지구온난화는 왜 발생하는가? 지구에 들어오는 태양의 ...

지구온난화는 왜 발생하는가? 지구에 들어오는 태양의 가시광선파장은 태양 표면의 온도 약 6000K에 대응한다. 반면에 지구에서 우주로 복사하는 적외선의 파장은 지구 표면의 온도 약 300K에 대응한다.
물체가 고온일수록 높은 에너지와 짧은 파장의 빛을 방출하는데, 태양빛이 여기에 속한다. 그러나 지구 표면 온도는 낮기에 복사하는 광선의 에너지가 작고 파장도 길다. 이 차이가 지구온난화를 만든다.
구체적으로 살펴보면, 태양 빛이 지구로 들어오면서 약 30%가 대기와 지표면에서의 반사로 우주로 돌아가지만, 약 17%가 대기에 흡수되고 약 50%가 지표면에서 흡수되어 지표면을 데운다. 데워진 지표는 에너지를 우주로 돌려보내는 장파복사인 적외선 복사를 내놓는다. 그런데 장파복사는 대기 중 이산화탄소 같은 온실가스에 의해 흡수되어 약 70%만 우주로 나가고 30%는 지구 대기에 남게 된다. 따라서 대기 중에온실가스가 많으면 많을수록 지구 대기에 남는 에너지가 더 늘어나게되면서 더 심각한 지구온난화가 발생하는 것이다. - P96

앞에서 80만 년 동안의 이산화탄소 농도를 살펴봤는데, 어떻게 이렇게 오래된 옛날의 기후요소들을 알 수 있는 것일까? 가장 많이 이용하는 방법이 빙하의 샘플을 이용하는 방법이다. 영화 ‘투모로우‘의 체장면이 극 빙하의 샘플을 채취하는 장면이다. 빙하는 기후학자들에게 엄청난 정보를 알려준다. 남극이나 그린란드 내륙에는 1년 내내 기온이 영하에 머문다. 그렇기에 내린 눈이 녹지 않고 계속 쌓여 수천 m 두께의 빙하가 형성되어 있다. 빙하가 만들어질 때 눈 틈새 사이로 그 당시의 공기가 스며든다. 그 위로 더 많은 눈이 쌓이면 압축되어 얼음으로변한다. 스며들었던 공기는 공기 방울의 형태로 빙하 안에 갇힌다. 이런 방식으로 수만 년이나 수십만 년을 빙하에 갇혀 있던 공기 방울은 귀중한 화석자료가 된다. 빙하에 갇혀 있던 공기 방울을 통해 지구 대기의조성(이산화탄소 농도, 메탄 농도 등)을 알아낼 수 있다. 또 당시의 기온을 알아내기 위해 산소 동위원소 방법을 사용한다. 아울러 얼음 코어에 포함된 황산의 수치로 언제 강력한 화산이나 혜성 폭발이 언제 있었는지를 유추할 수 있다. - P98

두 번째로 빙하의 샘플보다 더 오랜 기후를 분석하는 도구가 퇴적물 분석이 있다. 고식물학과 고동물학의 힘을 빌리면 동식물의 퇴적층을 구별할 수 있는데, 화석 연구와 심해시추 기술의 발달도 퇴적물 분석에 힘을 실어 주었다. 심해시추 기술은 지각의 형성, 물의 성질, 생물 종처럼 매 시기의 기후에 관련된 정보를 얻을 수 있다. 이 외에도 지금으로부터 4~10만 년 전까지의 기후변동을 파악하기 위해 적용되는 수단들은 많다. 예컨대 퇴적층의 나이를 추정할 수 있는 점토층 분석, 퇴적된 식물의 꽃가루를 분석해 습지 퇴적층의 나이를 유추하는 화분학, 빙퇴석의 나이를 측정하는 지의류 분석 등은 연대 측정에 유용하게 사용되는 방법이다. - P99

제임스웹 우주망원경의 최종 행선지는 지구에서 태양의 반대 방향으로 150만km 떨어진 태양-지구 라그랑주 점 2(L2)이다. 라그랑주점이란 공전하는 두 개의 천체 사이에서 중력과 원심력이 상쇄되어 실질적으로 중력의 영향을 받지 않는 평형점을 말한다. 태양-지구 사이에는 5개의 라그랑주 점이 있는데, 이 가운데 제2 라그랑주 점은 질량이 큰 두 물체 중 작은 물체 너머에 자리한다. 즉 지구를 사이에 두고 태양을 등지고 있는 곳이다. 이곳은 태양이 지구를 끌어당기는 힘과 지구의 원심력이 균형을 이뤄 별도의 동력 없이도 계속 태양을 공전할 수 있으며, 빛의 왜곡 현상이 없다. 또한 태양과 지구로부터 나오는 빛의 방해를 최소화할 수 있으며, 지구와 망원경의 거리를 항상 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다. - P111

발사 3일 후 제임스웹 우주망원경의 거대한 태양 가림막을 고정하는 팔레트가 내려졌다. 이 가림막은 햇빛을 막아 적외선 망원경과 장비를 차갑게 유지하도록 설계된 5층의 시트 구조물로, 차곡차곡 접힌 상태로 로켓의 페이로드 페어링 내부에 탑재됐던 것이다. 이것을 펴는 과정은 엄청나게 복잡하다. 그 구조 속에는 140개의 이탈장치와 70개의힌지 조립체, 400개의 도르래 장치, 90개의 케이블 및 8개의 전개 모터가 있는데, 이 모두가 5장의 펼침막이 설계대로 전개되도록 정교하게작동해야 하기 때문이다. 가로 21m, 세로 14m에 머리카락 두께의 5개층으로 이루어진 다이아몬드 모양의 가림막은 전개된 후 팽팽하게 펼치는 데 문제점이 약간 있었지만, 제임스웹 우주망원경 팀의 엔지니어들이 이를 극복해낸 끝에 최고난도의 가림막 배치를 마침내 성공시켰다.
이 가림막은 한 면이 항상 태양, 지구 및 달을 향해 펼쳐져 열 · 빛이 망원경의 관측을 방해하는 것을 막아준다. JWST는 에너지가 극히낮은 적외선 파장으로 우주를 볼 수 있도록 최적화된 망원경인 만큼 광학장비와 기구는 이렇게 희미한 열 신호를 포착하기 위해 극도로 차갑게 유지돼야 한다. 따라서 햇빛과 지구열의 완벽한 차단은 필수적이다. - P112

허블 우주망원경이 138억 년 전의 빅뱅 이후 불과 10억 년이 지난시점의 우주 모습을 제공했지만, 천문학계는 훨씬 더 초기의 우주를 조사하기를 원했다. 이상적으로는 우주가 태어난 직후 몇억 년 이내에 형성된 최초의 별과 은하의 시대까지 거슬러 올라가는 것이다.
허블, 스피처 우주망원경의 뒤를 이어 우주 관측의 새로운 역사를쓸 것으로 기대되는 제임스웹 우주망원경은 허블 우주망원경이 사용했던 가시광선이 아니라 적외선을 통해 태양과 같은 별을 관측한다. 적외선을 이용하면 허블 우주망원경보다 훨씬 더 멀고 더 차가운 천체를 관측할 수 있다. 최대 1000광년 떨어진 행성의 산소분자를 확인할 수 있는 것으로 알려졌다. 제임스 우주망원경에는 4개의 적외선 관측장비가 탑재됐는데, 이 장비들은 영하 233~266℃의 극저온을 유지하며, 우주 초기의 별에서 방출돼 지금은 아주 미세해진 빛까지 감지해낸다. - P115

JWST는 허블 우주망원경과는 전혀 다른 형태와 특징을 취하고 있다. 가장 큰 특징은 단일 주경을 사용하지 않고 얇은 금을 코팅한 베릴륨으로 만든 육각형 거울 18개를 벌집 꼴로 이어붙여 만든 주경을 가지고 있다는 점이다. 거울이금으로 코팅된 이유는 금의 빛 반사율이98%로 가장 높기 때문이다. 금 코팅은 내구성 때문에 얇은 유리막으로 덮여 있다.
18개의 낱개 거울은 차곡차곡 접힌 채 탑재되어 우주로 나간 후 차례대로 펼쳐진다. 이는 로켓에 실어 우주로나가기 위한 불가피한 선택이었다. 18개의 낱개 거울은 차곡차곡 접힌 채 탑재되어 우주로 나간 후 차례대로 펼쳐진다. 이는 로켓에 실어 우주로나가기 위한 불가피한 선택이었다. 18개의 낱개 거울을 다 펼치면 주경의 지름이 6.5m로, 2.4m인 허블 우주망원경 주경보다 2배 이상 크다. 이런 방식을 취한 덕분에 제임스 우주망원경의 집광력은 허블우주망원경의 7배가 넘고 시야는 15배 이상이다. 그럼에도 불구하고 무게는 허블 우주망원경의 반 정도밖에 안 되는 6500kg에 지나지 않는다.
또 다른 특징의 하나는 허블 우주망원경이 가시광선 영역의 파장으로 관측하는 데 비해, 제임스웹 우주망원경은 적외선 관측에 특화된 망원경이라는 점이다. 긴 파장의 적외선으로 관측할 경우 우주 먼지 뒤에 숨은 대상까지 뚜렷하게 볼 수 있다. 또한 빛은 먼 거리에서 올수록 적외선에 가까워지기 때문에 장거리 관측 능력도 좋아진다. - P116

이런 도시 문제를 해결하려고 싱가포르 정부는 2014년 ‘스마트 네이션 프로젝트(Smart Nation Project)‘를 선포한 뒤 도시이자 나라 전체인 싱가포르를 지속 가능한 스마트시티로탈바꿈하는 청사진을 제시했다.
그리고 가상현실에 싱가포르 나라 전체를 그대로 옮겨 놓는(복제하는) 디지털 트윈(Digital Twin) 기술로 버추얼 싱가포르(VirtualSingapore)를 구현했다. 빌딩과 주택, 도로, 공장 등 주요 시설을 그대로 가상 공간에 옮겼다. 가상현실로 구현한 버추얼 싱가포르는 인공지능(AI)과 빅데이터, 사물인터넷(IoT) 같은 디지털 기술을 결합해 교통과 환경뿐 아니라 도시 계획, 발전 등에 관련된 다양한 도시 문제를 해결하고 있다. IoT로 수립한 실제 도시 데이터를 실시간으로 확인하며, 이를 시뮬레이션하고 분석해 예측한 뒤 통제에 활용한다. 이처럼 싱가포르는 AI와 빅데이터, IoT 같은 첨단 디지털 기술을 활용한 디지털 트원으로 도시와 국가를 운영하고 있는 셈이다. - P130