2000년 01월 1일
목성, 무엇을 볼 것인가
목성은 소형 망원경에게도 흥미로운 대상이며, 4~6인치 이상의 고급 망원경으로는 미묘하나마 변화하는 세부 구조를 포착할 수도 있을 것입니다. 목성은 아마튜어에게 최고의 관측 조건을 제공하는 행성입니다 - 목성을 제외한 다른 모든 행성들 각각 최고로 보일 때의 시직경을 모두 합해도 목성의 그것에는 미치지 못할테니 말입니다.
목성 표면에서는 항상 무언가 일이 벌어지고 있습니다. 최근 대적반은 점차 어두워지면서 그 이름에 걸맞는 색깔을 띠고 있습니다. 독특한 연어 빛깔로 수년 전보다 한층 눈에 잘 띱니다 - 이를 본 아내는 그레이트 오트밀 스팟이라 명명하더군요. 최근 NEB (North Equatorial Belt) 는 급격히 두꺼워지면서 동시에 붉은 빛을 띠어가고 있습니다 - 좀더 회색빛을 띠는 SEB (South Equatorial Belt) 와는 묘한 대조를 이룹니다. North Temperate Belt 는 여전히 소실된 채로 남아 있습니다. 좀더 자세히 들어가기 전에 몇가지 기본적인 내용을 짚어 보겠습니다.
Windy Chaos
목성은 끈임없는 동서풍에 의해 찢겨지기도 하면서 언제나 변화하는 구름층으로 뒤덮힌 개스 행성입니다. 소형 망원경으로 보면 양극 방향으로 좀더 납작한 원반상에서, 가장자리는 다소 희미하고, 적어도 두 개 이상의 황갈색 ‘belt’ 와 그 사이를 가르는 밝은 ‘zone’ 들로 이루어져 있습니다. 좀더 오래 들여다보고 있으면 더욱 많은 belt 들이 눈에 들어오며, 중구경 이상급에서 좋은 시상이라면 순간 소용돌이나 매듭구조 (knot) 가 시야에 나타날 수도 있습니다.
목성의 자전은 매우 빨라서 10시간이 채 안됩니다. 20 여분간 관측하고 있으면 원반 한 가운데 자리하고 있던 구조가 10퍼센트 정도 이동했음을 알아차릴 수 있습니다. 자전은 천구의 동쪽에서 서쪽 방향이며, 바꿔 말하면 천체망원경의 추적을 멈추었을 때 목성이 시야에서 벗어나 천천히 흘러 가는 쪽과 같은 방향으로 자전합니다. 목성은 그 부위에 따라 자전 속도에 차이가 있는데 적도가 가장 빠릅니다. 위도 별로 다른 속도의 엄청난 바람이 불어 때론 한 구조가 다른 구조를 밀어내기도 합니다. 어떤 대기 구조물은 돌연 자전 속도를 높이거나 늦추기도 합니다만, 대개 수주나 수개월, 길어야 수년 내에 수명을 다하고 사라지게 됩니다. 심지어 340년 동안이나 관측되어왔던 대적반 (大赤斑, Great Red Spot) 조차도 지난 수십년에 걸쳐 서서히 사그라들고 있습니다.
이처럼 목성은 매우 독특하고 다이나믹한 형상을 보여 줍니다. 안시를 기반으로 했던 관측가들이 지난 150여년간 추적 관측하며 남긴 기록들을 토대로 목성을 보다 깊이 이해하게 되었습니다. 목성 대기의 밝은 부분은 대부분 암모니아 결정체로 이루어져 있고, 이것이 다른 분자들에 의해 오염되어 - 예컨대 암모니아 황수화물 (ammonium hydrosulfide) 등이 되므로서 오렌지나 갈색을 띠게 될 것으로 추측되어지고 있습니다. 푸르스름한 마킹은 목성의 짙은 구름층에 뚤린 구멍으로, 그 속을 통해 수소 및 헬륨으로 가득찬 ‘맑은’ 대기를 엿볼 수 있습니다 - 지구에서 맑은 하늘이 푸른 빛이듯 마찬가지로 목성에서도 빛의 산란에 의해 푸른 색깔을 띠게 됩니다.
Jovian Sights
목성의 대기에서 확연히 눈에 띠는 것은 NEB 와 SEB 입니다. 대적반은 SEB 와 South Tropical Zone 사이에 수박씨처럼 끼어 있습니다. 대적반이 SEB 속으로 파고 들어간 홈을 Red Spot Hollow 라고 부릅니다. 목성의 적도를 둘러싸고 있는 Equatorial Zone 에는 간혹 사선 방향의 줄무늬가 나타나 그 밝기가 변화해 갑니다. 회색빛의 얇은 Equatorial Band 는 드물게 눈에 띱니다. 각 Belt 와 Zone 을 휘젓는 불규칙한 모양새의 소용돌이나 매듭 구조, 폭풍들 따위는 몇가지 카테고리로 나누어 명명되었으며, 가장 흔한 것들을 정리해 보면 다음과 같습니다.
- Oval: 백색, 회색, 혹은 적색을 띠고 모양새는 대적반을 닮았으나 그보다는 작은 구조물입니다. Belt 와 Zone 상에 모두 나타날 수 있고, 특히 South Temperate Belt 상에서 자주 출몰하는 white oval 은 목성에서 가장 밝은 무늬로 관측되어지곤 합니다. 그 가운데 가장 오랫동안 지속되어 왔던 거대 white oval 은 BA 라 명명된 것으로, 2000년 무렵에 두 개의 소규모 oval 인 BE 와 FA 가 융합되면서 생성되었습니다. Red oval 도 간헐적으로 North Temperate Belt 근처에서 보고되는데 적도를 중심으로 대적반과 반대에 위치한 또하나의 소형 대적반처럼 보입니다. 이들은 모두 목성의 대기를 휘젓고 다니는 폭풍들입니다.
- White Spot: white oval 에 비해 더 작고 원형에 가깝습니다. 대략 갈릴레오 위성이 목성 표면에 드리우는 그림자의 크기 만합니다.
- Festoon: Belt 로부터 Zone 을 향하여 대각선 방향으로 뻗은 푸르스름한 기운의 얇은 줄무늬를 일컫습니다. Zone 을 통과하여 Belt 와 Belt 를 서로 잇기도 합니다.
- Rift: Belt 안에 나 있는 밝은 선들을 일컫습니다. 최근 NEB 속에서 빠른 속도로 자라나는 rift 들이 관측되고 있습니다.
- Bar/rod/barge: 특히 어두운 물질들로 이루어진 짧은 선들을 가리킵니다.
- Knot: Belt 안에서 울퉁불퉁하게, 때론 매듭 모양으로 두꺼워진 모양새를 말합니다.
Making Observations
안시관측에서 중요한 점은 오래, 많이 볼 수록 더 많은 것들이 눈에 들어온다는 것입니다. 이건 아이피스 속을 오래 들여다보면서 시상이 좋아지는 순간들을 더 많이 접하기 때문만은 아닙니다. 난해하고 순간 지나가 버리는 세부 구조들, 그것이 허상은 아닌지 확인하는데는 시간이 걸리기 마련입니다. 숙련된 관측자와 자신의 망원경으로 잘 보이지 않는다고 투덜거리는 일반 ‘관망가’ 와의 차이는 이처럼 관측에 투자하는 시간이라고 해도 과언이 아닙니다.
수일 밤동안 목성을 관측한 이후 스케치를 해 보십시오. 양극 방향의 길이가 적도의 92% 정도로 짧은, 납작한 타원형을 그린 다음 보이는 것들을 연필로 그려나갑니다. 가장 커다란 구조들을 대충 위치시킨 후, 세부를 표현해 나갑니다. 스케치를 하는 행위 자체가 좀더 집중케 하고 더 많은 것들이 보이도록 해 줍니다. 스케치 하기에 너무 많은 것들이 보인다면, 흥미있는 부분만을 집중적으로 그려도 좋겠습니다.
백여년 전, 아직 사진이 대중화되지 않았을 때 과학자들은 스케치에 많은 비중을 두어 훈련을 하였습니다. 극히 최근까지도 유독 행성 천문학 분야에 있어서만큼은 안시관측의 성능이 사진을 압도하였는데, 그 이유는 카메라의 경우 고배율의 시야 속에서 급격히 변화하는 대기에 의한 상의 왜곡에 시달릴 수 밖에 없었기 때문입니다.
The Great Webcam Takeover
마침내 안시관측은 웹캠 이미징이라는 만만찮은 적수를 맞닥들이게 되었습니다. 웸캠의 비디오 프레임은 시상을 ‘프리징’ 시킬 수 있을 만큼 충분히 빠르고 저렴하면서 가볍기까지 하여 행성 사진의 촬영에 적합합니다. 몇 분동안 촬영한 비디오의 수천 프레임으로부터 샤프한 이미지들을 (소프트웨어를 이용하여) 수백 장이나 선별해 내어 중첩시키므로서 이미지의 노이즈를 줄이고 콘트라스트를 높이면서 필름이 할 수 있는 그 이상의 보정을 가할 수 있습니다. 결국 고급 아이피스 한 개 값 정도만 투자하여 웹캠을 구입하므로서 중대형 천체 망원경과 포터블 컴퓨터를 보유한 사람이라면 누구나 세계적 수준의 행성 사진을 얻을 수 있게 되었습니다. ALPO (Association of Lunar and Planetary Observers) 나 BAA (British Astronomical Association) 의 웹사이트에는 상당한 수준의 목성 이미지들이 연일 게재되고 있습니다.
Transit Timings
지난 백여년 간 목성의 안시관측에 있어서 중심은 ‘transit timing’ 이었습니다. 목성 대기의 특정 구조가 자전하다가 원반의 정중선 (CM, central meridian) 을 지나치는 시간을 말하며, 이를 통해 그 구조의 경도 (latitude) 를 가늠할 수 있었습니다. 이 작업은 안시로도 충분하여, 누구나 5분 정도의 오차 내로 transit time 을 결정할 수 있고, 숙련자는 2분 내로 정밀도를 기할 수 있습니다. 현재 우리가 이해하고 있는 목성 대기의 역학은 수많은 아마튜어들이 transit timing 을 첨부하여 시행해 온 관측 기록에 도움받은 바가 큽니다.
그런데 이 분야에 있어서도 웹캠 이미징이 선호되어지고 있습니다. ALPO 의 목성 세션 코디네이터인 Richard Schmude Jr. 氏 는 목성 대기의 특정 구조를 기록하면서 여전히 안시로 transit timing 을 할 때도 있지만, 대부분 이미지 상에서 직접 경도를 얻는 방법을 많이 쓰게 되었다고 합니다. 다만 목성이 태양이나 지평선 상에 가깝게 위치할 때는 시상이 워낙 좋지 않아 사진을 찍기 어려우므로 이 경우에는 안시를 통한 transit timing 이 중요한 방법으로 남아있습니다. ALPO 목성 세션의 멤버인 John McAnally 氏 또한 안시 transit timing 의 중요성을 강조하면서, 카메라가 없다는 이유로 아마튜어 천문이 한계에 닫는 일은 있어서는 안될 것이라 하였습니다.
목성의 스케치나 이미징에 있어서 관측 당시의 정중선에 위치한 목성의 경도를 함께 기록해 넣는 것은 필수라 할 수 있습니다. 사실 그 어떤 고정된 지표도 갖고 있지 않은 개스 행성 상에서 ‘경도’ 를 논한다는 것이 억지스럽게 들리기도 합니다.
오래전부터 다소 임의로 목성의 자전 속도를 정의하고 이에 맞추어 특정 구조의 위치를 결정하는 방법이 사용되어져 왔습니다. 두가지 표준 자전 속도가 정의되어 있는데, Equatorial Zone 에 적용할 수 있는 System I 과 그 외의 지역에서 사용되는 System II 가 그것입니다. System I 의 자전 속도는 9시간 50분 30.003초, System II 는 그보다 5분 가량 더 긴 9시간 55분 40.632초로 결정하였습니다. 이와 같은 방법으로 특정 시간에 정중선을 통과하는 System I/II 각각의 경도를 정할 수 있으며, 각종 천문 소프트웨어나 천문력, 웹사이트 등지에서 그 값을 얻을 수 있습니다. 한편 대적반이 정중선을 통과하는 시간 (UT, 세계표준시) 과 관련된 정보 또한 얻을 수 있습니다.
Next Steps
의미있는 목성 관측 방법과 그 결과를 리포트하는 법에 이르기까지 많은 정보를 ALPO 의 목성 섹션이나 BAA 등지에서 접하실 수 있습니다. 세계 각지의 아마튜어들이 최근 촬영한 이미지들과 커맨트를 보고 본인의 관측 결과와 비교해 볼 수도 있을 것입니다.
목성의 관측 호기 내내 정기적으로 많은 관측 시간을 투자한다면 미세하나마 새로운 변화가 나타났을 때 훨씬 눈에 잘 띠게 될 것입니다. 그 순간 전 세계에서 유일하게 목격하고 있는 것일지도 모릅니다.
Dynamic Jupiter, An Observing Guide: Alan M. MacRobert. Sky & Telescope. May 2005.
2000년 1월 1일 21시 39분 01초, albireo에 의해 작성됨
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크레이터의 해부
크레이터란?
달의 표면에 숭숭 잘도 뚫려있는 무수한 구덩이들, 바로 크레이터입니다. 이를 분화구라고 부르면 안되겠지요. 분화구 噴火口 는 화산에서나 적합한 말입니다. 크레이터는 혜성이나 작은 소행성들이 충돌하고 남긴 상처이지요. 그런데 자세히 들여다보면 크레이터들의 크기와 모양이 온통 제각각입니다. 어떤 것은 꼭 사발처럼 동그랗고 깨끗하게 파여있는가 하면, 어떤 것은 무지막지하게 거대하고 가장 깊숙한 한가운데에 작은 봉우리가 솟아있기도 합니다. 자, 그럼 이런 크레이터들은 어떻게 만들어 지는지 살펴보겠습니다.
소행성은 일정한 질량을 가지고 굉장히 빠른 속도로 움직이고 있습니다. 이 움직임에 갑작스런 제동을 거는 것이 바로 충돌이겠지요. 소행성이 갖고 있던 엄청난 운동에너지 (이 에너지는 소행성이 클수록, 그리고 속도가 빠를 수록 훨씬더 커집니다.)가 충돌과 더불어 순식간에 사라져버리면 안되겠지요? 에너지는 불변한다고 배웠으니까요. 곧 모두 다른 형태의 에너지들로 - 예컨대 엄청난 압력, 빛과 열, 엄청난 소리와 같은 - 바뀌어버립니다. 이렇게 충돌 에너지가 다른 형태의 에너지로 효과적으로 바뀌면서 남기는 흔적이 바로 크레이더입니다.
작은 크레이터
어느 정도 크기의 물체가 지표와 빠른 속도로 충돌하면, 그 물체와 지표 사이에는 엄청난 크기의 압력, 즉 충격파 shock wave 가 발생합니다. 충격파는 땅을 파고 드려고만 합니다. 초속 10km의 속도로 충돌이 일어나면 순간 일어나는 충격압력은 지구 대기압의 수백만배에 달합니다. 이 정도의 압력이라면 다이아몬드와 같은 아주 단단한 바위도 순간 1/3의 크기로 짜부러 뜨릴 수 있습니다.
충격파는 물체와 지표가 맞다은 바로 그 지점에서 시작합니다. 만약 충격파만 있다면, 그리고 이를 저지하는 아무런 힘이 없다면 충돌 물체는 지구를 뚫고 반대편으로 빠져나오겠지요. 그러나 지표면은 곧 이에 반격을 가합니다. 지표면이 충격파에 역으로 가하는 힘을 감압파 decompression wave 라고 부릅니다. 충돌 당시에는 충격파가 우세하여 지표면이 깊이 파였지만 곧이어 생겨난 감압파가 충격파와 비슷한 힘으로 맞서게 됩니다.
이렇게 되면 더이상 땅이 파이지 않고 대신, 이제 양 옆방향으로 파먹어 들어가게 됩니다. 이 과정도 그리 오래 가지 않아 곧 주위 바위들의 단단함에 굴복하여 멈추게 됩니다. 충격파가 사그라들면서 모든 과정이 끝납니다. 대부분의 작은 대접모양의 크레이터들은 이렇게 만들어졌습니다. 크레이터의 밑바닥은 충돌시 마치 액체처럼 녹아내린 충돌물체의 잔해들로 얇게 코팅됩니다.
큰 크레이터
이보다 좀더 큰 물체가 충돌하면 앞서 언급한 내용과 같은 과정으로 크레이터가 생긴 직후, 깊숙이 파인 크레이터 주위의 벽이 안쪽으로 허물어져 내리게 됩니다. 지구의 경우 부드러운 퇴적암에 생긴 직경 3km 이상의 크레이터나, 이보다 단단한 땅의 경우 4km 이상급에서 대부분 이와같은 흔적을 보입니다. 어떤 커다란 크레이터들은 벽이 허물어져 내리면서 방사상의 고리 모양으로 구겨진 듯한 모습을 보이기도 합니다.
이렇게 벽이 허물어져 구덩이 한가운데 싸이면서 중앙에 작은 언덕 하나 central peak 를 만들어 놓습니다. 거대한 크레이터에서 흔히 볼 수 있는 중앙 언덕은 충돌 직후 지표면의 반사작용에 의해서도 생깁니다. 대부분 이 두가지 원인이 복합되어 생겨났을 것입니다.
고 유진슈메이커 박사는 주위 산맥이 내측으로 허물어져 있고 한가운데 언덕을 형성한 분지구조를 보면, 이것이 화산운동으로 생긴 칼데라가 아니라 바로 충돌에 의해 생긴 지형임을 알 수 있다고 하였습니다.
충돌의 결과
커다란 소행성이나 혜성이 단단한 지면과 충돌하면 크레이터가 생기는 것 외에 훨씬 엄청난 일들이 일어납니다. 직경 10km인 천체가 지구와 충돌했을때 방출되는 에너지는 지구에서 일어날 수 있는 가장 큰 규모의 지진의 5배를 넘습니다. 결국 거대한 지진과 화산 활동, 상상을 초월한 헤일 (만약 바다에 떨어졌을 경우)이 이어지며 산성비, 대기 중을 가득 매운 먼지입자로 인한 태양광의 차단, 지상 식물의 광합성 차단, 먹이사슬의 붕괴가 뒤따를 것입니다. 다행히도 태양계가 성숙되어가면서 이러한 충돌 회수가 많이 줄어들었으나, 하지만 완전히 없어지지는 않았습니다.
2000년 1월 1일 21시 34분 39초, albireo에 의해 작성됨
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지구의 탄생과 역사, 그 대역사
어머니의 별, 태양이 희미하게 빛나기 시작하다
약 50억년전 은하계에서 별 하나가 초신성 폭발을 일으켰습니다. 별의 죽음을 뜻하는 초신성 폭발은 별의 탄생의 시작이 되기도 합니다. 초신성 폭발에 의한 충격파는 주위의 가스를 압축했습니다. 그 후 가스에 밀도의 불균형이 생기고 수축을 시작하여 별이 탄생되었던 것입니다. 마침내 은하계의 한 구석에서 별 하나가 탄생하였습니다. 우리 태양의 탄생이었던 것입니다. 우주 공간을 떠도는 가스가 모여 수축해 나가면 내부가 고밀도 고온도가 됩니다. 그러면 중심부에서 수소와 수소가 결합하여 헬륨이 되는 핵융합이 일어나고 대량의 에너지를 발생하여 원시 태양이 빛나기 시작하는 것입니다.
원시 태양이 수축해 나가는 과정에서 주위에 남은 가스는 별의 회전에 의하여 서서히 원반 모양으로 되어갔습니다. 이것이 원시 태양계 성운입니다. 원시 태양계 성운에서는 먼지가 모여 미행성이 만들어졌습니다. 원시 태양계 성운 그리고 미행성에는 초신성 폭발에 의하여 만들어진 무거운 원소가 많이 포함되어 있었습니다. 드디어 지구가 탄생할 준비가 마련된 것입니다.
46억년전 미행성이 충돌, 합체하여 지구가 탄생하다
약 46억년 전 빛을 내는 태양의 주변은 가스나 먼지가 원반 모양으로 둘러싸고 있었습니다. 마침내 이 가스와 먼지의 층이 분열하여, 10조 개 정도의 미행성이 태어났습니다. 현재의 지구 궤도 부근에서는 지름 약 10km, 무게 약 1조 톤의 미행성이 100억 개 정도 존재하였다고 추정되고 있습니다. 미행성은 충돌과 합체를 되풀이하여 조금씩 성장해 갔습니다. 그리고 크기가 어느 정도에까지 이르면, 그 성장은 가속적으로 빨라졌습니다. 중력이 증가함에 따라 더욱 많은 미행성을 끌어당기고 충돌에 의하여 흩어지는 파편도 흡수해 나갔습니다. 현재의 절반 정도의 크기에 도달한 원시 지구에는 1년 동안에 평균 1000개 이상의 미행성이 충돌하였다고 생각됩니다.
최초로 집적된 미행성에는 금속이나 암석 성분이 많이 포함되어 있었습니다. 집적 말기에는 현재의 혜성과 비슷한 얼음으로 이루어진 미행성도 충돌하였습니다. 이와 같은 얼음의 미행성에는 탄소나 수소, 질소, 산소 등 생명의 재료가 되는 물질이 포함되어 있었습니다.
두꺼운 대기 아래로 마그마의 바다가 펼쳐지다
미행성은 초속 수 km에서 십수 km 정도의 놀라운 속도로 원시 지구와 충돌했습니다. 미행성이 충돌한 지점은 1만6000K 정도의 초고온이 되었습니다. 미행성이나 원시 지구의 물질은 녹거나 증발하거나 하였습니다. 물질이 녹음으로써 밀도가 높은 금속철 성분은 원시 지구의 중심으로 침강하게 되고 핵이 형성되었습니다. 증발한 가스는 두꺼운 대기를 만들어갔습니다.
원시 지구 대기의 80%는 수증기, 나머지는 일산화탄소와 질소로 이루어져 있었다고 생각됩니다. 만일 대기가 없다면 충돌에 의한 열에너지는 곧바로 우주 공간으로 도망쳐 버립니다. 그러나 강력한 온실 효과를 가진 수증기를 주성분으로 하는 지구의 원시 대기는 열을 지표 부근에 가둬 나갔습니다. 마침내 암석이 녹기 시작하는 1500K를 넘자 마그마의 바다가 퍼져 나갔습니다. 만일 열이 저장되기만 하였다면 지표 온도는 1만K를 넘고 물질은 모두 가스가 되어 지구는 가스의 행성이 되고 말았을 것입니다. 그러나 마그마의 바다가 수증기를 흡수하거나 토해 내거나 함으로써 온실 효과가 조절되어 지구의 기온은 일정한 수준으로 유지되었습니다.
화성 크기의 천체가 충돌하여 달이 생기다
달은 반지름이 지구의 약 27% 인데 이는 태양계의 다른 위성에 비해서 매우 큰 편입니다. 달의 기원은 아직도 수수께끼이지만 최근에는 거대 충돌설이 주목을 받고 있습니다. 지구가 형성되고 얼마 지나지 않을 무렵 화성 크기의 천체가 얕은 각도로 충돌하여 달이 생겼다는 것입니다. 화성의 반지름은 지구의 약 절반입니다. 충돌로 지구의 일부가 부서지고, 충돌한 천체는 산산조각이 나고 그 파편이 지구 주위에 흩어졌습니다. 그 파편이 다시 모여 달이 생겼다고 생각하고 있습니다.
거대 충돌설은 달의 암석의 화학 조성의 특징을 잘 설명할 수 있습니다. 또 지구상에는 물이나 대기가 풍부하게 존재하는데, 태양으로부터의 거리가 변하지 않는 달에 물이나 대기가 존재하지 않는다는 것도 설명할 수 있습니다. 충돌한 원래의 천체에 물이나 증발하기 쉬운 물질이 있었다고 해도 충돌에 의한 열에너지로 우주 공간으로 날아가 버렸다고 생각되기 때문입니다. 태어났을 당시의 달과 지구의 거리는 현재보다 훨씬 가까웠습니다. 지구 반지름 약 6400km의 수배 정도로 추정되고 있습니다. 지구에서 달은 현재의 10배 정도의 크기르 보였을 것입니다.
대기 중의 수증기가 큰비가 되어 바다를 형성하다
원시 지구가 성장함에 따라 미행성의 충돌 횟수는 점점 감소되어 갔습니다. 마침내 지표와 대기는 냉각되기 시작했습니다. 마그마의 바다 위에 얇은 껍데기처럼 원시 지각이 만들어졌습니다. 그와 동시에 대기에 포함되어 있던 대량의 수증기가 큰비가 되어 지표로 내리쏟아지고 바다가 형성되었습니다. 대기의 최상층부에서는 태양에서 내리쬐는 강한 자외선으로 수증기는 자꾸만 산소와 수소로 분해되었습니다. 그러면 가벼운 수소의 대부분은 우주 공간으로 흩어져 버렸습니다. 다행히도 지구에서는 수증기가 모조리 다 분해되기 전에 지표가 식고 비가 내려 바다가 생긴 것입니다.
그러나 바다가 그대로였다면 마침내 다 말라 버렸을 것입니다. 태양이 점점 그 빛남을 증가해 나갔기 때문입니다. 바다가 말라 버리지 않았던 것은 대륙 지각이 형성되었기 때문입니다. 그 이전의 바다는 산성이었는데 대륙의 물질이 바다에 녹아들어가 중화되었습니다. 이렇게 해서 온실 효과를 가져오는 대기 중의 이산화탄소가 바다로 녹아들어가는 일이 가능해졌습니다. 태양 광도가 상승하면서 더욱 많은 비가 내렸습니다. 그 결과 대기 중의 이산화탄소가 바다에 흡수되고 기온의 상승을 막았습니다. 이러한 역되먹임 체계가 완성되고 기온이 안정되어 바다가 존속할 수 있게 되었습니다.
40억년전, 최초의 생명이 탄생하다
최초의 생명이 태어난 것은 약 40억년 전으로 보고 있습니다. 현재의 바다 밑에는 고온의 열수를 내뿜는 열수 분출공이라 불리우는 장소가 있습니다. 생명체가 탄생한 것은 이러한 장소였을지도 모릅니다. 현재의 열수 분출공에서는 분출하는 황화수소나 메탄 등을 산화시켜 생체 에너지를 얻고 있는 세균이 많이 자라고 있으며, 태양광의 광합성에 기초를 둔 것과는 별도의 생태계가 퍼져 있습니다.
최초로 탄생한 생명은 이러한 세균에 가까왔을 것입니다. 원시의 바다는 바다 전체가 열수 분출공과 같은 상태에 가까웠기 때문입니다. 생명의 재료는 크게 생체를 구성하거나 기능을 발휘하게 하는 단백질과 유전 정보를 담당하는 핵산으로 나눌 수 있습니다. 단백질은 핵산의 정보에 의해 만들어지고 그 단백질의 작용에 의하여 핵산이 만들어집니다.
그렇다면 어느쪽이 먼저 태어난 것일까요? 원시의 바다에서는 우선 생명의 재료 물질에서 단백질과 핵산이 만들어졌습니다. 다음에 단백질과 핵산은 생체 에너지를 생산하는 대사 기능이나 자손을 남기는 자기 복제 등의 기능을 가지도록 각각이 독자적으로 진화하였다고 생각됩니다. 마침내 단백질과 핵산은 공생하고 원시 생명이 탄생한 것입니다.
광합성 생물이 대기에 산소를 공급하다
생명은 진화하고 마침내 광합성을 하는 생물이 나타났습니다. 광합성 생물은 태양 광선을 이용하여 이산화탄소와 물을 분해하여 스스로의 몸인 유기물을 만들고 폐기물로서 산소를 방출하였습니다. 현재의 대기는 질소가 약 79%, 산소가 약 21%입니다. 그러나 원시 지구의 대기에는 산소는 포함되어 있지 않았습니다. 산소의 발생과 축적은 광합성 생물의 존재를 빼놓고는 생각할 수가 없습니다. 25억-20억년 전에 얕은 바다에서 스트로마톨라이트 등이 크게 번식하여 대기 중으로 산소를 방출하였습니다. 스트로마톨라이트는 남조의 생물 집단입니다.
그 무렵 왜 지표 부근의 얕은 바다에 광합성 생물이 크게 번식하였는지 그 이유는 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 27억년 전경, 지구의 강한 자기장이 생겼기 때문이라고 생각하는 사람도 있습니다. 그때까지의 지표로는 태양이나 우주에서 생물에게 해로운 높은 에너지 입자가 내리 쏟아지고 있었습니다. 그 높은 에너지 입자가 강한 지구 자기장에 의하여 차단되어 얕은 바다에도 생물이 진출하는 일이 가능해졌습니다. 자기장은 지구의 핵에서 발생되고 있다고 믿어지고 있습니다. 핵은 금속으로 이루어지고 고체의 내핵과 액체의 외핵으로 갈라집니다. 외핵의 액체 금속이 대류하여 막대 자석과 같은 작용을 하여 자기장이 생기게 된 것입니다.
19억년전 초대륙이 처음으로 나타나다
대륙 지각은 적어도 40억년 전에 형성되었습니다. 대륙 지각은 화강암으로 이루어져 현무암으로 되어 있는 해양의 지각보다 가볍습니다.. 지각과 맨틀의 최상부는 한몽이 되어 단단한 판으로 이루어져 있습니다. 현재의 지구 표면은 십수 장의 판으로 덮여 있습니다. 판은 중앙 해령이라고 불리는 해저 산맥에서 태어나고 이동하여 해구에서 다른 판 아래로 침강합니다. 가벼운 대륙 지각은 판의 움직임에 따라 이동합니다.
현재의 맨틀 내부에는 침강한 판이 맨틀의 바닥까지 떨어져 들어가는 거대한 하강류 (cold plume) 와 맨틀의 바닥에서 솟아 오르는 거대한 상승류 (super plume)이 존재한다고 합니다. 이러한 플룸은 약 27억년 전부터 발생하였다는 설이 있습니다. 이 경우 콜드 플룸이 외핵에 규픽적인 대류를 일으켜 자기장을 발생시켰다는 것이 됩니다. 콜드플룸은 한 곳에 모이는 성질이 있기 때문에 거대한 콜드 플룸에 이끌리는 것처럼 대륙이 한 곳에 모이게 되고 약 19억년 전에 초대륙이 탄생하였다고도 합니다. 그 후 대륙은 이합 집산을 되풀이하여 15억년전, 10억년전, 7억-5억년전, 2억 5000만년전에 초대륙이 형성되어 갔다고 보고 있습니다.
불가사의한 모습을 한 생물들이 나타나다
바다에서 탄생한 생명은 긴 시간에 걸쳐 단세포 생물에서 다세포 생물로 진화하였습니다. 동물로 볼 수 있는 생물이 등장한 것은 약 6억년전 선캄브리아기 말입니다. 이 시대는 에디아카라 생물군이라 불리는 수수께끼의 생물들의 낙원이기도 하였습니다.
에디아카라 생물군은 당시 지구의 바다에 폭넓게 분포하고 주로 따스하고 얕은 모래 바닥에 서식하고 있었습니다. 어느 것이나 모두 편평한 형태로 골격이나 껍데기가 없는 연한 몸을 하고 있었습니다. 크기는 1cm 정도의 것부터 1m나 되는 것까지 있었습니다. 몸의 내부에는 소화기 등의 구조가 없고 피부를 통하여 물질 교환을 하고 있었다고 생각됩니다. 에어 매트처럼 액체가 든 공간이 벽으로 칸막이가 처진 구조를 하고 있었다는 설도 있습니다. 에디아카라 생물군은 현재의 생물과는 동떨어진 형태를 하고 있어서 직접적인 조상이 아닐 가능성이 높습니다. 어떠한 계통에 속하는 생물인가에 대한 논쟁이 계속되고 있습니다.
5억 5000만년전 이후 에디아카라 생물군은 거의 그 모습이 사라지고 맙니다. 멸종 이유도 잘 알려져 있지 않습니다. 그 후 교대하는 것처럼 골격을 갖춘 다세포 동물의 급격한 진화가 시작되었습니다.
폭발적인 진화가 일어나고 생물이 다양해지다
약 5억 4000만년전 캄브리아기에 바다속에서 생물의 진화나 다양화, 확산이 진행되어 다세포 생물이 폭발적으로 증가하기 시작하였습니다. 생명의 역사에서의 대사건의 하나로 캄브리아기의 폭발이라 불리고 있습니다. 생물이 단단한 골격을 갖추어 화석으로서 남기 쉬워졌기 때문에 당시의 모습이 밝혀지고 있습니다. 현재와 같은 육식 동물을 포함하는 복잡한 생태계가 형성되어 갔습니다.
그 중에서 가장 기묘하다고 할 수 있는 생물군이 버제스 혈암 동물군입니다. 약 5억 3000만년전의 퇴적물인 버제스 혈암에서 발견되었습니다. 이 동물군에는 현재의 생물과는 아주 동떨어진 것이 존재합니다. 비늘과 가늘고 긴 가시로 덮여 있는 것, 한 쌍의 촉수와 몸의 좌우에 지느러미를 갖춘 것 등, 기묘한 형태를 한 동물이 많이 살고 있었습니다. 진화의 역사에서 그들이 차지하는 위치는 아직 분명하지 않습니다. 버제스 혈암 동물군 유형의 화석은 세계 곳곳에서 발견되고 있으며 5억년전 무렵에는 멸종되어 버렸다고 생각되고 있습니다. 바닷속에서는 생물의 번영과 쇠퇴가 되풀이되었습니다. 4억 8000만년전에는 최초의 척추동물인 원시 형태의 어류가 등장하였습니다.
생물이 바다를 떠나 육지로 올라가기 시작하다
생물의 육상으로의 진출이 시작되었습니다. 바다의 광합성 식물이 방출한 산소가 축적되고 대기의 상공에 오존층이 형성되었습니다. 오존층은 태양 광선에 포함된 유해광선을 흡수하여 육지는 생명이 살 수 있는 신천지가 되었습니다. 바다는 심한 생존 경쟁의 마당이 되고 생물은 살아 남기 위한 행동으로서 본능적으로 육지를 향하게 되었다고 생각됩니다. 우선 4억 2000만년전에 식물이 진출하였습니다. 그 후 곤충이나 육질의 지느러미를 가진 어류, 양서류가 상륙을 마쳤습니다. 육상 진출은 강을 통하여 이루어졌다고 보고 있습니다.
척추동물의 경우 체내의 염분 농도를 조절할 수 있고 강의 흐름에 거슬러 올라갈 수 있는 고도의 유영 능력을 획득한 것이 먼저 담수역으로 진출하였습니다. 동시에 육상의 중력에 견딜 수 있는 단단한 골격이 형성되었습니다. 뼈는 생존에 필요한 인산과 칼슘의 보존 장소이기도 하였습니다. 그리고 아가미 호흡을 폐호흡으로 바꿈으로써 상륙이 가능해진 것입니다. 척추동물의 육상 진출은 3억 6000만년전 경으로 생각되고 있습니다. 육상의 환경은 다양성이 풍부하였습니다. 지표의 온도 폭은 바다보다 넓고 지형도 해안에서 산까지 높낮이의 차이가 있었습니다. 환경이 다양해지면 생물은 그것에 적응할 수 있도록 진화합니다. 육상에서 생존의 장을 넓히면서 생물은 그 수와 종류를 늘려 나갔습니다.
급속하게 번영한 파충류를 환경 변동이 덮치다
육상에 진출한 생물에게는 번영이 기다리고 있었습니다. 식물은 거대해지고 대삼림이 형성되어 지구는 녹색의 행성으로 변하였습니다. 약 3억년 전에는 양서류에서 파충류가 탄생하였습니다. 양서류는 피부가 건조해지기 쉽고 알을 물속에 낳기 때문에 물가를 떠날 수가 없었습니다. 그러나 파충류는 피부가 건조에 강하고 알에는 껍데기가 있었습니다. 그래서 육상에서의 서식지를 급속히 확대하여 다양하게 진화해 나갔습니다.
2억 5000만년전, 지구에는 팡게아라는 초대륙이 있었습니다. 그것은 현재의 지구상의 모든 대륙을 하나로 합친 정도의 크기였습니다. 당시의 지구에는 포유류와 비슷한 형태의 포유류형 파충류가 등장해 있었습니다. 네 다리의 형태가 향상되어 다른 파충류보다 운동성이 뛰어났습니다. 온혈성을 획득하고 있었다고도 생각되고 있습니다. 포유류는 이들 그룹에서 진화하였습니다.
포유류형 파충류는 2억 4500만년전인 페름기 말에 거의 멸종되고 말았습니다. 이 무렵 지구 환경에 지대한 영향을 미칠 정도의 폭발적인 화산 활동이 일어났다는 것이 알려져있습니다. 페름기 말의 환경 변동은 해양에도 그 영향을 미쳐 많은 생물들이 멸종하였습니다.
생물의 대량 멸종이 수차례나 되풀이 되다
해저는 생물의 사체로 메워졌습니다. 2억 4500만년전 페름기 말에 대량 멸종이 일어난 것입니다. 그것은 화석 기록에 남은 것 중에서 최대의 것이라고 합니다. 이때 바다에서 서식하던 무척추동물들은 최고 96%가 멸종된 것으로 추정되고 있습니다. 이 대량 멸종의 원인으로서 한랭화와 산소의 감소 등을 꼽을 수 있습니다. 당시 폭발적인 화산 활동이 일어나 대기 중으로 먼지가 방출되어 태양 광선이 차단되고 지구의 한랭화가 진행되었습니다. 육지나 수중에 서식하는 식물의 광합성도 억제되어 산소가 감소되었습니다. 이로써 많은 생물이 멸종에 이르게 되었다는 설이 나오고 있습니다.
생물의 대량 멸종은 지구상에서 몇 차례 되풀이 되었습니다. 5억년전 고생대 캄브리아기 말부터 따지면 그것은 13회나 일어났습니다. 그 가운대에도 4억 3500만년전 오르도비스기 말, 3억 6000만년전 데본기 말, 2억 4500만년전, 2억 500만년전 트라이아스기 말, 6500만년전 백악기 말의 멸종은 특히 그 규모가 큽니다. 이들을 5대 멸종이라 부르고 있습니다. 대량 멸종 다음에는 생물의 새로운 진화가 시작되었습니다. 즉 생명의 역사는 진화와 멸종의 역사였던 것입니다.
거대화된 공룡이 지상에 군림하다
지구는 육상의 파충류 공룡이 지배하는 시대로 옮겨 갔습니다. 공룡은 약 2억 2800만년전 트라이아스 후기에 나타났고 그 후 약 1억 6000만년간에 갈쳐 번성했습니다. 특히 2억 500만년 전 이후의 쥐라기라 불리는 시대에는 온난하고 안정된 기후에서 많은 공룡이 대형화 되었습니다. 전체 길이가 20m가 넘는 목이 긴 초식 공룡인 용각류나 전체 길이 12m의 육식 동물 수각류도 나타났습니다. 바다에서는 수장룡이나 어룡, 하늘에서는 익룡 등의 파충류도 번성하고 있었습니다. 1억 3500만년전에 시작된 백악기에는 용각류의 대부분이 사라지고 쥐라기와는 다른 타입의 초식 공룡이 나타났습니다. 공룡도 영고성쇠를 반복하고 있었던 것입니다. 속씨식물도 백악기에 나타났습니다.
최근 아프리카 남부에서 약 1억 4500만년전에 운석이 충돌하여 생겼다고 볼 수 있는 거대한 크레이터가 발견되었습니다. 정확히 쥐라기 말에 해당하는데 이것이 공룡에 어떠한 영향을 미쳤는지도 모릅니다. 공룡만큼 번영하고 오랫동안 지구를 지배한 동물은 없습니다. 조류는 공룡의 자손이고 공룡은 지금도 새의 모습이 되어 살아 있다고 생각하는 연구자도 있습니다.
포유류의 조상은 공룡 시대를 꿋꿋하게 살아 남았다
약 8000만년전 백악기 후기의 울창한 숲에서 육식 공룡이 새로운 먹이를 발견하였습니다. 목표가 된 것은 몸길이 30cm 정도의 작은 포유류였습니다. 우리 포유류의 조상은 이미 공룡 시대부터 서식하고 있었습니다. 이들은 주로 야행성으로 평상시에는 공룡의 눈이 미치기 어려운 구멍 속이나 수목의 그늘 등에 숨어 있었다고 생각됩니다. 공룡이 지배하는 지구에서 포유류는 현재와 같은 번영을 누릴 수 없었습니다.
맨 처음 포유류가 등장한 것은 2억 3000만-2억 500만년 전의 트라이아스기 후기로까지 거슬러 올라갑니다. 파충류의 일종에서 갈라진 것으로 쥐와 비슷한 형태를 하고 있었습니다. 몸무게에 대한 뇌의 비율은 공룡을 훨씬 웃돌았고 귀의 기능도 더욱 발달되어 있었습니다. 다음의 쥐라기 백악기를 거치는 동안 포유류는 계속해서 자손을 남겨 다양한 종류가 탄생하였습니다. 공룡 시대의 포유류는 식물이나 곤충 등의 작은 동물을 잡아먹고 살았습니다. 틈을 봐서 공룡의 알을 훔쳐 먹는 일도 있었다고 생각됩니다. 공룡이 지배하는 지구에서 포유류는 착실하게 자신의 역사를 새겨 나갔습니다.
거대 운석의 충돌로 지구의 환경이 크게 변화하다
공룡의 번영에 종말이 찾아왔습니다. 6500만년전 백악기 말의 지구에 큰 환경 변동이 일어났고 공룡은 그 이후 사라져 버렸습니다. 공룡 멸종의 원인으로서 유력한 것이 거대 운석 충돌설입니다.
현재의 중앙 아메리카 유카탄 반도의 지하에서 거대한 크레이터의 존재가 확인되었습니다. 이 크레이터야말로 백악기 말의 지구와 충돌하여 지구 환경을 크게 변화시킨 거대 운석에 의한 것으로 생각되고 있습니다. 운석의 크기는 지름 10km이고 초속 수십 km의 속도로 지구에 충돌하였습니다. 충돌의 충격은 두께 30km의 지각을 뚫고 나가 맨틀에까지 이르렀을 것입니다. 암석은 순간적으로 증발하여 먼지와 함께 대기 중에 뿜어 올라갔습니다. 그것은 진한 황산의 구름이 되어 태양 광선을 차단시켰습니다. 급격한 기온 저하가 일어났기 때문에 태양 광선이 부족하여 식물은 광합성을 할 수 없게 되고 초식동물이나 육식동물은 얼어 죽거나 굶어 죽거나 하였습니다. 해양 생물에도 큰 피해가 있었습니다. 이 충돌의 겨울은 수년에서 10년 가까이나 계속되었다고 생각됩니다. 백악기 말에 멸종한 것은 공룡 뿐만이 아니었습니다. 지구상에 있던 생물 중의 70% 이상이 멸종된 것으로 보고 있습니다. 공룡이 있던 시대를 대표하는 동물의 대부분이 지구에서 사라져 버린 것입니다.
포유류에 의한 새로운 시대의 시작
대규모 환경 변동을 극복하고 공룡 멸종 이후 가장 번영한 것은 포유류였습니다. 공룡 시대의 포유류는 주로 야행성이었기 때문에 충돌의 겨울과 같은 어두운 환경에 유리했는지도 모릅니다. 구멍 속의 삶은 환경 변화의 영향을 덜 받았을 것입니다. 공룡의 멸종에 의하여 생태계의 최상층에 공백이 생기고 거기로 포유류가 진출하였습니다. 진화, 적응의 새로운 기회가 포유류에게 온 것입니다.
포유류의 특성은 체온을 일정하게 유지하고 새끼에게 젖을 먹이고 키우는 일입니다. 그래서 기온의 변화에 좌우되지 않고 다양한 환경에서 확실하게 자손을 남길 수 있었습니다. 새로운 환경으로의 진출은 더욱 다양화를 가져왔습니다. 포유류는 급속히 그 세력을 넓혀 나갔습니다. 4500만년 전에는 몸길이 3m에 이르는 대형화된 것도 나타났습니다. 6500만년 전에 시작된 신생대의 지구는 포유류가 지배하는 행성으로의 변모를 완성하였습니다. 그러나 그 가운데에는 이미 멸종되어 현대에 와서는 볼 수 없는 종도 많습니다. 자연 도태가 반복되고 서서히 현대에 이르는 생태계가 형성되어 나갔습니다.
2000년 1월 1일 21시 34분 04초, albireo에 의해 작성됨
외계행성/외계생물학 •
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