차시명: 9주차 제1강

주제: 제 4장 태양 에너지, 1부 – 물의 순환

[slide #1]

동기 유발:  앞 장에서 지구 내부 에너지가 어떠한 일을 하는지, 그로부터 우리 인간이 어떤 이득을 얻으며, 또 이러한 이득을 얻는 과정에서 어떠한 부작용이 생기는지 알아보았습니다. 이러한 지구 내부에너지와 함께 지구를 '살아있는 지구'로 만드는 에너지원이 태양입니다. 태양에너지는 물을 위시한 여러 물질들의 순환 원동력이며, 이러한 순환에 따른 물질의 풍화, 침식, 그리고 퇴적의 원인이 되는 에너지입니다. 태양에너지는 또한 지구상의 생명체가 존재할 수 있도록 하는 에너지입니다. 태양에너지를 받아 합성이 진행되고 이렇게 합성된 유기물을 모든 생명체가 먹이 거미줄을 통해서 섭취하며 생명을 유지시킵니다. 이 장에서는 태양에너지가 일으키는 물의 순환과 그로인한 풍화, 침식, 운반, 퇴적, 이에 더해 물의 증발과 강수에 필연적으로 수반되는 홍수와 가뭄, 그리고 사태에 대해 알아보도록 하겠습니다.

학습 목표: 물의 특성, 중요성 및 역할에 대해 파악하자

강의 타이틀: 4-1. 물의 순환

안녕하십니까? 이번 시간에는 물의 순환에 대해 알아보겠습니다.

[slide #2]

물은 지구 지표상에 가장 많이 존재하는 분자입니다. 물 분자는 2개의 수소원자와 1개의 산소원자로 구성되며 H2O라는 간단한 화학식을 가집니다. 이 그림에서 보듯, 두 수소가 산소와 결합한 각도가 약 105o로 V자 형태를 이룹니다. 이와 같은 비대칭 구조 때문에 물 분자는 부분 양극(수소)과 부분 음극(산소)을 갖는 극성을 띱니다.  물의 극성은 물과 다른 지구 구성 물질, 즉 광물이나 유기물과 같은 물질과의 반응 정도를 결정하는 주요한 인자입니다.  물과 지구 구성 물질 간의 반응이란 용해, 풍화, 변질, 광화작용 등인데, 좀 더 이온성을 띠는 물질일수록 물과의 반응이 더 잘됩니다.

예를 들어, 어떤 지역에 규암과 석회암이 있다고 하면, 빗물에 의해 선택적으로 석회암이 주로 용해됩니다. 석회암은 방해석으로 규석은 석영으로 주로 이루어져있는데, 탄산염광물은 이온성이 매우 높은 광물인 반면 석영은 이온성이 매우 낮기 때문입니다.

[slide #3]

(설명에 따라 해당 부분 진하게)

물의 특징을 좀 더 살펴보면 다음과 같습니다.

① 물은 상온 및 상압에서 물질의 3상(기체,액체,고체)이 모두 존재하는 유일한 물질입니다.

② 물은 천연적으로 바다를 이룰 만큼 다량의 액체로 존재하는 유일한 무기물입니다.

③ 물은 액체 중에 비열이 가장 큰 물질입니다.  이는 위 3상이 모두 존재하는 특성과 함께 조금 뒤에 말씀 드릴 지구 자원 환경적 중요성과 매우 큰 관련이 있습니다.

④ 액체인 물이 얼면 체적이 팽창하면서 고체인 얼음이 되는데 얼음은 물보다 밀도가 작아 고체가 액체 위에 뜨는 유일한 물질입니다

[slide #4]

(설명에 따라 해당 부분 진하게)

물은 위와 같은 물리화학적 특징을 가질 뿐만 아니라 생명에 관련된 다양한 특성을 가지고 있습니다.

① 물은 지구상의 생물체가 탄생한 곳입니다. 지구는 다른 행성에는 거의 발견되지 않은 물이 풍부하게 있으며 표면의 대부분(70%)이 물로 덮여있어 흔히 지구를 Water Planet(물의 행성) 혹은 Blue Planet(푸른 행성)라고 부릅니다

② 우리 몸의 3분의 2는 물입니다. 이 가운데 1~2% 부족해도 심한 갈증을 느끼고 10%가 손실되면 탈수되어 사망합니다.

③ 사람은 음식없이는 몇 주간 버티지만 물 없으면 단 5일도 생존하기 어렵습니다.

④ 세상에 다른 물질은 대체할 수 있지만(예를 들어 석유대신 석탄, 석유대신 지열에너지 등), 물은 대체제가 없습니다.

⑤ 세계보건기구(WHO)가 밝힌 바에 따르면 인류 질병의 80% 이상이 물과 관계된다고 합니다.

[slide #5]

(설명에 따라 해당 부분 진하게)

이런 특징을 갖는 물은 무엇보다도 지구 자원 환경 측면에서 특별히 중요한 역할을 합니다.

우선 앞서 잠깐 업급하였던 것처럼, 물은 고체-액체-기체 간의 상변화와 높은 비열 때문에 지구 기후 조절에 매우 중요한 역할을 합니다. 세계 곳곳에 비를 내리고, 기온이 너무 높지도 낮지도 않게 막아주며, 기온이 급격하게 변하지 않도록 조절합니다.  예를 들면 여름에 태양이 내리 쬐어 기온이 상승하려하면 물이 열에너지를 흡수하고, 액체에서 기체로 기화하며 열에너지를 소모하여 가파른 기온 상승을 막아줍니다.  겨울에는 반대의 현상이 일어납니다.  만일 지구 상에 물이 없었다면, 지구 기후는 지금보다 훨씬 뜨겁고 차갑게 급변하였을 것이고, 이는 생물에게 치명적이어서 생명의 탄생이 불가능할 수도 있었을 것입니다.

물은 지구상의 많은 생명체가 살아갈 소중한 보금 자리입니다. 지구 표면의 70%를 차지하는 물, 즉 바다에는 미생물부터 거대 생물까지, 떠다니는 것, 헤엄치는 것, 기어 다니는 것, 그리고 흙속으로 파고들어 가는 것 등 너무나 많은 종류의 생물들이 살아가고 있습니다.

물은 그 자체로 소중한 자원입니다. 물은 우리가 직접 마시기도 하고, 공업과 농업등의 산업에 꼭 필요합니다. 이 밖에도 물은 레저와 조경 등의 목적으로도 사용됩니다.

물은 매우 중요한 자원의 보고입니다. 바다로부터 얻는 막대한 양의 많은 광물, 에너지 자원, 그리고 식량 자원 등, 우리에겐 어느 것 하나 없어서는 안되는 것들입니다.

물은 지구에서 매우 활발하게 순환입니다.  이 과정을 통해 광물, 유기물, 및 기타 다른 물질들의 순환에 매우 중요한 매개체 역할을 합니다. 이미 암석에 대해 배울 때, 암석의 순환에 물이 어떻게 중요한 역할을 하는지 살펴보았습니다.

[slide #6]

(설명에 따라 해당 부분 진하게)

이렇게 소중한 물은 그러면 어디에서 온 것일까요? 이미, 지구의 탄생에 대해서 살펴볼 때, 지구상의 물이 어떻게 생겼는지에 대해 간략하게 설명하였었습니다만, 사실 지구상의 물의 기원이 무엇인지 혹은 왜 다른 태양계 행성과 달리 지구에 물이 많은 것인지에 대한 과학적 설명은 지금까지 명쾌하지는 않습니다. 그러나 지금까지 주장되고 있는 몇 가지 유력한 주장을 소개하면 다음과 같습니다.

① 초기의 지구가 충분히 냉각되어 대기 중의 가스가 붙잡혀 안정화되고 물을 보유할 수 있게 되었다는 것.

② 소행성대 외각에서 온 물을 다량 함유한 혜성이 지구와 충돌하여 대양에 물을 공급하였다는 것.

③ 박테리아의 광합성 혹은 광물작용에 의해 생화학적으로 생성되었다는 것.

④ 지구의 암석내의 수화광물로부터 서서히 물이 배출되었다는 것.

⑤ 광분해가 지표상 화학적 결합 고리를 끊었다는 것.

등이 있습니다.  여러 가지 학설 중에서 현재 활동하는 혜성과 같은 것에 의해 지구상의 물이 모두 공급되었을 것이라는 주장은 동위원소 조성을 포함한 과학적 증거와 맞지 않다고 하며 지구 생성 초기부터 상당량의 물은 존재하였다고 합니다.

물은 지구상 표면과 지하의 도처에 존재합니다. 비교적 얕은 지하 심도에 물이 많으며, 지하 심도가 깊어질수록 물은 적어집니다. 물은 최대 약 4km 심도까지 존재하는데 0~800 m 구간에 약 50%가 그리고 800m~4 km 구간에 나머지 50% 부존한다고 알려져 있습니다.

[slide #7]

물을 유형별로 살펴보면 해수, 육지수, 빙하/얼음/눈, 및 수증기로 나누어 볼 수 있습니다.  육지수는 다시 지표수와 지하수로 구분됩니다.

[slide #8]

물을 조성에 따라 구분하면 염수와 담수로 나눌 수 있는데, 염수의 대부분은 해수이고, 육지수 중의 일부 즉 염지하수와 염호수가 염수입니다.

물의 구성 비를 살펴보면,  지구 상 물의 거의 대부분, 즉 96.5%가 해수이고, 담수는 2.5%에 불과합니다. 그리고 그 담수의 대부분인 69%가 우리가 경제적으로 이용하기 어려운 빙하 및 만년설로 되어 있습니다. 인간이 사용 가능한 수자원의 형태는 대부분 땅 밑에 지하수의 형태로 저장되어 있습니. 담수 자원 중 그 나머지 1.3% 정도가 지표수 및 기타 담수인데, 우리나라 사람들이 일반적으로 많을 것이라고 생각하는 지표수 및 담수 호수의 물은 담수 자원 중 0.3%에 불과합니다. 그러나 지표수는 물의 총량은 적으나 순환속도가 빨라 유용한 수자원이 될 수 있습니다.

지금까지 살펴본 다양한 유형의 물은 끊임 없이 서로 순환합니다. 물의 순환을 흔히 우리는 수문순환, hydrologic cycle이라고 하는데 물이 바다(호수) 등에서 대기로 증발하였다가 지상에 강수(비, 눈 등)로 하강하여 하천유출, 용천, 지하수의 형태로 다시 바다 등으로 유입되는 과정을 반복합니다. 이러한 수문순환의 과정에서 풍화 침식 퇴적 등의 지질 작용이 일어나고, 홍수, 가뭉, 사태 등의 자연 재해가 일어납니다.

물을 순환시키는 가장 중요한 에너지는 태양에너지입니다. 기본적으로 증발을 일으키는 것은 태양열 때문입니다. 바다나 호수에서 대기 중으로 올라간 수증기는 무거워지면 지구중력에 의해 지표로 내려오게 되는데 이것이 강우, 강설입니다. 이렇게 내려온 물은 지하로 들어가 지하수가 되기도 하고 식물에 의해 흡수되기도 합니다. 또 강이나 호수에 내려온 물은 사람에 직접 이용되기도 하지만 결국 하천을 통하여 원래의 바다로 돌아갑니다. 미세규모에서 보면 모세관 현상도 물 혹은 수분을 움직이는 동력이 되기도 합니다.

[slide #10]

전 세계적으로 보면 물은 매년 32x1013 m3 (320조톤) 정도가 바다에서 대기로 증발되고 그리고 6x1013 m3(60조톤) 정도가 육지에서 대기로 증발된다고 합니다. 또 매년 물은 38x1013 m3(380조톤) 정도가 하늘에서 육지 및 바다로 강하하며, 그 중에서 25%인 9.3x1013 m3(93조톤)의 물이 육지에 내려 담수가 된다고 합니다.

물은 여러 가지 다양한 경로로 순환을 하게 되는데 그러며 원래의 자리로 돌아오는데(이것을 수문순환 주기라고 한다) 얼마나 걸리는 것일까요? 사실 하나 하나의 물 분자가 마다 수문순환의 주기는 매우 다를 것입니다. 그러나 일반적으로 물이 한번 순환하는데 걸리는 시간은 빠르게는 수 시간 길게는 수 백년이 걸린다고 합니다. 특히 극지방의 영구빙설 혹은 빙하는 말 그대로 한번 순환하는데 수 만년 이상의 매우 긴 시간이 필요합니다.

[slide #11]

물이 한 위치에서 머무는 시간을 우리는 체류시간(residence time)이라고 하는데 체류시간이 길면 수문순환의 주기도 깁니다. 대기 중의 수증기는 대체로 약 9일의 체류시간을 가지며 지하수의 경우 수천~수만년의 체류시간을 보일 수도 있습니다. 예를 들어 비교적 투수성이 좋은 제주도의 지하수는 20~50년의 체류시간을 보이지만 호주 사막 대찬정 분지의 지하수는 1백 만년 이상의 체류 시간을 보입니다.

여기 이 표는 물의 형태에 따른 평균 체류시간을 정리한 것입니다. 이 표를 읽을 때 주의하실 것은 평균 체류시간이라는 것입니다. 각각 경우에 따라 이 평균 시간보다 훨씬 짧을 수도, 혹은 훨씬 길 수도 있습니다.

지금까지 물의 특성과 지구자원환경적 중요성, 물의 분포 그리고 물의 순환에 대해서 얘기하였습니다. 다음 시간에는 범람에 대해 얘기해 보겠습니다

안녕히 계십시오

[끝]

심화토론:

우리나라의 수자원 이용 실태에 대해 조사해봅시다.  어떤 유형의 물을 얼마나 사용하고 있습니까? 강수량, 수자원 확보량과 사용량을 비교하고, 우리가 물을 충분히 확보하고 있는지 토론해 봅시다.