태양이 컸다면 지구를 삼켜버리는 모순이 생기기 때문이다. 그의 계산에 의하면 태양이 에너지를 방출하면서 현재 크기까지 수축하는데 5000만년이 걸린다는 계산이 나왔다.
당시 그가 계산한 5000만년은 매우 긴 시간이지만 지질학자들이 이야기한 시간보다는 너무 짧았다. 또한 1863년 켈빈 경은 열역학적으로 지구가 고온의 용융 상태로부터 냉각일로를 걸어왔다고 가정하여 처음에는 2000만 년으로 발표했다가 추후 일억 년 미만으로 추정했다. 그가 지구의 나이를 발표한 것은 1859년 찰스 다윈이 발표한 진화론을 반박하기 위한 것으로 당시 다윈의 진화가 이루어지려면 적어도 지구의 나이가 10억 년은 되어야 했다. 그러므로 진화론이 성립하기 위한 년대를 감안하면 지구의 나이가 짧다는 것은 다윈의 진화론에 치명적인 문제가 있다는 것을 의미한다.
그러나 1896년 영국의 물리학자 러더포드(E. Rutherford)는 방사능의 열원 때문에 지구가 냉각만 계속한 것이 아니라 가열되었다고 생각하였고 1904년 지구의 나이가 수 십 억년을 상회한다고 발표했다. 한마디로 다윈의 진화론이 성립할 수 있는 충분한 나이였다.
오늘날은 방사능 연대 측정법을 이용하여 지구의 나이를 추정한다. 질량수 238인 우라늄의 절반이 질량수 206인 납으로 바뀌는 데는 42억년이란 오랜 세월이 걸린다. 이 방법으로 지구에 떨어지는 운석과 비교하여 지구의 암석의 나이를 추정한 결과 43〜45억년으로 추정되고, 오늘날 지구의 나이를 대체로 45〜46억년으로 추산한다.
<기울어 있는 지구의 자전축>
지구가 자전과 공전이 있다는 것을 모르는 사람은 없을 것이다.
그런데 지구의 자전이 생긴 이유가 다소 생소하다. 대부분의 학자들은 지구의 자전이 생긴 이유로 태양계가 생성된 지 5,000만 년 후 지구가 화성과 비슷한 부피의 행성과 충돌했기 때문으로 설명한다. 이 충돌은 지구의 중심부가 아니라 옆면을 비스듬하게 빗겨서 충돌했고 그때부터 회전이 시작되었다는 것이다.
지구의 특징은 이뿐이 아니다. 지구가 태양 주위를 도는 면을 공전면이라 하는데 지구의 자전축은 공전면에 대해 66.6도 정도 기울어져 있다. 공전면과 수직인 선에 대해서는 23.4도 기울어져 있다. 자전축이란 지구가 자전을 할 때 중심이 되는 축으로 북극점과 남극점을 잇는 직선이다.
그런데 자전축의 기울어져있는 것은 지구만이 아니다. 다른 행성들도 자전축이 조금씩 기울어져 있는데 금성 177도, 화성 25도, 목성 3도, 토성 26.7도, 해왕성 28도, 천왕성은 98도나 된다.
지구가 기울어진 이유로는 여러 학설이 있다. 행성들이 만들어질 때 다른 행성의 중력 때문에 기울어졌다는 설도 있고, 혜성 등 소행성과의 충돌 때문에 기울어졌다는 설이 주류인데 달이 충돌했다는 설도 있다. 그러므로 수성이 0.04라는 거의 수직을 유지하고 있는 이유로 다른 행성과는 달리 큰 폭격을 피했기 때문으로 보기도 한다.
지구의 자전축은 고정되어 있는 것이 아니라 41,000년을 주기로 21.5도에서 24.5도 사이에서 변하는데 이는 매우 안정적인 수치이다. 화성의 경우 기울기가 지구와 유사한 25도이지만 지구처럼 안정적이지 않다. 이는 화성의 인근 천체(목성 등)와의 중력적 섭동 현상으로 인해 11〜49도에 이를 정도로 엄청난 각도로 요동치고 있다. 반면에 지구의 자전축을 든든하게 잡아주는 것은 달이다.
여하튼 지구와 충돌한 천체가 달이든 아니든 대충돌 전 공전면에 대해 수직에 가까웠던 지구의 자전축 기울기는 지구 환경에 커다란 영향을 미쳤다. 지구는 공전면을 따라 태양을 도는데 자전축이 기울어져 있으므로 햇빛을 수직으로 받는 지역이 1년 주기로 조금씩 달라진다. 태양은 3월 21일, 9월 23일 전후 적도 바로 위를 지난다. 이를 춘분과 추분이라고 한다. 또한 하지와 동지도 생기는데 이러한 계절의 변화는 지구의 자전축이 기울어졌기 때문에 나타나는 현상이다.
만약 지구의 자전축이 기울어지지 않고 수성과 마찬가지로 공전면과 수직이라면 태양은 항상 적도 위를 수직으로 비춘다. 또한 지구의 어디로 가든 낮과 밤의 길이는 12시간으로 똑같아진다. 그로인해 기온은 1년 내내 같아지고 계절의 변화도 사라진다. 중위도 지역의 기후는 1년 내내 따뜻해지지만 적도 지역은 지금보다 훨씬 뜨겁고 양극 지역은 눈과 얼음에 갇히는 등 매우 가혹한 기후가 된다.
반대로 자전축이 지금보다 더 기울어진다면 어떻게 되는가도 관심사다. 천왕성의 자전축은 공전면과 거의 일치하게 기울어져 있는데 이런 경우 지역마다 계절에 따라 매우 복잡한 기후가 연출된다. 먼저 북극과 남극 지역에는 봄과 가을이 사라지고 여름과 겨울만 찾아온다. 즉 6개월 여름 6개월 겨울이다. 중위도 지역도 상당히 복잡해 길고 추운 겨울이 끝나면 곧바로 열대와 같은 무더운 봄이 찾아온다. 그리고 봄이 끝날 무렵부터 다소 따뜻한 기후가 이어지다 여름이 끝날 무렵 갑자기 몹시 더워진다. 그후 다소 따뜻한 가을 그리고 추운 겨울이 찾아온다. 문제는 이런 지역에서 생명체가 살아가기에는 매우 혹독한 환경이라는 점이다. 반면에 적도 지역의 기후는 좀 더 안정적이다. 이 지역에서는 춘분과 추분을 전후로 각각 2달씩 모두 4달만 뜨거운 날이 계속된다.
학자들은 지구의 대충돌로 인해 즉 자전축이 적당히 기울어진 덕분에 지구는 지금처럼 전체적으로 온난한 행성이 될 수 있었다고 설명한다. 만약 대충돌이 없어 달이 태어나지 않았다면 지구의 환경은 지금과 그야말로 달라진다.
우선 지구의 자전 속도가 지금처럼 느려지지 않는다. 학자들은 원시 지구의 자전 주기는 6시간 정도인데 달의 영향으로 서서히 느려져 24시간이 되었다고 설명한다. 물론 달이 없더라도 자전 속도는 서서히 변하는데 지구는 태양의 중력에 큰 영향을 받으므로 달이 없더라도 지구의 하루는 8시간 정도가 되었을 것으로 추정한다.
만약 지구의 자전주기가 8시간 정도로 짧아진다면 즉 자전속도가 빨라진다면 지구에는 항상 거센 바람이 분다. 육상 생물은 호흡 혼란을 겪고 몸은 단시간에 열과 수분을 빼앗긴다. 한마디로 생물이 살기 어려운 행성이 된다. 이런 상황이 되면 생물들이 다른 형태로 진화할 것이다. 8시간의 자전 주기 환경에 적응해서 진화되는 생물의 모습은 지금과 전혀 다를 것임은 자명한 사실이다.
가장 큰 변화는 식물이다. 항상 거센 바람이 불면 식물은 많은 잎을 달 수 없다. 더구나 거센 바람의 영향으로 나무가 잘 쓰러지므로 나무들이 땅바닥에 기듯이 누워서 자랄지도 모른다.
동물도 세찬 바람 아래서 외향이 달라질 수밖에 없다. 강풍 속에서 호흡할 수 있는 특별한 근육의 생물, 코가 바람을 막는 형태로 진화할수도 있다. 하늘을 나는 동물이라면 비행을 위해 근육이 보다 강화되어야 하며 딱딱한 갑각류가 크게 번성할 수도 있다. 또한 강풍 속에서 소리를 잘 듣기 위해 고도의 청각 기능을 가진 동물로 진화할 가능성도 있다. 소리 대신 빛을 내고 빛의 세기와 색을 바꾸는 방식으로 신호를 주고 받는 생물이 태어날 수도 있다. 특히 텔레파시를 기본으로 하는 생물이 태어날지도 모른다.
여하튼 학자들은 달을 포함한 미지의 천체와의 충돌이 없었다면 현재의 생명체와 같은 부류는 태어나지 않았고 현재의 인간은 존재하지 않았을 것이다. 우연한 천체와의 충돌이 지구에서 생명체가 살기에 적합한 환경을 만들고 인류를 탄생시킨 공로자인 셈이다.
참고문헌 :
「지구 탄생의 신비」, 임태훈, 고교독서평설, 1998년 7월(통권 88호)
https://steemkr.com/kr/@eunhaesarang/2yyx4p
https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=16314863&memberNo=5814911
『우리는 어떻게 지구에서 살게 되었을까?』, 신 줌페이, 비룡소, 2012