에어컨 없이도 시원한 건축물의 비밀!

한낮의 관공서에서는 땀을 뻘뻘 흘려대는 와중에도 에어컨만은 가동시키지 않고 버틴다. 멀리 창밖으로 보이는 시원스러운 전경은 그저 그림의 떡일 뿐이다. 전력난이 최고조에 이른 지난 주 초에는 어두운 실내에서도 불까지 끄고 지낼 정도였다.

전력 수급 비상에 무더위까지 겹친 여름날, 가장 고달픈 곳은 뜻밖에도 초현대식으로 지은 첨단 건물들이었다. 햇볕은 고스란히 쏟아져 들어오는데도 열리는 시늉 정도만 하는 창문을 지닌 건물 내부는 말 그대로 찜질방이 돼 버렸다. 언젠가부터 공공건물을 중심으로 유리로 뒤덮인 건축이 유행하기 시작했다. 이러한 건축양식은 주거용 건물에까지 영향을 미치고 있다.

유리를 대폭 활용한 건축방식이 유행하는 데는 나름의 이유가 있다. 유리 건축은 그 자체로 현대적인 세련미를 물씬 내고 풍요와 개방성을 상징한다. 1851년, 런던에서 수정궁이 선보였을 때 엄청난 반향을 몰고 왔던 까닭도 유리로 뒤덮인 건물이 그때까지의 어떤 건물과도 다른 세련미를 보이면서도 기술력과 물질적 풍요를 과시했기 때문이다. 수정궁은 철골 구조라는 신기술과 유리라는 새로운 벽면 재료를 활용해 미래의 건축을 한 발 앞서 제시하고 후대의 건축에 중요한 영향을 주었다.

그러나 현대식 유리 건축은 중요한 결점을 안고 있다. 널찍하고 시원스러운 공간을 제공하고 태양에너지를 효율적으로 이용하기는 하지만, 지나치게 많은 에너지가 집중됐을 때 이를 적절히 해소할만한 장치를 갖추지 못했다는 점이다. 요컨대 난방에는 우수한 효율을 보이지만 냉방에는 오히려 낮은 효율을 보인다는 뜻이다. 예전 같으면 실내가 바깥보다 더 덥다면 그저 창문만 활짝 열면 그만일 것을 유리벽이 창문을 대체하면서 많은 에너지를 소모해가면서 냉각시스템을 구동해야 한다.

고전 건축이나 자연물은 현대 건축이 놓친 바로 이 부분에 많은 시사점을 제공한다. 고전 건축은 오랜 경험을 통해 적은 에너지로도 충분한 냉방이 가능한 시스템을 구축했다. 비결은 바로 물과 바람을 활용하는 방식에 있다.

그리스와 로마의 저택에서 중원(Atrium, 안마당)은 태양열을 받아들이는 역할만 했던 것이 아니다. 아트리움에는 보통 ‘임플루비움(Impluvium)’이라는 사각형 빗물받이 겸 연못을 만들어두는데, 비열이 큰 물이 중원의 온도를 일정하게 유지시켜주는 역할을 했다. 고대 로마인들은 침실을 말 그대로 자는 용도로만 활용했고 대부분의 시간은 햇볕이 들어오면서 쾌적한 온도를 유지하는 아트리움에서 보냈다. 또 다른 개방공간인 페리스타일(Peristyle)도 마찬가지였다. 기둥과 처마로 둘러싸인 공간인 페리스타일에는 정원이나 채마밭을 두곤 했는데, 식물들이 적절한 습도와 온도를 유지하도록 도와주는 역할을 했다.



[그림1] 알람브라 궁전의 아세키아 타피오티
분수에서 시작된 물은 수로를 따라 방으로 흘러 들어간다. 물이 있는 중정은 무더운 지중해의 여름을 시원하게 날 수 있게 해 주었다.
사진 출처 : 위키피디아 Andrew Dunn

온도조절에 중정(中庭)을 활용하는 방식은 남부 유럽을 중심으로 널리 자리 잡았다. 대표적인 사례는 스페인의 알람브라(Alhambra) 궁전이다. 가장 아름다운 건축물 중 하나로 꼽히는 알람브라 궁전은 가운데의 커다란 정원을 방들이 사각형으로 요새처럼 둘러싼 구조다. 중정에는 큰 연못이 있고 이곳으로부터 사방으로 수로가 뻗어 나와 방 안쪽까지 물이 흘러든다. 중정으로부터 흘러나오는 물은 생명의 물, 오아시스를 상징하는 한편으로 효과적인 냉각장치 역할을 한다. 건물의 한가운데에 연못 정원을 두는 건축양식은 이슬람 세계에 오랜 시간 동안 장려돼 이른바 ‘지중해식 중정’으로 정착했다.

한여름, 전형적인 지중해식 중정은 길거리보다 온도가 섭씨 9도나 낮다. 중정의 시원한 공기를 이용하면 냉각에 필요한 에너지를 대폭 줄일 수 있을 것이다. 세비야 대학에서는 지중해식 중정의 시원한 공기를 능동적으로 건물 내부로 끌어들이는 냉각기법을 개발해 말라가 호텔에 적용함으로써 냉각에 필요한 에너지를 절반으로 줄이는 성과를 얻었다.

자연 냉각의 또 다른 키워드인 바람 역시 여러 문화권에서 광범위하게 활용됐다. 전통 한옥이 바람을 이용한 냉각방식의 전형적인 사례다. 한옥은 앞뒤로 트인 대청을 사이에 두고 텅 빈 마당을 집 앞에, 식물을 심은 후원을 집 뒤에 둔다. 햇볕을 받으면 맨땅인 마당이 빨리 뜨거워져서 상승기류가 발생하고 식물이 심긴 후원으로부터 시원한 공기가 마당 쪽으로 흘러든다. 이 공기가 대청을 지나면서 집 전체를 시원하게 해 주는 것이다. 여기에 통째로 들어 올려 아예 벽이 없는 형태로 만들어줄 수 있는 들문을 설치해 냉각 효과를 극대화했다.

한옥이 수평적인 공기의 흐름을 이용했다면 이슬람 사원은 수직적인 공기 흐름을 활용했다. 16세기 오스만 제국의 건축가인 시난(Mimar Sinan)은 그의 대표작인 술레이마니에 사원에 수직적인 환기 시스템을 도입함으로써 온도 조절과 환기라는 두 마리 토끼를 잡아냈다. 시난은 양초와 램프에서 생긴 그을음이 사원의 내벽을 더럽히는 문제를 해결하느라 고심했다. 공간의 성격상 많은 사람들이 모여들어 공기가 탁해진다는 점도 해결해야 할 과제였다. 시난은 출입구 위의 작은 공간으로 내부의 후덥지근하고 지저분한 공기를 빼내고 바닥에 둔 관으로 외부의 신선한 공기를 끌어들이는 방식으로 문제를 해결할 수 있었다.

사실 공기 흐름을 이용한 냉각의 진수는 인간이 아닌 흰개미에게서 볼 수 있다. 흰개미의 집에는 엄청나게 많은 통로가 복잡하게 얽혀 개미탑 표면의 수많은 구멍을 통해 바깥과 연결된다. 흰개미는 곰팡이와 버섯을 키우는 부분과 주요 생활공간을 집의 아래쪽에 두는데, 여기서 나오는 열이 집 내부의 공기를 위로 밀어 올려서 개미탑의 위쪽 구멍을 통해 덥고 탁한 공기가 바깥으로 빠져나가게 한다. 내부의 공기가 빠져나간 자리에 아래쪽 구멍을 통해 시원하고 신선한 공기가 유입된다.

흰개미는 개미탑의 구멍들을 열고 닫으면서 공기의 흐름을 조절함으로써 집 내부의 온도를 일정하게 유지한다. 흰개미의 환기 시스템은 이들의 주 서식지인 아프리카 초원에서 빛을 발한다. 외부의 기온은 한낮에 섭씨 40도를 오르내리고 밤낮의 일교차가 심한데, 흰개미집의 내부는 항상 섭씨 29~30도 정도로 유지될 만큼 효율적이다.

짐바브웨 출신의 건축가, 믹 피어스(Mick Pearce)는 자국 수도인 하라레에 에어컨이 없는 쇼핑센터를 설계해달라는 요청을 받았다. 섭씨 40도를 오르내리는 아프리카의 에어컨 시설이 없는 쇼핑센터라니, 황당한 요구였다. 처음에는 막막해보였지만 피어스는 흰개미의 환기시스템을 모방해 최초의 대규모 자연냉방 건물인 ‘이스트게이트 쇼핑센터’를 건설했다. 구조는 간단했다. 건물의 가장 아래층을 완전히 비워버리고 꼭대기에 더운 공기를 빼내는 수직 굴뚝을 여러 개 설치한 후, 두 개의 건물 사이에 저용량 선풍기를 설치했을 뿐이다.


[그림2] 흰개미의 환기시스템을 모방해 만든 최초의 대규모 자연냉방 건물 ‘이스트게이트 쇼핑센터’. 건물 옥상에 줄지어 선 굴뚝으로 건물 내부의 더운 공기가 빠져나온다. 사진 출처 : 위키피디아 David Brazier

단순한 구조였지만 효과는 놀라웠다. 건물 내에서 더워진 공기가 꼭대기의 굴뚝을 통해 빠져나가고 아래쪽에서는 신선한 공기가 지속적으로 유입돼 에어컨 없이도 실내온도가 섭씨 24도 정도로 유지됐다. 전력이 소모되는 곳이라고는 공기 순환을 거드는 선풍기뿐이었다. 이 간단한 시스템 덕분에 이스트게이트 쇼핑센터는 동일한 규모의 건물의 10%에 불과한 전력만을 사용한다.

사람의 목숨은 물이 없다면 사흘, 공기가 없다면 15분을 넘기지 못하지만 주변에 늘 있기 때문에 그 역할과 고마움을 잊어버리곤 한다. 하루 중 반은 없어서인지 태양의 고마움을 잊지 않는다는 점을 생각해보면 참 부당한 대우다.

아무래도 건축에서도 마찬가지인 모양이다. 요즘의 친환경 건축은 태양을 어떻게든 실내로 끌어들이는 데 골몰해왔다. 그러는 동안 공기와 물은 더 이상 건축의 중요한 요소로 고려되지 않았다. 제대로 된 친환경 건축을 실현하려면 첨단기술 도입만 생각하기 이전에 전기시스템에 의존하지 않던 건축을 들여다봐야 한다. 굳이 온고지신을 들먹이지 않더라도 말이다.

글 : 김택원 과학칼럼니스트
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“이번 주말에는 소풍이나 가볼까?”
짠돌 씨가 아이들에게 먼저 소풍을 가자고 제안했다. 주말마다 집에서 쉬지도 못하고 시달리느니 아예 밖으로 나가는 게 낫겠다는 생각이었다.
“와~ 아빠. 어디로 가는데? 난 공원이 좋더라.”
“서방신기 콘서트는 어떨까? 요즘 신곡도 나왔다고 하던데.”
옆에서 듣고 있던 초보주부 김 씨가 상황을 정리했다.
“요새 서울광장에서 문화공연 한다던데 거기 가요.”

서울광장에 도착한 짠돌 씨 가족은 잔디밭에 자리를 잡고 앉았다.
“엄마, 저 기계는 뭐에요? 물 나오는 거!”
“아~ 저건 잔디밭이나 농장에서 식물들에게 물을 주는 스프링클러라는 기계란다.”
아이들은 신기한지 그 옆으로 다가가서 놀다가 온 몸에 물을 뒤집어쓰고 돌아왔다.

“아빠. 스프링클러를 보니 전기선이 안보여요. 전에 아빠가 ‘우리 집에 있는 기계들은 다 전기를 엄청나게 처먹는 것들이야’라고 말했잖아요. 전기도 없이 어떻게 움직이지?”
집에서 했던 실험의 결과인가. 호기심이 왕성해진 아이들을 보니 짠돌 씨의 마음이 뿌듯해졌다. 아내는 아이들의 옷을 갈아 입히느라 정신이 없다.

“왜 그럴까? 힌트를 주자면 스프링클러는 전기가 아닌 물로 움직여.”
“어. 그래요? 어떻게 물로 움직이지?”
“좋아. 여기서 실험을 통해 바로 확인할 수 있지. 막희야, 어서 캔 음료수 먹던 거 마저 마시고 아빠 주련. 당신은 뜨개질 하던 실 좀 줘 봐요. 난 어디 못이 없나 찾아봐야지.”

[실험 방법]
1. 준비물 : 음료수 캔, 실 , 물, 송곳(본문은 못이지만 송곳으로 실험했습니다.)
2. 송곳으로 캔 바닥 가까운 옆면에 일정한 간격으로 4개의 구멍을 뚫는다.
3. 송곳으로 각각의 구멍을 한쪽으로 눌러 한 방향으로 기울어지도록 한다. 구멍의 크기는 송곳으로 만들 수 있는 최대 크기로 한다. 크게 뚫을수록 깡통이 잘 돌아간다.
4. 캔 뚜껑 손잡이를 똑바로 세운 뒤 뚜껑 연결부위에 실을 맨다.
5. 구멍을 막고 캔에 물을 가득 채워 넣은 뒤 구멍을 막는다.
6. 구멍을 막던 손을 놓으면 캔이 돌아간다.

※구멍의 개수를 늘리면 깡통의 회전 속도가 빨라집니다.. 그러나 깡통에 물을 넣고 손으로 막기 힘들기 때문에 적절한 개수로 뚫으세요.

“우와~ 캔이 막 돌아요~!”
“스프링클러처럼 빙글빙글 돌면서 물을 뿜어내요.”

“스프링클러의 기본 원리는 이 캔이 도는 것과 똑같아.”
“에이 그건 아니라고 보는데. 스프링클러는 팍팍 절도 있게 끊어서 돌지만 얘는 그냥 빙빙 돌기만 하잖아.”
“하하~. 그건 스프링클러에 좀 특수한 장치가 달려있어서 그래. 물을 모았다가 스프링의 힘으로 밀면서 하는데…. 어쨌든 기본 원리가 이거랑 같은 거야.”
“알겠어, 아빠. 우리가 그건 봐주도록 하지. 계속 설명해봐.”
(※스프링클러는 수압으로 움직입니다. 이를 위해서 펌프가 필요하니 스프링클러가 작동하는데 전력 소모가 전혀 없는 것은 아닙니다. 스프링클러의 노즐은 수압을 모았다가 일정 수압 이상이 되면 분출합니다. 물은 잘게 만들어 멀리 뿌리고, 이때 생기는 힘으로 노즐은 일정한 각도로 회전하게 됩니다.)

이것들이…. 가장의 권위가 떨어지는 소리가 나는군. 하긴, 언제는 있었나.
“자~ 저번에 우리 물 풍선 만들어서 놀던 기억나지?”
“네.”
“그때 풍선에 물을 넣은 뒤 풍선 입구에서 손을 떼면 어떻게 됐었지?”
“물이 막 빠져 나오면서 풍선은 뒤로 날아갔어!”
“맞아, 내가 조준을 잘못하는 바람에 오빠 옷을 다 버렸지.”
“그래, 이것도 똑같은 원리란다. 바로 작용과 반작용의 원리야. 모든 물체에 가해지는 힘은 반대 방향으로 똑같은 힘이 작용하는 거야. 봐~. 캔 구멍을 막고 있던 손가락을 떼면 물이 흘러나오기 시작하지? 물이 나오는 반대 방향으로 물 풍선이 움직이듯 깡통도 물이 나오는 방향과 반대 방향으로 가는 거야. 여러 구멍에서 나오는 힘이 합쳐지면, 깡통이 빙빙 돌게 되지.”
“음…. 그럼 내가 막희에게 알밤을 먹이면 내 손도 아픈 게 작용과 반작용의 원리 때문이야?”
“그렇다고 할 수…. 막신아, 동생 좀 그만 때려!”

갑자기 등골이 서늘해지는 느낌이 들어 돌아보니 아내가 째려보고 있다. 실험을 재현하며 설명하려다 자리가 온통 물바다가 됐고 애들 옷도 다시 흠뻑 젖은 것이다.
“모든 일에는 작용과 반작용이 있는 법. 아빠가 옷을 다 버리는데 기여했으니 오늘 빨래도 아빠가 기여해야겠지?”
공원에 나가 어찌 하루를 버텨 보려던 짠돌 씨의 계획은 또 수포로 돌아갔다. 그날 밤 짠돌 씨 화장실에는 밤 늦도록 빨래하는 소리가 들렸다고 한다. (글: 과학향기 편집부)

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한국시간으로 지난 10월 9일 미항공우주국(NASA)의 엘크로스(LCROSS, Lunar Crater Observation and Sensing Satellite)가 달에 있는 물의 존재를 확인하기 위해 시도한 달 충돌 실험이 성공적으로 끝났다. 관측 자료를 분석해 최종 결론을 내리기까지는 조금 더 기다려야 한다.

엘크로스 프로젝트는 빠른 시간 내에 달에 물이 있는지 조사하기 위해 시작됐다. 추진체 연료통을 버리지 않고 달까지 가지고 간 뒤 달의 남극에 부딪힌다는 아이디어. 이는 다소 무모하게 보이지만 충돌에 의해 분출되는 물질을 조사하면 물이 있는지 확인할 수 있다는 생각에서 비롯됐다.

달에 물이 있을 가능성은 어떻게 제기된 것일까? 1970년 후반에 마무리된 미국의 아폴로 프로젝트는 ‘달에 물이 존재하지 않고 생명체도 없다’는 결론을 내렸다. 하지만 1998년 루나 프로스펙터 탐사선은 달의 극 지역에 수소가 집중적으로 분포된 것을 발견해 달에 물이 존재할 가능성을 시사했다.

우리가 잘 알다시피 물은 수소와 산소로 이루어졌다. 달에는 종종 혜성이 충돌하기도 하는데 혜성은 절반이 물로 구성된 것으로 알려져 있다. 만약 혜성이 달의 극 지역에 충돌했다면 달 표면에 물이 스며들었을 가능성이 있는 것이다. 더욱이 달의 자전축이 태양 방향에 거의 수직이므로 극 지역은 태양빛을 보기 힘들고, 크레이터 안쪽은 지금까지 태양빛이 한 번도 비춰지지 않았다. 따라서 이 지역에 얼음 형태의 물이 있을 가능성이 매우 높다고 생각된다.
  
엘크로스 위성은 1단 발사체(아틀라스5)와 2단 추진체(센타우르), 엘크로스, 달 정찰위성(LRO)로 구성됐고, 지난 6월 18일에 미국 플로리다주 공군기지에서 발사됐다. 1단 추진체가 분리돼 지구를 벗어난 뒤에 달 정찰위성이 분리됐다. 이 위성은 달 주위를 돌며 충돌 위치를 찾고, 충돌할 때 발생하는 현상을 관측하게 된다. 2단 추진체인 센타우르는 가장 마지막에 분리돼 첫 번째로 달과 충돌한다. 위성본체인 엘크로스는 이 때 발생하는 섬광과 분출물을 관측하기 위해 한 번 더 충돌하도록 계획돼 있다.

1단 추진체가 분리된 후 센타우르-엘크로스는 석 달 동안 달보다 훨씬 기울어진 궤도로 지구 주위를 달과 같은 속도로 돌았다. 추진체 내부에 남아있던 물질을 최대한 증발시켜 충돌시 인위적인 오염을 방지하기 위해서다.

이 기간 동안 연구자들은 달 정찰위성으로부터 들어오는 최신 정보를 받아 세부적인 충돌지점을 선정하는 숨 가쁜 일정을 진행했다. 이 작업에는 달 정찰위성 뿐 아니라 일본의 가구야 탐사선과 인도의 챤드라얀 탐사선 자료도 활용돼 달 탐사 선진국이 힘을 한데 모았다.

<엘크로스는 발사 뒤 86일간 달 주위를 비행하며 센타우르 로켓을 충돌시킬 정확한 위치를 찾
았다. 센타우르 로켓을 충돌시켜 달 표면의 물질이 공중으로 솟아오르게 한 뒤 엘크로스가 솟아
오른 물질 사이를 통과하며 관측활동을 벌렸다. 그 뒤 엘크로스도 달에 충돌했다. 사진제공.NASA>


달 주위를 돌던 센타우르-엘크로스는 충돌 10시간 전에 커베우스 크레이터를 향해 센타우르 추진체를 쏘게 된다. 센타우르가 충돌한 지 4분이 지나면 엘크로스도 동일한 지점에 충돌하는데 이 때 첫 번째로 충돌하면서 발생한 섬광 등을 자세히 관측하게 된다. 어차피 엘크로스 위성은 재사용할 게 아니므로 최대한 가까이 접근해 충돌시 분출되는 물질의 구성성분을 자세히 분석하는 것이다.

엘크로스의 달 충돌은 미리 분리된 달 정찰위성과 엘크로스 위성 외에 지구에서도 관측한다. 충돌하고 난 뒤 긴 시간 동안 분출물 이동과 변화를 살피기 위해서다. 또 혹시 모를 위성본체의 오작동을 대비하기 위해 지구에서의 관측은 필요하다.

이런 이유로 세계에서 가장 좋은 망원경이 즐비한 하와이에서 관측하기 좋도록 충돌 시간을 잡았다. 지상관측팀의 일원으로 참여하게 된 한국천문연구원은 원격 망원경이 위치한 레몬산 천문대(미국 서부 아리조나 주 소재)에서 충돌 시점에 발생하는 섬광 영상을 관측했다. 또 우리나라의 보현산 천문대(경북 영천 소재)에서도 충돌이 일어나고 한 시간 뒤 달이 뜨는 시점에 맞춰 분광관측을 하고, 분출물 성분을 분석했다.
 
엘크로스 충돌 실험 결과는 충돌 전 두 개의 연구팀이 시뮬레이션으로 예측한 결과 중에서 최저값에 가깝게 나타났다. 따라서 센타우르의 충돌섬광은 엘크로스 위성 본체만 미약하게 관측됐고, 충돌시 발생할 것 같은 분출물이 지구에서는 전혀 관측되지 않았다.

왜 이런 결과를 얻었는지 이해하기 위해서는 달 정찰위성의 충돌 지점을 다시 살펴보고, 엘크로스 위성자료를 정밀하게 분석해야 한다. 무엇보다 달에 물이 존재하는지 여부를 밝히기 위해서는 위성과 지상 분광관측 자료를 분석해야 결론이 날 전망이다.

물은 사람에게 반드시 필요한 자원일 뿐 아니라 수소와 산소로 분해해 추진체의 재료로 사용될 수 있다. 만약 지구 밖에서 물을 공급받을 수 있다면 달에 상주기지를 건설하거나 달에서 위성을 발사하는 등의 활동을 할 때 막대한 비용을 줄일 수 있을 것이다. 따라서 달 뿐 아니라 화성이나 소행성, 혜성 등에서 물을 찾는 것은 우주를 향한 인류의 꿈을 현실화하는 구체적인 노력 중 하나라 할 수 있다.

글 : 최영준 한국천문연구원 우주과학연구부 yjchoi@kasi.re.kr


KISTI NDSL(과학기술정보통합서비스) 지식링크


○관련 논문 정보
달 탐사 기술[바로가기]
달 탐사를 위한 국내 지상국 활용 가능성에 대한 연구[바로가기]
Predictions for the LCROSS mission[바로가기]

○관련 특허 정보
우주왕복선로켓·초음속/광속유인승여객전용·여객비행기/화물운송비행기 및지상진공우주항공쎈타 및 인공위성소행성 진공우주정거장및 천왕성/명왕성/화성/달/각종우주행성·기지 우주연구쎈타및 소콜섬유우주복 및겉·안·120°·초고온·극저온·우주복소콜섬유·중간좌우단열재타일변형방지패드·가운데내열내한단열재보호갭필러 및티타늄/시멘콘크리트 우주건축자재.(한국공개특허)[바로가기]
수평 로켓 발사장치(한국공개특허)[바로가기]
스페이스 타임캡슐 설치 및 운용 시스템(한국공개특허)[바로가기]

○해외 동향분석 자료
달의 어두운 크레이터를 밝힌 과학자들 - 2009년 [바로가기]
나사, 달과의 두 차례 폭발성 랑데부 프로젝트 시작 - 2006년 [바로가기]
달의 극지방 분화구에 얼음이 있을 수도 있다? - 2008년 [바로가기]


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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애리는 지금 잔뜩 뿔이 나있다. 약속을 지키지 않는 부모님 때문이다. 방학이 되면 바로 바다에 데려가 주겠노라고, 3월 초부터 새끼손가락 걸고 굳게 약속한 기억은 대체 어디 갔단 말인가. 혹시라도 아빠의 특기 ‘결정적일 때만 건망증’과 엄마의 특기 ‘못 들은 척 딴청하기’가 발동될까봐 생각날 때마다 불러댄 바다바다바다바다 노래도 결국 헛된 노력에 불과했단 말인가. 주말마다 두 분께서 검사하시는 일기장에 또박또박한 글씨로 7월에 바다 가서 할 일들을 꼬박꼬박 적어왔거늘, 시간 낭비 밖에 안 됐단 생각이 든다.

“아까부터 얘기했지? 아빠 회사 사정 때문에 휴가가 미뤄졌다고…. 안 가겠다는 것도 아니고, 8월 말까지만 기다리면 되는데 왜 자꾸 화만 내니?”

“몰라! 엄마 바보! 아빠도 바보! 아빠 회사는 바보 곱하기 바보!”

솔직히 말해 그녀도 딸 못지않게 가족 바다 여행을 기대하고 있던 참이었다. 더 솔직히 말하자면, 딴 팀원들에게 휴가 다 양보하고 굳이 8월 마지막 주로 휴가를 옮긴 남편을 향한 분노를 쿠션에 냅다 쏟아 붓고 싶은 심정이었다(착한 것도 정도가 있지!). 하지만 이 나이 먹고 11살짜리 딸이랑 똑같은 짓을 하기에는 이성의 힘이 좀 더 강했다.

‘이거 안 달래면 또 석달 열흘 들들 볶일 텐데 어쩌면 좋을까. 아 잠깐, 혹시?’

엄마는 뇌리를 스치고 지나간 나이스 아이디어에 저도 모르게 손을 맞잡았다. ‘좋은 생각이 났다’ 제스쳐를 취하는 엄마를 본 딸의 눈빛도 순간 반짝였다. 미소가 피어오르는 입꼬리를 차마 내리지 못 하고 애리를 돌아본 엄마는 은근한 목소리로 서두를 깔았다.

“애리야. 너 종이공작 좋아하지?”

“…그게 바다랑 무슨 상관이야!”

“이대로 바다도 못 가고 7월 내내 방학 숙제만 하는 것도 억울하잖아. 그러니까 엄마가 애리 책상 위에 작은 바다를 하나 만들어 줄게.”

“엄마. 접속어 앞 뒤 내용이 안 맞아.”

“말 끊지 말고 계속 들어 봐. 이 바다가 신기한 게 말이지, 아무리 뒤집고 흔들어도 바다는 바다고 하늘은 하늘이거든? 거기다 애리가 만든 배도 하나 척 하니 띄우는 거야. 그럼 더 근사해지겠지? 신기하고 예쁜 바다를 계속 보면서 바다 여행을 계획하는 건 어떨까? 그럼 8월 말 여행이 더 재미있지 않을까?”

“재미있을 것 같…, 으으응, 별로 안 재미있을 것 같은데….”

오, 넘어온다, 아니 이미 반 이상 넘어왔다!

“만약 아빠가 이대로 바다를 완전히 잊어버린 척 하면 어쩔 거야? 그럴 때 작은 바다를 내밀면서 ‘아빠~, 기억하고 계시겠죠?’ 이렇게 한 마디 해 주는 거지. 어때? 어때? 재미있을 거 같지 않아?”

“만들어 줘!”

건망증에는 ‘건망증 완전 대비법’으로 대응한다. 모녀의 손발 짝짝 맞는 플레이는 빠른 재료 준비로 이어졌다. 햇빛 쨍쨍 내리쬐는 대낮에 화학약품상을 돌고 와서도 지치지 않는 애리의 눈동자에 역시 내 유전자 반이 섞인 인재라며 감탄하던 엄마는 피로감을 애써 감추며 실험에 돌입했다.

“우리가 사 온 약품 이름이 뭐라고?”
“메틸렌클로라이드.”
“정답! 메틸렌클로라이드는 세탁소 같은 데서 쓰는 약품이야. 물보다 비중이 크고 기체로 잘 변하는 성질이 있어. 냄새도, 자 봐, 독하지? 그러니까 실험하는 동안 메틸렌클로라이드 냄새를 직접 맡는 건 금지! 또 환기도 잘 시켜야 해.”

“그런데 엄마, 물과 메틸렌클로라이드는 왜 안 섞여?”

물은 화학에서 얘기하는 극성을 갖고 있고 메틸렌클로라이드는 무극성이야. 극성은 극성끼리, 무극성은 무극성끼리 서로 잘 섞이거든. 반대로 극성과 무극성이 만나면 섞이지 않아. 물과 기름도 이렇게 성질이 다르기 때문에 안 섞이는 거지.”

“얼렁뚱땅 넘어가는 느낌이 들긴 하지만 메틸렌클로라이드 색이 예쁘게 변했으니까 넘어갈게. 이것도 메틸렌클로라이드 성질 때문이야?”

“우리 딸 너무 똑똑한데? 맞아. 우리가 아까 넣은 게 유성펜이잖아. ‘유성’은 기름 성분에 잘 녹는다는 얘기거든. 메틸렌클로라이드도 기름 성분을 잘 녹이는 ‘유기 용매’ 중 하나야. 그래서 유성펜 색소를 빨아 들여서 파랗게 변한 거지. 반대로 수성펜은 물에 잘 녹는단다.”

“엄마가 설명하는 동안 종이배도 다 만들었어. 종이배 밑바닥에 색연필도 칠했고…. 이건 왜 이런 거야?”

색연필도 메틸렌클로라이드와 친한 성질을 갖고 있거든. 핀셋으로 종이배를 집어 넣어봐. 옳지. 어때, 바닥이 메틸렌클로라이드와 딱 붙어 있지?”

“올~, 신기하다~.”

물을 먹은 종이배는 메틸렌클로라이드보다 가볍고 물보다 무거워. 게다가 색연필 때문에 메틸렌클로라이드 표면과 항상 붙어 있거든. 그래서 종이배를 넣은 병을 아무리 흔들고 뒤집어도, 바다는 항상 밑에~ 종이배는 항상 바다 위에~ 살랑살랑 예쁘게 떠다니는 거지.”

전화로 휴가 연기 공지를 때렸을 때 상상했던 분위기와 180도 다른 집안 공기. 훈훈하기 짝이 없는 아내와 딸의 표정에, 애리 아빠는 놀란 얼굴을 감추지 못 한 채 현관에 들어섰다. 딸의 손에서 반짝이는 작은 병과, 병 속의 파란 액체와, 그 위에 뜬 하얀 배와, 그리고 그 모든 것이 의미하는 한 단어를 깨닫기 전까지는.

고지식하게 ‘왜 우리가 바다를 늦게 갈 수밖에 없는가’ 설명을 늘어놓으려는 남편을 재빨리 꼬집은 애리 엄마는 등 뒤에 감추고 있던 커다란 병을 내밀었다. 엉겁결에 자신의 손바닥 크기만한 병을 받아든 아빠는 순간 눈시울을 촉촉하게 적실 수밖에 없었다. 손가락 두 마디만한 종이배에 세 가족의 웃는 얼굴이 그려져 있었기 때문에.

“애리야. 멋대로 약속 깨서 미안…. 아빠, 휴가 다시 당길까?”
“아빠 일이 더 중요하잖아요. 7월 말에 안 가도 괜찮아요. 대신 약속만 지켜주세요. 책상 위의 바다도 좋지만, 역시 아빠엄마랑 진짜 바다를 보러 가고 싶어요.”

“애, 애리야~!”
“감동적인 장면 깨서 미안한데, 그 병 옆으로 한 번 돌려 볼래 자기야?”

배 뒷면에 새겨진 글귀. ‘이번에도 약속 깨면 10년 동안 용돈 동결’
찰랑이는 작고 푸른 바다 위에, 웃는 것도 우는 것도 아닌 아빠의 표정이 함께 일렁였다.



[실험 Tip]
- 유리병(바이알병)과 메틸렌클로라이드는 각각 과학기구상, 화공약품상에서 구입할 수 있습니다.
- 물과 메틸렌클로라이드 용액을 섞어 쓰지 않도록 주의하세요. 가급적 2개의 스포이드를 따로 쓰는 것이 좋습니다.

글: 김은영 과학칼럼니스트




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오랜만에 성재네 식구들은 온 가족이 온천여행을 갔다.
그런데 뜨거운 물이 싫다고 목욕탕 밖에서 서성거리기만 하는 성재한테 아빠는 어서 탕에 들어가자고 재촉했다.

“이구구구~~ 시원하다. 아하~~ 온몸이 사르르 녹는구나. 성재야, 너도 어서 들어와라. 물이 정말 좋단다. 하나도 안 뜨거워.”

성재는 마지 못해 살짝 발을 담그는 듯하더니 냉큼 발을 빼고는 투덜거린다.
“아빠는 거짓말쟁이! 이렇게 뜨거운 물이 어떻게 안 뜨겁다는 거예요! 난 탕에 안 들어갈 거예요!”

한번 마음 정하면 웬만하면 지지 않으려고 하는 성재의 고집을 알기에 아빠는 성재가 좋아하는 과학이야기로 성재를 탕 속으로 유인하기로 마음먹었다.

성재야, 그건 네가 살짝 물 표면에만 발을 담가서 그래. 이 탕 속 바닥에 있는 물은 정말 뜨겁지 않아. 눈에는 잘 보이지 않지만 사실 물은 뜨거울수록 가볍고 차가울수록 무겁단다. 왜냐하면 물은 뜨거워지면 팽창하고 차가워지면 수축하기 때문이지.”
“아! 맞다. 저도 책에서 본 적이 있어요. 물뿐만 아니라 공기나 쇠도 온도에 따라서 팽창하고 수축한다는 것을 봤었어요. 그래서 철도레일을 보면 중간 중간 끊어 놓잖아요. 이것은 여름에 온도가 올라가서 기찻길이 팽창했을 때 휘어지지 않게 하려고 끊어 놓은 것이지요?”

“그래. 맞단다. 우리 성재 제법인걸. 만약에 기찻길이 끊어져 있지 않으면 온도가 올라감에 따라 레일은 길이가 늘어나야 하는데 늘어날 공간이 없으니 옆으로 휘어버리게 되지. 그러면, 휘어진 철로를 지나는 기차가 탈선돼서 큰 사고가 날 수 있단다. 철만 온도에 따라 늘어나고 줄어드는 게 아니야. 공기도 온도에 따라서 늘어나고 줄어든단다. 하늘에 떠다니는 열기구 알지? 이 기구를 하늘로 올릴 때는 기구풍선에 뜨거운 공기를 집어넣는단다. 그러면, 풍선 안에 있는 뜨거운 공기는 풍선 밖에 있는 차가운 공기보다 더 가볍기 때문에 위로 올라가게 되지. 목욕탕의 물도 마찬가지야. 뜨거운 물과 찬물이 섞이면 뜨거운 물은 가볍기 때문에 위로 올라가고, 차가운 물은 무거워서 아래로 가라앉는 거야.”

“아~ 그렇구나. 모든 물질이 온도에 따라서 늘어나거나 줄어드네요. 재미있는 이야기 감사합니다. 하지만 저도 이미 알고 있던 이야기예요. 그리고 여전히 뜨거운 물은 싫어요. 저 안 들어갈래요.”
“음… 성재야, 그렇다면 우리 내기할까? 사실 아빠가 한 말 중에 거짓말이 하나 있었어. 그 거짓말이 무엇인지 맞추면 탕에 들어오지 않아도 되지만, 못 맞추면 들어오는 거다. 지금부터 1분 동안에 맞추는 거야. 시작!”
“네?! 거짓말이 있었다고요…. 이상하다… 전부 맞는데… 예전에 과학책에서 봤는데….”

“자! 1분 지났어. 아빠가 한 거짓말은 차가운 물이 뜨거운 물보다 무겁다는 거야.”
“아빠, 무슨 말이에요! 좀 전에는 찬물이 무겁다면서요~ 그리고 책에도 차가운 물이….”
“잠깐잠깐, 아빠 말 좀 들어보렴. 응. 일반적으로 물은 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 떨어지면 수축한단다. 그런데 물은 참으로 신기한 성질을 갖고 있어. 온도가 떨어질수록 물은 점점 수축하지만 섭씨 0도일 때까지 계속 수축한 다음에 물이 얼음으로 바뀌는 것이 아니고 섭씨 4도일 때까지는 수축하지만 섭씨 4도보다 차가워지면 다시 부피가 팽창하고 얼음이 된단다. 그러니까, 뜨거운 물이 항상 차가운 물보다 가벼운 것은 아니란다. 예를 들어서, 섭씨 4도의 물이 섭씨 2도의 물보다 더 무거운 것이지.”

“피~ 그게 뭐예요. 그건 아주 특별한 예외잖아요. 일반적으로 물이 차가워질수록 수축해서 차가운 물이 더 무거운 것은 맞잖아요. 엉터리~”
“성재야. 아니란다. 물이 섭씨 4도에서 가장 무거워지고 온도가 더 내려가면 더 팽창한다는 성질은 아주 중요한 성질이고 물이 우리에게 주는 특별한 선물이란다. 성재야~ 김연아 누나 좋아하지? 김연아 누나가 빙판 위에서 멋진 피겨스케이팅을 보여주는 것도 물의 특별한 성질 덕분이란다. 만약에 물이 차가워질수록 무거워지기만 한다면, 겨울일 때 연못에는 점점 차가워지는 물은 아래로 가라앉고 덜 차가운 물이 위로 뜨겠지. 그러면 더욱 추워지면 얼음은 연못 바닥부터 생길 거야. 얼음이 바닥에 있고 그 귀에 물이 있으니 피겨스케이팅은 할 수 없겠지. 그리고 얼음이 물 위에서 얼지 않기 때문에 지난 주말에 아빠랑 같이 했던 얼음을 뚫고 빙어를 잡는 겨울 낚시도 할 수 없단다.”

“아, 그렇구나.”
“지금 우리 인류가 지구 상에 살아 있는 것도 물이 섭씨 4도 이하로 차가워질 때 오히려 더 가벼워져서 물 위로 뜨기 때문이란다. 만약에 섭씨 4도 이하로 차가워질 때 더 무거워져서 물아래로 가라앉는다면, 차가운 바람에 의해서 물 표면의 온도가 떨어지고 차가워진 물은 바닥에 가라앉고 뜨거운 물은 다시 차가운 바람에 의해서 온도가 떨어지는 악순환이 계속 돼서 결국은 연못의 물이 모두 얼어버릴 거야. 겨울철에 얼음이 얼어도 봄이 되면 물고기들이 다시 나타나잖아. 이것은 물고기들이 얼음 밑의 물에서 살아있기 때문인데, 만약에 얼음이 바닥부터 언다면 물고기는 다 죽을 거야. 이와 비슷한 게 지구의 생명체에 적용된단다. 빙하시대 들어봤지? 빙하시대처럼 엄청나게 추웠을 때는 바다 위도 다 얼었을까? 아니란다. 얼음 밑에는 물이 있기 때문에 그곳에서 고대미생물이 살아남아서 빙하기가 끝나도 다시 살아남고 진화를 거듭했던 것인데, 만약에 얼음이 바닥부터 언다면 빙하기에도 지구 전체가 바닷속까지 얼음 덩어리였을 테고 고대미생물이 다 얼어 죽고 현재의 인류로까지 진화하지 못했을 거야.”

“와~ 참 다행이네요.”
“성재야, 그렇다고 이러한 성질이 좋은 점만 있는 것은 아니란다. 이번 겨울에 파이프가 터져서 추위에 고생한 사람들 많다는 얘기 들었지? 겨울철 파이프가 터지는 것도 파이트가 추운 날씨를 못 견디기 때문이 아니고 이 파이프 속을 흐르는 물 때문이란다. 날씨가 급격히 떨어지면 파이프 속에 있던 물이 얼어버리는데. 문제는 물이 얼음으로 바뀌면서 팽창한다는 점이지. 한정된 공간인 파이프 속에서 물이 팽창해서 결국 파이프를 터뜨리게 되는 것이란다. 그래서 파이프 동파를 막기 위해서는 아예 쓰지 않는 파이프의 물은 다 빼버리거나 파이프 주위에 천 등으로 감싸서 따뜻하게 만들어서 얼음이 생기지 않게 하는 거란다. 결국 자연의 성질 하나하나를 얼마나 잘 이용하느냐에 따라서 우리가 행복해질 수도 불행해 질 수도 있는 거란다.”

파이프를 터뜨리는 물의 힘도 놀랍지만, 물의 이러한 성질이 없었다면 지구 생태계가 바뀔 수 있었다니… 성재는 조용히 물속으로 들어갈 수밖에 없었다. 하지만 여전히 물은 뜨거웠다.

‘앗! 뜨거워. 목욕탕 물이 뜨겁지 않다고 한 게 아빠의 거짓말 같은데~’

글 : 유병용 과학칼럼니스트(‘과학으로 만드는 배’ 저자)


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TAG , 부피, 온도
최근 미 항공우주국(NASA)에 따르면 화성 극지 탐사선 피닉스호가 화성의 구름에서 눈이 내려오는 모습을 목격했다고 한다. 올해 5월 피닉스호가 화성 북위 68도 지점에 착륙한 뒤 7월에 얼음 상태의 물을 발견하고, 잇따라 과염소산염을 발견하는 등 여러 가지 주목할 만한 성과를 이뤄내고 있다. 화성에 물의 흔적이 있다는 것은 화성 생명체의 존재 가설을 뒷받침해주는 결과다. 또한 지난달 말 화성을 촬영한 사진 속에서 오팔로 보이는 보석을 발견하여 약 20억 년 전 주변에 강이나 작은 연못이 있었을 가능성을 보였다고 하니, 앞으로 계속될 발견이 기대되는 상황이다. 어쩌면 SF영화에서나 봤음 직한 화성 외계인이 오팔 보석을 주렁주렁 몸에 달고 탐사선 앞에 나타날지도 모른다.

우주에서 들려오는 많은 소식 중에서도 화성 극지 탐사선 피닉스호가 화성에서 물을 발견했다는 소식은 우주 탐사에 관한 관심을 더욱 고취시키고 있다. 또한 행성과학자들은 액체의 흔적이 발견된 유로파(목성의 위성)나 타이탄(토성의 위성)에서도 생존하는 생명체를 찾을 확률이 높을 것으로 생각하고 있다.

유로파의 경우 보이저호나 갈릴레이호의 탐사를 통해 운석과의 충돌로 크레이터투성인 우리의 달과 달리 수많은 줄무늬를 가진 유리 거울처럼 매끈한 얼음 표면을 가지고 있음이 밝혀졌다. 무엇보다 과학자들은 영하 160도에 이르는 얼음표면과 달리 그 아래에는 거대한 모행성인 목성과의 조석력에 의해 생기는 열에너지 때문에 물로 이루어진 바다가 있을 것으로 예상하고 있다. 설사 물의 바다가 있다고 해도 태양에너지가 미약한 이곳에 생명체가 살고 있을까?

가능성은 있다. 원래 과학자들은 모든 생명체의 생존 에너지는 태양에서만 오는 것으로 알고 있었다. 하지만 1977년 미국의 심해 잠수정 앨빈호가 태양빛이 전혀 들어오지 않는 갈라파고스 군도의 심해 온천 주위에서 열수에 들어 있는 황을 산화해서 화학적으로 에너지를 끄집어내어 살아가는 세균과 이들 세균과 공생하는 다른 생물을 발견함으로써 우주 생명체에 대한 관점을 바꿔 놓는 발견이 있었다. 이렇게 되면 더 이상 생명체 존재에 있어 태양과의 거리나 태양 에너지의 양은 중요한 요소가 되지 않는 것이 된다. 따라서 유로파 내부에 지구의 열수 분출공과 같은 에너지 제공원이 있다면 지금도 외계 생명체가 심해를 헤엄치고 있을지 모른다.

토성의 위성 타이탄은 유로파보다 더 오래전부터 관심을 받아온 위성이다. 대기를 가진 행성처럼 뿌연 구름으로 덮여 있는 타이탄은 마치 지구의 원시상태모습과도 비견되고 있다. 보이저호나 카시니-호이겐스호의 탐사를 통해 타이탄은 78%의 질소를 가진 지구보다도 더욱 풍부한 98%의 질소를 가진 대기에 메탄으로 된 호수가 있는 것으로 밝혀졌다. 태양계에서 지구 외에 액체 표면이 발견된 것은 타이탄이 최초다.

그럼 이곳에 생명체가 있을까? 아직은 비관적이다. 200~800km나 되는 두께를 가진 타이탄의 대기층은 금성의 대기와 달리 이산화탄소가 없어 온실효과는커녕 태양빛을 차단하고 있어 표면의 온도는 영하 179도에 이른다. 따라서 타이탄에는 생명 발생 이전의 상태가 보존되어 있을 것으로 생각하고 있다. 2005년 유럽우주국의 호이겐스가 타이탄에 착륙하며 대기조사와 바람 소리, 표면 사진을 보내왔으나 생명 조사에 적합한 관측 장비는 싣고 있지 않아 아쉬움이 있었다.

이에 미 항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)의 과학자들은 외태양계 행성 평가 그룹(Outer Planets Assessment Group)회의를 열고 2017년까지 발사할 외태양계 행성 탐사선의 행선지로 유로파와 타이탄에 대해 탐사 시나리오를 검토하기 시작했다. 유로파-목성 탐사 시나리오에는 목성 주변의 혹독한 방사선 속에서도 살아남아 활동하도록 제작되는 궤도 탐사선이 투입되며 이 계획에는 러시아가 유로파 착륙선을 제공하겠다고 제의하는 등 큰 관심을 보이고 있다.

타이탄-토성 탐사 시나리오에는 궤도를 선회할 모선과 타이탄 표면 탐사용 보조 우주선이 투입되는데 보조 우주선에는 착륙선과 대기권 탐사용 열기구가 포함돼 있다. 타이탄의 짙은 대기를 이용한 열기구 탐사선은 기존의 몽골피에 열기구와 같은 원리로 프로판 가스로 기구속의 공기를 데우는 것에 비해 핵전지의 에너지를 이용하는 것이 큰 차이이다. 타이탄에서는 적은 열기로도 높은 부양 능력을 만들 수 있어 2kw의 핵에너지에 12m 직경을 가진 열기구라면 곤돌라에 200kg 정도의 과학 장비를 운반할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 고도 10km에서 타이탄 전체를 이동할 수 있도록 고도계로 측정한 데이터를 바탕으로 열기구의 꼭대기에 설치된 밸브를 이용, 내부 열기의 양을 조절함으로써 고도를 유지하도록 한다.

NASA는 약 7억 달러가 넘지 않는 중간 예산으로 고도로 집중된 우주임무를 수행할 탐사선을 개발하는 새로운 행성 탐사 계획, 이른바 뉴 프론티어 프로그램을 진행 중이다. 지난 2006년에 처음으로 발사된 명왕성과 카이퍼 벨트 탐사선인 뉴호라즌호에 이어 다음 10년 동안에 진행될 뉴 프론티어 프로그램의 탐사 우선순위를 정하기 위해 지난 2004년에 설립된 OPAG는 새로운 외태양계 행성 탐사 사업을 위해 1~5개의 우주선을 선정할 예정이다. 이 사업에는 미국을 중심으로 유럽과 일본, 러시아가 동참할 것으로 예상되며 카시니-호이겐스호에서처럼 국제적인 미션으로 진행될 전망이다.

물은 생명체의 근원이다. 그렇기 때문에 우주 탐사에 있어서 물과 물의 흔적을 발견하는 것은 큰 의미를 갖는다. 비록 우주의 행성이나 위성에서 물이나 물의 흔적이 발견되었다고 해도 생명체가 있다고 단정 짓기는 어려우며 이와 함께 다른 실험과 탐사가 동반되어야 하지만, 우리는 인류의 도전 정신으로 아직 밝혀지지 않은 미지의 우주를 끊임없이 탐험할 것이다.

글: 정홍철 스페이스스쿨 대표


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TAG , 생명, 화성

물로 무지개탑 쌓기

과학향기 기사/Sci-Fun 2008.05.30 16:48 by 과학향기

오랜만에 가족들과 나들이를 나온 양과장은 갑자기 내린 비로 근처 건물에서 잠시 몸을 피했다. 한참 뒤 비가 그친 뒤 나와 보니 공원 뒤 먼 산 앞으로 무지개가 걸려있었다.
“와, 아빠! 저기 무지개 좀 봐~ 너무 이뻐.”
“그러게… 비가 와서 오늘 나들이는 망쳤지만 대신 저렇게 예쁜 무지개를 봐서 정말 다행이다. 그치?”
“응! 그런데 아빠, 저 무지개 뚝 떼어다가 내방에 걸어 놨으면 좋겠다. 그럼 매일 볼 수 있을텐데…”
채원이의 반짝이는 눈을 보며 양과장은 좋은 생각이 떠올랐다.
“음, 채원이의 소원이 그렇다니 우리 집에서 무지개를 한번 만들어 볼까?”
“정말? 와~ 우리 아빠 최고!”
좋아하는 채원이의 모습을 보며 양과장은 물의 비중을 이용해서 무지개를 한번 만들어 봐야겠다는 생각을 했다.


사용자 삽입 이미지
많은 사람들이 물은 다 똑같은 물이라고 생각하지만 실제로 여러 가지 물을 한곳에 섞은 뒤 잘 지켜보면 섞이는 물도 있는 반면 기름처럼 층이 지는 물도 있다. 예를 들어 똑같은 물이지만 한쪽에 소금을 좀 넣은 뒤 맹물과 섞으면 두 물이 바로 섞이지 않고 소금물은 아래로 맹물은 위로 나눠져 층이 생기게 된다. 또한 뜨거운 물과 차가운 물을 섞으면 소금물에서와 같이 뜨거운 물은 위로 차가운 물은 아래로 나눠지게 된다.

이처럼 물이 나눠지는 이유는 물의 비중 때문이다. 비중이란 어떤 물질의 질량과, 이것과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과의 비율을 말한다. 즉 측정하기 어려운 물질을 물속에 넣은 뒤 넘치는 물을 모아 측정해 보면 해당 물체의 비중을 알 수 있게 된다. 비중은 온도와 기체의 압력에 따라 달라지며 밀도와 같은 말로 사용되기도 한다. 이때 비중의 기준이 되는 표준물질은 액체의 경우 4℃, 1기압 하에서의 물을 기준으로 사용하고 기체의 경우 0℃, 1기압 하에서의 공기를 사용한다.

물은 4℃, 1기압 하에서 비중이 1g/㎤이 되는데 비중값은 온도와 압력에 따라 다르다. -5℃에서 물의 비중은 0.99918g/㎤이며 100℃에서 물의 비중은 0.95858g/㎤이 된다. 이 미세한 비중의 차이 때문에 뜨거운 물과 차가운 물을 섞어 놓으면 층을 이루게 된다. 물론 뜨거운 물과 차가운 물 사이에 열교환이 바로 이루어져 열평형이 되면 비중이 똑같아 지기 때문에 층은 금방 사라지지만 열교환이 이루어지고 있는 동안에는 층을 볼 수 있다.

소금물의 경우도 이와 비슷하다. 소금물의 경우 물속에 소금이 녹아 있기 때문에 똑같은 질량을 가진 물에 비해 더 무겁게 된다. 0℃, 1기압 하에서 26%의 농도를 가진 소금물의 경우 밀도는 1.207g/㎤이다. 이와 동일한 조건에서 물의 밀도는 0.99987g/㎤이므로 소금물이 맹물에 비해 무거워 밑으로 가라앉게 되는 것이다.

그렇다면 맹물은 소금물보다 무조건 가벼울까? 대부분 맹물이 소금물보다 가볍지만 예외의 경우도 있다. 그것은 바로 바다 깊은 곳에 흐르고 있는 심층수다. 심층수는 수심 200m 이하 깊은 곳에 있는 물로서, 북대서양 그린랜드, 남극에서 발원하여 외부에 노출되지 않고 4,000년을 주기로 대서양, 인도양, 태평양을 순환하는 물이다. 심층수는 바닷물과 달리 맹물로 되어 있는데 햇빛이 도달하지 않는 심해저에서 2℃ 이하의 차가운 온도와 높은 수압, 그리고 물속에 섞어 있는 다양한 미네랄 성분 때문에 비중이 바닷물에 비해 매우 높다. 이 때문에 바닷물과 섞이지 않고 바다 깊은 곳에서 흐르게 되는 것이다.

그렇다면 이런 물의 비중을 이용해 어떻게 무지개탑을 쌓을 수 있을까?
소금 또는 설탕의 밀도를 다르게 하면 물의 비중을 이용한 예쁜 무지개탑을 만들 수 있다.



[실험방법]

준비물 : 투명한 용기(우유병이나 PET병), 종이컵 4~5개, 소금(또는 설탕), 숟가락, 물감, 스포이드

진행순서
1. 투명한 용기를 준비한다.
2. 준비된 종이컵에 같은 양의 물을 붓는다.
3. 종이컵에 숟가락으로 각각 소금(또는 설탕)을 넣고 잘 젓는다.
1번 컵 : 물, 2번 컵 : 물+소금(또는 설탕)1숟가락,
3번 컵 : 물+소금(또는 설탕)3숟가락, 4번 컵 : 물+소금(또는 설탕)6숟가락
4. 각각의 소금(또는 설탕)물에 물감을 넣고 섞는다.
5. 이렇게 준비된 물을 4번 컵, 3번 컵, 2번 컵, 1번 컵 순서대로 스포이드를 이용해서 투명 용기의 벽면에 대고 천천히 넣는다.
(물 붓듯 부으면 바로 섞여버리기 때문에 스포이드 등으로 물을 조심스럽게 넣어서 층이 생길 수 있도록 한다.)


글 : 양길식 과학칼럼니스트

<출처:한국과학기술정보연구원>ndsl링크

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