태양 이야기

 
아주 오랜만에 과학에 대한 이야기를 쓰려고 한다. 그리고 그 주제는 우리가 매일 접하는 '태양'에 대한 것이다. 물론 나 역시 전문가는 아니기에 그냥 몇 가지 내가 알고 있는 상식 선에서 이야기를 풀어 보겠다.
 
8월인 요즘 우리나라의 태양은 1년 중 가장 강한 맹위를 떨치고 있다. 매일 낮 온도가 30도를 훌쩍 넘어가고 환풍이 잘 안 되는 집은 밤에도 그 온도가 유지된다. 즉 열대야 현상이 나타나고 있는 것이다. 그렇다면 이런 뜨거움을 일으키는 그 본질적 존재 태양은 과연 어떻게 이렇게 뜨거운 것인가에 대해 알아보자.
 
과거 아인슈타인이 상대성 이론에 의한 에너지와 질량의 본질적 관계가 설명되기 전까지 지구의 모든 과학자는 왜 태양이 그리 오랫동안 뜨거울 수 있는지에 대해 답을 하지 못했다. 심지어 태양의 크기를 계산하고 그 안에 엄청난 석탄이 오랫동안 타고 있다고 주장하는 과학자까지 있었다. 하지만 지금은 대부분의 사람들이 태양이 그 오랫동안 탈 수 있는지 그리고 또한 어떻게 그렇게 고온인지를 이해하고 있다.
 
태양이 뜨거운 원리는 단순하다. 질량이 에너지로 변환되는 과정이다. 태양 핵 내부에서는 엄청난 압력과 온도에 의해 수소 원자가 충돌해 헬륨으로 변화되고 있다. 이때 약간의 질량 손실이 있어나는데 이 약간의 손실이 모여서 E=MC2 이라는 유명한 공식으로 에너지화 되고 있다. 즉 잃어버린 질량 * 빛의 속도 제곱의 에너지가 발생하는 것이다.
 
이 발생된 에너지는 바로 방출되는 것이 아니고 백 만년 정도의 시간이 걸려 외부 층까지 온 후 태양의 표면을 거쳐 우주로 방출되는데 이때 방출되는 이 입자를 '광자' 라고 부른다. 이 광자는 질량이 0인 입자로 그야말로 우주에서 낼 수 있는 최고의 속도로 우주 공간을 향해 무한의 여행을 시작하는데 바로 이 속도를 우리가 빛의 속도라고 부른다. 즉 광자의 이동을 우리는 빛이라고 칭하는 것이다.
 
이 광자 중 아주 일부가 지구에 도착하는데 그것만 해도 어마어마해서 여름의 지구가 펄펄 끓는 현상이 일어난다. 물론 지구가 따뜻한 이유는 단순히 태양의 직접적인 광자 이동만은 아니다. 지구 역시 이 열을 가두는 일명 온실효과 현상을 통해 전달된 열이 쉽게 우주공간으로 빠져나가지 못하도록 잡는다.
 
태양에서 일어나는 수소원자 결합을 우린 '핵융합' 이라고 부른다. 우리가 보통 수소폭탄이라고 부르는 무기의 원리인데 원자핵 분열을 통해서 이루어지는 우라늄이나 플로토륨과 같은 방사선 원자들을 이용해서 만든 원자폭탄과는 비슷하면서 다르다. 수소-> 헬륨은 두 개의 원자를 합쳐 하나의 원자로 변화시키는 방향이고 반대로 핵분열은 아주 무거운 중 원소가 붕괴되어 두 개의 원자로 나뉘는 현상이다. 하지만 둘 모두 질량의 감소가 일어나고 이 감소분만큼 에너지가 발생하는 것은 동일하다.
 
 
 
태양은 우리의 밤하늘에서 보이는 수 많은 반짝이는 별들 중 하나이다. 그런 종류의 별을 '항성', '스타' 라고 부르고 이것과는 달리 스스로 빛을 내지 못하는 우리 지구와 같은 것을 '행성', '플래닛' 이라고 부른다. 태양은 총 8개의 행성을 가지고 있으며 각 행성은 총 합이 수십 개가 넘는 위성을 가지고 있다. 위성은 '달'과 같은 행성의 주변을 도는 더 작은 물체를 칭하는데 솔직히 우리 달은 지구의 크기에 비해 지나치게 크긴 하다.
 
우리가 속한 은하계, 갤럭시나 우리나라 말로 미리내라고 불리는 이 은하는 이런 태양과 같은 별을 수천 억개 가지고 있는 것을 알려져 있다. 그리고 우리 은하의 전체 지름이 약 10만광년으로 알려져 있는데, 뭐 상상도 안가는 크기이긴 하지만 아무튼 우리 태양은 그 은하에서 약간 변두리 부분에 있다고 한다. 정확히는 모르겠지만 중심부에서 약 15,000광년 정도 떨어져 있다고 한다.
 
은하는 매우 빠른 속도로 자전을 하고 있고 그 덕에 우리 태양은 매우 빠르게 이동 중이다. 하지만 우리 지구는 태양의 중력 권 안에 잡혀 있기 때문에 이것을 거의 느끼지 못한다. 마치 우리 지구가 자전과 공전을 하는데 우리가 정지된 것처럼 느끼듯 그렇다. 그리고 이 은하조차도 훨씬 더 빠르게 이동하고 있다고 하는데 솔직히 이동이란 말은 뭔가 기준점이 있어야 하는데 도대체 뭘 기준으로 이동한다는 표현을 쓰는지 모르겠다.
 
이제 태양이 지구에 미치는 영향에 대해 알아보기로 하자.
 
지구에 도착한 태양의 빛은 1차적으로 식물에 의해 변환이 된다. 식물에 있는 엽록소가 자신의 잎에 부딪힌 광자의 에너지를 이용해서 광합성을 한다. 그리고 이들은 최초로 우리 인간이 먹을 수 있는 에너지로 전환이 된다. 이 광합성은 매우 복잡한 화학작용인데 간단히 정리하면 이산화탄소(C02)  +  물(H20) + 광자(에너지) => 탄소 화합물(CH..) + 산소(O2) 라고 말할 수 있다.

 

화학기호가 나와서 그렇지만 쉽게 보면 이산화탄소에서 탄소인 C와 산소인 O2가 분리되고, 물에서는 수소인 H2 와 산소 O가 분리된 후 탄소 C와 수소 H가 결합하여 탄소화합물을 이루고 나머지는 순수 산소가 된다. 여기에서 탄소 화합물은 당과 같은 우리가 좋아하는 단것을 말하고 산소는 당연히 우리가 호흡할 때 쓰는 아주 중요한 원소이다. 이 변화를 보면 왜 식물에게 물과 햇빛이 성장의 중요한 요소인지 쉽게 이해할 수 있다.
 
반대로 우리 인간과 같은 동물은 산소를 들이마시고 이것을 내부적으로 화학작용을 해서 다시 이산화탄소를 만들어 공기 중으로 내보낸다. 즉 동물과 식물은 서로 반대의 작동을 하면서 이 지구에서 서로가 서로에게 삶을 유지시키고 있는 중이다.
 
아무튼 1차적으로 발생된 이 식물의 에너지는 인간이 바로 섭취를 하기도 하고 곤충이나 초식동물들에 먹이가 된 후 2차로 동물성 먹거리화 되어서 우리에게 흡수되기도 한다. 이 에너지의 이동 경로는 우리가 먹는 그 다양한 먹거리만큼이나 아주 복잡해서 다 설명하긴 그렇고 아무튼 우린 식물을 통해 1차 에너지를 바로 섭취하거나 소나 돼지고기를 먹으면서 2차로 흡수한다. 만약 우리가 육식성 동물을 잡아 먹게 되면 3차가 될 수도 있다. 하지만 근본적으로 그 에너지는 동일하다. 모두 태양으로 부터 온 것이다.
 
태양은 지구로부터 약 1억 5천만 km 떨어져 있다. 엄청난 거리지만 우주적 단위에서 보면 점도 안된다. 그래도 우리 인간 기준으로 보면 아주 먼 공간을 통과해서 지구의 대기에 도착한 광자는 지구의 공전에 따른 자전축의 기울어짐에 따른 반사각의 각도에 따라 흡수율이 달라지게 되어 결론적으로 계절의 변화가 일으킨다.

 

물론 적도와 같이 그 각이 거의 일정한 곳에서는 겨울이 없이 늘 따뜻하고 더운 기온이 나타나고 북극이나 남극과 같은 곳에서는 길고 추운 겨울과 짧은 여름이 나타나게 된다. 이것은 지구의 자전궤도가 공전궤도에 비해 23.5도 기울어져서 나타나는 현상이기도 하다.
 
태양에서는 상시적으로 아주 고 에너지가 나오는데 우리가 보통 자외선이라고 부르는 파장 대 영역보다 훨씬 더 높은 X선, 방사선도 우리 지구에 상시로 도착한다. 물론 지구는 이런 고 에너지 파장 대에 대한 보호능력을 가지고 있다. 첫 번째 방어막은 일단 지구의 자기 선이다.

 

지구는 고온의 액체 철 핵을 가지고 있는 탓에 회전에 의한 자기력이 발생하는데 결국 그 원리로 인해 지구 전체가 하나의 거대한 자석이 된다. 이 자석은 아주 미세한 규모지만(우리가 흔히 아는 자석에 비해) 지구보다 훨씬 큰 우주공간 내에 거대한 자기 선을 만들어 내고 이 자기 선이 태양의 위험한 고 에너지 파장 대를 막아내거나 혹은 북극이나 남극으로 유도시킨다.
 
이때 유도된 입자들이 대기 중에서 에너지를 방출하면서 신비한 오로라를 만들어 내어 장관을 연출하기도 한다. 그리고 두 번째로는 우리의 오존층이 있다. 요즘 오존층 파괴에 대한 이야기가 많이 나오는데 아무튼 이 오존층 덕분에 우리가 밖에 나가서 태양 빛 좀 쪼였다고 해서 암에 걸리지 않는 것이다. 하지만 미래엔 어떨지 모르겠다. 우리가 파괴하는 오존층이 점점 커져서 결국 밖에 나갔다가 바로 피부암 걸리는 날이 올지도.
 
* 방사능, X선 과 같은 고 에너지 파장대가 우리 인간에게 암을 일으키는 원리는 단순하다. 너무 강한 에너지가 체내의 세포로 주입되면 우리 세포가 가진 유전정보가 파괴되거나 변형된다. 이때 이런 세포들이 원래 자기들이 부여 받은 목표를 벗어나 증식을 하거나 하는 이상 행동을 하면 이것이 바로 암이다.
 
물론 모든 자외선이 오존층에서 막아지지는 않는다. 그래서 또 얼마간의 자외선들이 지표면까지 도달하는데 중간에 있는 구름이나 기타 물질들이 이것을 산란시키기도 한다. 이런 산란의 효과는 자외선이 아닌 우리가 볼 수 있는 가시광선에서 명확히 나타나는데 그것이 바로 우리가 예쁘다고 감탄하는 노을이다.
 
노을은 태양의 7가지 색, 우리가 '빨주노초파남보' 라고 이름 지은 그 빛 중 짧은 파장대인 '파남보' 계열의 빛은 모두 낮은 태양의 고도로 인해 길게 대기를 통과하는 동안 모두 산란되어 눈에 보이지 않게 되고 나머지 붉은 계열 빛만 우리의 눈에 도착하여 그렇게 아름다운 붉은 노을을 만들어 내는 것이다.

 

혹시나 해서 말하자면 우리가 붉은 색계열의 파장 대보다 더 긴 파장 대이지만 우리 눈에는 보이지 않는 빛을 '적외선' 풀어 쓰면 붉은색 밖에 있는 파장 이라고 부르고 반대로 보라색 보다 더 짧은 파장 대를 가져 역시나 눈에 보이지 않는 영역의 빛을 '자외선' 즉 보라색 밖에 있는 파장이라고 부른다.  우린 실제로 엄청난 구간의 빛의 파장 대 중에서 아주 일부만을 보고 살아가며 이 파장 영역을 가시광선이라고 부른다.
 
다시 태양의 이야기로 돌아가면 태양은 주기적으로 거대한 폭발을 하는데 바로 자력선 폭발인 코로나 발생을 뜻한다. 이때 발생되는 에너지는 최대로 지구의 인간 모두가 수백 만년간 쓸 수 있는 정도의 수준인데 만약 이런 거대한 폭발이 지구에 정면으로 부딪치면 (이 코로나 폭발은 방향성을 가지고 있다) 우리 지구는 아주 큰 위기를 맞을 수 있다.
 
실제로 이 위기는 우리 스스로가 불러온 경향이 있다. 왜냐하면 과거에도 이런 대규모 코로나 방출이 지구와 정면 충돌한 적이 많이 있었지만 그때만 해도 그리 큰 문제는 아니었다. 정말 쉽게 말하면 우리 한반도에서 갑자기 오로라가 보이는 정도라고 할까?
 
하지만 우리는 현재 지구의 상공에 엄청난 인공위성을 띄워놨으며 지구에도 전기를 쓰기 위해 어머 어마한 설비를 해 놓았다. 문제는 이 장비들이 태양의 코로나 에너지에 담긴 그 엄청난 폭발력을 감당할 수 없어서 결국 모두 파괴되어 버린다는 사실이다. 지구를 도는 수천 개인지 수만 개인지 모를 위성이 동시에 다 파괴되고 지구에서 전기 공급장치가 한 순간 모두 파괴된다면? 재산피해는 고사하고 우리 인간의 문명은 한 순간에 전기 이전의 암흑 시대로 돌아가게 될 것이다.
 
태양은 아주 위험한 항성이다. 아니 모든 항성이 위험한데 태양은 우리 근처에 있어서 위험하다. 그리고 이 태양은 11년 주기의 극대기와 극소기를 반복하는데 이 현상은 태양의 흑점과 관련이 있다. 즉 흑점이 많아지는 시기가 극대기, 적어지는 시기가 극소기이다. 그리고 올해는 아마도 태양의 극대기 일 것이다.
 
태양은 지구의 모든 동식물 즉 생태계의 전부이다. 물론 지구엔 아주 심해에서 태양의 에너지 없이 열수공에서 나오는 에너지를 양분 삼아서 살아가는 아주 특이한 생명도 있지만 지구상의 99.9999999% 의 생명체는 태양이 없어지면 바로 죽는다. 먼저 식물이 죽고 그리고 그 식물을 먹는 동물이 죽고 그 다음 그 동물을 먹는 다른 동물도 죽는다. 생태계는 오래지 않아 멸망하고 말 것이다. 그래서 태양은 정말로 중요하고 또 중요한 존재이다.
 
태양은 또한 지구를 한 순간에 인류를 멸망시킬 수도 있다. 아주 강력한 태양폭발이 지구에 도착하거나 혹은 지구 그 자신이 방어막을 허술하게 만들어서 태양의 힘에 맞설 수 없게 되면 그렇게 될 것이다. 지구의 자전이 멈추거나 지구의 자기장 방향이 틀어지거나 하는 등의 천재지변이 일어나면 우리 인간은 아주 큰 고비를 맞게 될 것이다.
 
태양의 수명은 약 100억 년 정도로 알려져 있다. 이제 45억년 정도 되었으니 인간의 나이로 치면 40대이다. 중년을 향해 가고 있는 태양은 언젠가 노년이 되어 거대한 적색거성으로 커져 지구까지 삼켜버릴 것이다. 물론 너무도 먼 이야기이다.
 
이 뜨거운 여름 작열하는 태양만 보면서 원망만 하지 말고 이 뜨거움 덕분에 우리가 살아가고 있다는 것을 조금 감사해하는 것은 어떨까 싶다.