안녕하세요 송종민 전문가입니다. 많은 질문 바랍니다.
Q. 지면 속의 석유, 어떻게 만들어진건가요?
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.인류가 석유를 사용한 지 꽤 오랜 시간이 흘렀음에도 불구하고 사실 아직까지도 어떻게 생겨난 것인지 확실하게 알지는 못한다. 다만 현재 가장 대중적이고 정설로 인정받는 것은 유기물[3]에서 생성된다는 것이다.그러나 미국의 셰일오일이나 기술의 발전으로 생물이 퇴적되었다고 보기 어려운 층에서조차 석유가 대량으로 발견되고 심지어 지금까지 인류가 사용한 어마어마한 양 보다도 더 많은 양이 발견되고 있기 때문에 기존 생물들의 퇴적물로 과연 이정도의 석유량이 가능한가 하는 의문 등으로 지구내부의 무기물에서 자연발생한다는 가설, 즉 석유 무기 기원설도 점차 힘을 받고 있는 상황이다.[4] 석유 무기 기원설에 대한 언론기사전 세계에서 경제, 문화, 정치에 핵심을 이루는 원료이기 때문에, 많은 사람들이 연구 주제로서 관심을 가져왔다. 석유는 기본적으로 탄화수소로 구성되어 있으며, 전 세계의 퇴적암에서 보고되는 여러 형태의 유기물 및 탄화물의 혼합 퇴적물을 토대로 그 형성사에 대한 연구가 진행되어 왔다. 물질 구성이 주로 탄화수소이기 때문에, 그리고 탄소를 농집시키는 가장 자연스러운 과정은 생물의 형성이기 때문에, 석유는 석탄이나 천연 가스와 마찬가지로 생물의 퇴적과 밀접하게 관련이 있을 것이라고 여겨진다. 또한 탄화수소에는 지화학적 화석(geochemical fossil)이 있는데,[5] 이는 구체적인 작용기가 제거됐음에도 불구하고 살아생전 당시 생물이 보유하고 있던 특정 물질의 분자 구조 뼈대를 그대로 유지하는 분자를 말한다. 이를 통해 석유가 유래한 물질이 다양한 생물의 퇴적에서 기원했음을 확인할 수 있다. 예컨대 아이소프레노이드(Isoprenoids) 특히 C19 혹은 C20은 엽록소의 파이톨(phytol)을 지시한다.한편, 탄화수소는 산소가 존재하면 곧 산화해버린다. 즉, 이산화탄소나 일산화탄소로 변해버리는 셈이다. 동시에, 지구 대기는 산소가 무척 풍부한 혼합 기체이므로, 석유가 형성되기 위해서는 대기와의 접촉이 사실상 없어야 한다. 따라서 특정 환경에서 퇴적된 생물 기원의 유기물들이 지하에 매몰되어 일련의 물리화학적 과정을 통해 탄화수소로 변화하면 이를 석유라고 부른다. 대부분 시추되는 석유는 만들어진 액상의 탄화수소가 물리적으로 갇힌 공간에 고여 다량으로 모여 있는 경우다. 그렇지 않으면 이 석유는 천천히 확산되어 흩어져 산화해버릴 것이다.육상은 산소와 접촉할 가능성이 높으며, 해양에서 생물의 퇴적량이 더 많은 것이 일반적이다. 여기에 석유와 관련성이 높은 퇴적암은 대부분 그 암상과 지화학적 특성으로 해당 암석이 해양 환경에서 형성되었음을 파악할 수 있다. 이 때문에 대다수의 석유는 해양 생물의 퇴적에 기인한다고 생각되며, 해양 퇴적층 유기물은 주로 미생물과 박테리아가 그 기원이다. 이때문에 해양 미생물이 주 기원 생물이라고 설명하게 되는 것이다. 그렇지만 분명 기원 생물은 다양할 수 있다. 하지만 종류에 따라 석유가 될 수 있는 잠재력(petroleum potential)은 저마다 다르다. 석유가 되기 전 석유가 될지도 모르는 상태의 퇴적 유기물을 아울러 케로젠(kerogen)이라고 말하는데, 이때 케로젠의 성분에 따라 몇 가지로 나뉜다. 비록 케로젠의 유형을 구분하는 방법이 무척 다양하나, 산소, 탄소 및 수소의 비율이 애용된다. 이 분류에서 수소 함량이 풍부한 케로젠은 이후 겪는 속성 과정(diagenesis)과 퇴행 작용(catagenesis)를 거쳤을 때 석유가 될 가능성이 높은 반면, 수소가 비교적 적은 케로젠은 속성 및 퇴행 작용을 거쳐 석유를 만들어도 15% 미만의 소량의 석유밖에 산출해내지 못한다. 비교적 풍부한 수소를 내포하는 케로젠의 기원 생물은 보통 조류(algae), 박테리아이며 특히 해양 기원인 경우가 많다. 한편, 관다발식물에서 비롯된 케로젠은 석유가 될 가능성이 낮으며, 대신에 석탄이나 가스가 만들어질 가능성이 열려 있다.석유를 만드는 데 있어 가장 핵심적인 과정이라고 여겨지는 퇴행 작용(catagenesis)은 약 100~150도의 온도에서 이뤄진다. 이 온도는 탄소-탄소 결합은 끊어지지 않으면서 이보다 낮은 결합 강도를 가진 결합들을 끊어 불순물의 함량을 줄이고 탄화수소의 양이 늘어나는 최적의 온도이다. 이보다 온도가 낮으면 에너지가 너무 낮아 탄화수소를 만들고 불순물을 걸러내는 물리화학적 반응이 일어나지 않으며, 반대로 온도가 이보다 높으면 에너지가 너무 높아 탄소-탄소 결합마저 끊어져 고분자여야 할 탄화수소가 메탄과 같은 가스로 모두 분해되어 버린다. 이는 보통 2~3.5 km 깊이에서 일어난다고 생각하면 된다.다만 석유 형성을 위해 요구되는 반응은, 모든 화학 반응이 그렇듯이 반응을 얼마나 가속시킬 수 있냐에 따라 그 조건이 달라진다. 따라서 온도가 상대적으로 낮을지라도 오랜 시간동안 반응할 수 있게 내버려둔다면 석유를 '생산할' 수 있다. 반면, 매몰된 지 지질학적으로 오래되지 않았을지라도 온도가 좀 더 높다면, 석유를 '생산할' 수 있다. 자연적인 과정임에도 불구하고 생산(product)이라는 말이 사용될 때가 있는데, 이는 지하의 유기물이 풍부한 퇴적층에서 석유가 만들어지면, 지층의 더 높은 곳을 따라 석유가 "흘러올라가" 다른 곳에 고이기 때문이다. 실제로 석유가 고여있는 많은 퇴적층은 석유를 만들어내는 층과는 다른 별개의 층이다. 즉, 석유가 형성되는 퇴적층은 지하에 따로 있고, 이곳에서 조금씩 만들어지는 석유는 확산과 부력 등의 물리적 과정으로 흘러올라가, 더 이상 투과되지 않는 특정 층 아래에 고이게 되는 것이다.전지구적인 커다란 사건이 일어나 생물이 한꺼번에 매몰되는 조건이 만들어지거나, 혹은 심해 전체가 무산소환경이 조성되어 생물 매몰에 대해 산화로 인한 유실이 최소화되는 시절이 있어, 특정 지질학적 시기에 석유가 풍부하게 만들어질 수도 있다. 그러나 사실 석유를 만들어내는 지층의 연대는 다양하여, 어떤 경우는 고생대의 것이지만, 어떤 경우는 신생대의 것이다. 멕시코만의 석유 저장고는 신생대 퇴적층에서 유래한 석유와 쥬라기 퇴적층에서 유래한 석유가 혼합되어 있다. 박테리아가 생존해있던 환경이면 석유 형성의 가능성은 열려 있기에, 실제로 가장 오래된 석유의 나이는 생각보다 오래됐다. 호주에서는 32억년 된 석유를 찾아내기도 했다.
Q. 비오는 밤에 차선을 잘 볼수 있는 방법은~~!?
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.비 오는 날, 차선이 잘 보이지 않는이유와 해결 방법은?비가 오는 날이면 거의 대부분, 운전자들은 운전에 큰 어려움을 겪기 마련이다. 차선이 잘 보이지 않기 때문이다. 비만 오면 사라져버리는 도로의 차선에 대해 그 원인이 무엇일까? 하고 의문을 하게 되고, 대부분 어떤 문제 때문인지도 알고 있으면서도 해결이 되지 않고 있다. 대체 그 이유와 해결 방안은 무엇이며, 차선이 잘 보이지 않아 생기는 문제는 무엇일까?뭐가 문제인데요?도로의 차선이 잘 보이지 않는다는 것은, 대형 사고의 위험이 될 수 있다. 차선을 인식하지 못해 다른 차선으로 주행하다 사고가 날 수 있고, 중앙분리대가 없는 경우에는 역주행을 할 수도 있어서 모두의 안전과 사회적 비용의 절감을 위해서라도 꼼꼼히 따져봐야 할 문제다.차선이 안보이는 두가지 이유자동차 도로에 사용되는 도료에는 유리가루를 섞어서 야간시 전조등의 빛을 반사하여 잘 보이게 하는데, 이를 통해 안전한 주행이 가능하게 도와준다. 1930년대에 처음 도입되었던 이 도로용 도료는 1940년대 초, 미국 버지니아 주에서 사용되면서 그 가치를 입증했는데, 초기에는 시간이 지남에 따라 마모 및 침식에 의해 자주 칠해줘야 하는 문제가 있기도 했었다.국내에서는 차선용 도료를 시공할 때, 흰색은 100mcd, 황색 차선은 70mcd 를 넘겨야 하고, 청색차선은 40- mcd 이상 되어야 한다. 그리고, 건조가 빨라야 하며, 내마모성과 내충격성, 내구성, 내유성이 우수해야 한다. 하지만, 비가 오는 날에 흰색 차선의 밝기를 측정해보면 규정의 1/7 수준인 14mcd 밖에 측정되지 않는 경우가 허다하다. 이러한 이유는 시공업자들이 내구성이 떨어지는 저렴한 페인트를 사용했거나, 차선 유리함량이 떨어져 빛을 반사하지 못하는 페인트를 쓴 경우가 많다. 즉, 불량시공과 함께 이를 감시해야 할 공무원들의 점검이 허술하기 때문이다.유리입자의 물리적 한계가 있다. 차선용 도료에 사용되는 유리입자(Glass Beads)의 목적은 우천시를 위해 설계된 것이 아니라, 야간시에 잘 보이게 하는 것이었는데, 유리입자의 굴절률이 비가 오게 되면 물이 차 오르면서 차선이 잘 보이지 않게 만드는 것이다. 마치 투명 컵에 담긴 빨대가 구부러져 보이는 것처럼 차선이 제대로 보이지 않게 되는 것인 만큼, 물리적인 한계를 알아야 한다.어떻게 해결할 수 있을까?당장의 문제 해결을 위해서는 불량시공에 대한 감시가 강화되어야 한다. 차선 도색용 유리입자의 가격을 일반형과 비교하면 kg 당 32,000 원 정도로 10배 가까이 비싼 편이다보니, 시공업체에서는 비용상의 이유로 저렴한 도료를 사용하고 있는 것이다. 해마다 도로유지와 차선 성능 점검에 사용되는 2조원의 예산에 대한 감시가 더욱 강화되어야 한다는 것을 의미하기도 한다.실제로 어느 한 지역에서 불량 차선 시공으로 약 6억원을 챙긴 일당이 적발되기도 한 만큼, 제대로 검사하고 감시를 해야 한다. 한편, 국내에서 각 지방마다 다른 규정과 우천시 반사성능이 몇 mcd 가 되어야 하는지에 대한 규정도 어떤 지역은 없기 때문에 규정을 통일하고, 감독 및 감시를 강화하는 것도 필요하다.
Q. DC와 AC는 왜 V가 다른가요?
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.AC (교류) 전압에서 DC (직류) 전압으로 변환하는 기본적인 방법인 트랜스 방식과 스위칭 방식에 대해 설명하겠습니다. 그리고 이 내용을 바탕으로 트랜스 방식과 스위칭 방식의 비교 검토를 실시하고자 합니다.먼저, 「왜 AC/DC 변환이 필요한가」라는 근본적인 내용을 복습하고자 합니다.가정이나 빌딩에 공급되는 전기는 일본의 경우 주로 AC 100V 및 200V입니다. 그러나, 전기로 동작하는 전자제품 대부분의 전자 회로는 5V 및 3.3V의 DC 전압으로 동작합니다. 그 중에서는 모터 기기 및 백열전구 등 AC 전압을 그대로 사용하는 제품도 있지만, 최근에는 모터와 스위치만으로 이루어진 단순한 기기는 거의 없으며, 다양한 목적으로 탑재되는 전자 제어 회로는 모두 DC 전압으로 동작합니다. 또한, 백열전구도 LED로 대체되고 있는데, 아시다시피 LED는 기본적으로 DC 구동입니다. 즉, 「송전망을 통해 공급되는 전기는 AC인 반면, 전자제품의 심장부인 전자 회로는 DC 구동이므로, AC 전압을 DC 전압으로 변환하지 않으면, 전자제품이 동작하지 않는다.」는 것입니다. 「그러면 처음부터 DC를 공급하면 되지 않는가」라고 생각할지 모르겠지만, AC로 공급되는 것에는, 역사적인 배경을 바탕으로 한 이유가 있습니다.1881년에 에디슨이 백열광 램프의 전등을 발명했습니다. 사실 당시 미국에서는 DC로 전력 공급하는 것이 표준 방식이어서, 에디슨은 백열전등 보급을 확대하기 위해 DC 110V의 송전망을 전개하는 사업을 추진하였습니다. 그러나, DC로 송전할 경우, 큰 전압 강하가 발생하기 때문에 1.5km의 범위밖에 송전할 수 없어, 거리 거리마다 발전소를 세울 필요가 있었습니다. 지금은 정말 믿기 어려운 이야기입니다. 한편, 테슬라는 AC의 발전, 송전, 사용 방법을 고안하여, 에디슨과 경쟁하였던 것이 바로 전류 전쟁입니다. 최종적으로는 간단히 변압할 수 있고, 전선이 길고 얇아도 큰 손실없이 송전 가능한 AC 시스템의 이점을 바탕으로, 테슬라 측이 승리하여 현재에까지 이르게 된 것입니다.
Q. 물체의 정지와 마찰력에 대한 질문
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다. 접촉하고 있는 두 고체면 사이에 상대적인 움직임이 있는 경우 작용하는 마찰력을 운동마찰력 또는 미끄럼 마찰력이라고 한다. 대부분의 운동마찰력은 대략 접촉면 넓이와 상대 속력과는 거의 무관하고, 접촉면에 수직으로 작용하는 수직항력에 비례한다는 것이 실험으로 알려져 있다.한편 두 고체면 사이에 상대적인 움직임이 없는 경우에도 마찰력이 작용할 수 있다. 수평면에 정지해 있는 블록을 아주 약하게 수평 방향으로 밀거나 잡아당길 때 블록이 계속 정지해 있다면, 뉴턴의 운동 제2법칙에 따라 블록에 작용하는 알짜힘이 0이어야 한다. 이는 외부에서 밀거나 잡아당긴 힘과 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 작용하고 있다는 것을 의미한다. 이런 힘을 정지마찰력이라고 한다. 정지마찰력은 외부에서 작용한 힘의 접촉면에 나란한 방향 성분과 크기가 같다. 외부에서 작용한 힘의 접촉면에 나란한 방향 성분이 일정한 크기 이상이 되면, 두 고체면 사이에 상대적인 움직임이 일어나면서 미끄러지게 된다. 상대적인 운동이 일어나기 직전의 정지마찰력을 최대정지마찰력이라고 한다. 실험에 의하면 두 고체면 사이의 최대정지마찰력은 운동마찰력보다 크다.바퀴가 고체면 위에서 굴러가는 경우 접촉면의 변형으로 바퀴의 진행 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘을 굴림마찰력이라고 한다. 접촉면의 변형으로 바퀴와 고체면 사이의 수직항력은 바퀴 축을 지나는 방향이 아니라 바퀴의 회전을 방해하는 방향으로 작용하여, 굴림마찰력에 의한 돌림힘보다 더 큰 돌림힘을 반대 방향으로 가하게 되어 바퀴가 감속된다. 실험에 의하면 굴림 마찰력은 미끄럼 마찰력보다 작다.고체와 유체 사이의 마찰력고체와 유체 사이의 끌림힘은 운동마찰력과 달리 고체와 유체 사이의 상대 속력이 클수록 더 크며, 또한 접촉 단면적이 클수록 더 크다.
Q. 여름철 아지랑이와 관련한 질문 드립니다.
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.햇빛이 강하게 내리 쬘 때 지면 근처에서 불꽃같이 아른거리며 위쪽으로 올라가는 공기의 흐름 현상.지면이 뜨겁게 달구어진 날, 먼 풍경이 지면 근처에서 불꽃같이 아른거리며 보이는 현상을 말한다. 봄철에 날씨가 맑은 날이나 여름철 햇빛이 강하게 내리 쬘 때, 도로·모래사장·초원 등에서 쉽게 발견할 수 있다.고온으로 가열된 지면에 닿은 공기는 뜨거워지면서 주위 공기보다 가벼워지고, 부력을 받아 위로 올라간다. 공기의 온도에 따라 빛의 굴절률이 다르기 때문에 지면에서 급격히 대류하는 공기덩어리 사이를 통과하는 빛은 이리저리 굴절한다. 그렇기 때문에 먼 풍경이 불꽃처럼 위로 아른거리는 모습을 보게 된다. 따라서 지면 근처에서 뿐 아니라 가열된 물체 위에서도 관찰할 수 있다.