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물리·화학·생물·지학
◇ 물리
흔희 과학은 시사성이 없다고 생각하기 쉬우나 올해는 국내외적으로 과학적 이슈들이 많아 여러 각도에서 질문이 들어올 가능성이 높다. 그중 몇 가지만 살펴보자.
① 외나로도 우주센터 건립
정부는 2005년까지 전남 고흥 외나로도에 우주센터를 건설하겠다고 발표했다. 저궤도 위성은 보통 지상 수백km 상공에서 주기적으로 돌기 때문에 주로 지상관측에 이용한다. 따라서 중위도 지방인 우리나라에서 발사해도 로켓의 연료 소모량에는 큰 차이가 나지 않는다. 반면 무궁화위성과 같은 방송통신용 위성은 적도 3만600km 상공에 쏘아올려야 하므로 적도면에 가까운 발사장에서 쏘는 게 훨씬 유리하다. 그렇다면 우주센터 건립 예정지가 왜 외나로도인가?
예정된 우주센터는 태평양 서부 바다를 향해 위성을 발사할 때 15도 각도의 너비를 확보할 수 있다. 이곳에서 위성을 발사하면 발사체의 1단계 잔해물은 우리 영해인 제주 인근 해역에 떨어진다. 위성은 계속 오키나와 상공을 지난 뒤 2단계 잔해물이 필리핀 동부의 태평양으로 낙하한다. 3단계 잔해물은 거의 다 불에 타지만 뉴기니아에 못 미친 태평양에 떨어질 것으로 예측된다. 이와 같이 발사시의 여러 요인을 고려한 입지선정이라 볼 수 있다.
우리나라의 고흥 우주센터는 150만평 규모의 면적 중 시설이 들어가는 면적은 고작 5만~6만평 정도다. 나머지는 안전거리 확보용이어서 자연환경 보호에도 긍정적인 역할을 하게 될 것이다.
② 세계 무역센터 수직 붕괴의 원인은?
지난 9월11일 발생한 비행기 테러로 뉴욕 세계무역센터가 붕괴된 것을 놓고 과학계에서는 여러 가지 분석이 있었다. 마치 치밀하게 계산된 건물폭파 공법을 쓴 것처럼, 건물이 옆으로 쓰러지지 않고 상층에서부터 차례대로 붕괴되었기 때문이다. 처음에는 건물에 비행기가 부딪치면서 생긴 강력한 충격으로 일부 층이 붕괴됐고, 다시 그 여파로 아래쪽에 힘이 가해져 차례로 무너졌다는 주장이 나왔다.
그러면 충돌 층의 붕괴 이후 일어난 연쇄적 붕괴 원인은 무엇일까? 이는 바로 중력에 의한 위치에너지(좀더 정확하게 말하면 운동량 증가)가 결정적인 역할을 한 것이다. 상층이 무너짐에 따라 붕괴된 상층부는 그만큼 운동량을 갖게 되고 이 운동량은 붕괴 층수가 증가함에 따라 계속 누적되므로 점점 더 큰 충격량을 하부층에 가하게 된다. 다시 말해 건물 규모가 클수록 그리고 높을수록 충격량은 더 커진다.
세계무역센터를 붕괴시킨 에너지에 대해 미국 프랭크 모스카탤리 교수가 이렇게 계산한 적이 있다. “충돌한 두 대의 여객기가 갖는 운동에너지, 항공 기름이 연소하면서 발생한 열에너지 그리고 건물이 무너지면서 생긴 중력에 의한 위치에너지가 건물 붕괴에 관여했다. 그중 가장 큰 요인은 건물 붕괴과정에서 발생한 위치에너지였다. 중력에 의한 위치에너지가 세 에너지 가운데 가장 큰 비중을 차지하는 것은 건물의 커다란 무게와 높이, 다시 말해 ‘건물의 웅장함’ 때문이다.”
< 김목연 / 종로학원강사 > i-mykim@hanmail.net
◇ 화학
현재 인류가 당면한 문제 중 화학이 해결해야 할 우선과제를 꼽는다면 화석연료의 고갈에 대비한 대체에너지 개발과 환경오염 방지일 것이다. 대체에너지원으로서 수소의 장단점과 연료전지 그리고 산성비 문제에 대해 정리해 보자.
① 대체에너지
지구상에서 거의 모든 에너지의 근원은 태양이다. 그중에서도 가장 큰 비중을 차지하는 것이 화학에너지로, 흔히 화석연료라 부르는 석유, 석탄, 천연가스 등이 여기에 속한다. 그러나 고갈 위기에 놓인 화석연료를 대체할 수 있는 물질로 수소가 주목받고 있다. 수소연료는 g당 열량이 가솔린의 3배, 천연가스의 2.5배일 정도로 우수하다. 또 지구를 뒤덮고 있는 엄청난 양의 물에서 얻을 수 있기 때문에 거의 무한대고, 연소할 때 오염물질을 배출하지 않으므로 환경오염까지 완벽하게 해결한다.
물론 수소를 연료로 상용화하는 데 문제가 없는 것은 아니다. 수소는 기체연료로 부피가 크며, 끓는점이 매우 낮아 액화가 잘 안 되기 때문에 수송과 저장에 어려움이 있다. 게다가 폭발 위험성도 다른 연료보다 매우 큰 편이며 수소를 얻는 과정에서 비용이 많이 드는 것도 수소의 상용화에 장애가 되고 있다.
② 산성비
산성비의 원인은 화석연료인 석탄, 석유 등이 연소할 때 발생하는 이산화황과 질소산화물 때문이다. 이산화황과 질소산화물은 주로 발전, 산업활동, 난방, 자동차의 사용으로 생성되며 바람을 타고 이동, 확산하다 대기 중의 빗물과 화학반응을 해 2차 오염물질인 황산과 질산을 만든다.
산성비는 호수나 지표수를 산성화해 생태계를 파괴하고 토양 속의 금속이온을 녹여 삼림을 파괴하고 시멘트 건축물, 철구조물의 부식을 촉진하는 등 피해 종류가 다양하고 지속적이며 피해지역이 광범위하다는 데 문제의 심각성이 있다.
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Keyword 1
산성비 : pH 5.6 이하인 비를 산성비로 정의하는데, 특히 pH 3.0 이하면 식물의 잎이 말라 죽는다.
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③ 연료전지
현재 개발중인 연료전지는 수소-산소 연료전지다. 원리는 수소와 산소를 반응시켜 물을 만드는 과정에서 전기를 생산하는 것이다. 연료전지는 전지라기보다 에너지 전환기라 할 수 있고, 연료(수소)와 산소가 있는 한 거의 반영구적으로 전기를 생산한다. 따라서 연료전지는 1차전지와 2차전지가 갖는 용량의 한계를 극복할 수 있다. 현재 가장 유망한 분야는 연료전지 자동차다. 기존의 전기 자동차는 충전할 때 시간이 너무 많이 걸려 극히 제한적으로 활용되나 연료전지 자동차는 수소를 충전시켜 사용하기 때문에 편리하고, 휘발유 자동차와 달리 오염물질의 배출이 전혀 없다.
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Keyword 2
1차전지, 2차전지 : 1차전지는 방전한 후 충전에 의해 본래 상태로 되돌릴 수 없는 전지를 가리키며, 2차전지는 충전·방전을 반복하여 사용할 수 있는 전지다.
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< 김태규 / 종로학원강사 > kkt0994@zaigen.co.kr
◇ 생물
① 생명공학
생명공학은 생물학, 미생물학, 생화학, 공학 등을 기반으로 생명체의 기능을 이용하여 여러 가지 유용한 물질을 생산·공급하는 기술을 연구하는 것이다. 생명공학 기술에는 유전자 재조합, 식물조직 배양, 세포 융합, 핵치환 등이 있다.
유전자 재조합 : 필요한 유전 암호를 가진 DNA를 잘라내 다른 생물의 DNA에 삽입하여 구조가 복잡한 물질인 필요한 단백질을 생산하게 하는 기술이며 이 방법을 이용하여 생장호르몬, 인터페론, 인슐린 등을 생산한다.
식물의 조직 배양법 : 고등식물의 조직 일부나 세포를 분리시킨 다음 인공배양하여 다시 개체로 만드는 기술로, 짧은 시간에 우수한 형질의 품종을 보존하면서 대량 생산할 수 있다.
세포 융합 : 서로 다른 생물의 세포를 합쳐 하나의 잡종세포(하이브리드도마 세포)를 만드는 기술로, 이 방법을 통해 두 종류 세포의 유리한 형질을 선택하여 모두 이용할 수 있다. 예를 들어 감자와 토마토를 결합한 포마토가 있다.
핵치환(핵이식) : 어떤 세포에서 핵을 꺼내어 핵을 제거한 난자에 넣어 발생시키는 기술. 대표적인 예가 복제양 돌리다.
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Keyword 1
DNA 제한 효소 : DNA를 절단하는 효소.
리가아제 :절단된 DNA를 연결하는 효소.
DNA 공여체 : 필요한 DNA를 공급하는 물질.
DNA 운반체(벡터) : 플라스미드. DNA 수용체:대장균.
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② 적조현상
지난 늦여름 남해안에서는 적조현상으로 양식어민들이 큰 피해를 보았다. 일반적으로 강·하천의 생활오수가 다량 바다로 들어오면 호기성 세균들이 오수의 유기물을 분해하여 다량의 질산염·인산염을 만든다. 여기에 햇빛과 수온상태가 적절하면 규조류·편모조류가 갑작스럽게 급증하면서 산소부족 현상이 나타난다. 즉 조류들이 죽으면 바닷물의 용존산소량이 감소해 어패류가 집단 폐사하는 것이다. 또 특히 편모조류의 시체가 증가할 때 독성물질도 함께 발생하기 때문에 해산물을 먹는 인간의 생명까지도 위협하게 된다.
< 김근호 / 종로학원강사 >
◇ 지구과학
① 달 착륙 조작설
1969년 아폴로 11호의 달 착륙이 조작이었다는 설이 끊임없이 제기되고 있다. 그 근거로 달 표면에 꽂은 성조기가 흔들리고 있었다는 것이다. 공기가 없는 달에서는 바람이 불지 않는 것이 상식. 이 조작설의 진위 여부를 떠나 달에는 왜 공기가 없으며, 공기가 없을 때 나타나는 자연현상은 무엇인지 알아보자.
기체분자는 흡수하는 태양 복사에너지가 많을수록, 기체의 분자량이 작을수록 빠르게 움직인다. 기체의 운동속도가 빠르면 그 천체의 중력을 이기고 외부로 탈출하게 된다. 이 속도를 그 천체의 이탈속도 또는 탈출속도라 한다. 탈출속도는 표면 중력이 클수록 커진다. 따라서 중력이 작고 태양에 가까워 표면 온도가 높은 지구형 행성은 대기가 존재하기 어렵고 대기가 존재하더라도 분자량이 큰 기체가 상대적으로 많다. 반면 중력이 비교적 크고 태양에서 멀리 떨어져 있어 표면 온도가 낮은 목성형 행성은 대기가 존재하기 쉽고 분자량이 작은 기체가 상대적으로 많다. 달은 지구와 비교하면 태양으로부터의 거리는 비슷하나 중력이 지구의 6분의 1이므로 대기가 존재하기 어렵다.
대기에 의한 온실효과가 없으므로 대기가 있는 경우보다 표면 온도가 낮으며 낮과 밤의 온도차도 크다.
② 단군은 실존인물인가
북한 사회과학원의 발표에 따르면 평양시 강동군에 자리한 단군릉에서 86개의 뼈와 기타 유물이 출토되었는데, 단군의 것으로 추정되는 남자 뼈의 절대연령을 측정한 결과 약 5011년 전의 것으로 확증됐다고 한다. 역사적 고찰은 접어두고 유골의 연령을 측정하는 방법에 대해 알아보자. 북한에서 사용한 절대연령 측정방법은 동위원소법이 아닌 ‘전자상자성공명법’(電子常磁性共鳴法)인데 일반적으로 유기물의 절대연령 측정에는 14C법을 이용한다.
대기 중에는 방사성 탄소(14C)와 보통 탄소(12C)의 비율이 일정하다. 살아있는 생물체 내에서는 14C가 붕괴되어 없어져도 물질대사를 통해 계속 공급받으므로 14C와 12C의 비율이 대기에서와 같이 일정하다. 그러나 생물체가 죽으면 물질대사가 정지되어 14C를 공급받지 못하므로 14C가 줄어들어 12C와의 비율이 달라진다. 따라서 대기 중의 14C와 12C의 비율과 죽은 생물체 내의 비율을 비교하면 그 생물이 죽은 후 경과한 시간을 알 수 있다.
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Keyword 1
동위원소: 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소. 물리적 성질은 다르나 화학적 성질은 같다. 이중 불안정하여 방사선을 방출하고 안정된 동위원소나 다른 원소로 변하는 것을 방사성 동위원소 또는 모원소라 하며, 이 원소가 붕괴되어 생성되는 원소를 생성원소 또는 자원소라 한다.
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Keyword 2
반감기 : 방사성 원소가 붕괴하여 처음 질량의 반(1/2)으로 줄어드는 데 걸리는 시간. 방사성 원소는 언제, 어디서나 온도와 압력의 변화에 관계없이 일정한 속도로 붕괴하여 안정된 동위원소나 다른 원소로 변한다.
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< 박희평 / 종로학원강사 > kalenara@netsgo.com
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