최근에 와서 여름철을 중심으로 우리나라 뿐 아니라 세계 곳곳에서는 갈수에 의한 피해가 늘고 있다. 심각한 물 부족현상에 직면하면 행정기관에서는 급수 제한을 하거나, 시민들로 하여금 절수운동을 권장하는 길밖에 별 다른 수가 없었다. 물이 고갈된 댐을 눈앞에 두고 기우제를 지내느니 떠들썩하게 하여 매스컴을 타기도 한다. 이럴 때일수록 그 인공강우의 기술은 어디까지 왔으며, 어떻게 되었는지 궁금하게 생각하는 사람은 한 두 사람이 아니라고 본다.
비는 왜 내리는 것일까? 또, 비를 내리게 하는 비구름이란 어떻게 해서 생기는 것일까?
구름이란, 공기 중에 포함된 수증기가 어떤 원인에 의해서 냉각되어 미세한 물방울이 되어 공중에 떠있는 것이다. 목욕탕 욕실의 창을 닫은 채 다음날 아침에 보면 천정에 물방울들이 가득 매달려있는 것을 볼 수 있을 것이다. 이것은 욕실 내에 있었든 눈에는 보이지 않는 수증기가 냉각되어 물방울로 변해버린 좋은 예라고 하겠다.
공기가 냉각되는 원인은 몇 가지를 생각 할 수 있다. 가장 일반적인 것은 공기가 위를 향해 흐를 수(上昇氣流) 있을 때이다. 공기가 상공에 운반되면 주위의 기압이 낮아지기 때문에 팽창하여 기온이 내려간다. 이때 수증기가 충분히 포함되어 있으면 이것들이 물방울로 변해서 구름이 되는 것이다.
그렇지만 구름이 생겼다고 하더라도 꼭 비가 오는 것은 아니다. 구름은 대게 0.1mm이하의 물방울로 되어있지만 이 크기로는 지상까지 내려오는데 시간이 너무 오래 걸려 도중에서 증발해버리고 만다. 이 작은 구름을 만들고있는 물방울끼리 모여서 직경이 대충 0.2mm이상으로 성장해야만 비로소 낙하속도가 생겨 속도가 빨라지기 때문에 지상에 비로 내리게 되는 것이다.
하늘에 하나의 덩어리로 떠 있는 한쪽의 하얀 구름, 종류에 따라서도 다르겠지만 이 작은 구름 하나 속에는 물이 대략 약 1ton이나 함유되어 있다고 한다. 현재 진행되고있는 인공강우의 실험은 이 구름 속에 있는 미세한 물방울들을 결합시켜 빗방울을 만들기 쉽게 하기 위해서, Dry ice나 옥화은(AgI)의 미세분말을 뿌리고 있는데 불과하다. 구름 한 점 없는 건조한 공기 중에서 비를 내리게 하는 것에 대해서는 아직 성공하지 못한 것 같다. 우리나라에서도 가뭄을 극복하기 위해 옥화은의 미세분말을 살포해 보았지만 실패하고 말았다.
아무튼 지금 현재로서는 갈수대책으로서 유효한 것은 한 사람 한 사람이 물을 아껴 쓰는 노력만이 최적의 방법이다.
Diamond Dust
공기는 맑고 청명하다. 눈이 내리는 것도 아닌데 눈앞에 Diamond의 작은 알들이 뿌려진 것처럼 번쩍거리는 입자가 춤을 추듯이 날라 다니고 있다. 이와 같은 현상을 보고싶다고 생각하지 않는가?
이것은 Diamond dust 즉, Diamond의 먼지라고 불리는 현상으로 참으로 아름다운 것들이며, 어디에서 나 볼 수 있는 것은 아니다.
Diamond와 같이 태양의 빛에 반사하여 번쩍거리는 것은 실은 얼음의 작은 결정이다. 이들 얼음의 결정은 바늘과 같은 모양의 것과 평판(平板)모양의 것, 그리고 각주(角柱)와 같은 모양을 하고 있다. 크기는 0.01mm정도이며, 세빙(細氷)이라고도 한다. 더 커지면 눈의 결정으로 되어간다. 눈의 결정의 종(種)이라고 해도 좋을 것 같다. 이것은 단순한 얼음의 입자가 아니라 결정의 표면의 평면이 빛을 반사하여 번쩍번쩍 빛을 내고 있는 것이다.
견운(絹雲 : 비단구름), 견적 운(絹積 雲 : 뭉게구름) 등의 하늘 높게 있는 구름이나 적란운(積亂雲 : 소나기구름)의 위쪽 즉, 철상 운(鐵床 雲 : 소나기구름이 번져서 모루모양으로 된 구름)의 모양을 한 근처는 바늘과 같은 모양이나, 각주나 평판과 같은 모양을 한 얼음의 결정으로 되어 있다. 이것들이 천천히 내려오거나, 지면 가까이 와서 같은 모양의 결정을 만들기 때문에 Diamond dust를 보게 되는 것이다. 다시 말해서, 공기중의 수증기가 얼어붙어 그것이 태양의 빛을 반사하여 번쩍번쩍 빛내며 아름답게 보이게 하는 것이다.
Diamond dust를 보기 위해서는 기온이 매우 낮아야 하는 조건이 필요하다. 그렇다고 하면 우리나라에서는 북한 쪽의 평지 등이 그 조건에 합당하다고 본다. 특히 북한의 한랭의 차가 심한 내륙부에서 많이 볼 수 있는 현상이다. 그것도 시간대로서는 아침으로 빙점하 20도 이하가 되었을 때, 그리고 화창한 날씨가 조건이다. 빙점하 20도 라고 하면 춥다고 하는 것보다는 아프게 느껴질 것이다. 코 속까지 얼어붙는 느낌이다.
보석과 같이 빛을 내면서 내리는 Diamond dust는 한겨울의 아름다운 풍물 시(風物 詩)라고 하겠다. 또한 결정의 수가 많아지거나, 결정에 물방울이 붙어 1km이상 떨어져 있는 것의 윤곽이 흐려서 잘 보이지 않을 때(시정거리 약 1km)는 빙무(氷霧) 라고도 한다.
또 아침의 태양의 빛에는 Diamond dust가 아름답게 보이지만, 밤에도 공기중의 수증기가 얼어붙어서 재미있는 현상이 벌어진다. 기온이 빙점을 크게 밑돌면 공기중의 수증기가 얼어붙어서 빛을 반사하게 되며 커다란 빛이 된다.
예를 들면 스키장의 야간경기 조명등의 빛을 반사하여 커다란 수직의 빛 기둥을 만든다. 이것을 광주 현상(光柱 現象)이라고 하며, 새벽에나 해질 무렵에 태양의 빛으로 생기는 경우에는 태양 주(太陽 柱) 라고 한다. 춥다고 하여 밖에 나가는 것을 두렵게 생각하고 집에만 틀어박혀 있지만 말고 자연의 불가사의를 찾아보도록 하는 것도 몸과 마음을 풍요롭게 하는 것이다.
지구상의 물은 어디에서 왔는가
지구가 이 태양계에 생긴 것은 약 46억 년 전이라고 한다. 이 역사에서 물은 어디에서 어떻게 해서 이 지구상에 나타났을까? 지구를 포함한 태양계의 혹성들이 탄생했을 때는 태양을 중심으로 우주 속의 작은 먼지가 서로 모여서 뭉치게 된 덩어리였다고 한다. 그러나 이때는 아직 물은 존재하고 있지 않았다.
물의 모양을 만들고 있는 것은 수소(H)와 산소(O)다. 이들의 원자는 먼지의 덩어리 중에 광물의 일부분으로 들어 있었다. 덩어리끼리 서로 충돌을 되풀이하고 크게 성장하면서 덩어리는 열을 갖기 시작하고 녹아갔다.
이와 같이 높은 온도에서 녹은 상태에서 수소와 산소의 원자는 광물 중에서 떨어져 나와 화학적으로 결합하여 수중기로서 밖으로 나오게 된 것이다. 그리고 이 물의 출현은 지구가 지금의 크기에 가까워졌을 수억 년 전에 일어났을 것이라고 생각된다.
그러면 지구상에 물이 출현한 후 수증기는 구름이 되어 지표를 쌓고, 태양의 빛을 차단하게 된다. 지구표면의 온도는 점차 떨어져 수증기는 물로 변해서 비가 되고, 바다와 육지로 갈라져 육지에는 강을 만들게 되었다. 현재, 화산의 분화구나 온천의 원천이라고 할 수 있는 수증기는 지구 속에서 만들어진 것이 아니다. 지구형성에서 처음으로 만들어진 물이 바다가 되거나 땅속에 스며들거나 하여 존재하는 물의 일부분이 지상으로 분출하고 있을 뿐이다.
물이라고 하는 물질을 손에 넣은 별은 지구뿐이 아니었다. 태양계 외의 다른 별들도 화성이나 금성에서도 그와 같은 과정으로 만들어졌기 때문에 같은 일이 일어났을 것이라고 생각된다.
그러나, 현재 물이 기체나 액체나 고체로서 풍부하게 존재할 수 있는 것은 지구뿐인 특별한 일이다. 그것은 우선 지구와 태양간의 거리가 절묘하기 때문이다. 지구의 안쪽을 도는 금성은 태양과의 거리가 너무나도 가깝다. 금성의 표면온도는 500도이다. 이렇게 해서는 액체인 물이 존재할 수 없다. 또 태양으로부터의 에너지로 물은 수소와 산소로 분해해 버린다.
그러면 지구보다도 밖을 도는 화성의 궤도에서는 어떨까? 이번에는 그 거리가 너무나도 먼 것이다. 지구의 평균온도는 약 15도 이지만 화성은 영하 60도나 된다. 이 온도에서는 물은 물론 가스 상태인 이산화탄소도 고체로밖에 존재 할 수가 없다. 이들 혹성의 중간에 있는 지구는 태양으로부터는 아주 적절한 거리에 있으며, 액체인 물이 충분하게 존재할 수 있는 것이다.
또, 지구의 인력(引力)의 크기도 큰 영향력을 미친다. 지구의 질량(質量)이 더 커져서 인력이 강하게 되면 우주의 먼지나 가스를 더 모이게 하여 목성과 같이 되었을 것이다. 역으로 질량이 작은 경우에는 인력도 작아져 수증기는 우주로 방출되고 말았을 것이다.
바닷물은 왜 짤까?
해수 1km을 채취해 가열하여 수분을 모두 증발시키면 약35g의 백색의 고체를 얻을 수 있다. 이 백색의 고체를 소금이라고 한다. 이것은 해수 중에 여러 가지 성분(표ㅡ1)의 이온(이들의 성분은 해수의 주요성분이라고 함)이 포함되어 있기 때문에 물을 증발시키면 이들의 이온이 염(소금)이 되어 석출해 나오기 때문이다. 이 성분을 해수의 염분이라고 부르고 있으나, 표에서도 알 수 있는 바와 같이 염분의 주성분은 염화나트륨 즉, 식염인 것이다.
그런데, 해수중의 중요성분의 존재 비는 세계의 어느 바다, 어느 곳의 바닷물을 채취한다 하더라도 놀랍게도 거의 똑같다는 것이다. 즉, 해수는 염분의 양이 많고 작다는 차가 있기는 하지만 그 조성에 있어서는 어느 곳의 물이든 다 똑같다고 하는 것이다. 이것은 해수중의 주요성분이 들어왔다 나가는데 필요한 시간(수천만 년에서 수억 년)에 비해서 세계의 모든 바닷물이 뒤섞기는 데 필요한 시간(수 천년)이 훨씬 짧기 때문이다. 즉, 바닷물은 잘 섞여져 있기 때문에 어느 곳에서든 해수의 조성은 균일에 가깝게 되어있다.
그렇다면, 바닷물은 언제부터 현재와 같이 조성되었으며, 또 어떻게 하여 그 조성이 유지되어 왔을까?
지구에 바다가 생겼을 무렵에 해수에는 생성기에 지구내부로부터 나오는 기체 중에서 양이 많고, 또한 물에 녹기 쉬운 염화수소가 대량으로 녹아들어 갔다. 그리고 지각을 구성하는 광물과 해수와의 접촉에 의해서 염산(HCl)이 중화되어 가고, 그와 동시에 지구 생성기의 대기(大氣)의 주성분의 하나였던 이산화탄소가 바닷물에 녹아 들어가 현재의 조성에 가까워졌을 것이라고 예측된다. 즉, 현재의 해수는 지구 생성기의 장대한 중화적정(中和滴正)의 결과 생긴 것이라고 생각되며, 현재의 해수의 PH는 약 8로서 중성에 가깝다는 것이 되기 때문에 그 적정(滴定)은 매우 정확했다고 하겠다.
이 중화적정 후에는 해수의 주요성분의 농도나 존재 비는 지각을 구성하는 중요한 광물과 해수 사의에서의 이온 교환에 의해서 유지되어온 것이라고 보여진다. 그 근거는 각각의 이온 교환반응의 평형정수의 실측치에 의해서 계산된 주요성분조성의 값과 실재의 주요성분조성의 값이 서로가 일치한다는 사실이다.
오래된 지층을 조사해본 결과, 해수와 이온 교환반응을 하는 광물은 30억 년 전부터 지금까지 현재와 같은 종류였다는 것과, 주요성분의 몇 가지의 이온의 존재 비가 오랜 세월에도 불구하고 거의 변함이 없었다는 것이다. 그렇기 때문에 해수는 30억 년 전부터 이미 현재와 거의 같은 조성이었다고 볼 수 있다.
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