물, 불, 공기, 마그마 등에 관한 흥미로운 이야기

아는 만큼 보이는 세상 : 물리 편 - 사진과 그림으로 단번에 이해하는 81가지 친절한 물리 안내서 ㅣ 아는 만큼 보이는 세상
송경원 옮김, 가와무라 야스후미 외 감수 / 유노책주 / 2023년 2월

노을은 왜 붉을까?란 제목의 챕터에 하늘의 색은 무지개 색 순서대로 변한다는 글이 있다. 빨주노초파남보가 아니라 보남파초노주빨이리라. 하늘의 색깔은 빛과 공기의 조화에 의해 나타난다. 공기가 없는 우주에서는 빛이 산란하지 않아 검은색이다. 빛은 파장이 짧을수록 산란이 잘 일어난다. 구름은 물 등의 수많은 입자가 모여 만들어진다. 물 입자는 공기 입자보다 크기 때문에 태양 빛이 구름을 통과하면 모든 색의 빛을 다 산란시킨다.(Mie Scattering) 미에는 발견자인 구스타프 미에에서 온 이름이다. 이 때문에 하얗게 보인다. 파란색 빛이나 보라색 빛은 파장이 짧아 산란하기 쉬워 다른 색빛들보다 훨씬 많이 흩어진다. 그래서 우리 눈에 하늘은 물론 하늘이 비친 바다도 파랗게 보인다. 

바닷물이 파란 또다른 이유는 빨간색, 노란색, 주황색 빛 등은 바다에 닿는 순간 물에 흡수되지만 빨간색 계열과 반대되는 파란색 계열의 빛은 바닷물을 통과해 바닷속 물질이나 플랑크톤 등에 부딪히며 반사, 산란되어 바다가 파랗게 보이는 것이다. 박명은 태양이 지평선 아래에 있더라도 일부 빛이 상층 공기층에서 반사, 산란하여 발생하는 현상이다. 일출 전이나 일몰 후 얼마 동안 태양이 보이지 않아도 하늘이 희미하게 밝은 것을 박명(薄明)이라 한다. 빛은 평평한 면에 부딪힐 때의 각도(입사각)와 반사될 때의 각도(반사각)가 같다. 물체가 빛을 받을 때 반사하는 정도인 반사율이 높으면 거울처럼 실물을 비춰낸다. 입사각이 70도를 넘으면 반사율이 급격하게 높아진다. 호수 수면을 바라보는 각도가 수평에 가까워질수록 거울에 가까운 상태가 된다. 

등대의 불빛은 전구 앞에 놓인 프레넬 렌즈를 통해 한곳에 모인다. 이렇게 모인 빛은 일직선으로 나아가므로 멀리까지 전달된다. 프레넬 렌즈는 두껍고 무거운 볼록렌즈 대신 볼록렌즈의 표면 부분만 모아 조합한 것이다. 빛은 공기 중에서 물속이나 유리 등 다른 물질로 들어갈 때 꺾이는 성질이 있다. 빛은 색에 따라 꺾이는 각도가 다르다. 비 갠 직후 공기 중에 물방울이 떠다닐 때 태양을 등지고 서면 태양 빛이 물방울에 부딪혀 일곱 가지 색으로 나뉜 무지개를 볼 수 있다. 태양 빛이 물방울 속에 들어갔다가 나올 때 빨간색부터 보라색까지 여러 색으로 분해되기 때문이다. 무지개는 지면에서 위로 42도 부근에서 보인다.(빛은 색에 따라 꺾이는 각도가 다른 점 참고) 아침에는 서쪽 하늘, 저녁에는 동쪽 하늘에서 쉽게 찾을 수 있다. 태양이 머리 위에 떠 있는 낮에는 지면과의 각도가 42도를 넘어 무지개를 보기 어렵다. 무지개는 원래 원형이지만 아랫부분이 지면에 가려 반원 형태로 보인다. 

비행기를 타거나 등산 중 절벽에 서면 아랫부분까지 둥근 무지개를 볼 수 있다. 사막이나 한여름의 고속도로 등에서 땅바닥에 물이 고인 것처럼 보이는 것을 땅거울이라 한다. 땅거울은 실제 위치보다 아래에 사물이 보이는 아래신기루의 하나다. 바닷물은 거의 이동하지 않고 바람에 의해 생긴 해수면의 진동이 주위로 퍼져나가면서 에너지만 전달된다. 어떤 한곳에서 생긴 진동이 주위로 퍼져나가는 현상을 파동이라 한다. 영하 10도 이하의 기온이 지속되면 호수 표면은 얼어붙는다. 밤이 되어 기온이 내려가면 낮 동안 얼어 있던 호수 표면의 얼음이 수축하면서 균열이 생기고 그 틈으로 물이 들어가 얇은 얼음이 생긴다. 낮이 되어 기온이 오르면 얼음이 팽창하여 밤에 만들어진 얇은 얼음이 깨지면서 솟아올라 얼음길이 생긴다. 

얼음 위가 미끄러운 이유는 신발과 얼음의 표면 사이에 생기는 얇은 물막 때문이다. 얼음은 압력을 받으면 물로 변하는 성질이 있다. 얼음은 압력을 받으면 녹는점이 낮아져 물로 변하다가 압력이 사라지면 다시 얼음으로 돌아간다. 강의 상류는 경사가 급하고 흐르는 물의 속도가 빠르므로 침식 작용이나 운반 작용이 더욱 활발하다. 이렇게 오랜 시간 침식 작용과 운반 작용이 반복해서 일어나면 좁고 길게 파인 V자 형태의 계곡이 만들어진다. 

높은 곳에 있는 폭포 물은 위치 에너지(포텐셜 에너지)를 갖는다. 이 물이 중력을 받아 아래로 떨어지면 물의 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀐다. 폭포 아래에 있는 웅덩이에 부딪힌 다음에는 운동 에너지가 열 에너지로 전환되어 물의 온도를 높이는 데 사용된다. 연잎이 물을 튕겨 내는 것을 연잎 효과라 한다. 이슬은 기온이 낮아지는 새벽에 공기 중의 수증기가 응축하여 생긴 물방울이다. 이 물방울이 동그란 모양을 유지하는 것은 표면 장력의 작용 때문이다. 액체는 형태를 자유롭게 바꿀 수 있지만 어느 정도 뭉치려는 성질이 있다. 각 물질의 분자들이 서로 끌어당기는 분자간 힘을 가지고 있기 때문이다. 유체처럼 움직이는 물질은 분자간 힘이 표면의 면적을 되도록 작게 만들려는 방향으로 작용한다. 이 힘을 계면장력이라 한다. 액체일 때는 표면 장력이라 한다. 물은 액체 중에서도 표면 장력이 크다. 

난류(亂流)로 인해 유체 마찰을 줄이는 구조를 리블렛이라 한다. 공기에도 무게가 있다. 기압은 위에서 아래로만 작용하는 힘이 아니다. 아래에서든 옆에서든 똑같이 작용한다. 공기 중에서 낙하하는 물체에는 중력과 공기 저항력이 작용한다. 무거운 쇠구슬에는 공기 저항력보다 중력이 훨씬 크게 작용하므로 쇠구슬은 가벼운 나뭇잎보다 빨리 땅에 떨어진다. 낙하산처럼 무게에 비해 면적이 넓은 나뭇잎에는 중력이 작게 작용하고 공기 저항력은 크게 작용하므로 낙하 속도가 느려진다. 나뭇잎은 떨어지면서 방향을 바꾸기 때문에 공기 저항력도 그때마다 달라진다. 

오로라는 북극이나 남극 주변 지역에서 관측할 수 있는 아름다운 자연 현상이다. 오로라가 생기는 원리는 지구의 자기장 및 플라스마와 관련이 있다. 지구는 북극과 남극에 자극을 가진 하나의 커다란 자석이다. 북극과 남극 사이에는 자기력이 작용한다. 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라 한다. 태양에서 우주 공간으로 방출된 플라스마(전기를 띤 입자)의 흐름을 태양풍이라 한다. 지구는 보호막 역할을 하는 자기장이 둘러싸고 있어서 태양풍은 지구를 피해 휘어진 형태로 지구 뒤쪽으로 흘러가 플라스마 덩어리를 만든다. 그 후 플라스마 속의 전자가 지구의 자기력선을 따라 가속되어 극지방으로 쏟아져 내린다. 이때 전자는 대기 중의 원자나 분자와 부딪혀 빛을 낸다. 이를 오로라라 한다. 우주에서 날아오는 전기를 띤 입자가 지구 상공에서 대기와 부딪혀 빛을 내는 현상을 말한다. 

전자는 부딪히는 원자나 분자의 종류에 따라 색이 다르게 나타난다. 모래사장과 바닷물은 똑같이 뜨거워지지 않는다. 비열 차이 때문이다. 비열이란 물질 1그램의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량이다. 물의 비열은 다른 물질보다 훨씬 크다. 모래의 비열은 바닷물보다 작기 때문에 온도가 빨리 올라가 금방 뜨거워진다. 밤에는 낮과 반대로 모래사장보다 바닷물이 더 따뜻하다. 모래는 비열이 작아서 금방 식는 데 비해 바닷물은 비열이 커 온도가 잘 변하지 않는다. 

GPS는 인공위성을 이용해 자신의 위치를 파악하는 시스템이다. 고도 약 20,000km 상공에서 약 30대의 GPS 위성이 지구 주위를 돈다. 천연 다이아몬드는 약 10-33억년전 지하 약 200km 부근의 맨틀 내 깊숙한 곳에서 생성된 탄소 결정체다. 맨틀 내에서 만들어진 다이아몬드는 수억년 전 화산이 분출할 때 마그마와 함께 지표면 근처까지 빠르게 이동했다. 오랜 시간에 걸쳐 천천히 상승하면 다이아몬드도 흑연으로 변하기 때문에 단시간에 올라왔을 것으로 추정된다. 이때 만들어진 화성암을 킴벌라이트라 한다. 때로 다이아몬드가 들어 있다. 남아프리카 등에 분포한다. 

지구의 공전 운동에 따라 별의 위치가 달라지는 현상을 시차(視差)라 한다. 국제우주정거장은 왜 떨어지지 않을까? 매우 느리게 움직이는 것처럼 보이지만 시속 약 2.8만 km의 매우 빠른 속도로 지구 주위를 돌기에 떨어지지 않는다. 적어도 1만년 이상 시간이 흐르면 생물의 뼈는 주변의 돌과 거의 같은 성분을 지닌 화석이 된다. 화석 중에는 동물의 피부 무늬나 깃털의 흔적, 발자국, 식물의 잎맥 등이 도장이 찍히듯 진흙에 각인된 뒤 오랜 시간에 걸쳐 진흙이 단단한 암석으로 변하면서 만들어진 생흔화석도 있다.

맨틀은 암석으로 이루어진 고체이지만 오랜 시간에 천천히 움직인다. 지하 200km 정도에 있는 상부 맨틀은 온도가 약 1,500도에 달한다. 특히 주변보다 온도가 더 높은 부분은 위로 이동한다. 위로 올라갈수록 주변의 압력이 점차 낮아지므로 지하 100km 부분에서 맨틀은 끈적끈적한 액체가 된다. 이것이 마그마다. 마그마가 더 위로 올라가면 지하 1-10km 부근에서 많은 양의 마그마가 섞여 있는 마그마 방이 만들어진다. 지표면에 가까울수록 주변의 압력이 더욱 낮아지기 때문에 마그마에 녹아 있던 물이나 이산화탄소는 거품으로 변한다. 압력이 낮아지면 녹는점이나 끓는점이 비교적 낮은 물질은 액체나 기체로 변해 밖으로 빠져나온다. 거품을 포함한 마그마는 주변 암석보다 가벼워서 지표면의 갈라진 틈을 통해 지상으로 뿜어져 나온다. 이를 분화라 한다. 

태고의 지구는 자전 주기가 약 다섯 시간이었다. 달이 미치는 인력의 영향으로 서서히 속도가 느려져 지금과 같은 주기가 되었다. 지구의 자전은 조석(潮汐) 마찰로 인해 조금씩 느려진 것으로 추측된다. 달과 지구는 서로 인력으로 끌어당기고 있다. 달과 가까운 쪽에서는 달이 바닷물을 끌어당겨 밀물이 된다. 지구가 달과 지구의 공통 질량 중심을 회전하면서 나타나는 원심력 때문에 달 반대쪽의 먼바다에서도 바닷물이 부풀어 올라 밀물이 된다. 이때 중간에 있는 바다는 바닷물이 쪼그라들어 해수면이 낮아지는 썰물이 된다. 

유성의 정체는 대부분 우주 공간을 떠도는 티끌이나 먼지다. 이 티끌이나 먼지가 지구 중력에 이끌려 빠른 속도로 떨어지는 것이다. 크기가 큰 티끌이나 먼지는 다 타지 않고 지상으로 떨어진다. 이것을 운석이라 한다. 태양보다 30배 이상 질량이 큰 항성이 수명을 다하면 초신성 폭발을 일으킨 뒤 계속 수축하다가 블랙홀이 된다. 딸기처럼 붉은빛 또는 분홍빛 달이 뜨는 이유는 아침 해나 석양이 붉게 보이는 것과 원리가 같다. 지평선 가까이에 달이 있을 때 달빛 중 빨간색 빛이 대기에 흡수되지 않고 우리 눈에 도달하기 때문에 붉게 보인다. 수퍼문의 반대는 마이크로문이다. 

달과 태양은 지구에서 바라볼 때 겉보기 크기가 거의 같지만 달이 지구에 가까이 왔을 때는 달의 겉보기 크기가 조금 더 크다. 이때 일식이 일어나면 달이 태양을 완전히 가리는 개기일식이 일어난다. 평소에는 태양 빛 때문에 보이지 않지만 개기일식 때면 관측할 수 있는 태양의 대기층을 코로나라 한다. 달이 지구에서 멀어졌을 때 일식이 일어나면 달이 태양을 완전히 가리지 못해 태양의 가장자리가 반지와 같은 모양으로 빛난다. 이를 금환일식이라 한다. 6,600만년전 멕시코의 유카탄 반도에 충돌한 운석은 지름 약 160km의 크레이터를 만들었다. 양초는 심지에 불을 붙이면 양초의 재료인 왁스가 녹아 액체가 되고 이 액체 왁스가 심지를 타고 올라가 불이 붙은 심지에 가까워지면 기체로 변한다. 그 기체(왁스 증기)가 공기 중의 산소와 만나 타는 것이다.