안녕하세요. 김칠영 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 블랙홀같은 중력이 매우 강한곳에 있으면 시간이다르게 흘러가는것처럼 느끼나요?
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.말씀대로 강한중력이 작용하는 곳에서는 시간이나 공간도 영향을 받는다고 합니다. 실제로 강한 중력근처에서 오랜시간 생활을 하고 지구로 돌아온다면 서로 느낀 시간의 차이가 크게 날 수 있겠습니다.
지구과학·천문우주
Q. 우주가 팽창이 하고 있는데요 그렇다면 지구 행성들도 팽창을 하나요?
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.우주 전체가 팽창을 하고 있는 것이고, 그 안에 있는 항성이나 행성들이 팽창하는 것은 아닙니다. 연못이 커진다고 해서 연못 위에 떠 있는 먼지들이 커지는 것은 아니라고 생각하시면 될 거 같네요
지구과학·천문우주
Q. 지구의 대기층은 여러층으로 나뉘어져 있는데요, 각 층에 대한 설명해주실 수 있나요?
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.높이(고도)에 따르는 지구 대기의 온도 분포는 다음 그림과 같이 아주 특이한 양상을 보이고 있는데, 각 권역의 기온분포와 그 특성에 따라 대기권은 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권으로 나누어집니다.지구를 덥혀주는 태양에너지의 형태는 크게 가시광 에너지, 자외선 에너지, 그리고 태양풍 에너지가 있는데, 지구 대기권의 온도구조는 이들 에너지를 어디에서 무엇이 어떻게 열원으로 흡수하고 또한 이렇게 가열된 공기가 어떤 과정으로 냉각되는가에 따라 결정됩니다. 높이(고도)에 따르는 지구 대기의 온도 분포는 다음 그림과 같이 아주 특이한 양상을 보이고 있는데, 각 권역의 기온분포와 그 특성에 따라 대기권은 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권으로 나누어집니다.지구를 덥혀주는 태양에너지의 형태는 크게 가시광 에너지, 자외선 에너지, 그리고 태양풍 에너지가 있는데, 지구 대기권의 온도구조는 이들 에너지를 어디에서 무엇이 어떻게 열원으로 흡수하고 또한 이렇게 가열된 공기가 어떤 과정으로 냉각되는가에 따라 결정됩니다.지구로 들어오는 태양에너지 대부분은 가시광 파장의 빛 에너지로 전달되는데, 가시광 광자는 광자당 에너지가 작아서 대기권의 분자나 원자를 깨뜨리지 못합니다. 그러므로 대부분의 가시광은 대기권을 그대로 통과하여 지표면에 도달하고서야 비로소 흡수되거나 반사됩니다. 그에 비하여 태양 자외선은 그 양이 많지는 않지만, 광자당 에너지가 크기 때문에 공기 분자를 깨뜨려 해리시키면서 직접 대기권에 흡수될 수 있습니다. 또한 고에너지 입자의 흐름인 태양풍은 그 에너지가 매우 커서 원자를 깨뜨리고 전리시키면서 대기권에 흡수될 수 있습니다. 이러한 이유로 태양풍은 전리층에서 흡수되어 열권을 가열하고, 자외선은 오존층에 흡수되어 성층권을 가열하며, 가시광은 지표면에 흡수되어 대류권을 가열합니다. 그런데 대기권 온도 분포는 이러한 열원뿐만 아니라 냉각과도 관련이 있어서, 가열과 복사냉각이 평형을 이루는 상태에서 그림과 같이 높이에 따라 결정되게 됩니다. 다음은 각각의 권역에 대하여 그 열원과 특징에 대하여 알아보겠습니다.대류권은 대류가 일어나는 권역인데, 이 권역의 기온을 높이는 열원은 태양 빛을 흡수하여 온도가 높아진 지표면의 열에너지입니다. 태양 빛을 흡수하여 온도가 높아진 지표면은 인접한 공기를 데워서 기온을 높이는데, 위로 올라갈수록 지표면으로부터의 거리가 멀어지므로 공기가 덜 데워져서 기온이 낮아집니다. 그런데 이러한 기온분포에서는 잘 알려지다시피 대류현상이 잘 일어납니다. 불균등 가열로 어느 지역의 기온이 올라가면 공기 덩어리가 팽창하면서 밀도가 낮아지고 그 결과 상대적으로 밀도가 높은 주변 공기의 부력을 받아 상승함으로써 대류현상이 일어나게 됩니다. 이런 연유로 이 권역을 대류권이라고 하는데, 수증기를 많이 품고 있는 지표면 공기가 대류로 인하여 상승하고 단열팽창으로 기온이 낮아지면 공기 중의 수증기가 응결되어 구름을 형성하고 때로는 비를 내리기도 합니다. 즉 이 권역은 대류로 인한 다양한 기상 현상이 나타나는 영역입니다.성층권은 고도가 높아질수록 온도가 높아지는 역전층 기온분포를 갖기 때문에 자발적으로는 대류가 일어나지 않는 절대 안정인 권역으로, 이러한 기온구조를 갖게 하는 다시 말해 성층권을 가열하는 열원은 가시광보다 파장이 짧아 광자당 에너지가 매우 큰 태양 자외선입니다. 태양 자외선은 광자당 에너지가 매우 크기 때문에 질소나 산소 분자 등을 깨뜨리면서 대기층에 흡수되고, 그 결과 기온을 높이는 열원으로 작용합니다. 태양으로부터 오는 자외선은 높은 곳부터 직접 흡수되고 또한 높을수록 밀도가 낮아 냉각이 잘 이루어지지 않다 보니, 그림과 같이 고도가 높을수록 온도가 높아지는 일종의 역전층 기온분포 구조를 갖게 되었습니다. 한편 광자당 에너지가 큰 자외선은 산소 분자를 깨뜨려 원자 산소를 만들고, 이 원자 산소는 다시 분자 산소와 결합하여 O3 즉 오존을 만들기도 합니다. 오존 또한 자외선을 잘 흡수함으로써 피부를 태우는 자외선을 효과적으로 잘 막는 방패 역할을 하고 있으므로, 특별히 오존이 많이 분포하는 영역을 오존층이라 부르기도 합니다.중간권은 대기권의 중간에 위치하여 다른 권역과 달리 뚜렷한 열원이 없고 오로지 위아래 권역에서 들어오는 소량의 열에너지만으로 기온이 유지되는 특징 없는 권역으로, 영하 100℃까지 내려가기도 합니다. 이 권역은 성층권에서 자외선에 의해 해리되어 생성된 고온의 원자 질소나 원자 산소들이 위로 떠올라와 식어가는 영역으로, 밀도가 너무 낮아 재결합도 거의 일어나지 않고 이온화도 되지 않으면서 그저 그냥 떠돌아다니다가 적외선을 방출하면서 식어갑니다. 이 권역의 기온분포는 위로 갈수록 온도가 낮아지므로 약한 대류가 일어나지만, 실제로는 수증기가 없고 공기 밀도가 너무나 낮아 대류권과 달리 뚜렷한 기상 현상은 거의 일어나지 않습니다.열권은 태양으로부터 날아오는 태양풍이나 고에너지 광자들이 지구 대기권에 진입하여 원자와 충돌하고 이온화시키면서 기온을 높여주는, 즉 열원 역할을 하는 권역입니다. 이곳은 성층권과 비슷한 이유로 역전층 기온분포 구조를 갖게 되어 이 권역에서는 대류가 일어나지 않습니다. 한편 이 권역은 80km 이상의 높이에서 고에너지 입자에 의해 전리된 전자와 이온 등 전기를 띤 입자들로만 이루어지므로 전리층이라고 하는데, 이러한 하전입자들은 전파를 반사하기 때문에 한 때는 원거리 통신에 이용되기도 하였지요. 한편 이 권역의 온도는 영하 100℃에서부터 2,000℃까지 그 범위가 매우 넓은데, 그 이유는 고도 범위가 80km에서 1,000km까지 넓기도 하고 또한 이 권역은 역전층 구조를 이루므로 저온층과 고온층의 물질이 서로 섞이지 않으며 한번 가열된 입자들은 밀도가 너무나 희박하여 냉각 시간이 오래 걸려 고온 상태를 그대로 유지할 수 있기 때문입니다. 또한 열권의 상부에서 온도가 2,000℃로 매우 높다고 하지만, 이 지역은 결코 뜨겁다고 할 수는 없습니다. 그곳의 입자밀도가 너무나 작으므로 온도는 높지만, 시간당 전달되는 열에너지가 작기 때문입니다. 온도가 100℃인 사우나는 45℃인 열탕보다 그 온도가 훨씬 높지만, 훨씬 더 뜨겁다고 느끼지 않는 것과 같은 원리입니다.외기권은 1,000km 밖의 영역에서 밀도가 극도로 낮아지고 지구의 중력도 약해져 고속으로 움직이던 입자들이 지구를 벗어나 떨어져 나가는 권역으로, 단순히 입자의 속도만으로 구해지는 온도는 2,000℃ 이상으로 매우 높습니다. 또한 외기권 밖에는 대기권이라고 할 수는 없지만, 고에너지 하전입자들이 지구 자기장에 붙잡혀 북극과 남극 지역을 왕복하는 밴앨런대가 존재하여서 고에너지 하전입자의 흐름인 태양풍의 폭격으로부터 지구를 보호해주는 방패 역할을 하고 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 지구와 태양의 거리는 얼마나 되나요?
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.지구상의 모든 생명체 뿐만 아니라 지구상에서 일어나는 대부분의 자연 현상은 태양에너지를 그 기원으로 하고 있습니다. 바람이 불거나 비가 오거나 우리가 살아 갈 수 있는 것은 모두 태양에너지 덕분이지요. 지구상의 자연현상 중에서 그 기원에너지가 태양에너지가 아닌 경우는 지진이나 화산 등을 일으키는 지구내부에너지, 조석 현상을 일으키는 지구자전에너지, 그리고 방사성 원소가 붕괴하면서 방출하는 질량에너지 뿐으로 태양에너지에 비하여 그 양은 무시할 수 있을 정도로 아주 작습니다.그런데, 이와 같이 지구에 지대한 영향을 끼치는 태양은 실제로는 매우 멀리 떨어져 있습니다. 지구로부터의 평균 거리가 1억 5,000만 km로서, 지구 적도 둘레의 3,750배에 가깝습니다. 이 먼 거리에서 진공에서도 전달되는 태양빛의 형태로 막대한 에너지를 방출함으로써 지구를 먹여 살리고 있습니다. 빛은 에너지의 한 가지 형태로서 녹색 식물의 광합성을 통하여 생물에 필요한 영양분을 만들기도 하고 다양한 물질에 흡수되어 열로 변신하기도 합니다.태양까지의 거리는 인간 입장에서 보면 까마득하게 먼 거리이지만, 우주 공간에서 보면 아주 가까운 거리입니다. 빛으로 갈 때 이 거리는 불과 8분 20초 밖에 걸리지 않지만, 가장 가까운 별까지는 4.3년이 걸리고 이웃 은하인 안드로메다 은하까지는 약 250만년 정도 걸리니까요.태양은 지구 반지름의 109배, 지구 질량의 33만 배나 되는 천체로서 막강한 중력을 작용하여 행성들을 공전시키면서 역학적으로 지배하고, 수소핵융합 반응을 통하여 무지막지한 에너지를 우주 공간으로 방출하면서 태양계의 에너지원으로 그 역할을 다하고 있습니다. 정말로 고맙고도 대단한 존재이지요. 그래서 예전에는 대부분의 민족들이 종교적으로 태양을 숭배하기도 하였었지요.
지구과학·천문우주
Q. 지진이 발생하는 원인이 궁금합니다.
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.지구 표면을 덮고 있는 얇은 암석층 즉 지구의 둥근 껍질 부분을 지각이라고 하는데, 지구 내부가 식어가면서 지각의 아래층인 맨틀에서는 대류가 일어납니다. 그 결과 지각은 수억 년에 걸쳐 찢어지고 이동하고 충돌하면서 지표면의 대륙과 해양 분포 모습은 크게 달라지기도 합니다. 과거의 곤드와나 초대륙이 대서양이 열리면서 찢어져 아프리카, 남아메리카, 그리고 남극 대륙으로 나누어지고 이동하여 현재의 모습으로 되었지요. 이처럼 지각은 맨틀 위에 떠 있는 얇은 판 즉 물 위에 떠 있는 얼음판과 비슷하게 쪼개지고 이동하고 충돌하면서, 대서양 같은 새로운 바다가 열리고 대륙이 이동하며 히말라야와 같은 거대 산맥이 만들어지고 마리아나 해구와 같은 깊은 바다 계곡이 형성되며 또한 그 과정에서 지진과 화산이 발생하기도 합니다.이같이 맨틀 위에 떠 있는 얇은 판이 생성, 이동, 충돌, 그리고 소멸하면서 여러 지각 활동이 일어난다는 이론이 판구조론인데, 현재의 지각에는 유라시아판, 태평양판, 아프리카판, 나즈카판 등과 같이 크고 작은 십여 개의 판이 존재합니다. 한편 판과 판의 경계는 두 판의 성질과 이동 방향에 따라 발산, 수렴, 그리고 보존 경계로 나뉘는데, 각 경계의 성격에 따르는 다양한 지각 활동이 일어나고 있습니다.지각은 둥글고 그 면적이 정해져 있으므로 어떤 이유로든 어떤 판이 이동하거나 확장하다 보면 이웃 판과 충돌하게 되는데, 이때 두 판의 경계 부근에서는 탄성력이 약한 판이 휘어지면서 탄성력이 점점 응력으로 누적되게 됩니다. 어느 순간 누적된 응력이 판의 탄성 한계를 넘게 되면 종이가 찢어지듯이 그 판은 단층이 발생하고 찢어지면서, 땅이 진동하는 현상, 즉 지진이 발생합니다.지진은 한마디로, 지구 내부가 식어가는 과정에서 맨틀 대류가 일어나고, 그로 인해 지각이 얇은 판 모양의 조각으로 나누어지고 또한 각각의 조각판들은 각자의 방향으로 이동하게 되며, 판의 경계에서 충돌이 일어나서 탄성력이 점점 누적되다가 그 힘이 판의 탄성 한계를 넘어가는 순간, 그동안 누적된 탄성에너지가 일시에 방출되는 현상이라고 할 수 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 우리나라에서 별똥별을 가장 잘 볼 수 있는 지역으로는 어디가 있는지 궁금합니다.
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.가장 잘 볼 수 있는 곳은 모르겠지만,, 주위에 빛이 없고 공기가 맑은 장소에서 잘 보일거 같네요.천문대 검색해 보시면 다양한 곳들이 있고, 가까운 천문대를 방문하면 잘 볼 수 있을 거 같습니다.
지구과학·천문우주
Q. 맨틀대류가 일어나는 원인 중 옳은 것은
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.유감스럽지만 제시하신 내용은 맨틀 대류가 일어나는 원인이라고 할 수 없습니다.맨틀 대류가 일어나는 원인은 모든 연구자가 동의 하는 것은 아니지만, 지구 내부의 열이 방출되어 지구가 식어가고 있기 때문입니다. 잘 아시는 바와 같이 냄비에 된장국을 끓여보면 가열할 때에 대류가 잘 일어나지만, 불을 끄고 그대로 두어도 천천히 식어가면서 예쁜 모습의 대류 세포가 만들어지는 것을 관찰할 수 있습니다. 일반적으로 바닥으로부터 가열하는 냄비의 경우, 바닥 층 물의 온도가 높아지고 그 결과 물의 밀도가 낮아지면서 부력이 발생하여 바닥 물은 위로 올라가고 위층의 물은 그 빈자리를 메꾸기 위하여 하강함으로써 대류가 나타납니다. 이와 반대로 냄비의 물이 끓었다가 식어갈 때에는 위층의 물부터 식게 되고 그 결과 물의 밀도가 높아지면서 하강하고 그 대신 바닥 물은 하강한 물의 빈자리를 메꾸기 위하여 상승함으로써 대류가 나타납니다.대략 46억 년 전에 태어난 지구는 여러가지 에너지(E) 원(예를 들면 운석 충돌 E, 수축 위치 E, 방사성 물질 붕괴E, 지구의 자전 E 등)으로 인하여 그 내부는 온도가 매우 높았었을 것으로 추정되고 한때는 완전히 녹았었던 시절도 있었을 것입니다. 하지만 지구가 형성된 이후에는 고온 상태를 유지하기 위한 에너지가 지속적으로 공급되지 않았기 때문에 지구의 내부 온도는 점점 식어 현재와 같은 내부 구조를 갖게 되었습니다. 우주에서 매우 풍부하고 밀도가 높은 철은 가라앉아 내핵과 외핵을 만들고, 철보다 밀도가 낮은 암석은 맨틀 층을 만들고, 암석 중에서도 상대적으로 밀도가 낮은 암석은 지각을 만드는데 그중에서도 밀도가 아주 낮은 암석 예를 들면 화강암 같은 암석은 대륙 지각을 만들어 맨틀 위에서 영원히 떠돌아 다닙니다.물론 지구 내부에는 앞에서 살펴본 에너지원들이 아직도 소량이나마 남아 있어서 그 식는 속도를 늦추기는 하지만, 지구의 초창기보다는 훨씬 적고 따라서 지구는 현재 가열되는 시기가 아니라 식어가는 시기입니다. 현재 맨틀 대류의 상승부 즉 판의 발산 경계에서 만들어지는 해양판은 맨틀 성분과 비슷하고 용암 상태로 분출되므로 처음에는 온도가 매우 높지만 해저 확장으로 해령에서 점점 멀어짐에 따라 온도가 내려가고 밀도가 높아집니다. 그러다가 충분히 확장되고 식은 후에 해양판이 대륙판을 만나게 되면 해양 지각(=3.3g/cm3)은 대륙 지각(=2.7g/cm3)보다 밀도가 훨씬 높기 때문에 대륙지각의 아래로 미끄러지면서 섭입하게 됩니다. 그 결과 마찰열과 물공급으로 인하여 일본 열도 지하에서 일어나는 것처럼 마그마가 생성되고 화산이 발생하며 판의 휘어짐으로 인한 응력 때문에 지진이 자주 일어 나기도 합니다. 또한 섭입된 해양판은 충분히 식어서 주변 맨틀보다도 밀도가 높아지는 영역 즉 슬랩이 만들어지는데, 슬랩 덩어리가 점점 커지다 보면 맨틀의 하부 층까지 뚝 떨어지는 붕락현상이 일어나게 되고, 그 반작용으로 인하여 맨틀하부 물질이 상승하면서 대류를 일으킵니다. 이러한 이유로 맨틀 대류는 지구 내부가 식어가는 과정에서 만들어지는 대류현상이라고 할 수 있습니다. 2 연약권에 지진파의 저속도층 존재=부분용융O->맨틀대류 일어남둘 중에 맨틀대류의 원인으로 옳은 것은 무엇인가요
지구과학·천문우주
Q. 마젤란 성단에는 태양보다 엄청 무거운 거대한 질량의 별들이 모여있는 이유가 무엇인가요
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.기체 및 우주먼지등의 물질들이 풍부하여 격렬한 별형성 활동이 일어난다고 합니다. 결국은 여러 물질들이 존재하는 밀도가 높기 때문에 다양한 활동이 나타나며 무거운 별들도 많이 탄생할 수 있을 것 같네요
지구과학·천문우주
Q. 중력렌즈 현상이 무엇인지 궁금하며 이를 활용해서 어떤 관측을 할수 있나요?
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.멀리 떨어진 항성에서 나오는 빛이 중간에 있는 거대한 질량의 은하등의 천체에 의해서 굴절되는 현상을 중력렌즈 현상이라고 합니다.
지구과학·천문우주
Q. 별의 크기도 최대크기가 결정되어 있다고 하는데 그 이유는 무엇인가요
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.스티븐슨2-18 라는 항성이 지금까지 발견된 최대의 항성이라고 합니다. 태양의 100억배의 부피라고 하네요.별이 커지려면 주변의 그만큼 많은 물질들이 뭉쳐져야 하는데, 어느정도 한계가 있을 것 같네요