[기사입력일 : 2017-05-15 13:51]

이범용의 과학자도 못 느끼는 생활 속 과학이야기




제1강 공기의 과학 사람은 아침에 일어나 창을 열고 기지개를 켜면서 상쾌함을 느낀다. 그 상쾌함을 느끼게 해 주는 물질이 공기이다. 상쾌함의 원인은 풍부한 산소, 방안보다도 차가운 온도, 그리고 미세입자가 적기 때문이다. 태어날 때부터 공기는 존재해왔고 앞으로도 계속 존재할 것이다. 공기는 색도 없고 냄새도 맛도 없어 존재를 느끼지 못하고, 공기를 돈 주고 사는 사람이 없기 때문에 공기에 대한 감사를 사람들은 잊고 산다. 공기는 45억 년 전 지구가 탄생할 때 태양계의 물질과 함께 응집해 생겨나게 됐다. 가장 많은 구성 성분이 수증기였을 것이다. 그 수증기는 응결 돼 강과 호수, 바다를 이루었고 그 다음 많은 산소는 산화력이 커서 다른 성분들과 쉽게 반응해 고착화 됐다. 그런데도 산소가 대기 중에 두 번째로 많은 것은 식물이 광합성 작용의 부산물로 꾸준히 생산되기 때문일 것이다. 질소는 다른 물질과 반응을 잘 하지 못해 그대로 대기 중에 남아 있어 지구상 공기의 약 78%를 차지하고 있다. 고대 그리스 사람들은 물과 불, 흙과 공기 등 4원소가 있다고 생각했다. 공기 중 78%가 질소이고, 21%는 산소, 아르곤이 0.9%, 이산화탄소가 0.035%, 수증기, 헬륨, 미세입자 등으로 구성된다. 사람들은 일반적으로 공기하면 호흡에 필요한 산소만을 떠올리는 데 그 외의 공기 성분이 인류에 미치는 영향은 매우 크다. 생명체에 있어 공기 중 제일 중요한 구성 성분은 산소 이다. 산소가 없으면 지구상의 모든 호흡을 하는 생명체는 수 분 내로 사망하게 된다. 인간 등 동물들은 호흡을 통해 산소를 섭취하고 피를 통해 산소를 각 세포로 보내어 영양분을 태워 에너지를 만들기 때문이다. 두 번째로 중요한 성분은 수증기 이다. 대기 중에 수증기가 없다면 비를 내리지 못하게 되고 물을 공급받지 못하면 생명체는 수 일 내에 죽음을 맞이하게 된다. 세 번째로 중요한 성분은 이산화탄소이다. 이산화탄소는 식물의 광합성에 반드시 필요한 성분으로 인간에게 식량을 공급해 주는 역할을 한다. 영양소를 섭취하지 못하면 인간은 한 달을 버티지 못한다. 인간 생활에 많은 기여를 하지 못한다고 느끼는 질소는 식물의 세포 속 헥산을 구성하는 단백질을 생성하게 하는 원소이다. 질소는 반응성이 매우 낮아 공기 중의 질소 그대로 사용되지 못하고 질소 고정이란 과정을 거쳐 암모니아의 형태로 바뀌어야 한다. 이런 질소 고정이라는 과정은 생명체의 탄생 기원을 이루는 중요한 역할을 했다. 탄소가 산소와 함께 탈 때 이산화탄소가 생성되고 공기 중 질소는 질산가스로 변한다. 고온, 고압 하에서 질소는 수소와 반응해 암모니아로 변하고, 다른 물질과 반응도가 높은 암모니아로부터 생명체의 세포도 만들어지고 진화 과정을 거쳐 생명체와 인류가 탄생하게 되었다. 생명체의 윤회과정을 통해 질소는 회전하고 있다. 공기는 무게가 있을까? 20도에서 1기압일 때, 공기펌프를 이용해 2기압을 만들어 저울에 올려 무게를 재면 1.8그람의 무게가 증가한다. 공기도 무게가 있는 것이다. 지구상 전체 공기의 무게는 약 5100조 톤이고 사방 1미터를 누르는 공기의 무게는 코끼리 두 마리 무게 이다. 쌀 한 가마의 무게가 사람의 어깨를 누르기 때문에 신생아는 쌀 한가마의 무게를 어깨에 지고 서서 걸을 때까지 약 1년 간 힘을 키워야 한다. 이러한 공기의 무게 때문에 기상 현상이 일어난다. 공기의 무게가 무거워져 밀도가 높아지면 공기는 밀도가 낮은 곳으로 이동하면서 바람을 만들게 된다. 바람이 수증기를 포함해 이동하게 되면서 구름과 비를 만든다. 공기 중의 수증기는 대기 중에 미세입자를 만나게 되면 응집력이 증가하고 쉽게 구름과 비를 만들게 되는데 이러한 현상을 이용해 인공적으로 비를 내리게 하기도 한다. 산업혁명이 발생하고 인간들은 공기를 팔고 사기 시작했다. 수증기의 힘을 발견해 기차와 기계류를 만들고, 연료를 태워 더 많은 공기를 내뿜어 자동차 비행기 로케트를 만들었다. 무더운 여름철 시원한 바람을 팔기 위해 선풍기와 에어컨을 만들었으며 바람을 이용해 전기를 만들어 팔고 있다. 공기는 소리를 전달하는 매체이다. 공기를 통한 음파의 파형 조화를 이용해 인간은 악기를 만들었고 군사무기인 레이더를 만들었다. 인간은 목적을 이루기 위해 다른 사람을 해치는 무기를 만드는 일에 공기를 이용했다. 핵무기는 핵반응을 통해 수소를 일시적으로 만들어내 바람을 일으키는 원리를 이용해 공기를 무기로 만들었고, 지구상의 다른 원소를 공기로 변화시켜 독가스 화학 무기를 만들었다. 인간의 삶에 공기는 제일 중요한 요소이다. 어떻게 사용하는가에 따라 이롭기도, 해롭기도 하다. 최근 인간들은 자연이 베풀어준 공기를 학대하고 있다. 자연은 그 학대를 인간에게 되돌려 줄 것이다. 공기는 누구의 소유물도 아니다. 자자손손 대대로 아끼고 보존하면서 사용하는 인류 전체의 것이다.


[기사입력일 : 2017-05-15 13:51]







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