별에서 온 운석, 높은 연구 가치로서 운석 판별법

2014년 3월 9일, 한반도를 방문한 별(소행성)에서 온 그대(운석)가 진주에서 발견되면서 이곳에는 운석 사냥꾼들이 몰리고 있다고 한다. 운석의 가장 높은 가치는 과학자들이 직접 우주의 물질을 만져볼 수 있는 거의 유일한 샘플이라는 것이다. 따라서 가능한 많은 표본을 찾는 것이 좋을 것이다. 시간이 지나 지구의 환경에 오염된 운석보다 신선한 운석이 더욱 연구 가치가 높다는 점을 고려해볼 때 광범위하게 흩어진 운석을 빠른 시간 안에 찾기란 쉽지 않아 운석을 찾는 여러 노력이 필요할 것이다.

만약 이렇게 연구 가치를 위한, 순수한 노력의 일환으로 운석 찾기에 참여한다면 운석 사냥꾼이 아닌 ‘운석 탐사객’이 되는 것이다. 그렇다면 어떻게 운석을 발견할 수 있을까? 운석 탐사객을 위한 운석 탐색법을 간단히 살펴본다.

■ 진주 운석의 낙하 경로

무엇보다 가장 궁금한 것이 ‘지금 진주에 가도 발견하지 못한 운석이 정말 있을까?’ 일 것이다. 물론 정확히 알 수는 없지만 크고 작은 운석들이 더 있을 것으로 예상된다. 그 근거는 먼저 발견된 운석이 석질운석이라는 점이다. 석질운석은 철운석에 비해 강도가 약해 지구 대기권 진입 과정에서 쉽게 부서지는 경향이 있다. 따라서 진주 운석 낙하 장소 주변에 수십 개의 운석이 있을 것으로 추정된다. 그럼 이 운석들은 어디에 흩어져 있을까?

먼저 발견된 진주 대곡면 단목리 비닐하우스에 떨어진 운석은 무게 9.4kg이다. 다음으로 진주 미천면 오방리 중촌마을 콩밭에서 발견된 것이 이보다 작은 4.1kg이고 진주 미천면 오방리의 다른 밭에서 발견한 운석이 가장 작은 1kg이다. 이들 발견 장소를 연결하면 진주 운석의 낙하경로가 되며 발견된 장소에 따라 운석의 무게가 다른 것에는 과학적인 이유가 있다. 유성이 대기권을 비스듬히 진입하는 과정에서 쪼개져 낙하하게 되면 가장 가벼운 것은 대기와의 마찰로 속도가 빨리 느려져 가장 먼저 낙하 경로 상의 지상에 떨어진다. 그리고 가장 무거운 것은 가장 먼 곳에 떨어지게 된다.

이렇게 본다면 진주 운석 중 1kg의 운석이 가장 먼저 오방리 밭에 떨어지고 무거운 9.3kg의 운석은 더 오랜 비행을 하며 대곡면 비닐하우스에 떨어진 것이다. 낙하 경로를 생각한다면 미천면 오방리 밭 주변에는 1kg보다 작은 운석들이, 대곡면 비닐하우스 주변에는 10kg이상의 운석들이 발견될 수 있을 것이다.

운석은 일직선 낙하경로를 따라 수십 km 정도의 타원형 지역에 떨어진다. 이렇게 본다면 진주의 발견 장소를 부근으로 하여 상당 부분이 운석의 낙하 장소가 된다.

■ 운석은 어떻게 생겼을까?

그럼 운석은 주변의 돌과 어떻게 구별할 수 있을까? 운석의 외관상 가장 큰 특징은 색깔이다. 운석은 초속 10km이상의 속도로 대기권을 진입하는 동안 운석의 앞쪽에 생긴 대기의 압축에 의해 만들어진 1,800℃이상의 고온에 노출되면서 검은색 또는 검붉은 색을 띄게 된다. 고온으로 타고 남은 바깥 부분을 용융각(fusion crust)이라 하며 특징은 마치 과일의 껍질처럼 1mm이하의 매우 얇은 두께라는 것이다. 따라서 진주 운석처럼 석질운석은 겉과 속이 다른 색으로 되어 있으며 만약 속까지 검은 돌이라면 철운석이 아닌 이상 운석이 아니다.

다음 특징은 철운석뿐 아니라 석질운석의 경우에도 철을 포함하고 있는 경우가 대부분이기 때문에 자석에 반응을 한다는 점이다. 분석 결과 진주 운석에도 철 성분이 10-20% 안팎으로 상당량이 함유된 것으로 드러났다. 그래서 외국의 운석 사냥꾼들은 보통 막대기 끝에 자석을 붙인 도구나 금속 탐지기를 이용하여 숨어 있는 운석을 찾는다. 운석에 철이 포함되어 있는 이유는 운석의 모천체가 가진 역사에 기인한다.

태양계 초기에 있었던 작은 소행성들이 충돌하여 큰 소행성이나 지구와 같은 행성을 만들게 된다. 이 과정에서 소행성의 물질들은 충돌과 열로 많은 변형이 생기는데, 특히 뜨거운 초기 큰 소행성이나 행성에서 무거운 철은 중심에 모여 핵을 형성하게 된다. 이와 반대로 큰 소행성이나 행성의 일부가 되지 못한 운석들에는 철이 분포하게 된다. 이런 충돌과 열로 인한 변형을 겪지 않은 소행성에서 떨어져 나온 운석을 시원(始原) 운석이라 하며 진주에서 발견된 운석이 이에 속한다.

이에 비해 철로만 이루어진 철운석이나 철의 함량이 매우 높은 석철질 운석은 조금 다르다. 철운석은 핵이 만들어진 큰 규모의 소행성이 충돌로 인해 내부의 철핵이 떨어져 나간 경우에 생기고, 석철질 운석은 철핵과 주변의 돌이 섞여 떨어져 나간 경우에 만들어 지기 때문이다. 이런 운석을 분화 운석이라 한다.

다음 특징은 내부의 모습을 통해 운석을 판별할 수 있다. 진주에서 발견된 운석의 경우 잘라보면 0.1mm에서 1mm 크기의 콘드률이란 작은 암석구슬로 이루어져 있는 모습을 볼 수 있다. 그래서 진주 운석을 석질운석 중에서 콘드라이트라고 하며 암석화적 특징이나 화학조성에 따라 오디너리 콘드라이트(ordinary chondrite)로 분류된다. 콘드률은 태양계 초기에 있었던 여러 고온의 현상으로 작은 먼지 덩어리가 녹은 후 빠르게 식으면서 만들어진 것으로 생각하고 있다. 석질운석 중에는 이런 콘드률과 같은 특별한 특징이 없는 에이콘드라이트의 경우에는 큰 소행성이나 달 또는 화성에서 날아온 것으로 추정된다.

마지막으로 운석을 자르지 않고 판별하는 측정법을 소개한다. 운석은 지구의 돌에 비해 철과 마그네슘 등의 무거운 성분이 많아 밀도(어떤 물질의 단위 부피만큼의 질량)가 높다. 이 밀도를 여러분이 확인할 수 있는 간단 방법은 아르키메데스가 한 목욕탕 실험을 이용하는 것이다. 먼저 전자저울을 이용하여 운석으로 생각되는 돌의 무게를 잰다. 이때 돌의 무게가 105g이 나왔다고 하자. 그리고 컵에 적당히 물을 담아 저울에 놓고 눈금을 제로에 맞춘다. 돌을 실로 감아 나무젓가락에 연결한 후 물 컵에 중간쯤 담근 후에 바닥에 닿지 않도록 주의하면서 무게를 잰다. 이때 무게가 30g이라 하자. 밀도를 계산하는 방법은 간단하다. 처음 무게 105g을 물에 담근 후의 무게 30g으로 나누면 되는데 이때 3.5g/㎤가 밀도가 된다. 그럼 이 돌은 운석일까? 지구상의 돌의 밀도는 보통 2-3g/㎤이고 이에 비해 무거운 운석의 밀도는 3-7g/㎤이다. 따라서 여러분이 발견한 돌의 밀도가 3g/㎤이상이 나왔다면 일단 운석일 확률이 높아진다.

하지만 가장 좋은 판별법은 가능한 훼손이나 오염을 시키지 않고 관련 연구 기관의 분석을 받아보는 것이다. 연구 기관에서는 제공된 운석을 냉각하여 외부에 부착된 이물질을 제거하고 5%정도의 무게를 절개한 후 이 박편을 이용하여 전자 현미경 분석과 레이저 불화 방식 산소 동위 원소 분석을 통해 지구상의 암석에서는 관찰되지 않는 화학 조성, 조직, 광물 등의 특성을 찾아내게 된다. 연구 기관에서는 제공된 시료가 운석으로 판명될 경우 국제운석학회에 분석 결과를 보고하게 된다. 현재까지 국제운석학회에 보고된 운석은 약 4만6,000여개가 된다.


■ 진주 운석의 일생

진주 운석의 일생은 대략 다음과 같이 추론된다. 진주 운석의 모천체는 46억 년 전 태양계 초기, 소행성이나 행성이 되지 못하고 화성과 목성사이의 소행성대에 머물며 살았다. 그러다가 이곳에서 벗어나게 된 이 천체는 우연히 지구의 중력에 붙잡혀 수 십 억년의 방랑자 생활을 끝낸 것이다. 고도 118km에서부터 대기와 마찰로 빛을 내기 시작하며 유성(별똥별)이 되었다. 80km에서는 유성의 앞면에 있는 공기가 압축돼 섭씨 1,800도 이상의 뜨거운 플라즈마가 되는데, 이때 대부분의 유성은 증발하게 된다.

하지만 9일에 떨어진 유성은 다행히 이 과정에서 살아남아 고도 25km에서 공중분해 됐으며, 이것이 낙하하여 진주 운석이 된 것이다. 아마 이 과정에서 유성의 진입 속도는 대기와의 마찰로 없어지고 지구의 중력만으로 자유 낙하하여 결국 시속 100~150㎞의 종단 속도(공기 저항으로 더 이상 빨라지지 않는 속도)로 지상과 충돌, 큰 분화구는 생기지 않은 것으로 보인다. 이로써 진주 운석의 새로운 삶이 시작된 것이다. 즉 진주 운석은 태양계 초기엔 행성의 일부가 되지 못했지만 46억 년 지난 지금에야 행성의 일부로서 새로운 삶을 시작한 것이다.

■ 운석 탐사객의 에티켓

운석을 찾는 탐사객에게도 에티켓이 필요하다. 해방 이후 한 번도 운석이 방문한 적이 없는 우리의 경우, 관련한 법이 없어 운석은 민법상에 주인 없는 물건인 무주물로 보아 최초 발견자에게 소유권을 인정하는 의견이 다수인 듯하다. 하지만 외국의 경우 땅 주인을 소유주로 인정하는 경우도 있어 사유지에 무단으로 들어가 운석을 찾는 행동은 삼가야 할 것이다.

이번에 진주를 방문한 운석은 일확천금을 벌게 하는 것이나 횡재가 아니다. 우리가 46억 년의 역사를 가진 태양계 속의 한 존재로 살아가고 있음을 깨닫게 해주는, 소중한 연구 가치로서의 과학사료(科學史料)이다.

글 : 정홍철 스페이스스쿨 대표

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태양계 탐사, 남극에서 시작한다!

2012년 1월 12일, 대한민국 남극운석탐사대(대장 : 한국해양연구원 부설 극지연구소 이종익 박사)가 남극 운석을 하나 발견했다는 소식이 들려왔다. 남극대륙 장보고 기지 건설지로부터 약 200km 떨어진 빅토리아랜드 산악 지대 아래 빙하 지대에서 발견한 것이었다. 약 5년 전인 2007년 1월 28일 대한민국탐사대가 처음으로 남극운석을 발견한 뒤 143번째 발견한 남극운석이다.

우리나라의 남극운석 탐사는 이번이 제5차로, 최초로 도전한 탐사도 아니고 최초로 발견한 운석도 아니지만 143번째 운석에는 중요한 의미가 있다. 기획부터 장소 선정, 운송 수단을 포함한 모든 것이 독자적으로 이루어졌기 때문이다. 우리나라의 제1, 2, 3차 남극운석 탐사는 ‘ALE(Antarctic Logistics and Expeditions)’에서 시설 및 장비를 지원받아 이루어졌다. ALE는 남극점으로부터의 항공과 운송을 담당하는 회사다. 제4차는 이탈리아 기지를 기반으로 이탈리아 팀과 공동으로 수행한 탐사였다.

그런데 왜 과학자들은 머나먼 눈과 얼음의 땅 남극에서 운석을 찾는 수고를 마다하지 않는 것일까?

운석(meteorite)은 우주 공간을 떠돌던 암석이 지구 중력에 이끌려 지구 대기를 뚫고 지구 표면으로 떨어진 암석이다. 대부분 크고 작은 소행성의 파편이지만, 드물게는 달 표면 암석 또는 화성 표면의 암석이 충돌에 의해 떨어져 나온 것도 있다. 때문에 운석은 지구 탄생 초기의 역사를 밝힐 수 있는 중요한 재료다.

1970년대, 남극의 일부 빙하지대에서 운석이 다량으로 발견된다는 사실이 알려졌다. 그때부터 미국을 시작으로 일본, 이탈리아, 중국이 차례로 운석탐사대를 남극에 보내기 시작했다. 이들 국가들은 거의 매년 운석탐사대를 남극에 파견하고 있으며 지금까지 회수한 남극운석은 4만개에 육박해 전체 운석수의 80%를 차지한다.


[그림] 대한민국 제2차 남극운석탐사대가 발견한 분화운석(운석명 : TIL 07016). 질량이 약 3.5kg인 이 운석은 주로 철질 금속과 감람석으로 이루어진 분화운석이며 소행성의 핵과 맨틀의 경계에서 형성된 암석으로 생각된다. 사진 제공 : 최변각
운석은 성인(成因)에 따라 크게 시원운석(혹은 미분화운석)과 분화운석으로 구분된다. 시원운석은 ‘콘드라이트(chondrite)’라고 불린다. 콘드라이트는 먼지와 가스로 이루어진 성운에서 태양계가 만들어지던 초창기 고체 물질이 모여 소행성을 이룬 후, 거의 아무런 화학적 변화를 경험하지 않은 상태로 보존된 암석이다. 지구상에서 발견된 운석 중 대부분은 콘드라이트다. 지구의 암석은 지구가 탄생한 후 수많은 지질학적 과정을 통해 변화하고 재탄생하면서 초기의 기록이 지워졌다. 반면 콘드라이트에는 태양계가 탄생하던 초기의 모습이 고스란히 보관돼 있다. 때문에 태양계의 기원 물질, 태양계의 생성 초기 환경, 태양계의 나이 등 태양계 탄생 초기에 관한 우리가 알고 있는 과학적 사실들은 대부분 콘드라이트를 연구한 결과다. 또한 일부 콘드라이트에는 유기물이 포함돼 있어 생명체 탄생의 재료가 되는 유기물이 어떻게 생성되고 행성으로 공급됐는지를 알려준다.

이와 달리 분화운석은 모체인 소행성, 또는 행성의 일부나 전부가 녹아 마그마를 형성한 후 굳어 만들어진 화성암이다. 분화운석 중에는 소행성의 표면, 맨틀, 핵에서 만들어진 암석들이 모두 포함돼 있어 소행성과 행성의 진화를 연구하는데 매우 중요한 연구 재료가 된다. 화성운석의 경우처럼 직접 가보기 않고도 다른 행성의 지질을 연구할 수 있는 기회를 제공하기도 한다.

매년 수만 톤의 외계 물질이 지구로 유입되는데, 이중 일부가 대기와의 마찰에서 살아남아 운석으로 발견된다. 운석은 초당 20km 내외의 엄청난 속도로 지구 대기로 진입하기 때문에 대기와의 마찰에 의해 녹으면서 매우 밝은 빛을 낸다. 이 빛은 보통 보름달 또는 그 이상으로 밝아 낮에도 관찰이 가능하다. 이런 운석 낙하 현상을 ‘화구(火球, fireball)’라고 부른다. 지구 대기를 뚫고 떨어지는 모습, 즉 화구가 관찰된 후 발견되는 운석은 1년에 한두 개에 불과할 정도로 매우 드물다.

대부분의 운석은 우연히 또는 조직적인 탐사에 의해 발견된다. 이런 운석의 대부분은 남극이나 사막에서 발견된다. 이는 지구의 암석이 거의 없는 지역적 특성 때문에 운석 발견이 비교적 용이하기 때문이다. 특히 남극의 경우 빙하가 움직이면서 특정 장소로 운석을 모으기 때문에 좁은 지역에서 수많은 운석이 한꺼번에 발견되기도 한다.

이처럼 운석은 태양계를 연구하는데 있어 가장 중요한 물질이다. 때문에 희소가치가 큰 일부 운석은 매우 고가로 거래되기도 한다. 2012년 1월에는 모로코 사막지대에서 발견된 운석이 화성운석으로 확인된 후 금값의 10배 이상으로 거래되고 있다는 사실이 화제가 되기도 했다. 운석의 비싼 가치 때문에 북서아프리카 사막지대의 주민 중에는 마치 금광을 찾아다니듯 사막에서 운석을 찾는 일을 직업으로 하는 사람들도 있다.

우리나라에서 다섯 차례에 걸친 탐사로 발견한 143개의 운석은 이에 비해 매우 적은 수에 불과하다. 하지만 비교적 다양한 종류의 운석을 발견해 운석 연구를 수행할 수 있는 기본 조건을 갖춰 나가고 있다. 화성운석을 포함해 거의 모든 종류의 운석을 확보하기 위해서는 아마도 1,000개 이상의 남극운석이 필요할 것이다. 이제 곧 장보고 기지가 완공되고 이를 기반으로 본격적인 대한민국 남극운석탐사가 시작될 것이다. 머지않은 미래에 독자적인 연구가 가능한 수준으로 운석 시료를 확보할 것이라 기대되는 이유다. 하지만 시료만 확보됐다고 연구가 이루어지는 것은 아니다. 운석탐사와 함께 연구시설 및 장비의 구축과 연구 인력 확보를 위한 연구자들의 노력, 정부의 지원이 필요하다.

21세기는 태양계 탐사의 시대이다. 미국, 유럽, 일본, 중국 등 여러 우주 탐사 선진국들은 앞다퉈 달, 소행성 및 화성 탐사 계획을 추진하고 있다. 아폴로 우주인들이 월석을 가져왔듯이 곧 다양한 소행성 시료와 화성 암석들을 지구로 가져오게 될 것이다. 남극에서 운석을 찾고 이를 연구할 수 있는 운석 연구기반을 구축하는 것은 이런 21세기 태양계 탐사와 연구의 기초를 닦는 일이다. 우주로 나가는 작은 한 걸음이 얼음의 땅 남극에서도 이루어지고 있는 것이다.

글 : 최변각 서울대학교 지구과학교육과 교수
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