지구 생태계에 대기가 미치는 영향

지구 생태계에 대기가 미치는 영향

지구 생태계에 대기가 미치는 영향

눈에 보이지 않지만 우리 주변에 공기 분자들이 쉴 새 없이 돌아다니면서 모든 곳을 때리고 그때 압력이 가해지면 그 공기압력을 우리가 대기압이라고 부른다고 했습니다. 즉 이 방안의 기압은 두 가지 이유 때문에 존재합니다. 첫째는 우리 주변에 공기분자들이 빽빽하게 모여 있기 때문입니다. 둘째는 이 공기분자들이 가만히 있지 않고 쉴 새 없이 움직이고 있기 때문입니다. 그런데 생각해보면 이것들도 역시 당연하지 않습니다. 두 번째 이유에 대해서 먼저 생각해 볼까요. 우리가 보통 공을 던지면 아무리 탄력이 좋은 공이라도 벽에 몇 번 부딪치면 점점 속력이 줄어들고 결국에는 바닥에 가만히 정지 있게 됩니다. 그런데 어떻게 공기 분자는 1초에도 수백 번씩 벽과 부딪히는데도 그 속력에 전혀 줄어들지 않고 계속 이 방안을 돌아다닐 수 있을까요? 그 참 이상한 일입니다. 이것에 관해서는 제가 나중에 열에 대해서 배울 때 다시 한번 생각해 보도록 하고 일단 넘어가겠습니다.

공기분자들 모여 있는 이유

첫 번째 이유로 돌아가서 그 공기분자들은 왜 이 방 안에서 밖으로 나가지 않고 이렇게 빽빽하게 모여 있는 것일까, 여기 창문도 열려 있고 여기 문틈으로도 충분히 빠져나갈 수 있는데 말입니다, 네 그렇습니다. 밖에 나가 보더라도 역시 거기에도 공기 분자들이 많이 있기 때문입니다. 그래서 방 안에서 일부 공기분자들이 빠져나가겠지만 그만큼 거의 비슷한 수가 또 밖에서 방 안으로 들어와서 이 전체 숫자가 유지되고 있는 거죠. 그럼 이제 방 바깥으로 나가 보겠습니다. 우리가 뻥 뚫린 평원에 가보면 바닥은 땅으로 막혀 있지만 저기 위쪽 하늘은 뻥 뚫려 있습니다. 우리가 알기로 이 우주에는 무한한 공간이 펼쳐져 있습니다. 그런데 왜 공기는 저 멀리 흩어지지 않고 이렇게 땅 아래에서 맴돌고 있는 걸까요? 그렇습니다, 바로 지구의 중력 때문이죠. 지구는 질량을 가진 모든 물체를 자기 쪽으로 끌어당기는데 공기분자들도 예외가 아닙니다. 공을 던지면 어느 정도 올라가다가 결국엔 다시 땅으로 떨어지듯이 기체 분자도 어느 정도는 위로 올라갈 수 있지만 즉 지구에서 어느 정도 멀어질 수 있지만 결국은 다시 지구 표면 근처로 가까워집니다. 그래서 우리 주위에 이렇게도 많은 공기 분자들이 머물러 있는 것입니다. 지구의 대기 중에 두께는 약 16km라고 합니다. 지구 반지름이 6400km니까 그것의 약 400분 1입니다. 이 지구본에다가 대기층을 표시한다고 하면은 아주 얇은 막이 되는 거죠. 우리는 이 얇은 공기층 안에서 살아가고 여기서 조금만 벗어나면 숨이 막혀 살지 못합니다. 저는 예전에 어디 놀러 갔을 때 작은 연못 안에서 살아가는 물고기들을 보면 참 불쌍하고 위태로워 보였습니다. 만약에 비가 안 와서 이 물이 마르면 어떻게 될까 , 지나가던 사람이 담배꽁초라도 던져놓으면 물고기는 그 오염물을 꼼짝없이 다 마시고 살아가야 할 텐데 참 가엽다, 그에 비하면 우리 인간은 이렇게 물속에 갇혀 있지 않고 자유롭게 돌아다닐 수 있으니까 정말 좋구나, 그러나 이게 틀린 생각이더라고요. 물고기가 물 안에서만 살 수 있듯이 우리 인간도 사실은 대기라는 아주 얇은 제한된 공간 안에서만 살 수 있습니다. 누군가가 대기층 안에 있던 우리를 들어 올리면 바로 질식합니다. 그리고 지구 저편에서 공기를 오염시키거나 미세먼지를 일으키면 우리도 꼼짝없이 그걸 다 마셔야 합니다. 우리 안에 우리들의 운명도 연못 안에 물고기와 그렇게 다르지 않은 거 같습니다. 그래서 우리 주위에 이렇게 공기가 풍부한 것은 중력 때문이라고 했는데요. 만약에 지구에 중력이 약했다고 하면 지금보다 훨씬 더 적은 양의 기체만 남아 있을 테고 대기압은 지금의 기압보다 더 줄어들었겠죠. 이렇게 지구를 감싸는 16km의 공기층을 우리는 매일 이불처럼 덮고 살아갑니다.

기압의 세기

공기가 아무리 가볍다지만 16km나 되는 두께가 주는 무게가 꽤 상당하겠죠. 그것이 바로 우리가 느끼는 대기압의 크기고 지구에서 느끼는 이 기압을 대기압이라고 부릅니다. 우리 머리 위에 얹혀 있는 이 공기 기둥의 무게를 계산해보면 대략 1,000kg이 됩니다. 1톤이죠. 그래서 여러분은 길을 걸어 다닐 때 매일 여러분의 몸 위로 1톤의 무게를 짊어지고 살아가고 있는 것입니다. 과학에서는 대기압을 이렇게 10의 5승 10만이죠 10만 뉴튼 퍼 스퀘어미터라고 씁니다. 그리고 이것을 1기압이라고 부르는 것입니다. 그래서 1 기압은 1미터 가로 1미터, 세로 1미터의 큰 네모 상자를 생각해, 네모 사각형을 생각했을 때 그 면적 위에다가 10만 뉴턴의 힘이 가해진다는 뜻입니다. 10만 뉴턴의 힘이 어느 정도이냐,라고 그걸 알아야 되는데요. 우리가 슈퍼에서 보통 살 수 있는 1리터의 생수 있죠. 여기에 물을 가득 채우면은 이게 1kg입니다. 1kg의 질량을 지구가 당기는 힘이 바로 10 뉴턴입니다. 그래서 곱하기 10을 해주면 됩니다. 즉 그렇게 생각해 보면 10만 뉴턴이라는 것은 10,000kg에 무게에 해당합니다. 100 뉴턴은 10kg 무게에 해당하고요. 즉 다시 돌아가 보면 이 1 기압이라는 것은 1제곱미터의 면적 위에 10,000kg 무게가 얹혀 있는 것과 같습니다. 머리와 어깨 정도의 면적이라면 1톤의 무게가 얹혀 있는 거죠. 만약에 손바닥만 한 면적이라면 여기 위에 100kg의 무게가 얹혀있는 것이 바로 대기압이 누르는 압력입니다. 여러분 손바닥 위에 100kg 몸무게를 가진 사람이 올라간다고 생각해 보십시오. 엄청나게 고통스럽겠죠. 우리 공기가 주는 무게가 사실 그 정도로 엄청나게 큽니다. 대기압이 이렇게 큰데도 우리는 평소에 아무렇지도 않게 이렇게 손을 들 수가 있는 걸까요. 100kg의 이 엄청난 무게를 어떻게 우리가 이기고 손을 올릴 수가 있을까요. 그것은 아래에서도 똑같은 힘으로 똑같은 대기압이 밀어주고 있기 때문입니다. 만약에 그래서 우리가 두 힘이 상쇄돼서 별 차이를 못 느끼는 거죠. 만약에 제 손바닥의 아래에 있는 공기를 누군가가 갑자기 확 사라지게 한다면 제 손은 이렇게 땅바닥에 내리꽂고 말 것입니다. 모든 방향으로 압력을 받고 있는 데다가 태어날 때부터 그런 환경에서 살다 보니까 우리 몸이 익숙해져서 기압을 의식하지 못하고 살아가고 있는 것입니다.

대기압 존재 실험

역사적으로 1657년 마그데부르크, 독일의 마그데부르크의 시장이었던 오게 리키라는 사람이 있었는데 이 사람이 직접 진공펌프를 만들었고 사람들에게 대기압의 존재가 어떤 것인가 이것을 보여주기 위한 실험을 했습니다. 구리로 만든 두 개의 반구를 맞춘 후에 그 안에 있는 공기를 펌프를 통해서 빼내고 양쪽에서 말들이 잡아당기게 했습니다. 열여섯 마리의 말이 동원 되어서야 겨우 이 반구를 뗄 수가 있었고 그때 엄청난 폭발음이 들렸다고 합니다. 그때서야 사람들이 대기압이라는 게 이렇게 엄청나구나,라고 깨닫게 되었습니다. 여기에는 마그데부르크 반구보다 훨씬 작은 공 원판이 있습니다. 내부 압력을 내부 공기를 최대한 빼내고 내부의 아주 적은 양의 공기만 남아있는데요. 양쪽에서 당겨 보겠습니다. 떼기가 굉장히 힘듭니다. 이 내부가 완벽한 진공이라고 생각하고 아까 대기압을 이용해서 계산해보면 이 면적에 대해서 대기압이 누르는 힘이 약 200 뉴턴입니다. 이제 계산이 가능하신가요 200 뉴턴이라는 말은 20kg 무게에 해당합니다. 엄청난 무게죠, 그 무게로 공기가 나오지 않도록 잡고 있는 겁니다. 이런 경우 쉽게 떼는 방법은 전체를 동시에 떼내려고 하지 말고 한쪽 끝만 살짝 벌리는 거죠. 공기가 들어가면은 이렇게 쉽게 빠집니다. 이런 식으로 대기압에 정면으로 대향 하는 대신에 대기압을 활용하는 이런 방법을 사용하는 것이 좋습니다. 자, 여러분 공기에도 무게가 있을까요? 한번 이런 실험을 상상해 보시기 바랍니다. 1리터짜리 페트병 내부를 준비하고 내부의 공기를 다 빼 내 가지고 진공으로 만듭니다. 뚜껑을 다 닫고요. 이렇게 해서 저울에다 재보니까 0. 1kg이 나왔다고 해 봅시다. 그다음에 여기에 이제 물을 가득 채웁니다. 1리터 안에 있는 물의 질량이 1kg이기 때문에 저울에 재면은 이제 이 케이스의 질량까지 더해져서 1. 1kg이 되었습니다. 이제는 물을 빼내고 대신 대기 중에 공기를 채운 다음에 질량을 한번 재보면 얼마가 나올까요? 실제 측정을 해보면 0. 101kg에 가깝습니다. 즉, 진공상태에 비해서 0. 01kg이 늘어난 거죠. 물 1L가 1kg이었는데 공기 1L는 0. 01kg 또는 1g입니다. 1g은 여러분이 보통 티스푼으로 물을 한번 떠냈을 때 그 물의 무게에 해당합니다. 우리는 이렇게 말할 수 있습니다. 공기는 같은 부피의 물보다 1,000배 정도 가벼운 거죠. 어떻습니까? 여러분이 생각했던 것보다 공기가 실제로도 무거운가요 아니면 가벼운가요? 제 경우에는 예전에 공기가 이렇게 무겁다는 사실을 알고서 깜짝 놀랐습니다. 물에 비해서 그 무게가 말도 안 되게 작을 것이라고 생각했거든요. 이렇게 물은 대기보다 1,000배 더 밀도가 크다고 했습니다. 단순히 이 비유를 받아들인다면 16kg의 공기 기둥이 만들어내는 압력은 그 1,000분의 1인 16m의 물기둥이 만들어낸 압력과 같아야 합니다. 하지만 대기층에서는 윗부분으로 갈수록 밀도가 점점 더 줄어들기 때문에 대략 물기둥 10m와 비슷한 압력을 갖습니다.

대기압이 가지고 있는 힘

즉, 1기압이 어느 정도냐,라고 했을 때 우리는 물기둥 10m가 내리누르는 압력이다. 이렇게 말할 수가 있겠습니다. 그럼 우리가 실제로 물속 10m 깊이를 잠수하면 어떻게 될까요? 대기가 누르는 1 기압의 압력이 물의 표면을 누르고요. 그다음에 10m의 물기둥이 누르는 압력이 거기에 더해지기 때문에 물속에 있는 사람은 총 2 기압의 압력을 받게 됩니다. 그래서 잠수하는 사람은 온몸에 더 큰 압박을 느끼고, 실제로 두 배의 압박을 느끼는 거죠. 허파도 위축됩니다. 이렇게 물속 10m 아래로 내려갈 때마다 수압이 1 기압씩 상승한다는 것을 염두에 두시면 되겠습니다. 가끔 기압에 대해서 이야기할 때 학생들이 이런 질문을 합니다. 사람이 발을 땅에 딛고 서있으면 위에서 눌러주는 공기만 있고 밑에서는 더 이상 받쳐주는 공기가 없으니까 땅에서 발을 떼기가 굉장히 힘들어야 되지 않는가, 이런 질문입니다. 아주 좋은 질문인 것 같습니다. 발을 잘 보시면 우리가 알다시피 이렇게 빈틈이 많이 있죠. 여기에 공기가 존재하기 때문에 여전히 아래에서 밀어주는 힘이 존재합니다. 땅과 거의 밀착해 있다고 생각되는 부분도 실은 발바닥에 있는 미세한 주름 때문에 그 사이에 공기들이 들어가 있어서 아래를 받쳐줍니다. 발 위에는 이렇게 16km에 해당하는 공기 기둥이 있고 발아래에는 아주 작은 양의 공기가 있는데 그 힘의 차이가 있지 않을까요?라고 생각할 수 있는데 그렇지 않습니다. 공기의 양이 중요한 게 아니라 공기가 밀어내는 압력의 크기가 중요한데요. 위에서 짓누르는 대기압이 그대로 바닥 위에 존재하는 모든 공기에 그대로 전해져 가지고 발바닥 아래에 있는 공기도 여전히 같은 압력을 공유합니다. 그래서 아무리 미세한 틈에 있는 공기라도 대기압과 똑같은 크기를 갖는 것이죠. 물론 발바닥과 땅바닥이 이런 고무판처럼 아주 매끄러워가지고 둘 사이가 거의 빈틈없이 밀착되는 경우라고 한다면 바닥에서 발을 떼는 게 굉장히 힘들어지겠죠. 이렇게 대기압이 갖고 있는 힘이 어느 정도인지 한번 예측을 해보았습니다.