적도까지 얼음으로 덮였던 눈덩이 지구와 그것을 끝낸 불, 그로부터 살아나온 생명 이야기

얼음과 불의 탄생, 인류는 어떻게 극악한 환경에서 살아남았는가 - 빙하와 화산을 통해 지적인 생명체의 기원을 추적한다
그레이엄 실즈 지음, 성소희 옮김, 최덕근 감수 / 웨일북 / 2025년 2월

과학은 사실을 확인하는 것이 아니라 의심을 따져보는 것이라 말하는 그레이엄 실즈의 책이다. 지질학자이자 동위원소 전문가인 저자가 바라보는 지질학은 궁극의 미해결 사건이다. 지질학 탐정은 마치 사건을 과학적으로 수사하듯 무자비한 시간에 갉아 먹히고 남은 몇 안 되는 자그마한 퍼즐 조각에서 증거를 모아 종합한다. 저자는 최초의 동물 조상은 얼음에서 태어나 불의 품에 안겨서 자랐고 암석의 풍화작용에서 에너지원을 얻었다고 말한다. 이는 눈덩이 지구 이론과 관련 있는 말이다.

약 7억 년 전 지구는 적도까지 모두 얼어붙는 빙하기인 눈덩이 지구 시절을 겪었다. 저자는 눈덩이 지구 이야기를 하며 소중한 동일과정설을 버려야 한다고 말한다. 동일과정설은 현재는 과거를 푸는 열쇠라는 말로 설명할 수 있다. 저자의 말은 동일과정설을 부정하는 것이 아니다. 저자가 동일과정설을 잠시 보류하라는 것은 현재에는 눈덩이 지구 같은 사건이 없기 때문이다. 당시에는 음(陰; 마이너스)의 피드백이 없었다. 지구는 스스로 기후를 조절하는 음의 피드백 즉 안정화 작용 시스템을 가지고 있다.

가령 지구는 더워지면 암석의 풍화작용이 활발해져 이산화탄소를 흡수해 기온을 낮추고, 추워지면 풍화작용이 느려져 이산화탄소가 다시 쌓여 따뜻해진다. 그러나 선캄브리아 시대에는 이 마이너스 피드백 시스템이 고장나 얼음이 햇빛을 반사해 지구를 얼게 했다. 이를 현재의 지구 온난화에 적용하면 어떨까? 지구가 더워지면 비가 많이 내리고 화학 반응이 빨라져 암석이 대기 중의 이산화탄소를 흡수해 바다 저편으로 격리하는 천연 에어컨 시스템이 가동한다.

하지만 현재 인간에 의해 가속화되는 온난화를 막지 못하는 근본적인 이유가 있다. 바로 시간 규모의 차이 때문이다. 천연 에어컨 시스템은 수십만 년이 걸리고 인간의 작용은 수십 년이라는 짧은 시간에 일어났다. 저자는 믿어지지 않는 상황을 상상하려면 현재는 과거를 열쇠라는 지질학의 전통적 주문을 버리고 레슬리 폴스 하틀리(1895-1972)가 1953년에 발표한 소설 [중개자; The Go-Between] 속의 유명한 대사를 받아들여야 한다고 말한다. 그것은 "과거는 외국이다. 과거에서는 사람들이 다르게 산다."라는 말이다.(92 페이지)

빙하기에는 너무도 많은 물이 얼음 속에 갇혀서 바다는 염분 함량이 높고 얼음장처럼 차갑고 밀도가 극도로 높은 성질을 보였을 것이다. 지질학자들에게 7억 년 전 지구는 얼음으로 뒤덮이고 바다에 철이 가득한, 완전히 다른 규칙으로 작동하던 외국인 셈이다. 동일과정설의 제창자가 살았던 시대는 7억 년 전 지구 상황이 밝혀지기 전이었다. 7억 년 전 지구 상황이 밝혀진 것은 1990년대 이후다.

학계는 덮개 돌로스톤이 전 지구적으로 빙하가 후퇴하던 시기에 형성되었다고 뒤늦게 합의했다. 이 합의 내용은 덮개 돌로스톤이 놀라울 만큼 정확하게 시간을 표시하는 존재이기에 층서학계의 귀중한 보물이라는 사실을 의미한다.(97 페이지) 덮개 돌로스톤은 눈덩이 지구의 얼음이 녹아내린 직후 바다 전체에 탄산염 성분이 과포화되어 수천 년에서 수만 년이라는 지질학적 시간 단위에서는 짧은 시간에 급격히 침전되어 형성되었다.

덮개 돌로스톤은 7억 년 전과 6억 3,500만 년 전 전(全) 지구의 얼음이 동시에 녹으면서 아프리카, 북미, 남미, 아시아, 호주까지 전 세계 모든 바다 밑바닥에 동시에 깔렸다. 저자는 석고를 강조한다. 석고는 지구가 얼어붙었다가 녹아내린 격변의 흔적이자 대기에 산소를 채우고 동물의 뼈를 만들어낸 타임 캡슐이다.

화산활동으로 이산화탄소가 쌓여 빙하가 순식간에 녹아내리자 지구는 엄청나게 뜨겁고 습한 기후로 변했다. 이때 격렬한 풍화작용으로 암석 속의 칼슘이 대거 바다로 흘러 들어 황산염과 결합해 거대한 석고 퇴적층을 만들었다. 석고층은 지구가 극단적인 추위에서 극단적인 더위로 급격히 변했음을 보여주는 지질학적 증거다. 7억 년 전 눈덩이 지구의 증거는 적도에서 발견된 빙하 퇴적암, 빙하가 떨어뜨린 이국적인 바위, 7억 년 전 퇴적층에서 발견된 호상철광층 등이다.

퇴적암은 층이라고 불리는 다양한 두께의 수평층으로 발견된다. 퇴적층마다 위쪽으로 갈수록 입자가 작아지는 상향 세립화(upward fining)가 나타난다. 상향 세립화는 퇴적물을 운반하던 물이나 바람의 에너지가 시간이 지나면 따라 점점 약해질 때 제한적으로 나타난다. 저자는 지질학자는 변호사처럼 정황 증거를 바탕으로 주장을 뒷받침한다고 말한다. 자백은 전혀 없고 결정적 증거는 거의 없지만 전 세계의 과학자로 구성된 배심원단은 개연성이라는 저울을 써서 증거를 숙고한다고 말한다.

더 많은 증거를 확보한다고 해서 학자들의 해석이 하나로 모이지는 않는다. 가설이 성공하느냐 실패하느냐를 결정하는 것은 통합된 상황 증거의 힘이다.(57 페이지) 지질학에서는 지질 도에 표시할 수 있을 정도로 쉽게 알아볼 수 있는 암석의 묶음을 층(formation)이라고 부른다. 보통 층의 이름은 처음 밝혀진 장소를 따서 짓는다. 덮개 돌로스톤은 돌로마이트라는 광물로 이루어진 퇴적암층이다.

전 지구적 빙하기가 끝난 후 빙하 퇴적층 바로 위에 모자처럼 얹혀서 형성된 백운암 지층을 말한다. 빙하 퇴적층은 빙하에 의해 한데 모인 돌과 진흙 등이 빙하가 녹으면서 땅에 쌓여 만들어진 규칙없이 어지러운 지층을 의미한다. 덮개 돌로스톤은 그 지층 위에 형성된 칼로 자른 듯 매끈하고 깨끗한 탄산염 바위층이다. 최근에 빙하가 녹고 있지만 우리는 여전히 빙하 시대를 살고 있다.

이탈리아 북동부에 돌로미티 산맥이 있다. 18세기 후반 프랑스의 지질학자이자 광물학자인 데오다 돌로미외가 이탈리아 산맥을 여행하던 중 일반 석회암처럼 생겼지만 산에 반응하는 속도가 다른 특이한 탄산염 바위를 발견하고 샘플을 채취했다. 마그네숨 성분으로 인해 산에 강하다는 의미다. 돌로미외가 탄산염 바위를 발견한 산맥이 돌로미티라고 명명되었다. 눈덩이 지구 가설은 얼음이 지구 전체를 뒤덮은 탓에 이산화탄소 농도가 극단적인 수준에 이르렀고 마침내 온실 효과가 완전히 얼어붙은 행성의 높은 알베도를 극복했다고 말한다.

지구가 얼음으로 덮이면 증발이 일어나지 않아 비가 내리지 않는다. 대기 중 이산화탄소가 빗물에 녹아 내리면 육지의 규산염 광물을 화학적으로 녹이게 되고 칼슘 이온과 탄산 이온이 결합해 바다로 흘러가 탄산염이 되어 갇히는데 비가 내리지 않으니 이산화탄소 농도가 계속 올라가고 화산활동으로 이산화탄소가 계속 증가해 농도가 극단에 이른 것이다. 결국 눈덩이 지구를 끝낸 요인은 눈덩이 지구 자체에 있었던 것이다.

전 지구적인 빙하 작용의 존재를 확실하게 밝히려면 마지막으로 한 번 더 지구 물리학의 도움을 빌려야 한다. 열대 지역이 얼음으로 덮였다는 정황 증거가 상당히 많이 쌓이자 크리오스진기의 빙하기를 향한 관심이 마침내 부활했다. 이 부활을 이끈 주역은 지구의 과거 자기장에 관한 연구였다. 이 연구는 저위도의 빙하 작용이 그토록 파멸적이었던 이유를 설득력 있게 설명한 눈덩이 지구 가설로 이어졌다.

눈덩이 지구 가설을 제기한 조 커쉬빙크는 행성 전체가 얼음으로 덮인 후 이전 상태로 돌아가는데 오랜 시간이 걸렸으리라고 추측했다. 증가한 알베도가 불러온 효과는 온실가스가 수백만 년 동안 점진적으로 축적되어야만 상승될 수 있었기 때문이다.(113 페이지) 저자는 요즘 우리는 이산화탄소 배출이 지구 온난화를 유발한다는 사실을 너무도 잘 알지만 온실 효과 자체는 본래 해롭지 않다고 말한다.

저자는 단어의 뜻이 너무도 명백해서 따로 설명할 필요가 없는 화석연료라는 말을 좋아한다고 말한다. 탄소 배출과 흡수를 연결하는 고리는 화학적 풍화작용이다. 탄산염 암석의 풍화도 탄산염 퇴적으로 이어지지만 규산염 암석의 풍화와 똑같은 효과를 내지는 않는다. 따뜻한 환경에서는 이산화탄소의 용해도가 낮아진다.

탄산염 퇴적은 오직 규산염 풍화와 연계될 때만 이산화탄소의 순 흡수원이 된다. 전 지구가 얼음으로 뒤덮였다는 사실을 증명할 퇴적학, 지구 물리학적 증거는 이제 압도적으로 많다. 저자는 규산염 풍화작용과 장기적 탄소 순환은 천천히 정상 상태를 회복했다고 말하며 훈훈한 해안과 얼어붙은 불모지가 정말로 나란히 존재했다고 설명한다.(126 페이지)

다이아믹타이트와 텍토닉 멜란지가 있다. 외관상 매우 흡사하지만 전자는 퇴적작용의 산물이고 후자는 지각변동의 산물이다. 아주 오래된 퇴적암의 연대를 충분히 정확하게 밝히는 일은 매우 어렵다. 여기서 충분히 정확하다는 말은 오차 정도가 100만 년이라는 뜻이다. 일반적으로 제일 나은 방법은 화석이나 동위 원소 함량을 바탕으로 상대적 연대를 구하는 것이다.

대상에 포함된 방사성 동위원소의 반감기를 정확하게 추정할 수 있다면 방사성 붕괴를 활용해서 연대를 측정할 수도 있다. 하지만 퇴적물에는 이 방법을 적용할 수 없다. 퇴적물을 이루는 성분은 훨씬 더 오래된 암석이 풍화된 후 강물에 실려 바다로 운반된 쇄설물이기 때문이다. 저자는 서로의 양을 대응 시켜볼 수 있는 독립적 붕괴 계열이 세 개 있는 덕분에 연대를 극도로 정확하게 계산할 수 있다고 말한다.

요즘에는 수억 년 전에 발생한 사건이라도 오차범위를 단 수만 년 이내로 좁혀서 연대를 측정할 수 있다고 말한다. 서로 독립적인 세 개의 붕괴 계열은 우라늄 238, 우라늄 235, 토륨 232다. 지구의 나이를 측정할 때 가장 많이 쓰이는 지르콘이라는 단단한 모래 알갱이가 있다. 이 알갱이가 처음 만들어질 때 우라늄 238, 우라늄 235, 토륨 232라는 방사성 원소가 우연히 함께 갇히게 된다. 이들은 각기 독립적이다.

영향을 받지 않는다는 의미다. 저자는 우리가 전 지구적인 빙하 작용처럼 터무니없이 혼란스러운 현상도 받아들일 수 있다면 마침내 과거를 진정으로 다른 장소로 생각할 수 있을 것이라고 말한다. 동일과정설이라는 신성한 신조를 버린다면 새롭고 흥미로운 질문을 던질 수 있다고 말한다. 대체 무엇 때문에 지구 기온이 이처럼 급락했을까? 혹시 눈덩이 지구 시기가 다시 찾아올 수 있을까?

저자는 자주 현재가 과거의 문을 여는 열쇠라는 선입견을 버려야 할 것이라고 언급한다. 선캄브리아 시대 지구 시스템을 이해하는데 현대의 탄소 순환을 적용해야 할까? 신원생대의 탄소 순환이 오늘날의 탄소 순환과 비슷하다고 확신할 수 있을까? 빙하 작용이 없던 기간이라고 해도 당시에 탄소 순환이 현재와 비슷할까? 먼 과거에도 생물권에서 탄소의 체류 시간이 고작 10만 년이었다고 굳게 믿을 수 있을까?

크리오스진기 빙하기는 생명체 진화의 중요한 전환점이었다. 물론 확실한 동물 화석은 크리오스진기 이후에 형성된 암석에서만 발견되며 초기 생명체는 대부분 미생물이었다. 그러나 오래도록 이어진 빙하기는 생명을 앗아가는 재앙이 아니라 이후에 복잡한 생명체가 출현하는 기틀이 되었다. 캐나다의 지질학자 레지널드 달리는 빈약한 암석 기록을 비난하는 대신 선캄브리아 시대의 동물이 몸에 화석이 될 만한 단단한 부분이 없어져서 아무런 흔적을 남기지 못했다고 보았다.

요즘은 캄브리아기가 가장 오래된 삼엽충보다 2천만 년 먼저 시작되었다고 본다. 대기에는 GOE(Great Oxygen Event)를 통해 23억 년 전에 처음 산소가 공급되었고 해양에는 5억 7천만 년 전 신원생대 산소 발생 사건이 일어났다. 현무암의 높은 인 함량이 해양을 비옥하게 하고 유기물 매장을 촉진해서 한랭화를 더욱 악화시켰다는 가설이 있다. 궁극적으로 인산염은 화학적 풍화작용으로 생겨난다. 그러므로 눈덩이 지구 이후처럼 풍화 속도가 높았던 시기는 인 생산이 대폭 늘어난 시기와 일치하리라고 당연히 예상할 수 있다.(275 페이지)

눈덩이 지구 이후에 풍화 속도가 빨랐던 것은 눈덩이 지구를 끝낸 초온실 효과 때문이다. 저자는 생명체의 급작스러운 확산(다윈의 딜레마)이 조산운동과 산소 모두와 연관되어 있다고 말한다.(293 페이지) 조산 운동은 대기 및 해양의 산소 농도를 급격히 높이는 기폭제가 되며 이로 인해 확보된 풍부한 산소가 생명체의 폭발적인 진화와 확산을 이끌었다. 지구 시스템은 태양 에너지와 판구조운동에 의해 변해왔다. 새로운 생태 기회에 가장 적합한 생명체는 전 세계로 퍼져나갔다.

하지만 기후변화와 해양 무산소 조건이 결합해 생물 진화를 되돌려 놓는 바람에 대량 멸종 사건이 생길 때마다 동물은 무수히 타격을 입었다. 23억 년 전 GOE 이후 지구가 변화하고 이런 재앙이 벌어지는 데에는 황 순환과 여러 피드백이 큰 영향을 미쳤을 것이다. 빙하 작용은 동물이 진화하는데 도움이 되는 환경을 마련했다. 화산활동은 지구의 온실 담요를 두껍게 만들어서 눈덩이를 녹였다. 계속되는 풍화작용 덕분에 바다에 영양소와 산소가 풍부해졌고 생명체가 이를 무기로 군비 확장 경쟁에 나선 끝에 캄브리아기 생명 대폭발이 일어났다.

저자는 우리가 탄 차를 여기까지 안내한 존재는 얼음이었을지 몰라도 그 차의 운전대를 잡은 존재는 태고의 불이었다고 말한다.(364 페이지) 저자는 의심할 여지없이 지식의 발전은 우연한 천재성과 운 좋은 발견에 달린 데다가 가끔 잘못된 길로 들어서기도 하고 뒤로 물러서 기도 하지만 지식이 나아가는 궤도는 무작위가 아니라고 말한다. 지식에는 방향이 있다. 괜히 과학 진보라는 말이 있는 게 아니다. 생물 진화는 우연과 우발적 사고에 의지하며 눈덩이 지구나 대량 멸종 같은 명백한 좌절을 겪기도 한다.

하지만 우리 지식과 마찬가지로 더 커다란 복잡성을 향한 외길을 꿋꿋하게 걸어간다. 저자는 크리오스진기의 빙하기는 동물이 더 진화하는 데 필수적이었다고 말한다. 오히려 진정한 생물 재앙은 영하의 기온이 끝없이 이어질 것 같은 환경에 적응한 생명체가 느닷없이 극단적으로 다른 기후를 만났을 때 일어났을 것이라고 말한다. 생명체는 크리오스진기의 얼어붙은 환경에서 확실히 살아남았다.

하지만 생명체의 에너지 대사가 거의 멈추는 수준으로 아주 느려졌을 테니 당시 지구가 생명체의 이상적인 환경이었다고는 볼 수 없다. 게다가 전 지구를 뒤덮은 빙하에서 벗어나려면 화산활동이 일어나야 했는데 판구조운동이 생명체가 있는 행성에서 지속될 수 있다는 극단적인 견해를 따르지 않는다면 화산활동은 생물이 절대 통제할 수 없는 일이다. 모든 길은 판구조 운동으로 이어지는 것 같다. 그런데 수많은 지질학자가 지각변동에는 액체 상태의 물이 윤활유로 작용해야 한다고 결론 내렸다.

판구조 운동이 일어난 결과 최초의 높은 산맥이 솟아오르고 오늘날과 비슷한 암석 순환이 시작되었다. 물이 암석과 상호작용해서 수소를 배출하는 과정을 사문석화 작용이라고 한다. 저자는 "대사 반응은 폭포 가장자리에서 회오리치는 소용돌이와 비슷하다. 갓 만들어져 엔트로피가 낮은 오아시스인 소용돌이는 에너지를 방출하는 부모인 폭포 없이 존재할 수 없다. 반대로 폭포는 더 정교하게 구성된 자식의 존재를 전혀 인식하지 못한다. 생명체도 마찬가지다."란 말을 한다.

동물은 얼음에서 태어나 석고 염분에서 나온 산소 덕분에 번성했을 것이다. 하지만 에너지를 점점 더 많이 생산하는 대사의 진화와 더 커지고 복잡해진 생물권을 지탱한 주인공은 펄펄 끓는 화산에서 배출된 이산화탄소의 양과 타오르는 태양에서 연료를 공급받은 산화력이 갈수록 증가한 현상이었다.

˝지구의 음악˝ 즉 지질학 이상의 지구과학의 깊이를 느끼게 해주는 책

지질학, 지구사 그리고 인류 - 어느 지질학 입문 ㅣ 현대과학신서 40
장기홍 지음 / 전파과학사 / 1991년 1월

현대 지질학의 기원은 1788년이다. 이 해는 스코틀랜드의 지질학자 제임스 허턴이 동일과정설을 발표한 해다. 현재는 과거의 열쇠란 개념을 주지(主旨)로 하는 이론이다. 지금 너무도 당연한 이 이론은 나왔을 당시에는 충격적이고도 위험한 이론이었다. 성경에 나오는 노아 홍수 같은 격변설을 부정한 이론이기 때문이다. 지층누중(地層累重) 이론도 그렇다. 저자는 씨를 심는 자가 있고 추수하는 사람은 따로 있다는 말이 있거니와 학문의 세계에 있어서도 자료를 모으는 사람들이 있고 이론 또는 생각을 만들어내는 사람이 있는 일이 허다하다고 말한다. 아이디어가 먼저 있고 자료가 후에 수집되어 그 아이디어를 뒷받침하는 예도 많다고 말한다.

격변설을 믿은 학자들은 부정합(不整合) 지층을 보면서도 이를 오랜 시간의 흔적이 아니라 대홍수나 지각 변동 같은 거대한 재앙이 순식간에 휘몰아쳐 지층을 뒤틀고 깎아낸 흔적으로 해석했다. 부정합이란 과거 지각변동의 흔적이다. 핵과 맨틀의 화학성분이 아주 다르다는 사실은 지구의 진화를 논의하는데 중요한 출발점이다. 지구가 변화 없이 처음 성분 그대로 뭉친 덩어리라면 내부 성분이 균일해야 하지만 겉을 감싸는 맨틀은 규산염(산소와 규소 중심) 광물로 이루어졌고 핵은 철과 니켈 같은 무거운 금속으로 채워져 있다. 이 극적인 차이는 지구가 태어난 직후 거쳤던 가장 거대하고 역동적인 사건인 지구 분화 과정(Differentiation)을 증명하는 결정적 증거다.

지구는 약 45억 년 전 수많은 소행성과 우주 먼지들이 충돌하며 뭉쳤다. 이때 발생한 엄청난 충돌 열과 방사성 원소의 붕괴 열로 인해 지구 전체가 완전히 녹아내린 마그마 바다 상태가 되었다. 지구가 액체 상태로 녹아내리자 무거운 원소인 철(Fe)과 니켈(Ni)은 중력에 의해 중심부로 가라앉아 핵을 형성했다. 상대적으로 가벼운 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 등의 성분은 위로 떠 올라 맨틀과 지각이 되었다. 두 층의 화학 성분이 다르다는 것은 지구가 과거에 완전히 녹았다가 성분별로 분리되는 대대적인 화학적 체질 개선을 거쳤음을 뜻한다. 핵과 맨틀의 성분 차이는 단순한 구조적 특징이 아니다. 지구가 뜨거운 원시 행성에서 1) 스스로 내부를 정렬하고(분화), 2) 자기장을 만들어 생명을 보호하며, 3) 끊임없이 살아 움직이는 행성(판구조론)으로 진화해 온 역사의 첫 페이지를 열어주는 열쇠다.

지구는 내부가 고온임에도 고압으로 인하여 맨틀이 완전한 용융 상태에 이른 적이 없다. 지구 내부는 고온임에도 고압이어서 녹지 않는다. 반면 빙하 겉면은 압력을 받지 않고 속은 압력을 받아 녹는다고 한다. 이는 모순되게 보이지만 둘 다 가능한 일이다. 지구 내부를 구성하는 암석(맨틀)이나 금속(내핵)은 아주 정상적이고 일반적인 규칙을 따르는 물질들이다. 물질은 고체에서 액체가 될 때 부피가 늘어난다. 분자들이 자유롭게 움직이며 자리를 더 많이 차지하기 때문이다.

그런데 지구 내부 깊은 곳에서처럼 엄청난 압력으로 사방에서 누르면 물질이 부피를 늘리며 액체로 변하고 싶어도 변하지 못한다. 따라서 녹는점(융점)이 강제로 높아지게 된다.(물질의 녹는점이 강제로 높아진다는 것은 원래라면 액체로 녹아내려야 할 온도에서도 물질이 녹지 못하고 고체 상태를 계속 유지한다는 의미다.) 지구 중심부로 갈수록 온도가 엄청나게 높아지지만 내핵이 고체이고 외핵이 액체인 결정적인 이유는 바로 내핵에 가해지는 압력이 상상을 초월할 정도로 높기 때문이다. 겉보다 온도가 훨씬 높아도 누르는 힘이 더 강하기 때문에 맨틀의 대부분과 내핵은 녹지 못하고 단단한 고체 상태를 유지한다.

반면 빙하를 이루는 물(얼음)은 전 우주에서 몇 안 되는 아주 독특한 성질을 갖는다. 얼음은 일반적인 물질과 반대로 고체(얼음)에서 액체(물)로 녹을 때 오히려 부피가 줄어든다. 얼음일 때 빈 공간이 많은 육각형 구조를 가졌다가 녹으면서 그 구조가 무너지기 때문이다. 얼음이 물에 뜨는 이유도 이 때문이다. 빙하 깊은 곳에서 거대한 얼음 무게로 꾹 누르면 얼음 입장에서는 압력이 가해지니까 부피가 작은 액체(물)로 변하게 된다. 압력을 가하면 녹는 점이 0도씨보다 낮아진다.(영하에서도 녹는다) 이 현상을 복빙 현상(Regelation) 또는 압력 융해라고 한다.

빙하 밑바닥은 엄청난 얼음 무게를 받기 때문에 즉 고압 상태이기에 영하의 온도임에도 불구하고 얼음이 살짝 녹아 물(윤활유 역할)이 된다. 덕분에 빙하가 미끄러지듯 이동할 수 있다. 압력을 받지 않는 빙하 겉면은 기온이 영하라면 녹지 않고 얼어 있다. 빙하 자체의 거대한 무게(압력)를 가장 크게 받는 곳은 수백~수천 미터 아래에 있는 빙하의 맨 밑바닥(지표면과 맞닿은 곳)이며 압력 때문에 그곳부터 녹기 시작한다. 암석은 고온의 경우 액체로 변하게 되지만(녹지만) 압력이 높으면 고체 상태가 되고(부피가 작은 상태를 유지하고), 물은 압력이 가해지면 액체 상태가 된다.(부피가 작은 상태를 유지한다.)

물은 액체일 때 부피가 작고, 물 외의 물질은 고체일 때 부피가 작다. 물 외의 물질이 액체일 때 부피가 큰 것(고체일 때 부피가 작은 것)은 분자들이 자유롭게 움직이며 자리를 더 많이 차지하기 때문이다. 물은 액체 상태일 때 부피가 작아 밀도가 높아 바닥으로 가라앉는다. 얼음은 육각형 구조여서 내부에 빈 공간이 많아져 액체인 물보다 부피가 더 크고 밀도가 낮아서 물 위에 뜨게 된다.

저자는 달 속의 에너지가 달에 지질운동을 일으키기에 부족하지만 지구는 충분한 에너지를 보유하여 왔다고 말한다. 가장 중요한 열원은 지각에 농축된 방사성 원소다. 지구의 충분한 에너지는 끊임없는 지질운동을 일으킨다. 맨틀이 대류하고 대륙이 움직이며 화산이 터지는 이 역동적인 과정이 바로 지구를 살리는 축복이다. 지구 내부의 열에너지 덕분에 외핵의 액체 철이 움직이며 지구 자기장을 만든다. 이 자기장이 없다면 태양에서 오는 치명적인 우주 방사선 때문에 지구상의 모든 생명체는 전멸했을 것이다.

화산 운동은 지구 내부의 가스를 뿜어내 대기층을 만들었다. 또한 지각이 맨틀 속으로 말려 들어가고 다시 튀어나오는 과정을 통해 생명에 필수적인 탄소와 영양분이 지구 전체에 끊임없이 순환한다. 지질운동이 멈춘다면 지구의 기후 조절 시스템도 고장나고 말 것이다. 지구는 물, 물 외의 물질, 온도와 압력의 밀고 당기기로 인해 만들어지고 유지된 것이다.

굳은 부분을 가진 생물이거나 그렇지 않은 생물이거나 그들에게 공통된 화석화의 요건 중 가장 중요한 것은 빨리 묻혀 파괴를 피하는 것이다. 육지 생물은 멀리 운반되어서야 퇴적물 속에 묻히고 바다 생물은 죽은 그 자리에서 또는 짧은 운반을 거쳐 묻히는 것이 보통이다. 즉 바다 생물은 빨리 묻힐 기회가 훨씬 많다. 이 때문에 바다생물 화석이 훨씬 많다. 육지는 기본적으로 퇴적물이 쌓이는 곳이 아니라 깎여 나가는 곳(침식 지역)이기 때문이다. 교대 작용은 생물의 굳은 부분이 지하수에 용하여 용해되는 순간 그 지하수에 용해되어 있던 광물들이 그 자리에 침전함으로써 일어나는 작용을 말한다.

이 교대 작용은 생물 본래의 미세한 구조를 그대로 보존하면서 극히 점차적으로 일어나는 경우로부터 생물체 전부가 녹고 다른 광물이 그 자리를 메우는 경우에 이르기까지 다양하다. 규산에 의한 교대 작용 즉 규화작용의 경우는 화석 연구에 있어서 흔히 주목할 만한 결과를 가져온다. 첫째로 이런 방법으로 보존된 화석이 흔히 매우 정교한 내부 구조를 간직하고 있기 때문이며. 둘째는 석회암 속에 규화된 화석들이 함유되어 있을 때 석회암을 염산에 용해시키면 훌륭한 화석을 얻을 수 있기 때문이다.

이 책은 주요 단어들이 한자로 표기되었다. 이 가운데 黑色頁巖 같은 단어가 눈길을 끈다.(91 페이지) 엽암이라고 읽을까 아니면 혈암이라고 읽을까 궁금하다. 한글로 표기되어 있지 않기 때문이다. 셰일이라고 하는 편이 나을 것이다. 저자는 실제로 포항 지역의 延日 셰일이라고 말한다.(93 페이지) 저자는 왜 동물들이 캄브리아기 초에 껍질을 가지게 되었는지에 대해 말한다. 대기 중 산소가 충분해야 그 상층에 오존층이 생성되는데 이때는 아직 외계로부터 지구에 쏟아지는 자외선을 막아줄 오존층이 생기지 않은 때여서 보호막으로 껍질이 생긴 것이라는 가설이 있다. 과학자들이 바라보는 캄브리아기의 껍질은 오존층이 없어 쏟아지는 자외선을 막는 방패인 동시에 포식자의 이빨을 막는 갑옷이었다. 지구 내부와 외계의 거대한 환경 변화가 생명체들에게 단단한 외투를 입도록 강제한 셈이다.

저자는 공룡 멸종이 몸집이 너무 컸기 때문이라고 한다.(115 페이지; 1991년에 처음 책이 나왔다.) 1991년은 소행성 충돌설이 최초로 제안되기는 했으나 과학계의 전폭적인 지지를 받아 '100% 정설'로 완전히 굳어지기 직전의 과도기였다. 당시 출판된 책들이 최신 과학 이론을 실시간으로 반영하지 못했거나 저자가 여전히 과거의 고전적인 학설을 지지했을 가능성이 크다. 저자는 우리에게는 고쳐야 할 점도 많고 선진(先進)에게서 배워야 할 것도 많음이 사실이지만 어떤 활동에도 대전제가 되어야 할 것은 우리의 영원한 자원인 마음씨를 잃지 않아야 하는 것이라 말한다.(175, 176 페이지)

저자는 사람은 지각변동의 고적(古蹟) 위에서 기거하고 있다고 말한다. 고고학자가 사전사학도(史前史學徒)라면 지질학자는 사전사전사학도(史前史前史學徒)라고 말한다.(181 페이지) 저자는 지질학은 생성과정을 문제삼는 학문이라 말한다. 지질학(Geology)은 지구를 이루는 물질들의 생성과정(Origin and Formation Process)을 규명하는 것을 가장 본질적인 목표로 삼는다. 단순히 현재의 상태를 기록하는 것에 그치지 않고 이 암석과 지층이 과거에 어떤 환경에서, 어떤 물리·화학적 과정을 거쳐 만들어졌는가?라는 역사적 원인을 집요하게 추적한다.

저자는 석탄은 햇빛의 통조림이라 할 수 있다고 말한다. 그리고 모든 돌이 일종의 통조림이라 말한다. 석탄이 고대의 햇빛과 생명 에너지를 담은 통조림이라면 모든 돌(암석)은 그 돌이 만들어지던 당시 지구의 '환경, 기후, 지각 변동의 순간'을 밀봉해 놓은 타임캡슐이자 정보의 통조림이다. 저자는 시간이란 요소는 시험관에 넣거나 기계에 걸 수 없으므로 지질학적 연구대상 가운데는 실험실에서 재현시킬 수 없는 것이 대부분이라고 말한다. 이 때문에 지질학도는 먼저 현재 지구상에서 진행되고 있는 현상과 과정에 관한 지식과 경험을 가지고 그것을 과거에 적용시켜 과거 지질 시대의 일들을 해석하게 된다. 그래서 지질학의 가장 중요한 원리는 현재는 과거의 열쇠라는 표어 속에 잘 나타나 있다. 온고이지신(溫故而知新)이 아니라 온신이지고(溫新以知故)다.

그러므로 지질학도에게 요청되는 제3의 소질은 풍부하고도 건전한 상상력이다. 또한 거꾸로 지질학적 훈련은 매우 효과적으로 사람의 상상력을 풍부하게 해준다. 지질학도들 가운데 막대한 수가 판구조의 원리를 응용한 연구에 참여하고 있다. 실로 지질학에 새로운 활력이 불어넣어졌다. 지질학의 혁명이 일어났다고들 한다. 지질학의 이름마저 지구학으로 바꿀 단계가 왔다는 주장이 유력하다.(189 페이지) 과거의 지질학이 죽어있는 돌을 분석하는 학문이었다면 현대의 지구학은 기후변화, 환경오염, 화산과 지진, 자원 고갈 등 인류의 생존과 직결된 지구 전체의 변화를 다루는 역동적인 학문이 되었다. 돌(地質)이라는 글자에 갇혀있기엔 지구(地球)는 너무나 유기적으로 연결되어 움직이고 있다.

태평양에는 심해동물군이 있으나 동해에는 심해동물군이 없다. 이는 동해가 태평양의 잔류물이 아니라 태평양과는 별개로 생겨났고 역사가 짧아 아직 심해동물군의 생태계가 이루어지지 않았다는 의미다. 저자에 의하면 온습(溫濕)한 저평지대(低平地帶)에 있어서 강우량의 1/3은 지표수가 되고, 1/3은 증발되고, 1/3은 지하수가 된다.(215 페이지)

단층이 처음 생길 때도 지진이 일어나지만 멈추었던 단층이 다시 운동할 때도 지진이 일어난다. 우리가 겪는 파괴적인 대형 지진의 대부분은 처음 생기는 단층이 아니라 이미 존재하던 단층이 다시 움직일 때 발생한다. 지진은 탄성체만이 일으킨다. 탄성체(Elastic body)란 외부에서 힘을 가하면 모양이 변했다가 힘을 제거하면 원래의 모양과 크기로 완벽하게 되돌아가는 성질(탄성)을 가진 물체를 말한다.

20세기 구조지질학의 발전에 획기적인 전환점을 마련한 독일의 천재적인 지질학자 한스 클로스(Hans Cloos; 1885~1951)는 지질학은 지구의 음악이란 말을 했다. "황홀했던 여행의 나날 동안 문득 내 머릿속에 떠올라 수년 동안 몇 번이고 나를 행복하게 만들었던 생각이 하나 있다. 그것은 바로 지질학이 지구의 음악(Geology is the music of the earth)이라는 생각이다."

한스 클로스는 첼로 연주에 능하고 그림을 사랑했던 예술가적 기질이 충만한 과학자였다. 한스 클로스는 우리가 자연을 사색함에서 기쁨을 맛보는 까닭도 우리 자신의 혼(魂)의 음악과 지구의 음악의 조화 때문이 아니겠는가?란 말을 했다. 한스 클로스에게 지질학이란 단순히 돌의 성분을 외우고 지도를 그리는 딱딱한 학문이 아니었다. 지질학을 통해 지구의 생성과정과 메커니즘을 배우는 것은 지구라는 거대한 오케스트라의 악보를 읽는 법을 배우는 과정과 같다. 한스 클로스는 지구 지각이 찢어지거나 부러지는 거대한 지질학적 과정을 실험실 책상 위에서 완벽하게 재현해 낸 혁신적인 실험인 점토 축소 모형 실험(Scaled Clay Model Experiment)을 실행한 과학자였다.

"With mind and hammer"라는 말이 있다. 지질학계에서 가장 오래되고 숭고하게 여겨지는 전통적인 모토이자 라틴어 격언인 'Mente et Malleo'를 영어로 번역한 이 말은 '사색과 망치로' 또는 '지성과 망치로'라는 의미를 지닌 말이다. 저자의 책은 한자가 많고 글씨체가 작아 읽기 불편하지만 읽을 만하다. 한스 클로스란 과학자를 알게 된 것이 수확이고 다행이다. 지질학자는 아니지만 지질공원 해설사로서 감사하고 만족스럽다. 좋은 지질학 아니 지구과학 책을 많이 찾아 읽어야겠다. 야외조사기회도 가끔이나마 만들어야겠다.

Exodus가 난망한 거대한 늪에 빠진 기분

 글로벌 warming이 아니라 글로벌 heating의 시대로 접어든 것 같다. 현재 지구의 온도 상승 속도는 인류 역사뿐만 아니라 지구 역사 전체를 통틀어 유례가 없을 정도로 급하게 빠르다. 가속 가열의 시대에 접어들었다고 할 수 있다. 여전히 지금의 기온 상승이 인간 때문이 아니라 태양 활동, 화산, 지구 자전축 변화 등 자연적 요인 때문이라고 주장하는 사람들이 있다.

하지만 자연적 요인만으로는 지금의 폭발적인 온도 상승 속도를 절대 설명할 수 없다. 만일 산업화 이후 인류가 지금과 다르게 마구 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경, 순환형 에너지 시스템을 구축했다면 세계는 어떤 모습이었을까?

지구 평균 기온이 산업화 이전 수준을 유지함에 따라 폭염, 한파, 초대형 태풍 같은 극단적인 이상 기후가 일상화되지 않고 예측 가능한 계절의 변화가 유지되었을 것이다. 석탄, 석유 대신 수력, 풍력, 조력, 초기 형태의 태양광 기술이 19세기부터 집중 연구되었을 것이다. 가뭄과 홍수로 인한 식량 위기가 적어 전 세계적인 기아 문제가 지금보다 훨씬 덜했을 것이다. 거주지가 사막화되거나 침수되어 삶의 터전을 잃고 떠도는 수천만 명의 기후 난민이 발생하지 않아 국제 사회의 사회적 비용과 갈등이 크게 줄었을 것이다.

화석연료는 인류 역사상 가장 거대한 축복이자 문명의 존립을 흔드는 저주였다고 할 수 있다.

1) 전 세계에서 화석연료 연소 및 산업 공정으로 인해 가장 많은 이산화탄소를 배출하는 나라는 중국, 미국, 인도 순이다. 2) 누적 순위는 미국, 유럽연합, 중국 순이다. 3) 국민 1인당 배출량을 기준으로 하면 미국, 호주, 대한민국, 사우디아라비아 순이다.

우리나라는 기후 빌런 국가로 손꼽히고 있다. 그 이유는 1) 재생에너지 비중이 9~10% 수준으로 OECD 국가 중 압도적인 꼴찌 기록을 유지하고 있기 때문이고, 2) 전력 생산의 60~70% 이상을 여전히 석탄화력발전과 액화천연가스(LNG)에 의존하고 있기 때문이고, 3) 철강(포스코), 반도체·전자(삼성) 등 탄소를 다량으로 배출하는 중화학 공업과 제조업이 국가 경제의 뼈대를 이루고 있어 단기간에 탄소를 줄이는 것이 매우 어려운 구조적 한계를 갖고 있기 때문이고, 4) 개발도상국의 기후 변화 대응을 돕는 기금(기후 재원) 분담이나 온실가스 감축 목표(NDC) 설정에 소극적이기 때문이다. 물론 억울한 점도 있을 것이다.

우리나라가 설령 넷 제로(탄소중립)에 성공하더라도 다른 나라들이 탄소를 계속 배출한다면 우리는 기후 변화로 인한 타격을 거의 그대로 입게 된다. 대기는 국경 없이 전 지구를 하나로 순환하기 때문이다. 우리나라의 탄소 배출량은 전 세계의 약 1.3~1.6% 수준에 불과하다.

이번에 사고가 난 네팔은 이산화탄소 배출량이 극히 미미하지만 피해를 고스란히 떠안고 있는 실정이다. 네팔은 기후 불평등으로 인한 대표적 희생국이다. 얼마 전 한 탐방객과 대화를 나눈 적이 있다. 내가 미국, 중국 등이 이산화탄소 배출을 줄이는 데는 관심이 없고 패권주의적 경향으로 일관하고 있으니 세계가 암울하다고 하자 탐방객은 (선호하는) 미국을 (“빨갱이 나라”) 중국과 함께 논하는 것이 불편했던지 화난 얼굴을 했다.

하지만 그 70대 여성 탐방객이 지지하는 트氏는 기후 위기를 사기라고 부르며 전면 부정하는 확고한 기후 변화 회의론자다. 마이클 마니아티스의 [분리수거에 진심인데 왜 지구는 뜨거워질까?]란 책이 나왔다.

글로벌 기후 연구 기관인 카본 메이저스(Carbon Majors)의 최신 보고서에 따르면 파리협정 이후 전 세계에서 배출된 온실가스의 80%가 단 57개의 화석연료 및 시멘트 기업에 의해 발생했다는 사실을 생각해 보라.

전 세계에서 분리수거된 플라스틱 중 플라스틱 제품으로 재활용되는 비율은 9~10%에 불과하고 나머지는 기술적·경제적 이유로 매립되거나 소각로에서 불타며 엄청난 탄소를 뿜어낸다. 1970년대 미국의 대형 석유화학 기업들은 플라스틱 규제를 피하기 위해 재활용 마크를 만들고 대대적인 캠페인을 벌였다.

"플라스틱은 죄가 없다, 분리수거를 제대로 안 한 소비자의 잘못이다"라는 프레임을 씌워 쓰레기 처리 비용과 도덕적 죄책감을 고스란히 개인과 지방자치단체에 떠넘긴 것이다.

요즘 많이 떠도는 말이 화성 또는 달 테라포밍이다. 아메데오 발비 같은 천체물리학자가 지적하듯 테라포밍은 너무 복잡하고 어렵고 위험하고 비용이 너무 들어가는 일이다. 전 세계의 넷 제로(Net-Zero)를 달성하는 것이 화성 테라포밍보다 압도적으로 쉽고, 비용도 상상할 수 없을 만큼 적게 든다.

지금 필요한 것은 단순한 환경 보호 캠페인이 아니라 문명 전체의 뼈대를 바꾸는 거대한 패러다임 전환이다. 이번 빙하 붕괴에 의한 히말라야 대홍수는 충격 그 자체였다. 지금의 추세는 비관적인 생각을 갖게 한다. Exodus가 난망한 거대한 늪에 빠진 기분이다

우리의 유일한 가주 가능 행성 지구를 떠나 화성으로 가겠다고?

당신은 화성으로 떠날 수 없다 - 생명체, 우주여행, 행성 식민지를 둘러싼 과학의 유감
아메데오 발비 지음, 장윤주 옮김, 황호성 감수 / 북인어박스 / 2024년 8월

우주에서 독보적으로 아름다운 우리 지구는 아름다울뿐 아니라 지금껏 알려진 유일한 생명의 행성이자 수십억 년 동안 큰 온도 변화를 겪으면서도 생존 가능한 상태를 유지한 기적적인 행성이다. 하지만 지구는 무수한 죽음 위에 핀 행성이다. 지구상에 출현한 모든 종(種)의 99% 이상이 멸종했다. 지금껏 다섯 번의 대멸종이 일어났다. 이탈리아의 저명한 천체 물리학자인 아메데오 발비는 지구가 우리를 위해 존재하는 것이 아니라 우리가 지구를 위해 존재한다고 말한다. 지구가 인류의 편의를 위해 존재하는 것이 아니라 인류가 지구에 완벽히 적응하도록 진화했다는 의미다.

지금은 우주 탐사가 적극적으로 추진되는 시대다. 이 책은 우리 종의 장기적인 생존이 지구를 대체할 수 있는 행성을 찾는 것에 달려 있는지 아니면 다른 전략을 찾는 편이 나을지에 대한 답을 제시하는 책이다. 지구와 생명체에 심각한 기후 이상을 초래할 수 있는 것 가운데 화산 폭발을 빼놓을 수 없다. 약 75000년 전에 발생한 인도네시아 토바 화산이 폭발할 때 나온 먼지와 화산재가 태양 빛을 차단해 몇 년 사이에 지구 평균 온도가 5~15도 떨어졌다. 슬픈 현실은 우리의 생존에 가장 심각하고 즉각적인 위협은 우리 자신에게서 올 것이라는 예측이 힘을 얻고 있다는 점이다.

우리 시대는 인류가 지구를 자신들의 삶에 맞춰 변형시키는 행위가 매우 빠르고 광범위하게 벌어지고 있으며 우리가 이를 통제하기 어려운 시대다. 저자는 기술 진보가 우리 종의 생물학적 한계를 뛰어넘게 할 것이라고 낙관하는 사람들이 있지만 그런 방식의 진보라면 인류를 조기에 종말로 이끌 가능성이 있다고 말한다. 지구를 떠나자고 말하는 사람들이 있다. 스티븐 호킹은 지구를 떠나 우주에 식민지를 개척해야 한다고 말했고, 마틴 리스는 대규모 우주 이주를 위험한 환상이라 말한다. 지구는 주거 지역으로 남기고 우주는 외곽 산업단지로 조성하자고 말하는 사람도 있다.

탈출 속도를 감안하면 지구를 떠나는 것은 불가능하지 않지만 아주 어렵다. 물체를 수직이 아닌 지구 표면에 평행하게 자전 방향으로 발사하면 훨씬 오랫동안 낙하를 지연시켜 지구 저궤도로 보낼 수 있다. 약 400km 고도에서 초속 약 7km(시속 약 28000km) 속도로 90분마다 지구 한 바퀴를 도는 국제우주정거장이 대표 예다. 지구 제궤도는 대략 고도 200~2000km 사이의 영역이다. 우주비행사들이 지구 저궤도에서 무중력과 같은 느낌을 경험하는 것은 중력이 약해져서가 아니라 그들과 함께 있는 우주선이나 우주 정거장이 지구를 향해 자유 낙하하고 있기 때문이다. 물론 직접 지면을 향하지는 않고 대략 원형의 궤도를 돈다.

지구 저궤도에 있는 우주선들은 여전히 지구 대기의 가장 바깥층인 열권과 외기권에 머물고 있다. 지구 표면으로부터 100km 이상의 고도를 카르만 라인(Karman Line)이라 한다. 우주는 우리가 정의하는 아름다운 곳과 정확히 대척점에 있는 공간이다. 의사이자 공군 비행사인 해리 암스트롱의 이름에서 유래한 암스트롱 한계(Armstrong Limit; 19km 고도)를 넘으면 대기압이 몸 내부 체액의 압력보다 낮아져서 목과 폐의 수분이 증발한다. 35km 지점을 넘어서면 오존층의 보호가 사라진다.

우주 공간에 도달하면 대기가 사라져 낮과 밤 사이의 일교차가 극단적으로 커진다. 국제우주정거장은 영상 120도와 영하 160도 사이를 오간다. 수성과 금성은 너무 혹독하고 위험한 곳이다. 달에 가는 것은 지구 저궤도에 가는 것보다 훨씬 더 어렵고 위험하다. 달 환경은 인간에게 매우 적대적이다. 달에는 대기가 거의 없다. 표면 온도 변화는 영상 130와 영하 170도 사이를 오간다. 화성에 가는 것은 달에 가는 것보다 여러 모로 훨씬 어렵고 위험하고 복잡하다. 여러 까다로운 조건을 감안해야 한다.

흥미로운 점은 화성의 희박한 대기로 인한 극히 낮은 우주선 착륙 저항을 해결하기 위해 우주선의 속도를 줄여줄 충분한 연료가 필요하다는 점이다. 높은 이산화탄소 농도에 비해 대기가 너무 희박해 사실상 온실효과가 일어나지 않아 매우 춥고 척박한 곳이 화성이다. 화성 중력은 지구 중력의 1/3 수준이다. 화성에 물이 존재하기는 하지만 당장 사용하기에 적합하지는 않다. 화성과 달의 흙을 레골리스(regolith)라 한다. 바위를 덮고 있는 이불 같은 존재다. 이 흙을 경작에 사용하려면 다양한 유기물과 비료를 인공적으로 첨가해야 하며 과염소산염 같은 독성 물질이 고농도로 포함되어 있어 인간과 대부분의 생물체에 해롭다.

지구에서 가장 살기 어려운 곳조차 화성에 비하면 천국이다. 화성에 인간을 보내는 일은 심지어 몇 년간의 왕복 임무만 하더라도 엄청난 성과가 될 것이다. 하지만 제대로 된 준비 없이 화성으로 떠나는 일은 대규모 자살 만큼이나 미친 짓일 수 있다. 지구를 벗어난 환경에서 지구와 유사한 환경을 조성하는 것은 이루 말할 수 없이 복합하고 어려운 일이다. 지구에서 화성은 단지 거리가 먼 정도가 아니라 지구 행성의 궤도 공전 속도 물리법칙이 다르기에 복잡하고 어려운 과제다.

테라포밍이란 개념이 있다. 이는 의도적으로 전체 행성의 환경을 변화시켜 지구와 유사하게 만들고 인간 생존에 적합하게 하는 작업을 의미한다. 칼 세이건은 이 분야의 선구자다. 화성이 오늘날의 화성이 된 것은 지구와 비교했을 때 상대적으로 크기가 작기 때문에 일어난 현상이다. 네터 배철은 우주의 팽창을 막지 못하는 지구를 체중미달의 지구라 표현했다. 대기와 물이 있었던 화성이 오늘의 지옥 같은 곳이 된 것은 크기가 작기 때문이니 화성도 체중미달의 행성인 셈이다.

저자는 화성 토양에 매장된 이산화탄소 양은 온도를 충분히 올려 눈덩이 효과를 일으키기에 턱없이 부족하다는 말을 한다. 여기서 말하는 눈덩이란 차가움을 의미하는 것이 아니라 눈덩이가 계속 다른 눈을 흡수해 커지는 효과를 의미한다. 저자는 우리가 화성의 기후와 환경을 마음대로 바꿀 능력이 있다면 지구에서 그렇게 하는 것이 훨씬 더 간단할 것이라 말한다. 저자에 의하면 지구 온난화를 제어하는 일은 화성의 기후를 변화시키는 것보다 훨씬 더 간단하다.(172 페이지)

저자는 현재의 화성은 지구의 대체제가 될 수 없다고 말한다. 겉보기에는 그렇지 않을 수 있지만 화성의 환경은 달만큼이나 적대적이다. 게다가 달과 비교해도 화성에 정착했을 때 얻는 이점이 거의 없다. 유인 탐사선이 언젠가 화성에 도달해 머지 않은 미래에 남극이나 해저 기지와 유사한 소규모 전초기지를 세우겠다는 꿈을 갖는 것은 충분히 가치 있지만 화성에 도시를 세우는 일은 과학 소설에 맡기는 것이 좋다고 말한다.(156 페이지)

오닐 실린더(O'Neill Cylinder)란 개념이 있다. 1976년 미국의 물리학자 제라드 오닐(Gerard K. O'Neill)이 제안한 거대 인공 우주 거주구(Space Colony) 구상이다. 행성 표면에 기지를 짓는 화성 이주가 아니라 우주 공간에 지구와 유사한 환경을 가진 거대한 인공 구조물을 만들어 인간이 살게 하겠다는 아이디어다. 제라드 오닐은 이 거대한 실린더를 설치할 최적의 장소로 지구-달 시스템의 L5(다섯 개의 라그랑주점) 지점을 콕 집어 제안했다. 중력적으로 완벽한 균형을 이루어 궤도 유지 연료가 들지 않고, 달에서 자원(철, 규소 등)을 채굴해 기지를 건설하기 가장 쉬운 명당이기 때문이다.

오닐 실린더도, 화성도, 지구도 모두 광활하고 텅 빈 우주라는 대자연의 허공 속에 떠 있는 존재라는 점에서 완벽히 같다. 우리가 발을 딛고 있는 지구는 거대하고 단단해 보이지만 그저 태양 중력에 묶여 시속 10만 km가 넘는 속도로 허공을 질주하는 우주선일뿐이다. 다만 모두 허공에 떠 있지만 지구란 우주선은 자기장, 대기, 물, 중력 등 인류에게 필요한 모든 생명 유지 장치를 자연적으로 완벽하게 갖춘 단 하나의 기적의 공간이다.

우주 엘리베이터(Space Elevator)는 로켓을 쏘아 올리는 대신 지상에서부터 우주 정지궤도 너머까지 거대한 케이블을 연결해 엘리베이터를 타고 우주를 오가겠다는 혁신적인 우주 운송 시스템 구상이다. 우주 엘리베이터가 반드시 정지궤도(고도 36,000km)까지 도달해야 하는 이유는 그 지점을 넘어야만 중력과 원심력의 균형에 의해 엘리베이터가 쓰러지거나 추락하지 않고 하늘에 팽팽하게 서 있을 수 있는 우주적 균형이 완성되기 때문이다. 오닐 실린더와 우주 엘리베이터는 모두 혹독한 환경의 외계 행성을 지구처럼 바꾸는 테라포밍(Terraforming)이라는 거대한 장벽을 우회하기 위해 제안된 핵심 대안들이다.

적어도 태양계 내에서 지구 외에 인류에게 현실적인 대안은 없다.(171 페이지) 저자는 생명체에게는 지구 2.0이 필요하지 않다고 말한다.(193 페이지) 우리가 외계 행성을 잠재적으로 가주 가능하다고 말할 때 그것은 인간이 그곳에서 살 수 있는 가능성이 아니라 박테리아와 같은 생물이 생존할 수 있는 가능성을 의미한다. 우리가 새로운 외계 행성을 발견하려는 이유는 그곳에 살기 위해서가 아니라 그곳을 연구하고 우리가 아직 모르는 사실들(생명이 어떻게 시작 됐는지, 우주에 퍼져 있는 생명의 분포가 어떠한지, 어떻게 지구를 더 생명이 살기 좋은 행성으로 만들어야 하는지, 한 행성을 불모지로 만드는 원인이 무엇인지)을 알기 위해서다.(194 페이지)

우리와 다른 별 사이를 가로막는 거리는 엄청나게 멀고, 여행 시간을 줄일 획기적인 해결책도 당장에 없다. 가장 가까운 행성계의 잠재적으로 거주 가능한 행성에 가는 데만 긍정적으로 봐도 수백 년이 걸릴 것이고, 더 현실적으로는 수천 년이 걸릴 것이다.(215 페이지) 1톤의 화물을 광속 대비 1/10까지 가속하는 데 필요한 에너지는 현재 전 세계 에너지 생산량과 맞먹는다는 점을 알 필요가 있다.(223 페이지) 물리법칙과 우주의 작동 방식이 지닌 한계에도 불구하고 일부 사람들은 여전히 빛보다 빠른 속도로 여행할 수단과 가능성을 집요하게 모색했다.(225 페이지)

저자는 지구 바깥에 또 다른 지구는 없다고 말한다. 인간은 이 행성의 생물이며 이들을 다른 곳에 옮기려면 그들이 태어난 세계의 일부를 떼어내는 밀봉된 거품 안에 가둬야만 한다. 인간이라는 단어가 흙을 뜻하는 부식토와 같은 라틴어 뿌리에서 나왔다는 사실은 우연이 아니다. 우리는 문자 그대로 우리가 사는 세계와 같은 재료로 만들어졌다. 우리는 몸의 일부를 잃고 살아남을 수 있지만 우리를 지탱하는 풍경과의 연결 없이 살아남을 수 없다. 우리는 이 작은 젖은 바위에 불과한 지구가 우리 은하 변두리의 별 주위를 돌고 있는 한 절대로 그 인연을 끊을 수 없다.(244 페이지)

지질학을 진정한 과학이 되게 한 판 구조론이 정립되기까지의 과정을 설명한 책

내가 사랑한 지구 - 판구조론, 지질학자들이 밝혀낸 지구의 움직임
최덕근 지음 / 휴머니스트 / 2015년 4월

‘판 구조론, 지질학자들이 밝혀낸 지구의 움직임’이란 부제가 달린 [내가 사랑한 지구]는 최덕근 교수의 책이다. 저자는 삼엽충 전문가이다. 저자가 판구조론이란 말을 처음 들은 것은 1971년으로 일본의 이와나미(巖波) 신서(新書) 중 한 권인 우에다 세이야(1929-2023)의 [새로운 지구관; 新しい 地球觀]이란 책을 통해서였다. 4년의 지질학 수업 시간에 한 번도 들은 적이 없는 개념이었다고 한다. 판구조론이 과학계에 공식적으로 등장한 시기가 1970년 무렵이니 대단히 빨랐다고 할 수 있다. 물론 지구과학은 400km 정도까지의 얕은 부분을 다루는 판구조론과 2900km까지의 깊은 부분을 다루는 플룸 구조론이 함께 통용되는 무대다.

우에다 세이야는 지진 예측이 가능하다고 본 학자이기도 하다. 본문에 지각평형설이 나온다. 저자는 상대적으로 가벼운 대륙지각이 가라앉을 수 없음을 말하는 이론이라 설명한다. 추가로 설명하면 이는 무게 변화에 따라 지각이 끊임없이 위아래로 움직이며 균형을 맞추는 것을 의미하는 이론이다. 본문에 찰스 라이엘의 동일과정설이 시간이 흐르면서 신랄한 비판을 받게 되었다는 내용이 나온다. 현대 과학이 라이엘의 동일과정설을 비판하는 것은 그가 이룩한 지질학의 기초를 비판하는 것이 아니다.

성경에서 말하는 기적을 반박하기 위해 설정한 극단적 점진설에 갇혀 지구 역사의 역동적인 격변과 진화적 증거들을 인정하지 않았기 때문이다. 고생물학자 스티븐 제이 굴드는 라이엘이 자연법칙의 균일성으로부터 그와 무관한 속도의 균일성과 상태의 균일성을 도출해냈다고 비판한 바 있다. 찰스 라이엘은 추운 극지방에서 석탄층이 발견된 것을 보고 육지와 바다의 분포가 달라지면 기후가 달라졌을 것이고 그러면 그린란드에도 석탄이 쌓일 수 있다고 설명했다. 라이엘은 그린란드가 언제나 극지방에 고정되어 있었다고 생각했다.

대륙은 절대 옆으로 이동하지 않으며 단지 주변의 육지와 바다 모양이 바뀌면서 극지방인 그린란드의 기후가 열대로 변해 석탄이 쌓였다고 본 것이다. 사실은 따뜻한 곳에서 석탄이 생긴 뒤 대륙 자체가 극지방으로 이동해간 것이다. 찰스 라이엘은 대륙이동설이 나오기 100년 전 학자였다. 이 이야기를 통해 내가 사는 연천이 예전에 얕은 바닷가였던 곳이 아니라 적도 지방의 얕은 바닷가였다가 대륙이동으로 지금의 자리로 온 것을 연상하게 된다.

단층에 의해 중첩된 암석을 식탁보를 접어놓은 것 같다 하여 프랑스어로 냅(nappe)이라 한다. 대륙이 이동한다는 아이디어를 현대적인 과학 가설 형태로 처음 공식 발표한 사람은 프랭크 버슬리 테일러(Frank Bursley Taylor)다. 그러나 테일러는 대륙이 이동해 부딪히면서 산맥이 생겼다는 놀라운 직관을 가졌지만 이를 뒷받침할 증거를 수집하지 않았고 자기 주장을 입증하기 위해 크게 노력하지 않았다.

이에 비해 베게너는 단순히 대륙이 움직인다고 생각하는 데 그치지 않고 남아메리카와 아프리카의 화석 일치, 멀리 떨어진 대륙 간의 지질 구조 연속성, 고생대 빙하 흔적 등 전방위적인 증거를 모아 [대륙과 해양의 기원](1915)이라는 거대한 과학적 체계를 완성했다. 저자는 테일러는 대륙이동을 단순히 빙하의 움직임처럼 다루었고 지구 내부와 연결시키지 않았다고 말한다.(85 페이지)

베게너는 대륙을 이동하게 하는 힘과 산을 형성시킨 힘은 같기에 대륙이동은 단층, 지진, 화산 등 자연현상과 밀접하게 연결되어 있어야 한다고 말했다. 알렉산더 뒤 토아(Alexander du Toit; 1878-1948)는 남아프리카공화국 출신의 천재적 지질학자로 베게너가 사망한 이후 전 세계적인 비판 속에서도 대륙이동설을 끝까지 지키고 한 단계 발전시킨 가장 강력한 옹호자였다. 알프레트 베게너가 과거에 모든 대륙이 하나로 뭉쳐 있던 하나의 초대륙 판게아(Pangea)만을 주장한 반면 뒤 토아는 남반구 지층을 정밀 연구한 끝에 이를 수정·발전시켰다. 북반구의 로라시아, 남반구의 곤드와나, 그리고 그 사이에 테티스해(Tethys Ocean)라는 거대한 바다가 있었다고 명확히 구분지은 것이다.

뒤 토아가 베게너의 하나의 초대륙(판게아) 개념을 깨고 북반구의 로라시아와 남반구의 곤드와나라는 두 개의 거대 대륙으로 양분한 이유는 북반구와 남반구 지층에서 나타나는 암석과 화석의 성격이 완전히 달랐기 때문이다. 뒤 토아는 남반구 대륙들은 남극 근처에 옹기종기 모여 하나의 덩어리를 이루고 있었고 북반구 대륙들은 적도나 중위도 부근에 별도의 덩어리(로라시아)로 존재했음을 밝혀냈다. 베게너는 대서양 양쪽을 보며 원래 하나였다고 외친 대담한 이론가였고, 뒤 토아는 남북반구의 지층 차이를 보며 남쪽과 북쪽은 원래 따로 놀던 두 개의 세계라고 정교하게 수정했다.

현대 판 구조론은 두 사람의 시각을 수용하여 대륙들이 수억 년 주기로 뭉쳤다(판게아) 흩어지기를 반복한다는 초대륙 주기(Supercontinent Cycle)를 정립했다. 리처드 필드는 “현재 지질학의 최대 약점은 땅만 연구하는 것이며 지구 표면의 1/3만을 차지하는 대륙만 연구하여 지구에 관한 내용을 알아낸다는 것은 불가능하다”고 역설했다.

영국의 해양지질학자이자 지구물리학자인 프레드 바인(Fred Vine; 1939~2024)은 해저 암석의 자기(磁氣)가 현재의 지구자기장과 같은 방향으로 배열된 경우에는 그 세기가 강하게, 반대 방향으로 배열된 경우에는 그 세기가 약하게 나타난다고 말했다. 이런 내용을 골자로 하는 바인과 매슈스의 논문은 발표 당시 그다지 주목을 받지 못했다. 그 이유는 당시 과학자들은 지구 자기장이 뒤바뀐다거나 해저가 확장한다는 사실을 받아들이기 주저했기 때문이다.

변환 단층이란 판이 만들어지지도 소멸하지도 않으면서 판이 서로 스쳐가며 운동 형태가 유지변환된다는 의미에서 붙은 이름이다. 바인은 바다 밑 얼룩말 줄무늬를 발견한 사람이다. 고지자기 대칭을 의미하는 얼룩말 같은 줄무늬는 판 구조론의 결정적 단서다. 판이 해령 축에서 멀어질수록 암석의 나이가 많아지며 줄무늬가 대칭을 이룬다는 것은 해령에서 새로운 지각이 끊임없이 태어나 양쪽으로 밀려 나가고 있음을 설명하는 결정적 증거였다.

와다치대, 베니오프대, 자바리츠키대 등의 명칭이 있다. 이는 연구자인 와다치(일본), 베니오프(미국), 자바리츠키(러시아)의 이름을 딴 명칭이었다. 판구조론에서 판이 소멸하는 구체적인 현장을 지칭하는 용어들이었는데 지금은 논란을 잠재우기 위해 섭입대라 부른다. 자바리츠키는 지진 데이터를 통해 경사 지진대를 물리적으로 처음 발견한 인물이라기보다 와다치, 베니오프가 발견한 지진대 데이터를 바탕으로 화산과 섭입 메커니즘의 유기적 관계를 세계 최초로 완벽하게 정립해 낸 인물이다.

과학사의 관점에서 와다치, 베니오프의 섭입대 발견은 미적분학(뉴턴과 라이프니츠), 산소(프리스틀리와 라부아지에), 해왕성(아담스와 르베리에)의 사례와 궤를 같이하는 완벽한 '공동 발견(Multiple discovery)'으로 보아야 한다. 공동 발견이란 이전의 연구나 서로의 연구에 전혀 영향을 받지 않고, 완벽하게 독자적인 상태에서 동일한 진리를 찾아내는 것을 말한다.

판(Plate)이라는 용어 자체를 전 세계에서 아예 처음 쓴 사람은 1965년 변환단층을 제안한 존 투조 윌슨이었다. 윌슨은 지구 표면의 거대한 껍데기를 Plate라고 묘사했다. 하지만 윌슨의 '판'이 단순한 지질학적 기술(묘사)에 가까웠다면 댄 맥켄지의 '판'은 수학적 법칙과 강체(Rigid body)의 물리학을 덧입힌, 진정한 의미의 '이동하는 단위'로 격상된 개념이었다. 이 때문에 과학계는 맥켄지의 1967년 논문을 기점으로 현대 판구조론(Plate Tectonics)이 비로소 완성되었다고 평가한다.

판은 지각과 다르다. 판은 지각보다 규모면에서 더 크다. 맨틀 바닥에 도착한 차가운 덩어리가 핵 주변의 뜨거운 물질을 옆으로 밀어내면 밀려난 뜨거운 하부 맨틀의 물질은 상승한다. 이처럼 물질이 상승하는 통로를 플룸이라 하며 플룸은 지표면에서 열점으로 표현된다. 하부 맨틀에서 올라오는 물질의 상승류는 규모가 엄청나게 크기 때문에 이를 특히 거대한 상승류라 한다.(229 페이지) 판구조론(Plate Tectonics)은 한 명의 천재가 하루아침에 완성한 것이 아니라 50년이 넘는 시간 동안 수많은 학자들의 독립적인 발견과 연구가 쌓여 완성된 현대 지질학 최고의 ‘공동 합작품’이다.