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세상🌏을 움직이는 분자의 마법🎇│선을 넘는 과학자들

현대 사회에서 에너지 문제는 점점 더 중요한 이슈로 부상하고 있습니다. 특히 재생에너지의 활용과 저장, 그리고 이를 통한 연료의 전환은 미래를 위한 필수적인 과제로 여겨집니다. 물분자를 전기분해하여 수소와 산소로 분리하고, 이 과정에서 생성된 수소에 태양에너지로부터 얻은 전력을 저장하는 기술은 '그린 수소'라는 이름으로 불리며 주목받고 있습니다. 이러한 그린 수소는 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지 자원으로, 다양한 플랜트와 모듈형 시스템을 통해 대량 생산이 가능해지고 있습니다. 이산화탄소와 수소를 결합하여 메테인과 같은 탄화수소 연료로 전환하는 기술은 에너지 저장과 활용의 새로운 가능성을 제시합니다. 수소의 저장과 운송이 어렵다는 한계를 극복하기 위해, 이산화탄소를 활용한 연료 변환 반응이 연구되고 있습니다. 이 과정에서 생성되는 다양한 연료와 화학물질은 기존의 석유 기반 연료와 유사한 성능을 보이며, 실제로 경유와 비교해도 품질 면에서 손색이 없습니다. 촉매의 종류에 따라 생성되는 물질이 달라지기 때문에, 다양한 산업적 응용이 가능하다는 점도 큰 장점입니다. 에너지 소비의 절반 이상이 난방과 같은 열 생산에 사용되고 있다는 사실은, 전기에너지의 비중이 늘어남에도 불구하고 여전히 열에너지의 중요성이 크다는 것을 보여줍니다. 태양광과 풍력 등 재생에너지의 비중이 증가하고 있지만, 전체 에너지 공급에서 차지하는 비율은 아직 미미한 수준입니다. 이에 따라 히트펌프와 같은 열에너지 효율화 기술이 각광받고 있으며, 냉난방 시스템의 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 히트펌프는 증발과 응축 과정을 이용해 낮은 온도의 열을 높은 온도로 이동시키는 원리로, 전기에너지와 결합해 에너지 절약에 크게 기여할 수 있습니다. 최근에는 기존의 증기압축식 히트펌프를 대체할 수 있는 흡착식 히트펌프 기술이 주목받고 있습니다. 흡착반응을 이용해 열을 저장하고 방출하는 이 방식은, 전기 없이도 열에너지를 효율적으로 이동시킬 수 있는 장점이 있습니다. 실리카겔이나 MOF와 같은 흡착제를 활용해, 물리적·화학적 흡착반응을 통해 냉매를 순환시키는 시스템이 개발되고 있습니다. 이러한 융합적 연구는 기계, 화학, 물리 등 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 새로운 에너지 시스템을 창출하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 미래 에너지 시스템은 무탄소 열원과 재생전력을 기반으로 한 다양한 저장 및 변환 기술의 융합이 핵심이 될 전망입니다. 그린 수소, 그린 암모니아, e-Fuel 등 새로운 에너지 매체의 개발과 함께, 대기 중 이산화탄소 포집 및 활용 기술도 점차 중요해지고 있습니다. 태양광 패널과 열저장 시스템, 흡착식 열 배터리 등 다양한 기술이 통합된 에너지 관리 시스템이 연구되고 있으며, 이를 통해 여름철 고온 환경에서도 효율적으로 냉수를 생산할 수 있는 방안이 모색되고 있습니다. 앞으로도 다양한 아이디어와 혁신이 더해진다면, 보다 지속가능하고 친환경적인 에너지 사회로 나아갈 수 있을 것입니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

물리학
화학
지구환경과학
융합

“근육 늘었다고? 전부 착각이었다!” 진짜 실험해보니 충격ㅋㅋ｜심심할 땐 과학 시즌3 EP.02

오늘의 주제는 운동과 다이어트, 그리고 우리 몸에서 지방이 어떻게 소모되는지에 대한 과학적 원리를 다룹니다. 흔히 다이어트에서 식이요법이 80%, 운동이 20%라고 이야기하지만, 실제로 운동만으로 살이 빠지는지에 대한 의문이 많습니다. 지방은 우리 몸에 에너지로 저장되는 형태로, 주로 중성지방으로 존재합니다. 이 지방은 1g당 9kcal의 에너지를 저장할 수 있어, 탄수화물이나 단백질보다 효율적인 에너지 저장 방식입니다. 지방이 분해되어 에너지로 사용될 때, 그 최종 산물은 이산화탄소와 물입니다. 운동을 하거나 공복 상태가 되면, 저장된 중성지방이 분해되어 지방산과 글리세롤로 나뉩니다. 이 지방산은 혈액을 통해 세포 내 미토콘드리아로 이동해 ATP라는 에너지로 전환됩니다. 이 과정에서 부산물로 이산화탄소와 물이 생성되어, 각각 날숨과 소변, 땀 등으로 몸 밖으로 배출됩니다. 실제로 체중 감량의 84%는 이산화탄소 형태로 날숨을 통해 빠져나간다는 연구 결과도 있습니다. 운동은 이러한 지방 연소 과정을 촉진하는 역할을 합니다. 특히 유산소 운동은 지방을 직접적으로 에너지로 사용하는 대표적인 활동입니다. 운동을 하면 에너지 수요가 급격히 늘어나 저장된 지방을 더 많이 사용하게 되며, 운동 후에도 일정 시간 동안 에너지 소비가 계속됩니다. 이를 EPOC(운동 후 초과 산소 소비)라고 하며, 고강도 운동일수록 운동 후에도 지방 연소가 지속됩니다. 땀을 많이 흘린다고 해서 지방이 빠지는 것은 아니며, 땀은 체온 조절을 위한 수분 배출일 뿐입니다. 체성분 측정에 사용되는 체성분 분석기와 같은 장치는 우리 몸의 전기 저항을 측정해 근육량, 체지방량, 체수분 등을 추정합니다. 근육은 수분이 많아 전류가 잘 통하지만, 지방은 수분이 적어 저항이 큽니다. 측정 전 물을 마시거나 식사를 하면 수치가 달라질 수 있으므로, 아침 공복에 측정하는 것이 가장 정확합니다. 최근에는 스마트워치 등 다양한 기기로도 측정이 가능하지만, 변화 추이를 보는 데 의미를 두는 것이 좋습니다. 실험을 통해 유산소 운동과 무산소 운동이 신체에 미치는 변화를 관찰했습니다. 운동 전후로 체중, 습도, 온도, 이산화탄소 농도 등을 측정해 에너지 소비와 지방 연소의 증거를 확인하려 했습니다. 무산소 운동을 한 경우 체중이 더 많이 줄었고, 습도도 더 크게 증가했습니다. 이는 운동 강도와 땀의 양에 따라 차이가 나타날 수 있음을 보여줍니다. 이산화탄소 농도 측정에는 한계가 있었지만, 실제로 운동을 통해 많은 이산화탄소가 배출된다는 점은 분명합니다.

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생명과학

빙하를 시추하면 무엇을 알 수 있을까?

빙하는 단순히 얼어붙은 물 덩어리가 아니라 수백만 년에 걸친 지구의 역사를 고스란히 간직한 거대한 박물관과 같습니다. 과학자들은 이 거대한 얼음 층을 통해 과거의 환경을 분석하며 지구의 비밀을 파헤칩니다. 빙하는 전 세계 인구의 상당수가 의존하는 중요한 수자원일 뿐만 아니라, 태양광을 반사하여 지표 온도를 조절하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 따라서 빙하의 변화를 관찰하고 연구하는 것은 인류의 생존 및 지구 생태계의 유지와 직결된 매우 중요한 과제라고 할 수 있습니다. 지구온난화로 인해 빙하가 녹기 시작하면 태양광을 반사하는 면적이 줄어들어 지표 온도가 더욱 상승하는 악순환이 발생합니다. 또한 빙하는 바닷물이 증발하여 눈으로 내린 뒤 압축되어 형성된 것이기에, 빙하의 양은 해수면 높이와 밀접한 관련이 있습니다. 빙하가 녹아 바다로 흘러 들어가면 해수면이 상승하여 해안가 생태계와 인류 거주지에 큰 위협이 됩니다. 이러한 변화를 이해하기 위해 과학자들은 현장 관찰과 인공위성 등 다양한 수단을 동원하여 빙하의 거동 원리를 심도 있게 연구하고 있습니다. 빙하의 깊은 곳에는 수천 년 전의 정보가 층층이 쌓여 있습니다. 과학자들은 남극이나 그린란드의 두꺼운 얼음층에 구멍을 뚫어 원기둥 모양의 얼음 시료인 '빙하 코어'를 채취합니다. 이 빙하 코어는 과거의 기온, 대기 성분, 화산 활동 등 지구 시스템의 변화를 보여주는 귀중한 기록물입니다. 1,000 미터 이상의 깊이에서 추출된 빙하 코어는 수십만 년 전 지구가 어떤 상태였는지, 그리고 기후가 어떻게 변해왔는지를 명확하게 보여주는 타임캡슐 역할을 하며 지구 시스템의 거동을 이해하는 핵심 자료가 됩니다. 빙하 코어 분석에서 가장 흥미로운 부분은 얼음 속에 갇힌 작은 공기 방울입니다. 눈이 쌓여 얼음이 되는 과정에서 당시의 대기가 그대로 보관되기 때문입니다. 이를 통해 과거 80만 년 동안의 이산화탄소와 메테인 농도 변화를 파악할 수 있습니다. 또한 얼음을 구성하는 수소와 산소의 동위원소 비율을 분석하면 당시의 기온을 추정할 수 있습니다. 이러한 데이터는 과거 빙하기와 간빙기의 기후 패턴을 이해하고 온실가스가 기후에 미치는 영향을 확인하는 데 필수적이며, 대기 성분과 기온 사이의 밀접한 연관성을 증명합니다. 최근 150 년 동안의 온실가스 농도 변화는 과거 80만 년의 기록과 비교했을 때 유례를 찾아볼 수 없을 정도로 급격하고 높습니다. 산업혁명 이후 이산화탄소 농도는 과거의 변동 범위를 훨씬 넘어섰으며, 이는 현재 우리가 직면한 기후 위기의 심각성을 잘 보여줍니다. 빙하 코어를 통해 얻은 과거의 기후 정보는 현재의 변화 원인을 규명하고 미래를 예측하는 나침반이 됩니다. 우리는 이를 바탕으로 지구온난화에 대비할 지속 가능한 해결책을 모색하고, 인류의 미래를 위한 보다 효과적인 기후 정책을 수립해 나가야 합니다.

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지구환경과학

[강연] 안진호_빙하에 숨겨진 공기 방울｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험" | 1강

빙하는 과거의 대기 성분을 고스란히 간직하고 있는 천연 타임머신입니다. 남극이나 그린란드의 거대한 얼음층 속에는 수많은 공기 방울이 갇혀 있는데, 이는 눈이 쌓여 얼음으로 변하는 과정에서 당시의 공기가 함께 봉인된 것입니다. 과학자들은 이 작은 공기 방울을 추출하여 수십만 년 전의 기온 변화와 온실가스 농도를 정밀하게 분석합니다. 이를 통해 우리는 지구가 과거에 어떤 기후 변화를 겪었는지, 그리고 현재의 온난화가 얼마나 이례적인 현상인지 이해할 수 있는 중요한 단서를 얻게 됩니다. 빙하가 형성되는 원리는 매우 흥미롭습니다. 매년 내리는 눈이 겹겹이 쌓이면 하층부의 눈은 상층부의 무게에 눌려 점차 다져지게 됩니다. 약 50~100미터 정도의 두께가 되면 눈송이 사이의 틈이 완전히 닫히며 단단한 얼음으로 변하는데, 이때 공기가 빠져나가지 못하고 방울 형태로 남게 됩니다. 이렇게 만들어진 공기 방울은 외부와 차단된 채 수만 년 이상의 시간을 견뎌냅니다. 과학자들은 특수 장비를 이용해 얼음을 깨뜨리거나 녹여 이 공기를 추출하며, 이는 과거 지구의 대기 상태를 직접 확인할 수 있는 유일한 방법입니다. 지난 80만 년 동안의 기록을 살펴보면 이산화탄소, 메테인, 아산화질소와 같은 주요 온실가스 농도는 빙하기와 간빙기의 주기적 변화와 밀접하게 연동되어 왔습니다. 따뜻한 시기에는 농도가 높았고 추운 시기에는 낮아지는 경향을 보였으나, 최근 100년 사이의 변화는 과거의 자연적인 변동 범위를 완전히 벗어났습니다. 화석 연료 사용과 농축산업의 확대로 인해 온실가스 농도가 급격히 상승한 것입니다. 이러한 급격한 변화는 지구가 수십만 년 동안 경험하지 못한 새로운 환경적 위협으로 다가오고 있으며, 기후 시스템의 불안정성을 초래하고 있습니다. 온실가스 배출이 멈춘다고 해서 기후 위기가 즉각 해결되는 것은 아닙니다. 인류가 배출한 이산화탄소의 절반 정도는 대기에 남고 나머지는 해양과 육상으로 흡수되는데, 지구 온도가 상승하면 이러한 자연의 흡수 능력이 약화될 수 있습니다. 특히 영구 동토층이 녹으면서 그 안에 갇혀 있던 유기물이 분해되어 막대한 양의 온실가스가 추가로 방출되는 '되먹임 효과'가 발생할 수 있습니다. 이는 인간의 통제를 벗어난 가속화된 온난화를 유발할 수 있으므로, 과학자들은 빙하 연구를 통해 이러한 복잡한 탄소 순환 체계를 정밀하게 모델링하고 예측하려 노력합니다. 해수면 상승은 인류가 직면한 가장 확실하고도 장기적인 미래입니다. 이산화탄소 농도가 낮아지더라도 바닷물이 데워지며 발생하는 열팽창과 거대한 빙하가 녹는 과정은 수백 년에서 수천 년에 걸쳐 서서히 진행되기 때문입니다. 남극과 그린란드의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 무려 60미터 이상 상승할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 비록 당장 일어날 일은 아니지만, 우리가 현재 내리는 결정과 행동에 따라 해수면이 상승하는 속도와 최종적인 높이가 결정됩니다. 이는 미래 세대의 생존 환경을 결정짓는 중대한 사안입니다. 빙하 연구는 단순히 기후 변화를 추적하는 것에 그치지 않고 역사적 사건의 실마리를 제공하기도 합니다. 예를 들어 그린란드 빙하 속의 화산재 성분을 분석하면 약 1,000년 전 백두산 대폭발의 정확한 시기와 규모를 파악할 수 있습니다. 당시 화산 가스가 성층권 높이까지 도달하지 않았다는 사실을 밝혀냄으로써, 왜 그토록 거대한 폭발에도 불구하고 전 지구적인 기온 하강이 크지 않았는지에 대한 의문을 풀 수 있었습니다. 이처럼 빙하는 지구 곳곳에서 일어난 자연재해와 환경 변화의 기록을 세밀하게 저장하고 있는 거대한 도서관과 같습니다. 이제 과학자들의 시선은 더 먼 과거와 우주로 향하고 있습니다. 100만 년 이전의 기후 기록을 찾기 위해 남극의 '블루 아이스' 지역을 탐사하며, 빙하기 주기가 변하게 된 근본적인 원인을 규명하려 합니다. 또한 지구의 빙하와 영구 동토층에서 일어나는 미생물 활동과 화학 반응 연구는 화성이나 목성의 위성 유로파와 같은 외계 얼음 행성에서의 생명체 존재 가능성을 해석하는 데 중요한 기초 자료가 됩니다. 극한의 환경에서 묵묵히 연구를 이어가는 과학자들의 노력은 지구의 미래를 예측하고 인류의 지평을 우주로 넓히는 소중한 밑거름이 될 것입니다.

안진호

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지구환경과학

[인터뷰] 안진호_빙하에 숨겨진 공기 방울｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험"

서울대학교 지구환경과학부 안진호 교수는 빙하와 온실가스를 통해 지구의 과거와 현재를 연구합니다. 남극과 그린란드의 빙하, 동토의 얼음, 심지어 도심의 공기까지 분석하며 온실가스의 이동 경로를 추적합니다. 특히 빙하 속 공기방울은 눈이 쌓일 당시의 대기 성분을 그대로 간직한 타임캡슐과 같습니다. 연구진은 이 공기를 추출해 과거의 온실가스 농도 변화를 분석함으로써 기후 변화의 원인과 메커니즘을 밝혀내고 있습니다. 2018-19 시즌 남극 라센 빙원 탐사에서는 푸른 빛을 띠는 고대 빙하를 시추했습니다. 이곳은 깊은 곳의 빙하가 표면으로 노출된 지역으로, 약 만 년에서 이만 년 전의 기록을 담고 있습니다. 연구진은 빙하기에서 간빙기로 넘어가는 시기의 기온 상승 폭을 측정하고, 빙하 표층에서 온실가스가 새롭게 생성되는 원인을 분석했습니다. 이러한 현장 연구는 과거의 기후 시스템을 복원하고 미래 변화를 예측하는 데 필수적인 기초 자료가 됩니다. 최근 연구에서는 빙하 내부에서 일어나는 예상치 못한 화학 반응을 발견했습니다. 얼음 속 온실가스가 햇빛이나 자외선의 영향으로 생성되거나 소멸하는 현상을 포착한 것입니다. 이러한 발견은 단순히 지구의 과거를 아는 것을 넘어, 얼음으로 이루어진 외계 행성에서 일어나는 현상을 해석하는 실마리가 됩니다. 연구팀은 실험실에서 이를 재현하며 우주 과학으로 연구 지평을 넓히고 있으며, 이는 미래의 새로운 탐험 영역이 될 것입니다. 남극과 북극의 빙하는 지형적 특성에 따라 큰 차이를 보입니다. 대륙인 남극은 적설량이 적어 최대 80만 년 이상의 오래된 빙하가 보존되어 있지만, 바다 위 그린란드의 빙하는 상대적으로 젊고 먼지가 많습니다. 남극 빙하의 약 10%는 압축된 공기방울로 이루어져 있어, 얼음이 녹을 때 고압의 공기가 톡톡 터져 나오는 독특한 현상을 관찰할 수 있습니다. 이러한 물리적 특성은 빙하가 단순한 얼음 덩어리가 아닌 살아있는 기록임을 보여줍니다. 극지 탐험은 영하 50도에 달하는 극한의 환경과 싸우는 과정입니다. 철저한 계획을 세워도 기상 조건에 따라 현장에서 유연하게 대처해야 하며, 이러한 의외성이 오히려 새로운 발견의 기회가 되기도 합니다. 미래의 과학자를 꿈꾸는 학생들에게는 특정 분야에 매몰되기보다 물리, 화학, 인문학 등 다양한 학문을 융합하는 사고의 폭이 필요합니다. 자신이 즐거워하는 일을 찾아 끊임없이 탐구할 때 비로소 창의적인 영감을 얻을 수 있기 때문입니다.

안진호

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지구환경과학

이산화탄소🌬️를 직접 만들다! 승화하는 성질을 활용하면 액체 이산화탄소를 볼 수 있다?!😃ㅣ별별실험실x국립과천과학관

우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 식초와 베이킹소다를 활용하면 흥미로운 과학 실험을 할 수 있습니다. 식초의 주성분인 아세트산과 베이킹소다의 성분인 탄산수소나트륨이 만나면 격렬한 화학 반응이 일어나며 이산화탄소가 발생합니다. 페트병 입구에 풍선을 씌우고 두 물질을 섞으면, 발생하는 기체로 인해 풍선이 순식간에 부풀어 오르는 모습을 관찰할 수 있습니다. 이 과정에서 생성된 이산화탄소는 눈에 보이지 않지만, 비커에 모아 촛불에 부으면 불꽃이 꺼지는 현상을 통해 그 존재를 확실히 확인할 수 있습니다. 이산화탄소는 조개껍데기나 달걀껍데기를 통해서도 만들어낼 수 있습니다. 이들의 주성분은 탄산칼슘으로, 묽은 염산과 반응하면 부글부글 거품을 내며 이산화탄소를 방출합니다. 껍데기를 잘게 빻아 표면적을 넓힌 뒤 염산을 주입하면 반응이 더욱 활발하게 일어납니다. 겉모습은 서로 다르지만 같은 성분을 가진 물질들이 동일한 기체를 만들어낸다는 점이 매우 흥미롭습니다. 이렇게 생성된 기체를 별도의 용기에 모아 실험하면, 앞선 실험과 마찬가지로 연소를 방해하는 이산화탄소의 성질을 재차 확인할 수 있습니다. 기체의 존재를 확인하는 또 다른 방법은 지시약의 색 변화를 관찰하는 것입니다. 페놀프탈레인 용액은 염기성 상태에서 붉은색을 띠지만, 산성 물질이 유입되면 무색으로 변하는 특징이 있습니다. 이산화탄소는 물에 녹아 탄산을 형성하며 산성을 띠기 때문에, 붉은색 염기성 용액에 이산화탄소를 주입하면 용액의 색이 점차 무색으로 변하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 눈에 보이지 않는 기체가 용액 속으로 녹아들어 화학적 성질을 변화시켰음을 시각적으로 증명해 주는 아주 명확한 증거가 됩니다. 드라이아이스는 이산화탄소를 고체 상태로 굳힌 물질로, 실온에서 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 승화 현상을 보입니다. 평상시에는 기체 상태의 이산화탄소만 접하기 쉽지만, 특수한 조건을 만들어주면 액체 상태의 이산화탄소도 관찰이 가능합니다. 드라이아이스 조각을 스포이트에 넣고 입구를 단단히 막으면, 내부에서 승화된 기체가 밖으로 나가지 못해 압력이 급격히 상승하게 됩니다. 이러한 높은 압력은 기체 분자 사이의 거리를 좁혀 기체를 액체로 변화시키는 결정적인 역할을 합니다. 압력이 높아진 스포이트 내부를 관찰하면 고체였던 드라이아이스가 녹아 액체로 변하는 신기한 광경을 목격할 수 있습니다. 이는 물질의 상태 변화가 온도뿐만 아니라 압력에 의해서도 조절될 수 있음을 보여주는 중요한 과학적 원리입니다. 일상적인 재료부터 드라이아이스까지 다양한 실험을 통해 이산화탄소의 생성 과정과 성질을 깊이 있게 이해할 수 있었습니다. 보이지 않는 기체의 세계를 다양한 화학 반응과 물리적 변화로 탐구하는 과정은 과학적 호기심을 충족시키기에 충분한 경험이 됩니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

물리학
화학

[인터뷰] 황윤정_탄소 중립을 실현하는 고체 촉매 연구｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

산업 혁명 이후 인류는 탄소를 기반으로 한 에너지를 사용하여 비약적인 발전을 이루었습니다. 대량 생산 체제가 구축되면서 인류의 생활 방식은 근본적으로 변화했고, 우리가 현재 누리고 있는 모든 편리한 기술과 화학 제품들은 탄소 기반 에너지로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 이러한 발전의 이면에는 이산화탄소 배출량 증가라는 부작용이 뒤따랐습니다. 공기 중 이산화탄소 농도가 높아지며 발생한 온실 효과는 지구 온난화와 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 안겨주었으며, 이제 과학자들은 이를 해결하기 위한 적극적인 연구에 매진하고 있습니다. 이산화탄소를 다시 유용한 자원으로 되돌리기 위해서는 화학 결합을 끊고 새로운 결합을 형성하는 과정이 필요합니다. 이 과정에서 투입되는 에너지를 낮추어 반응을 효율적으로 만드는 핵심 소재가 바로 촉매입니다. 특히 전기화학적 전환 기술을 활용하면 필요한 전력 소모를 획기적으로 줄이면서도 짧은 시간 안에 더 많은 화합물을 생산할 수 있습니다. 이는 자연 상태에서 수백만 년이 걸리는 탄소 순환 과정을 실험실과 산업 현장에서 실시간으로 구현하는 기술로, 탄소 중립 실현을 위한 가장 중요한 과학적 도구 중 하나로 평가받고 있습니다. 전기화학적 전환 기술을 통해 이산화탄소는 일산화탄소, 에틸렌, 에탄올과 같은 고부가가치 화합물로 재탄생합니다. 일산화탄소는 플라스틱이나 각종 연료를 합성하는 필수적인 산업 원료로 쓰이며, 에틸렌은 중합 과정을 거쳐 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 폴리에틸렌 제품의 기초가 됩니다. 또한 용매나 청정 연료로 활용되는 에탄올 역시 이 과정을 통해 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 오염 물질을 처리하는 수준을 넘어, 버려지는 탄소를 지속 가능한 자원으로 탈바꿈시켜 새로운 경제적 가치를 창출하는 데 기여합니다. 기초 과학 연구는 종종 실험실 안의 탐구에 머무는 것처럼 보이지만, 생각보다 훨씬 빠르게 세상을 바꾸는 동력이 됩니다. 2023년 노벨 화학상을 받은 양자점 연구가 대표적인 사례입니다. 입자의 크기에 따라 다른 색을 내는 이 나노 소재는 초기 연구 단계를 지나 오늘날 디스플레이와 의료 분야 등에서 널리 상용화되었습니다. 이처럼 새로운 물질을 합성하고 그 특성을 밝혀내는 과정은 인류가 이전에는 경험하지 못했던 기술적 진보를 가능하게 합니다. 과학적 발견이 산업화로 이어지는 속도는 점차 빨라지고 있으며, 이는 곧 우리가 마주하는 미래의 모습이 됩니다. 미래의 과학 기술은 단순히 편리함을 추구하는 것을 넘어 지속 가능한 사회를 만드는 데 책임을 다해야 합니다. 이를 위해 미래를 꿈꾸는 학생들은 과학적 지식뿐만 아니라 자신의 논리를 타인과 공유하고 소통하는 능력을 갖추어야 합니다. 글쓰기와 예술적 감각은 자신의 연구를 효과적으로 전달하고 창의적인 사고를 확장하는 데 필수적인 요소입니다. 이과와 문과라는 이분법적 사고에서 벗어나 다양한 분야를 경험하고 융합할 때, 비로소 인류가 직면한 복합적인 문제들을 해결하고 세상을 긍정적으로 변화시키는 진정한 과학자로 성장할 수 있습니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 탄소 중립을 위한 화학의 도전_by황윤정 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 3강

지속 가능한 사회란 과학 기술의 발전이 가져온 편리함과 그로 인한 부작용 사이의 균형을 찾는 과정에서 시작됩니다. 특히 기후 변화는 인류가 직면한 가장 시급한 과제로, 이를 해결하기 위해 '탄소 중립'이라는 개념이 등장했습니다. 이는 배출되는 이산화탄소의 양과 흡수 및 제거되는 양을 같게 하여 실질적인 배출량을 '0'으로 만드는 상태를 의미합니다. 단순히 탄소를 멀리하는 것이 아니라, 발생한 탄소를 어떻게 다시 활용하고 순환시킬 것인지에 대한 과학적 책임감이 요구되는 시점입니다. 1890년대 물리화학자 아레니우스는 대기 중 이산화탄소가 지표면 온도에 미치는 영향을 처음으로 논문화했습니다. 당시에는 온실효과가 식량 증산에 도움이 되는 축복으로 여겨졌으나, 산업화 이후 화석 연료 사용이 급증하며 상황은 반전되었습니다. 지난 150년간 이산화탄소 농도와 지표면 온도의 급격한 상승 사이의 상관관계가 명확히 입증되었고, 이는 더 이상 자연 현상이 아닌 인류의 활동에 의한 결과임이 확인되었습니다. 이제 적당함을 넘어선 탄소는 인류의 생존을 위협하는 재앙으로 다가오고 있습니다. 한국은 세계 10위권 안에 드는 탄소 배출국으로, 산업 구조상 철강, 석유화학, 반도체 등 에너지 집약적 산업이 경제를 이끌고 있습니다. 이러한 구조에서 무조건적인 탄소 감축은 경제 성장에 큰 타격을 줄 수 있기에, 각 산업 특성에 맞는 전략적인 중립 기술 개발이 필수적입니다. 단순히 에너지를 절약하는 차원을 넘어, 화석 연료를 대체할 재생 에너지를 도입하고 기존 공정을 혁신하는 10대 핵심 기술 선정이 이루어진 이유도 여기에 있습니다. 경제와 환경이라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 과학적 도전이 시작된 것입니다. 재생 에너지 분야에서는 태양광과 수소가 핵심적인 역할을 합니다. 특히 한국 연구진이 강점을 가진 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 목표로 하며, 유연하고 가벼운 특성을 활용해 건물 외벽 등 다양한 곳에 적용될 수 있습니다. 또한 물을 분해하여 수소를 얻는 수전해 기술은 이산화탄소 배출이 없는 청정 에너지 순환 구조를 완성하는 열쇠입니다. 비싼 백금 촉매를 대체할 저렴하고 효율적인 소재를 개발하려는 노력은 에너지 저장과 활용의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 탄소 중립의 실질적인 완성은 이미 배출된 탄소를 포집하고 활용하는 CCUS 기술에 달려 있습니다. 이산화탄소를 단순히 저장하는 것에 그치지 않고, 이를 원료로 삼아 플라스틱, 시멘트, 혹은 연료로 전환하는 기술은 탄소 순환 사회의 핵심입니다. 현재는 경제성이나 기술적 난이도 면에서 초기 단계에 머물러 있지만, 2050년까지 전 세계 감축량의 상당 부분을 담당할 것으로 기대됩니다. 공기 중의 기체를 잡아 고부가가치 화합물로 바꾸는 이 연금술 같은 과정은 화학이 인류에게 선사할 새로운 미래입니다. 과학의 역사는 수많은 실패와 도전 끝에 얻어진 결과물입니다. 20세기 초 인류의 식량 문제를 해결한 암모니아 합성법인 하버-보슈법이 대표적인 사례입니다. 당시 많은 과학자가 재현 실패와 폭발 사고 등의 위험으로 연구를 포기했으나, 끝까지 수천 번의 촉매 탐색을 멈추지 않았던 끈기가 오늘날의 풍요를 만들었습니다. 탄소 중립 역시 지금은 불가능해 보이는 난제일 수 있지만, 과거의 사례처럼 데이터가 쌓이고 기술적 돌파구가 마련된다면 인류는 다시 한번 위기를 기회로 바꿀 수 있을 것입니다. 미래의 지구를 구하는 일은 특정 분야의 노력만으로는 불가능하며, 과학적 원리에 기반한 사회적 합의와 지속적인 관심이 필요합니다. 인공 광합성 장치를 통해 식물처럼 에너지를 생산하고, 버려지는 탄소를 자원으로 되돌리는 기술은 더 이상 공상 과학의 영역이 아닙니다. 화학자들은 주기율표 속 원소들을 조합하며 지구의 온도를 낮출 최적의 답을 찾아가고 있습니다. 이러한 과학적 도전이 지속 가능한 사회를 만드는 든든한 뿌리가 되어, 다음 세대에게 더욱 건강하고 풍요로운 지구를 물려줄 수 있기를 기대합니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[연구뭐하지?] 인류에 보탬이 되는 화학, 신재생 에너지 연구_임종우 교수 | 서울대학교 “에너지 및 재료 분석화학 연구실”

서울대학교 화학부 임종우 교수 연구실은 인류가 직면한 에너지 위기와 기후 변화라는 거대한 과제를 화학적 방법론으로 해결하고자 노력하고 있습니다. 리튬 이온 배터리를 비롯해 전고체 전지와 리튬 금속 배터리 등 더 안전하고 효율적인 차세대 에너지 저장 장치를 연구하며, 깨끗한 수소 생산을 위한 촉매 기술과 이산화탄소 저감 및 전환 기술까지 폭넓게 다룹니다. 이러한 연구는 단순히 기술 개발에 그치지 않고 지속 가능한 지구를 위한 근본적인 해답을 찾는 과정이라 할 수 있습니다. 연구의 핵심은 배터리 내부에서 일어나는 미시적인 변화를 실시간으로 관찰하고 이를 이론적으로 정립하는 데 있습니다. 방사광 가속기를 활용해 양극재 내에서 리튬 이온이 어떻게 이동하고 확산되는지 이미징 기법으로 포착하며, 얻어진 데이터를 바탕으로 복잡한 미분방정식을 풀어내어 동력학적인 상전이 과정을 수식화합니다. 실험과 이론의 긴밀한 결합을 통해 배터리의 열화 원인을 규명하고 성능을 극대화할 수 있는 최적의 경로를 제시하는 것이 주요 목표입니다. 에너지 연구에 투신하게 된 계기는 대학 시절 해외 교환 학생 경험에서 비롯되었습니다. 당시 환경과 에너지 문제에 대해 끊임없이 고뇌하던 동료들과 교류하며, 이 분야가 인류의 미래를 결정지을 핵심 과제임을 깨달았습니다. 비록 당시에는 에너지 문제에 대한 사회적 관심이 지금처럼 높지 않았으나, 누군가는 반드시 해결해야 할 일이라는 사명감을 느꼈습니다. 자신의 인생을 걸고 인류 사회에 실질적인 보탬이 되겠다는 순수한 열정이 현재 연구의 든든한 뿌리가 되었습니다. 최근 이차전지 산업은 비약적인 성장을 거듭하고 있지만, 기술적 완성도를 높이는 과정은 매우 복잡하고 정교한 과학적 접근을 요구합니다. 원자 단위의 동력학부터 수조 개의 입자가 모인 배터리 셀 전체의 현상까지, 다양한 스케일에서 발생하는 상호작용을 체계적으로 이해해야 하기 때문입니다. 연구실은 산업계와 긴밀히 소통하며 기초 과학의 원리가 실제 산업 현장의 난제를 해결하는 시너지를 창출하고 있습니다. 이는 단순한 용량 증설을 넘어 배터리 기술의 근본적인 진보를 이끄는 동력이 됩니다. 연구실의 또 다른 강점은 경계를 허무는 협업과 글로벌 네트워크에 있습니다. 물리, 생명과학, 공학 등 다양한 배경을 가진 연구원들이 모여 각자의 전문성을 공유하며, 해외 유수의 연구소와 적극적인 공동 연구를 수행합니다. 언어의 장벽을 넘어 세계적인 연구 시설을 활용하고 치열한 토론을 거치는 과정은 국익에도 기여하는 소중한 자산이 됩니다. 밤을 새우는 고단한 연구 과정 끝에 마침내 자연의 섭리를 이해하고 진실을 확인했을 때 느끼는 성취감은 연구자들을 움직이는 가장 큰 보람입니다.

임종우

카오스재단연구뭐하지

화학

콩🫘이 숨을 쉬어요!! 콩(soybean)에서 이산화탄소가 나온다?!😮ㅣ별별실험실x국립과천과학관

우리가 흔히 식탁에서 마주하는 콩은 단순한 식재료 이상의 생명력을 품고 있습니다. 콩의 아랫부분에서 작은 뿌리가 돋아나는 과정을 '발아'라고 부르는데, 이는 식물이 성장을 시작하는 경이로운 순간입니다. 뿌리는 땅속에서 영양분을 흡수하는 중요한 역할을 담당하며, 싹이 트면서 색깔이 변하는 모습도 관찰할 수 있습니다. 처음에는 노르스름하던 콩이 지상으로 올라와 햇빛을 받으면 엽록소가 생성되어 초록색으로 변하며 광합성을 준비하게 됩니다. 만약 콩이 햇빛을 전혀 보지 못한 채 자라게 된다면 어떤 모습이 될까요? 빛이 차단된 환경에서는 광합성이 일어나지 않아 잎이 초록색으로 변하지 못하고 계속 노란색을 유지하게 됩니다. 대신 수분을 지속적으로 공급받으면 뿌리만 길게 자라나는데, 이것이 바로 우리가 즐겨 먹는 콩나물의 원리입니다. 식물은 환경에 따라 자신의 성장 방식을 조절하며, 빛의 유무는 식물의 형태와 색상을 결정짓는 결정적인 요인으로 작용합니다. 식물도 사람처럼 숨을 쉬며 생명을 유지한다는 사실은 매우 흥미롭습니다. 호흡이란 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내뱉는 과정을 말하는데, 발아 중인 콩은 일반 콩에 비해 훨씬 많은 양의 이산화탄소를 배출합니다. 이는 생명체가 성장을 위해 내부 에너지를 생성하고 있다는 증거이며, 눈에 보이지 않는 생명 활동이 콩 내부에서 역동적으로 진행되고 있음을 시사합니다. 식물의 호흡은 우리가 미처 인지하지 못하는 순간에도 끊임없이 이어지는 생존을 위한 필수적인 투쟁입니다. 이산화탄소 측정 센서를 활용하면 콩의 호흡량을 시각적인 그래프로 확인할 수 있습니다. 실험 결과, 싹이 트지 않은 일반 콩은 이산화탄소 배출량에 큰 변화가 없지만, 발아 중인 콩은 그래프가 가파르게 상승하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 식물이 단순히 멈춰 있는 존재가 아니라 끊임없이 주변 환경과 기체를 교환하며 살아 움직이고 있음을 증명합니다. 첨단 장비를 통해 확인한 식물의 호흡은 자연의 신비로움을 직접 체감하게 해주는 흥미로운 지표가 됩니다. 생콩즙에는 '유레이스'라는 특별한 효소가 들어 있어 화학적 변화를 일으키기도 합니다. 이 효소는 요소를 분해하여 암모니아를 만들어내는데, 이 과정을 통해 식물은 성장에 필요한 질소를 얻습니다. BTB 용액을 활용한 실험에서 산성을 띠던 생콩즙이 요소를 분해하며 염기성인 파란색으로 변하는 모습은 매우 인상적입니다. 이러한 효소 활동은 식물이 척박한 환경에서도 스스로 영양분을 확보하고 생존해 나가는 위대한 생명력을 보여주는 사례라고 할 수 있습니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

화학
생명과학

[연구뭐하지?] 지구를 구하는 사람들_박록진 교수 | 서울대학교 "대기화학모델링 연구실"

대기 화학 모델링 연구는 인간 활동이 지구 환경에 미치는 영향을 과학적으로 규명하는 중요한 학문입니다. 자동차 배기가스나 이산화탄소 배출과 같은 인간의 활동이 대기 조성을 어떻게 변화시키고, 이것이 다시 기후 변화와 같은 형태로 우리에게 어떤 영향을 주는지 탐구합니다. 연구자들은 대기 오염과 기후 위기라는 전 지구적 문제를 해결하기 위한 정책적 방향성을 제시하며, 지구를 구한다는 사명감을 가지고 연구에 임하고 있습니다. 이 연구실의 핵심 도구는 '대기 화학 모델링'입니다. 대기 중에서 일어나는 복잡한 물리·화학적 현상들을 컴퓨터 언어로 구현하여 가상의 환경에서 실험을 진행하는 방식입니다. 대기 화학 모델링은 연구자가 원하는 조건에 맞춰 무한한 가상 실험을 가능하게 한다는 점에서 매우 매력적입니다. 학생들은 이를 통해 위성 및 지상 관측 자료와 모델 데이터를 능숙하게 다루는 법을 익히며, 실제 대기 현상을 정교하게 재현해내는 전문가로 성장하게 됩니다. 대기 과학은 자연을 대상으로 하는 자연과학인 동시에, 방대한 데이터를 다루는 데이터 사이언스이자 인간에 대한 이해가 필요한 종합 과학입니다. 대기에는 국경이 없기 때문에 특정 지역에 한정된 연구가 아니라 전 세계 학자들과의 긴밀한 협업이 필수적입니다. 공기의 흐름은 끊임없이 순환하며 지구 전체를 연결하므로, 대기 과학은 지역적인 한계를 넘어선 국제적인 학문으로서의 성격을 강하게 띠고 있습니다. 구체적인 연구 주제로는 메탄과 이산화탄소의 배출 및 흡수 기작 규명이 있습니다. 특히 메탄은 기후 변화와 오존 생성에 중요한 역할을 하지만, 정확한 발생원과 배출량을 파악하기 어려운 미지의 영역이 많습니다. 연구자들은 자신이 계산한 배출량을 모델에 적용했을 때 실제 관측값과 일치하는 순간 큰 성취감을 느낍니다. 탄소 중립과 넷제로가 화두인 시대에 이러한 연구는 지속 가능한 미래를 위한 핵심적인 동력이 됩니다. 대학원 과정은 단순히 지식을 습득하는 단계를 넘어 독창적인 연구자로 거듭나는 통과의례입니다. 학생들은 선배들과 중첩되지 않는 자신만의 고유한 연구 주제를 개척하며 세계적인 전문가로 성장할 기회를 얻습니다. 또한, 연구실 내 '먼네(Monthly Nature)'와 같은 문화를 통해 최신 학술 동향을 공유하고 사회적 이슈에도 관심을 가집니다. 이는 자연과학이 우리 삶과 밀접하게 연결되어 있음을 깨닫고 더 나은 사회를 만드는 데 기여하기 위함입니다.

박록진

카오스재단연구뭐하지

지구환경과학

I am 👉질량보존의 법칙(law of conservation of mass)👈ㅣ별별실험실x국립과천과학관

화학 반응이 일어날 때 반응 전후의 물질의 총 질량이 변하지 않고 일정하게 유지된다는 원리를 '질량 보존 법칙'이라고 합니다. 이는 외부와 물질의 출입이 차단된 닫힌계에서 성립하는 기초적인 과학 법칙입니다. 반응 과정에서 물질의 성질이 달라지며 새로운 화합물이 생성될 수는 있지만, 전체적인 질량은 동일하게 유지되는 것입니다. 이러한 현상은 우리 주변의 다양한 화학적 변화 속에서 일관되게 관찰할 수 있는 자연의 질서이며, 모든 화학 반응을 이해하는 데 있어 가장 기본이 되는 토대라고 할 수 있습니다. 드라이아이스를 이용한 실험은 상태 변화 과정에서의 질량 보존 법칙을 명확하게 보여줍니다. 고체 상태의 드라이아이스가 기체인 이산화탄소로 변하면 부피가 급격히 팽창하지만, 이를 풍선이나 밀폐 용기에 가두어 닫힌계를 만들면 질량은 전혀 변하지 않습니다. 눈에 보이던 고체 덩어리가 사라지고 풍선이 크게 부풀어 올라도, 저울의 수치는 처음과 동일하게 유지됩니다. 이는 물리적 형태가 바뀌더라도 그 계를 구성하는 전체 물질의 양에는 변함이 없음을 증명하는 흥미로운 사례로, 보이지 않는 기체 역시 질량을 가지고 있음을 시사합니다. 액체와 액체가 만나 고체 앙금을 형성하는 반응에서도 질량 보존 법칙은 예외 없이 적용됩니다. 투명한 두 수용액을 혼합하여 흰색의 앙금이 생성되는 과정에서 용액의 색깔이나 형태가 변하더라도 전체 질량은 소수점 단위까지 일정하게 유지됩니다. 새로운 화합물이 만들어지는 화학 반응이 일어났음에도 불구하고, 반응 전후의 총 질량이 같다는 사실은 매우 중요합니다. 이는 눈에 보이는 물리적 변화 너머에 변하지 않는 물리량이 존재함을 알려주며, 우리가 화학 반응식을 세우고 계산할 수 있는 근거가 됩니다. 기체가 발생하는 반응은 질량 보존 법칙을 확인하기 위해 더욱 세심한 장치가 필요합니다. 탄산칼슘과 묽은 염산을 반응시키면 이산화탄소 기체가 격렬하게 발생합니다. 이때 용기를 밀폐한 상태에서 실험을 진행하면 기체가 생성되어 내부 압력이 높아지더라도 전체 질량은 반응 전과 똑같이 측정됩니다. 기체는 눈에 보이지 않아 사라진 것처럼 느껴질 수 있지만, 엄연히 질량을 가진 물질로서 계 내부에 존재하고 있음을 알 수 있습니다. 이러한 실험은 기체 반응 연구의 기초가 되며, 보이지 않는 물질의 흐름을 파악하는 데 도움을 줍니다. 반면, 밀폐된 용기의 뚜껑을 여는 순간 질량 보존 법칙이 겉보기에는 깨지는 것처럼 보일 수 있습니다. 뚜껑을 열면 내부에서 생성된 기체가 외부로 빠져나가면서 저울의 수치가 급격히 줄어들기 때문입니다. 하지만 이는 질량이 소멸한 것이 아니라, 닫힌계가 열린계로 바뀌면서 물질이 외부로 이동한 결과일 뿐입니다. 우리는 이러한 변화를 통해 보이지 않는 기체의 존재까지도 질량이라는 척도를 통해 정확하게 파악하고 추론할 수 있게 됩니다. 결국 질량 보존 법칙은 우주의 물질이 함부로 사라지지 않는다는 확신을 줍니다.

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화학

빵🥐은 어떻게 발효될까? 효모(yeast)를 직접 눈으로👀 관찰하다!!ㅣ별별실험실x국립과천과학관

발효는 미생물이 산소가 없는 환경에서 당류를 분해하여 새로운 물질을 만들어내는 신비로운 생물학적 과정입니다. 이 과정에서 효모는 에탄올과 이산화탄소를 생성하고, 유산균은 젖산을 만들어내며 우리 생활에 유용한 변화를 일으킵니다. 눈에 보이지 않는 작은 생명체들이 생존을 위해 에너지를 얻는 이 화학적 활동은 인류의 식문화와 과학 기술 발전에 지대한 영향을 미쳐왔습니다. 효모가 발효를 진행할 때 가장 눈에 띄는 변화 중 하나는 기체의 발생입니다. 주스에 들어있는 당류는 효모에게 훌륭한 에너지원이 되며, 이를 섭취한 효모는 대사 과정의 부산물로 이산화탄소를 내뿜습니다. 실험을 통해 플라스크 입구에 풍선을 씌워두면, 시간이 흐름에 따라 보이지 않던 기체가 모여 풍선이 부풀어 오르는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 미생물의 활동을 시각적으로 증명하는 흥미로운 현상입니다. 우리가 즐겨 먹는 빵의 폭신한 질감 역시 효모의 발효 작용 덕분입니다. 밀가루 반죽에 효모와 설탕을 섞으면 효모가 당류를 분해하며 이산화탄소를 방출하고, 이 기체가 반죽 사이에 갇히면서 스펀지 같은 공기층을 형성합니다. 반죽이 부풀어 오르는 과정에서 특유의 에탄올 향이 나는 것도 발효의 증거입니다. 설탕의 양에 따라 발효의 속도와 정도가 달라지며, 이는 맛있는 빵을 만드는 핵심적인 과학적 원리가 됩니다. 현미경을 통해 관찰한 효모의 세계는 더욱 경이롭습니다. 막걸리와 같은 발효주 속에는 수많은 효모가 존재하지만, 우리 눈에는 보이지 않을 만큼 작습니다. 하지만 400배에서 1,000배까지 확대하면 동글동글한 막을 가진 효모의 형태를 뚜렷하게 볼 수 있습니다. 미세한 생명체들이 액체 속에서 활발하게 존재하며 끊임없이 화학 반응을 일으키는 모습은 자연의 정교함과 생명의 신비를 다시금 깨닫게 해줍니다. 효모는 '출아법'이라는 독특한 방식으로 번식합니다. 모세포의 몸 일부가 혹처럼 튀어나와 자라나다가, 자신과 똑 닮은 모습이 되면 떨어져 나가 새로운 개체가 되는 방식입니다. 현미경상에서 두 마리가 살짝 연결된 듯한 모습은 바로 이 번식 과정을 보여주는 것입니다. 이처럼 작은 미생물들이 만들어내는 발효의 산물들은 우리 삶 곳곳에서 활용되고 있으며, 보이지 않는 곳에서 일어나는 이들의 활동은 여전히 탐구할 가치가 무궁무진합니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

화학
생명과학

기후변화☀️에 대응하기 위해 우리는 어떤 노력을 해야 하는가?!ㅣ2023 미래 과학 트렌드 출간기념 강연

기후 위기라는 용어는 단순한 기후 변화와는 구분되어 사용됩니다. 기후란 30년 이상의 장기적인 평균 상태를 의미하며, 단기간의 날씨 변화와는 다릅니다. 날씨는 수시로 변하는 것이 자연스러운 현상이지만, 기후가 변화한다는 것은 오랜 시간에 걸쳐 평균적인 상태가 달라지는 것이므로 훨씬 중대한 문제로 인식됩니다. 이러한 기후 변화가 인간의 활동에 의해 발생할 때 우리는 이를 기후 위기라고 부릅니다. 최근에는 법적으로도 기후 위기라는 용어가 사용되며, 탄소중립과 같은 대응책이 마련되고 있습니다. 기후 위기의 주요 원인은 온실가스 배출에 있습니다. 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등이 대표적인 온실가스이며, 이 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지합니다. 온실가스는 대기, 바다, 토양, 식물 등 다양한 지구 시스템에서 순환하며, 인간의 화석연료 사용이 이 균형을 깨뜨리고 있습니다. 특히 화석연료를 태우면서 배출되는 이산화탄소는 자연적으로 흡수될 수 있는 양을 초과하여 대기 중에 축적되고, 이는 지구 온난화와 기후 시스템의 붕괴로 이어집니다. 기후 시스템은 대기뿐 아니라 바다, 땅, 생태계, 얼음권, 심지어 천문학적 요인까지 복잡하게 얽혀 있습니다. 각 요소들은 서로 영향을 주고받으며, 시스템 전체의 균형이 무너질 때 기후 위기가 심화됩니다. 예를 들어, 숲이 파괴되면 이산화탄소 흡수 능력이 감소하고, 바다가 따뜻해지면 이산화탄소를 덜 흡수하게 됩니다. 국제사회는 기후 위기에 대응하기 위해 다양한 협약과 정책을 마련해왔습니다. 1992년 리우 회의에서 기후변화협약이 채택된 이후, 1995년부터 당사국 총회가 개최되고, 2005년 교토의정서가 발효되었습니다. 교토의정서는 선진국에 더 큰 감축 의무를 부여했으나, 국가 간 책임 분담 문제로 갈등이 있었습니다. 이후 2015년 파리협정에서는 모든 국가가 각자의 상황에 맞는 감축 목표를 설정하도록 하여, 보다 포괄적인 대응 체계를 마련하였습니다. 과학적 연구와 국제 보고서는 기후 위기의 심각성을 점점 더 명확히 하고 있습니다. IPCC 보고서들은 지구 평균기온 상승과 해수면 상승, 그리고 이 변화의 주된 원인이 인간 활동임을 반복적으로 강조해왔습니다. 최근 보고서에서는 이미 1.1도 가까이 온도가 상승했으며, 그중 대부분이 인간에 의한 것임이 밝혀졌습니다. 이에 따라 각국은 2050년 탄소중립 달성을 목표로 정책을 추진하고 있으며, 우리나라도 이에 동참하고 있습니다.

국립과천과학관책📖저자강연

화학
지구환경과학

[강연] 매머드는 왜?_ 멸종, 인간, 기후 _ by 박정재 ㅣ 2022 가을 카오스강연 '진화' 9강 | 9강

진화와 멸종은 생명 역사를 이끄는 두 축입니다. 흔히 진화를 새로운 환경에 적응하여 종 분화가 일어나는 과정으로 이해하지만, 그 이면에는 경쟁에서 밀려난 종의 멸종이 필연적으로 존재합니다. 특정 지역에서 생존 가능한 종의 수는 한정되어 있기에, 새로운 종의 출현은 곧 다른 종의 퇴장을 의미하기도 합니다. 따라서 현재 우리가 직면한 생물 다양성 감소 문제를 해결하기 위해서는 과거의 멸종 사례를 면밀히 검토하고, 그 원인이 기후 변화인지 혹은 인간의 개입이었는지를 분석하는 과정이 반드시 필요합니다. 마지막 빙기 말, 지구 기온이 급격히 상승하던 시기에 매머드를 비롯한 수많은 대형 포유류가 사라졌습니다. 학계에서는 이를 두고 기후 변화 가설에 따른 식생의 변화가 원인이라는 주장과 인간의 과잉 사냥 가설이 결정적이었다는 주장이 팽팽하게 맞서고 있습니다. 기후 변화 가설은 초원이 숲으로 변하며 먹이가 부족해졌음을 강조하고, 인간의 과잉 사냥 가설은 인간이 진출한 시점과 멸종 시기가 일치함을 근거로 듭니다. 이 논쟁은 오늘날 인위적인 기후 위기와 서식지 파괴가 생태계에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 시사점을 제공합니다. 대멸종의 소용돌이 속에서도 아메리카들소처럼 살아남은 종들이 존재합니다. 이들은 변화하는 환경에 맞춰 먹이 습성을 바꾸는 등 놀라운 적응력을 보여주었습니다. 나무가 내뿜는 독성 방어 물질을 중화할 수 있는 반추 능력을 갖춘 덕분에, 초원이 사라지고 숲이 들어서는 환경에서도 생존을 이어갈 수 있었습니다. 이는 생물의 생존이 단순히 힘의 논리가 아니라, 변화의 속도에 얼마나 유연하게 대응할 수 있느냐에 달려 있음을 보여줍니다. 하지만 현재의 온난화 속도는 생물의 자연적인 적응 한계를 위협하고 있습니다. 섬이라는 고립된 환경은 생물에게 독특한 진화의 기회를 제공하지만, 동시에 멸종의 함정이 되기도 합니다. 자원이 한정된 섬에서 매머드는 몸집을 줄이는 왜소화 과정을 거쳤고, 반대로 포식자가 없는 곳에서는 도마뱀이 거대해지기도 했습니다. 그러나 이러한 고립된 종들은 인간과 함께 유입된 외래종이나 급격한 환경 변화에 매우 취약합니다. 모리셔스의 도도새나 마다가스카르의 코끼리새 사례는 인간의 등장 이후 고립된 생태계가 얼마나 빠르게 붕괴할 수 있는지를 극명하게 보여주는 아픈 역사입니다. 과거의 대멸종이 화산 폭발이나 운석 충돌 같은 자연재해에 의한 것이었다면, 현재 진행 중인 '여섯 번째 대멸종'은 인류의 활동이 주원인이라는 점에서 차이가 있습니다. 산업화 이후 급증한 이산화탄소 농도는 지구의 온도를 전례 없는 속도로 높이고 있으며, 이는 생물의 이동과 적응을 가로막고 있습니다. 인간이 만든 도로와 도시는 생태 통로를 단절시켜 생물들이 적합한 서식지를 찾아 북상하는 것을 방해합니다. 결국 인위적인 기후 변화와 서식지 파괴의 결합은 생태계의 복원력을 심각하게 훼손하고 있습니다. 생물 다양성을 보존해야 하는 이유는 단순히 도덕적인 차원을 넘어 인류의 생존과 직결됩니다. 생태계 내의 모든 종은 고유한 기능을 수행하며 서로 얽혀 있습니다. 예를 들어 숲코끼리가 사라지면 그들이 퍼뜨리던 식물의 씨앗도 발아하지 못해 숲 전체가 변하게 됩니다. 이러한 연쇄 반응은 결국 지구 전체의 복원력을 약화시킵니다. 또한 자연은 인류에게 식량과 의약품의 원천이자 기술 혁신의 아이디어를 제공하는 거대한 창고입니다. 생물 다양성이 높을수록 지구는 외부 충격으로부터 스스로를 보호할 힘을 갖게 됩니다. 우리는 이제 생물 다양성 핫스팟을 설정하고 멸종 위기 지역을 집중적으로 관리하는 등 창의적이고 적극적인 해결책을 모색해야 합니다. 기후 위기와 생물 다양성 감소는 서로 악순환을 일으키는 관계이지만, 반대로 생태계를 복원함으로써 기후 위기를 완화하는 선순환을 만들 수도 있습니다. 인류는 과거 오존층 파괴 문제를 협력을 통해 해결했던 경험이 있습니다. 비관론에 빠져 무기력해지기보다는, 과학적 데이터를 바탕으로 생태계와 공존할 수 있는 길을 찾는 혁신적인 노력이 필요한 시점입니다.

박정재

카오스재단카오스강연

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[해썰이 있는 과학뉴스] 전 세계를 덮친 기후위기, 밥상을 바꾼다!😼 원인&해결방안을 과학뉴스에서 풀어드립니다👏

최근 물가 상승의 원인으로 기후 위기가 지목되고 있습니다. 단순한 자연재해를 넘어 우리가 매일 마주하는 밥상 물가에 직접적인 타격을 주고 있는 것입니다. 우크라이나 전쟁이나 유가 상승 같은 대외적 요인도 크지만, 급격한 기후 위기로 인한 작물 생산량 감소는 식량 안보의 위협으로 다가오고 있습니다. 기후 위기는 이제 먼 미래의 이야기가 아니라 우리 삶의 가장 기초적인 부분인 먹거리 문제를 흔드는 현실적인 위기가 되었습니다. 기후 위기의 핵심 원인은 대기 중 이산화탄소 농도의 급격한 상승에 있습니다. 1958년 관측 이래 이산화탄소 농도는 꾸준히 높아졌으며, 이는 지구의 에너지 평형을 깨뜨리는 온실효과를 유발합니다. 태양으로부터 받은 에너지가 우주로 적절히 방출되어야 하는데, 온실기체가 이를 막아 지구를 계속 데우는 것입니다. 이러한 에너지 불균형은 결국 지구 온난화로 이어지며 전 세계적인 기후 패턴의 변화를 초래하는 근본적인 원인이 됩니다. 우리나라는 전 세계 평균보다 더 가파른 기온 상승을 겪고 있습니다. 지난 100여 년간 한국의 평균 기온은 약 1.6도 상승했는데, 이는 세계 평균인 1.1도를 크게 웃도는 수치입니다. 기온뿐만 아니라 강수 패턴의 변화도 심각합니다. 전체 강수량은 늘어난 반면 비가 내리는 날수는 줄어들어, 짧은 기간에 폭우가 쏟아지는 현상이 잦아졌습니다. 특히 여름철에 집중되는 극한 강수는 농작물 피해를 키우며 우리 사회의 대응 능력을 시험하고 있습니다. 기후 위기는 작물의 재배 지도를 바꾸고 생태계의 조화를 무너뜨립니다. 제주도의 특산물이었던 한라봉은 이제 내륙에서 재배되고, 사과의 주산지는 점차 북상하여 강원도까지 올라갔습니다. 더 심각한 문제는 꽃이 피는 시기와 꿀벌이 활동하는 시기가 어긋나는 '타이밍 불일치' 현상입니다. 벌의 개체 수가 줄어들고 수분이 제대로 이루어지지 않으면 생산량은 급감하게 됩니다. 이는 결국 병충해 취약성과 유전자 다양성 감소로 이어져 식량 위기를 심화시킵니다. 기후 위기를 극복하기 위해서는 정부와 산업계, 그리고 개인 모두의 노력이 절실합니다. 과학기술을 활용한 지속 가능한 농업 방식을 도입하고, 탄소 배출을 줄이는 친환경 기술의 상용화가 필요합니다. 개인 차원에서는 육류 소비를 줄이는 식습관의 변화나 로컬 푸드 이용 등 일상 속의 작은 실천이 중요합니다. 약간의 불편함을 감수하더라도 지구를 생각하는 인식의 변화가 선행될 때, 우리는 비로소 식량 위기라는 거대한 파도를 넘어설 수 있을 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

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[페스티벌+어스] 지속가능한 지구: 기후 by 박록진, 김백민 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

기후 변화는 이제 먼 미래의 경고가 아닌 현실의 위기로 다가왔습니다. 1880년 산업혁명 이후 지구의 평균 기온은 이미 1.1도 상승했으며, 한반도는 이보다 높은 2도 가까운 상승 폭을 기록하고 있습니다. 이러한 지구 온난화는 단순히 숫자의 변화에 그치지 않고 전 지구적인 폭염, 가뭄, 집중호우와 같은 극단적인 기상 현상을 빈번하게 야기합니다. 북극의 빙하가 녹아내리고 해수면이 상승하는 현상은 생태계 전반의 위기를 초래하며 인류의 생존을 위협하고 있습니다. 우리는 현재 지구 곳곳에서 발생하는 기후 재난을 통해 변화의 시급성을 체감하고 있습니다. 파리 협정의 핵심 목표인 탄소 중립은 인위적인 탄소 배출량과 자연적인 흡수량이 균형을 이루는 상태를 의미합니다. 우리가 배출한 이산화탄소는 숲의 광합성과 해양의 용해 작용을 통해 자연적으로 흡수되는데, 현재는 배출량이 자연의 흡수 능력을 크게 초과하여 대기 중 농도가 계속 높아지고 있습니다. 2050년까지 탄소 중립을 달성하기 위해서는 전력 생산과 운송 수단 등 주요 배출원의 에너지 구조를 근본적으로 전환하여 자연의 흡수 범위 안으로 배출량을 줄여야 합니다. 이는 단순히 배출을 줄이는 것을 넘어 지구 시스템의 순환 원리를 회복하는 과정입니다. 자연의 탄소 흡수 능력은 고정된 것이 아니라 기후 변화와 밀접하게 상호작용하며 변합니다. 최근 빈번해진 대형 산불은 그동안 나무가 흡수했던 탄소를 다시 대기로 방출하는 악순환을 만들고 있으며, 해수 온도의 상승은 바다의 탄소 용해도를 낮추어 흡수 효율을 떨어뜨립니다. 또한 이산화탄소보다 지구 온난화 지수가 25배나 높은 메테인 기체의 농도 증가는 기후 위기를 더욱 가속화하는 요인이 됩니다. 따라서 자연의 흡수 기작에 대한 정밀한 과학적 이해와 감시가 탄소 중립 전략의 필수적인 토대가 되어야 하며, 이를 위해 위성 관측과 같은 첨단 기술의 활용이 중요해지고 있습니다. 기후 위기에 대응하는 과정에서 우리는 탄소 감축뿐만 아니라 변화하는 환경에 적응하는 지혜도 함께 갖추어야 합니다. 지구 온도가 6도 이상 상승하여 인류가 멸종할 것이라는 극단적인 공포에 매몰되기보다는, 과학적 근거에 기반한 합리적인 대응책을 마련하는 것이 중요합니다. 현재의 기술 발전 속도와 국제적인 협력을 고려할 때, 우리는 온도 상승 폭을 관리 가능한 수준으로 억제할 수 있는 시간을 아직 확보하고 있습니다. 비관론에 빠져 포기하기보다는 우리가 처한 상황을 정확히 인식하고, 지속 가능한 성장을 위한 구체적이고 실현 가능한 경로를 설계해야 할 때입니다. 경제 성장과 탄소 배출 사이의 연결고리를 끊어내는 '탈동조화'는 지속 가능한 미래를 위한 핵심 과제입니다. 과거에는 GDP가 높아질수록 탄소 배출도 늘어나는 것이 당연시되었으나, 최근 선진국들을 중심으로 기술 혁신을 통해 경제 성장을 유지하면서도 배출량을 줄이는 사례가 나타나고 있습니다. 기업들은 탄소 발자국을 투명하게 공개하고 친환경 공정을 도입하며 생존을 위한 변화를 꾀하고 있습니다. 소비자 역시 탄소 배출이 적은 제품을 선택함으로써 시장의 흐름을 바꾸는 중요한 역할을 수행할 수 있으며, 이러한 개인의 선택이 모여 기업과 국가의 변화를 이끌어내는 동력이 됩니다. 에너지 전환의 성공은 단순히 재생 에너지 발전소를 많이 짓는 것에 그치지 않고, 이를 뒷받침하는 효율적인 에너지 인프라 구축에 달려 있습니다. 기상 조건에 따라 발전량이 변하는 태양광이나 풍력 에너지의 특성을 고려할 때, 남는 전력을 저장하고 필요한 곳으로 보내주는 지능형 전력망 확충이 필수적입니다. 또한 수소 에너지, 탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS) 등 다양한 창의적 대안들을 검토하고 실용화해야 합니다. 에너지의 생산부터 소비까지 전 과정에서의 효율화와 인프라의 혁신은 기후 위기 극복을 위한 가장 강력한 수단이 될 것이며, 이는 국가 경쟁력과도 직결되는 문제입니다. 기후 위기는 인류에게 커다란 도전이지만, 동시에 새로운 문명으로 도약할 수 있는 기회이기도 합니다. 우리는 인공위성을 활용한 정밀 관측과 고도화된 모델링을 통해 미래 기후를 예측하고 최선의 대응 경로를 찾아가고 있습니다. 개인의 절제와 기업의 혁신, 그리고 국가의 현명한 정책이 조화를 이룰 때 우리는 비로소 지속 가능한 지구를 후손에게 물려줄 수 있습니다. 인류는 언제나 위기 속에서 답을 찾아왔으며, 이번에도 과학적 근거와 연대의 힘을 바탕으로 지구와 공존하는 새로운 길을 개척해 나갈 것입니다. 우리의 작은 실천과 창의적인 사고가 모여 결국 지구를 위한 올바른 답을 완성할 것입니다.

김백민, 박록진

카오스재단2022 대한민국 과학축제 ㅣ 페스티벌 어스

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[강연] 식물과 기후변화 _ 박연일, 강호정, 김광형, 김상규 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 10강 카오스 콘서트 | 10강

식물은 정적인 존재처럼 보이지만, 사실 화학 물질이라는 정교한 언어를 통해 주변 세계와 끊임없이 소통하고 있습니다. 꽃향기는 단순히 인간의 코를 즐겁게 하기 위함이 아니라, 나비나 벌 같은 화분 매개자를 유혹하거나 자신을 갉아먹는 적을 물리치기 위한 전략적 메시지입니다. 카페인이나 니코틴 같은 물질 역시 식물이 스스로를 보호하기 위해 만들어낸 독성 물질의 일종입니다. 이러한 화학적 상호작용을 연구하는 화학 생태학은 식물이 자연이라는 거대한 네트워크 속에서 어떻게 관계를 맺고 생존해 나가는지를 해독하는 중요한 열쇠가 됩니다. 식물의 광합성은 지구 생명 역사의 근간을 이루는 가장 혁명적인 사건 중 하나입니다. 약 30억 년 전 남세균의 출현으로 시작된 산소 방출은 대기 성분을 완전히 바꾸어 놓았으며, 이는 에너지 효율이 높은 진핵생물과 다세포 생물이 등장할 수 있는 토대가 되었습니다. 하지만 산소의 등장은 당시 산소에 적응하지 못한 수많은 미생물에게는 대참사이기도 했습니다. 오늘날 식물은 엽록소와 루비스코 같은 정교한 단백질 복합체를 통해 태양 에너지를 유기물로 전환하며, 지구 탄소 순환의 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 급격히 상승하면서 식물의 생리적 반응에도 변화가 나타나고 있습니다. 흔히 이산화탄소가 많아지면 식물이 더 잘 자랄 것이라 기대하지만, 실제로는 키가 크기보다는 전분과 같은 당분 함량만 높아지는 일종의 '당뇨병' 상태에 빠지기 쉽습니다. 특히 습지 생태계에서는 높아진 이산화탄소 농도로 인해 메탄과 같은 온실가스 배출이 오히려 증가하는 부작용이 관찰되기도 합니다. 이는 단순히 나무를 많이 심는 것보다, 탄소가 땅속 유기물로 얼마나 안정적으로 저장될 수 있는지를 이해하는 것이 기후 위기 대응에 더 중요함을 시사합니다. 농업은 기후 변화의 최전선에서 가장 먼저 타격을 받는 분야이며, 이는 사회 전반으로 번지는 '방아쇠 효과'를 유발할 수 있습니다. 역사적으로 기후 변화로 인한 농업 생산성 저하는 기근과 전염병을 넘어 전쟁과 국가의 멸망으로 이어지는 연쇄적인 비극을 초래해 왔습니다. 아일랜드 대기근이나 프랑스 대혁명 같은 역사적 사건들은 이상 기후가 인류 문명의 존립을 어떻게 위협하는지 잘 보여줍니다. 따라서 현대의 농업은 단순한 생산 증대를 넘어, 기후 변화에 적응하고 탄소 배출을 완화하는 '기후 스마트 농업'으로의 전환이 절실한 시점입니다. 현재 지구는 과거 다섯 차례의 대멸종에 버금가는 생물 다양성 위기에 직면해 있습니다. 기온 상승 속도가 생물들의 적응 능력을 앞지르면서 수많은 종이 사라지고 있으며, 이는 생태계 서비스의 붕괴로 이어집니다. 특히 꿀벌과 같은 화분 매개자의 감소는 식물의 번식과 인류의 식량 안보에 직접적인 위협이 됩니다. 자연이라는 실험실이 사라지기 전에 우리는 우리 주변의 생태계가 어떻게 구성되어 있고 어떤 변화를 겪고 있는지 더 정밀하게 관찰하고 기록해야 합니다. 자연을 아는 것이 보호의 첫걸음이기 때문입니다. 인류는 과학 기술을 통해 기후 위기를 극복할 수 있다는 낙관론과 시스템의 한계로 인해 멸망을 피할 수 없다는 비관론 사이에서 치열하게 논쟁하고 있습니다. 탄소 포집 기술이나 신재생 에너지의 발전은 희망적인 신호를 주지만, 자본주의 경제 체제 아래에서의 무분별한 개발과 자국 우선주의는 전 지구적 공조를 어렵게 만듭니다. 기술적 해결책이 실질적인 효과를 거두기 위해서는 생태계의 복잡한 메커니즘에 대한 깊은 이해와 더불어, 인류 전체의 위기의식 공유와 행동 변화가 반드시 뒷받침되어야 합니다. 식물행성이라는 이름 아래 진행된 탐구는 결국 인간이 지구라는 거대한 생태계의 일원임을 다시금 깨닫게 해줍니다. 식물의 언어를 이해하고, 광합성의 신비를 풀며, 기후 변화에 대응하는 모든 노력은 인류의 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 과정입니다. 자연을 단순히 이용의 대상으로 보지 않고, 함께 공존해야 할 파트너로 인식할 때 비로소 우리는 기후 위기라는 거대한 파도를 넘을 수 있을 것입니다. 작은 곤충의 이름 하나를 아는 것에서 시작되는 관심이 모여 지구의 푸른 생명력을 지키는 거대한 힘이 되기를 기대합니다.

강호정, 김광형, 김상규, 박연일

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 강호정_땅속 미생물이 인간이 배출하는 CO2의 5배 이상 배출한다? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

흙 속 미생물과 기후 변화를 연구하는 생태학의 세계에서 가장 주목받는 식물 중 하나는 '스파그넘'이라 불리는 물이끼입니다. 이 식물은 화려한 꽃도 없고 성장 속도도 매우 느리지만, 죽은 뒤에도 잘 썩지 않고 땅속에 층층이 쌓이는 독특한 성질을 지니고 있습니다. 주로 춥고 축축한 북미나 시베리아 지역에 분포하며, 광합성을 통해 흡수한 탄소를 장기간 저장하는 중요한 역할을 수행합니다. 기후 변화 대응의 핵심인 탄소 저장고로서 물이끼의 가치는 매우 높습니다. 지표면의 극히 일부만을 차지하는 습지는 지구 생태계의 거대한 스펀지와 같습니다. 비가 많이 올 때는 물을 머금어 홍수를 예방하고, 가뭄 시에는 저장했던 물을 조금씩 내보내 피해를 줄이는 조절 능력을 발휘합니다. 또한 수많은 동식물이 서식하는 생물 다양성의 보고이자, 전 지구적인 탄소 저장고로서 인류 문명사적으로도 막대한 가치를 지닙니다. 철새들이 긴 여정 중에 쉬어가는 기착지 역할까지 수행하며 지구의 생명력을 유지하는 데 기여하고 있습니다. 기후 변화로 인한 온도 상승은 땅속 미생물의 호흡을 가쁘게 만들어 탄소 분해를 가속화합니다. 이는 대기 중으로 더 많은 이산화탄소를 배출하는 결과를 초래하며, 강수량 변화에 따른 미생물 구성의 변화는 환경에 또 다른 연쇄 반응을 일으킵니다. 특히 미생물이 매년 내뿜는 이산화탄소의 양은 인류가 화석 연료를 태워 발생하는 양의 5배가 넘습니다. 메탄이나 아산화질소 같은 강력한 온실기체 발생에도 핵심적인 역할을 하기에 미생물 연구는 기후 위기 해결의 열쇠가 됩니다. 생태학은 실험실 안의 분석을 넘어 자연 그 자체를 연구 대상으로 삼는 학문입니다. 연구자들은 야외 조사지에서 장기간 생태계의 변화를 관찰하고, 때로는 인위적으로 온도를 높이거나 이산화탄소를 살포하여 미래 환경을 모사하는 조작 실험을 수행합니다. 현장 조사와 실험실 분석, 그리고 방대한 데이터를 처리하기 위한 통계학적 방법론이 결합된 융합적인 성격을 띱니다. 이러한 다각적인 접근을 통해 우리는 기후 변화가 생태계 전반에 미치는 영향을 보다 정밀하게 예측할 수 있습니다. 우리가 눈으로 보는 식물의 모습은 빙산의 일각에 불과하며, 땅속에는 그만큼 거대한 뿌리 시스템이 존재합니다. 뿌리는 단순히 식물을 지지하고 영양분을 흡수하는 것을 넘어, 주변 미생물 및 다른 식물들과 복잡한 네트워크를 형성합니다. 최근 연구에 따르면 나무들은 균류를 매개로 화학적 정보를 주고받으며 서로 소통하고 자원을 공유합니다. 겉으로 보이는 초록빛 잎사귀만큼이나 보이지 않는 땅속에서 일어나는 역동적인 상호작용에 주목할 때 식물의 진면목을 이해할 수 있습니다.

강호정

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 인류가 초래한 기후 변화, 예측 가능했는가? _by손석우｜2022 서울대 자연과학 공개강연 '과학 동행' | 2부 ②

지구환경과학은 땅과 바다, 그리고 하늘에서 일어나는 모든 자연 현상을 탐구하는 학문입니다. 특히 매일의 날씨와 기후 변화는 현대 사회에서 가장 중요한 연구 주제로 꼽힙니다. 이러한 흐름 속에서 2021년 노벨 물리학상은 기후 연구의 중요성을 전 세계에 알리는 역사적인 계기가 되었습니다. 세 분의 수상자 중 마나베 슈쿠로 박사와 클라우스 하셀만 박사는 평생을 기상학 연구에 헌신해온 인물들로, 복잡한 기후 시스템을 물리적으로 규명한 공로를 인정받아 영예를 안았습니다. 기상학에 대한 인류의 관심은 고대 그리스 아리스토텔레스의 '메테오롤로지카'에서 시작되었습니다. 이후 19세기 수학자 푸리에는 지구가 왜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는지 정량적으로 계산하기 시작했습니다. 그는 태양 에너지와 복사 에너지의 균형만으로는 현재의 온난한 기온을 설명할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 푸리에는 지구에서 빠져나가는 에너지를 붙잡는 '무언가'가 존재할 것이라는 가설을 세웠고, 이는 훗날 온실 효과라는 개념의 기초가 되었습니다. 푸리에가 예견한 '무언가'의 정체는 화학자 틴들에 의해 밝혀졌습니다. 그는 실험을 통해 대기의 대부분을 차지하는 질소와 산소가 아닌, 아주 적은 양의 이산화탄소와 수증기가 적외선을 흡수한다는 사실을 확인했습니다. 이어 아레니우스 박사는 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지구 기온이 약 6도 정도 상승할 것이라는 정량적 예측을 내놓았습니다. 비록 당시에는 빙하기를 이해하려는 목적이었으나, 이는 온실 기체가 기후를 결정하는 핵심 요소임을 입증한 선구적인 연구였습니다. 마나베 슈쿠로 박사는 이전의 단순한 에너지 균형 모델을 획기적으로 개선했습니다. 그는 복사 에너지뿐만 아니라 공기의 대류와 수증기의 잠열 방출을 복합적으로 고려한 기후 모델을 개발했습니다. 1967년 발표된 그의 연구는 이산화탄소 증가 시 지표면 온도는 상승하고 성층권 온도는 하강한다는 온실 효과의 특성을 명확히 증명했습니다. 특히 그는 40여 년 전에 이미 북극 지역에서 가장 강한 온난화가 나타날 것임을 예측했는데, 이는 오늘날 우리가 목격하고 있는 현실과 놀라울 정도로 일치합니다. 클라우스 하셀만 박사는 날씨와 기후의 상관관계를 이론적으로 규명하고, 기후 변화의 원인을 탐지하는 '기후 지문법'을 제안했습니다. 이는 현재 나타나는 기후 변화가 자연적인 변동인지, 아니면 인류의 활동에 의한 것인지를 통계적으로 구분하는 방법론입니다. 그의 연구 덕분에 과학자들은 지난 100여 년간의 기온 상승이 화산 폭발이나 태양 활동 같은 자연적 요인이 아닌, 인간이 배출한 온실 기체 때문라는 사실을 명백하게 입증할 수 있게 되었습니다. 최신 IPCC 보고서는 지구 온난화가 인간에 의한 것임이 '명백하다'는 표현으로 단정 짓고 있습니다. 산업화 이전 대비 지구 평균 기온은 이미 약 1.09도 상승했으며, 이로 인해 전례 없는 기상 이변이 속출하고 있습니다. 미래 기후 시나리오에 따르면, 우리가 탄소 중립을 달성하더라도 과거의 기온으로 완전히 돌아가는 것은 불가능에 가깝습니다. 하지만 2050년까지 탄소 중립에 성공한다면 기온 상승 폭을 1.5도 이내로 억제하여 최악의 재앙은 막을 수 있다는 희망적인 분석도 공존합니다. 기후 변화 연구는 단순한 지적 호기심에서 시작되어 이제는 인류의 생존이 걸린 절박한 과제가 되었습니다. 노벨상 수상자들은 입을 모아 과학적 근거에 기반한 빠른 행동을 촉구하고 있습니다. 문제가 닥친 후에야 대응하는 것이 아니라, 이미 확보된 과학적 데이터를 바탕으로 지금 당장 변화를 만들어내야 한다는 것입니다. 기후 위기는 더 이상 남의 이야기가 아닌 우리 모두의 이야기이며, 다음 세대를 위해 우리가 반드시 관심을 가지고 해결해야 할 시대적 사명입니다.

손석우

카오스재단서울대자연과학공개강연

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[술술과학] 동물은 식물에서 진화하지 않았다?🌼🐘_식물 EP.02 (식물의 관점#2)

식물과 동물을 구분하는 기준은 시대에 따라 변화해 왔습니다. 과거 아리스토텔레스는 움직임의 유무를 기준으로 삼아 '심겨 있는 것'과 '움직이는 것'으로 생물을 분류했습니다. 하지만 현대 과학의 관점에서 식물을 정의하는 것은 훨씬 복잡한 문제입니다. 광합성 능력, 세포벽의 존재, 다세포성, 그리고 육상 거주라는 네 가지 핵심 키워드를 어떻게 조합하느냐에 따라 식물의 기원은 35억 년 전부터 5억 년 전까지 수십억 년의 편차를 보이기 때문입니다. 결국 식물의 본질을 이해하기 위해서는 그들이 수행하는 가장 중요한 생화학적 과정인 광합성에 주목할 필요가 있습니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물이라는 화학적으로 매우 안정적인 물질을 포도당과 산소로 전환하는 기적 같은 과정입니다. 이 놀라운 기술을 처음으로 선보인 존재는 가장 단순한 생명체인 남세균이었습니다. 이들은 오늘날 녹조 현상을 일으키는 주범으로 오해받기도 하지만, 실제로는 지구 대기의 화학적 조성을 완전히 바꾸어 놓은 위대한 개척자들입니다. 화학적으로는 폐기물이나 다름없던 물질들을 생명의 에너지원으로 탈바꿈시킨 이들의 등장은 지구 생태계가 형성되는 데 있어 가장 결정적인 사건 중 하나로 평가받습니다. 식물이 광합성을 통해 산소를 배출하기 시작하자, 생명체들은 이 강력한 반응성을 지닌 산소에 적응하며 호기성 세균이라는 새로운 존재를 탄생시켰습니다. 호흡은 광합성 과정을 정확히 뒤집은 역과정으로, 산소를 이용해 양분을 태워 무산소 호흡보다 20배나 높은 효율로 에너지를 얻어냅니다. 이는 식물과 동물이 서로의 생성물을 원료로 사용하는 완벽한 콤비 플레이를 가능하게 했습니다. 태양이라는 무한한 에너지원을 연료로 삼아 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 이 순환 시스템은 지구상의 생명체가 영속할 수 있는 거대한 에너지 장치이자 일종의 영구 기관을 만들어낸 셈입니다. 생명 진화의 제3차 혁명은 세포 내 공생을 통한 진핵생물의 등장입니다. 약 15억 년 전, 호기성 세균이 다른 세포 속으로 들어가 미토콘드리아가 되었고, 이후 남세균이 합류하여 엽록체로 진화했습니다. 이들은 각각 에너지 공장과 광합성 공장의 역할을 맡아 세포의 복잡성을 비약적으로 높였습니다. 흥미로운 점은 세포 내 공생 순서상 미토콘드리아의 정착이 엽록체보다 먼저 일어났다는 사실입니다. 이는 세포 수준에서 볼 때, 식물 세포의 조상이 동물 세포의 조상보다 나중에 출현한, 보다 복잡하고 진화된 형태일 수 있음을 시사하는 흥미로운 대목입니다. 결국 식물과 동물 중 무엇이 먼저인가라는 질문에 대한 답은 우리가 식물을 어떻게 정의하느냐에 따라 달라집니다. 광합성을 하는 생명체를 기준으로 하면 식물이 앞서지만, 세포 내 공생 순서를 따지면 식물 세포가 더 늦게 완성되었기 때문입니다. 그러나 분명한 사실은 식물이 지구 생태계의 실질적인 주인이라는 점입니다. 동물은 식물이 생산한 자원 없이는 단 한 순간도 존재할 수 없지만, 식물은 스스로 에너지를 만들어내며 생명의 근간을 유지합니다. 경계가 흐릿한 진화의 역사 속에서도 식물은 생명이라는 거대한 메커니즘을 실질적으로 장악하고 지탱하는 핵심 축입니다.

카오스재단술술과학

생명과학

[술술과학] 식물행성 'Plant Planet'🌲_식물 EP.01 (식물의 관점#1)

우리는 흔히 식물을 움직이지 않는 정적인 존재로 여기며 때로는 물건처럼 가볍게 대하곤 합니다. 하지만 지구 전체 생물량의 약 80% 이상을 차지하며 생태계의 실질적인 주인공 역할을 하는 것은 바로 식물입니다. 이들은 태양 에너지를 생명의 원천으로 변환하고 이산화탄소를 흡수하여 지구의 허파 역할을 수행합니다. 외계인의 시선에서 지구를 정의한다면 아마도 '식물 행성'이라 부를 만큼, 식물은 단순히 배경으로 존재하는 것이 아니라 지구 생명권의 근간을 이루는 핵심적인 존재입니다. 생명의 고향인 바다에 더 많은 생물이 살 것 같지만, 실제 통계는 우리의 통념을 깨뜨립니다. 전체 생물량의 99%가 육상에 존재하며 바다 생물은 단 1%에 불과하기 때문입니다. 특히 육상에서 식물과 동물의 비율을 비교하면 식물이 동물보다 무려 200배나 더 많다는 놀라운 사실을 알 수 있습니다. 이는 지구상에서 눈에 보이는 생명체의 압도적인 다수가 식물이라는 점을 뒷받침합니다. 우리가 마주하는 거대한 녹색의 물결은 단순한 풍경이 아니라 지구를 지탱하는 거대한 생명력의 증거입니다. 인간이 속한 동물의 비중은 전체 생물량에서 고작 0.4%에 불과하며, 그중 인류는 단 0.01%라는 미미한 비중을 차지합니다. 그러나 이 작은 비중의 인류가 생태계에 끼치는 영향은 가히 파괴적입니다. 포유류 전체로 범위를 좁혀보면 인간과 가축의 무게가 전체의 96%를 차지하고, 야생 동물은 겨우 4%로 밀려난 상태입니다. 단일 종인 호모 사피엔스가 40억 년 진화의 역사가 만들어낸 자연스러운 생명 분포를 인위적으로 왜곡하고 있는 현실은 우리가 식물에 대해 가져야 할 태도를 다시금 생각하게 합니다. 과학자 호프 자런은 저서 '랩걸'을 통해 인류 문명이 4억 년간 지속된 생명체를 식량, 의약품, 목재라는 세 가지 도구적 관점으로만 분류해버렸다고 비판합니다. 도시화가 진행되면서 식물이 일구어 놓은 푸른 땅은 다시 황폐한 콘크리트로 덮였고, 인간은 알량한 죄책감을 덜기 위해 작은 화분에 식물을 가두어 기르고 있습니다. 인류 문명 시작 이후 전 세계 나무의 절반이 사라졌다는 사실은 우리가 식물의 세계를 얼마나 무분별하게 훼손하며 살아왔는지를 여실히 보여주는 가슴 아픈 지표입니다. 이제는 인간 중심의 사고에서 벗어나 식물의 눈높이에서 세상을 바라보는 과학적 태도가 절실히 필요합니다. 식물은 동물 없이도 자생할 수 있지만, 인간을 포함한 모든 동물은 식물 없이는 단 한 순간도 생존할 수 없기 때문입니다. 우리가 원하는 세상에 식물이 존재하는 것이 아니라, 식물들이 구축해 놓은 거대한 세계 속에 우리가 잠시 머물고 있다는 겸손한 인식이 필요합니다. 빛을 향해 자라나는 식물처럼 우리도 생명의 근원을 존중하고 공존의 길을 찾는 방향으로 나아가야 할 때입니다.

카오스재단술술과학

생명과학

[강연] 제29회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학동행'2 by정현석, 손석우 l 서울대학교&카오스재단 | 2부

자연과학은 우리가 발을 딛고 있는 이 세계의 본질을 탐구하는 여정입니다. 2022년 UN이 지정한 '세계 기초과학의 해'를 맞아 진행된 이번 논의는 '과학과의 동행'이라는 주제 아래 기초과학의 가치를 재조명합니다. 미지의 영역을 향해 끊임없이 질문을 던지는 과정 자체가 인류에게 가장 소중한 가치가 됩니다. 이러한 탐구는 당장의 경제적 이득을 목적으로 하지 않더라도, 결국 인간의 본성에 부합하며 인류 전체에 유익한 결과를 가져다주는 밑거름이 됩니다. 우리가 아는 것보다 모르는 것이 훨씬 더 많다는 사실을 인정하는 데서 진정한 과학적 진보가 시작됩니다. 양자역학은 현대 물리학에서 가장 비직관적이면서도 매혹적인 분야로 꼽힙니다. 빛이 입자인지 파동인지에 대한 오랜 논쟁은 양자역학의 탄생과 함께 새로운 국면을 맞이했습니다. 단일 광자는 반거울을 통과할 때 어느 한 경로를 선택하는 입자처럼 행동하면서도, 관측되지 않을 때는 두 경로를 동시에 지나는 파동처럼 간섭 현상을 일으킵니다. 이러한 '양자 중첩' 상태는 우리가 일상에서 경험하는 논리적 범주를 뛰어넘습니다. 관측하는 순간 상태가 결정되는 이 기묘한 현상은 미시 세계의 기본 원리이며, 우리가 보지 않을 때 자연이 어떻게 행동하는지에 대한 심오한 통찰을 제공합니다. 양자 중첩의 개념을 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘'이라는 더욱 놀라운 현상에 도달합니다. 멀리 떨어져 있는 두 입자가 서로의 상태를 즉각적으로 결정하는 이 현상은 아인슈타인이 '유령 같은 원거리 작용'이라 부르며 의구심을 표했을 만큼 파격적이었습니다. 그러나 벨의 부등식 실험을 통해 국소적 실재론의 한계가 증명되면서, 우리는 이제 우주가 근본적으로 서로 얽혀 있다는 사실을 받아들이게 되었습니다. 이는 단순히 물리적 현상을 넘어 우리의 세계관을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이러한 양자적 상관관계는 현대 정보 기술의 패러다임을 바꿀 핵심 자원으로 주목받고 있습니다. 양자 기술을 현실에 구현하기 위한 과학자들의 노력은 '결어긋남'과의 전쟁이라 할 수 있습니다. 거시 세계의 물체는 외부 환경과 끊임없이 상호작용하며 양자적 특성을 쉽게 잃어버리기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 온도를 극도로 낮추거나 우주 공간을 활용하는 등 다양한 시도가 이어지고 있습니다. 0과 1의 중첩을 이용하는 '큐비트' 기반의 양자 컴퓨터와 도청이 불가능한 양자 암호 통신은 이미 실험실을 넘어 실용화의 단계로 나아가고 있습니다. 비록 완벽한 양자 컴퓨터의 시대까지는 시간이 필요하겠지만, 잡음이 존재하는 현재의 기술 수준에서도 고전 컴퓨터가 풀지 못하는 난제들을 해결하려는 도전은 계속됩니다. 기후 변화는 이제 단순한 변화를 넘어 인류의 생존을 위협하는 '기후 위기'의 시대로 접어들었습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후 과학자들에게 수여된 것은 이 분야가 정통 물리학의 중요한 한 축임을 전 세계에 공표한 사건이었습니다. 기후에 대한 탐구는 19세기 푸리에의 에너지 균형 연구와 틴들의 온실 기체 발견에서 시작되어 아레니우스의 정량적 분석으로 이어졌습니다. 이들은 지구가 왜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는지, 그리고 이산화탄소 농도가 기온에 어떤 영향을 미치는지에 대한 과학적 토대를 마련했습니다. 이러한 선구적인 연구들은 현대 기후 모델링의 출발점이 되었습니다. 현대 기후 과학은 정교한 컴퓨터 모델을 통해 지구의 미래를 예측합니다. 마나베 박사가 개발한 기후 모델은 대류와 복사 에너지의 상호작용을 물리 법칙으로 구현하여 온실 효과를 증명해 냈습니다. 또한 하셀만 박사가 제안한 '지문법'은 최근의 급격한 온난화가 자연적인 변동이 아닌 인류의 활동에 의한 것임을 통계적으로 명백히 규명했습니다. 현재 북극의 빙하가 녹고 기상 이변이 속출하는 현상은 수십 년 전 과학자들이 모델을 통해 예견했던 결과와 놀라울 정도로 일치합니다. 이는 기후 위기가 막연한 추측이 아니라 엄밀한 과학적 근거에 기반한 현실임을 시사합니다. 과학은 불확실한 미지의 영역을 확실한 지식의 영역으로 옮겨오는 인류의 가장 강력한 도구입니다. 양자 세계의 비밀을 파헤쳐 기술의 한계를 돌파하고, 기후 모델을 통해 지구의 위기를 진단하는 과정은 모두 미래 세대와의 지속 가능한 동행을 위한 노력입니다. 이제는 과학적 발견을 넘어 실천적인 행동이 필요한 시점입니다. 탄소 중립을 향한 국가적 대응과 더불어, 과학의 본질을 이해하고 그 가치를 공유하는 공동체의 노력이 뒷받침되어야 합니다. 과학자들의 끊임없는 질문과 도전이 계속되는 한, 우리는 더 나은 미래를 향한 희망의 실마리를 놓지 않을 것입니다.

손석우, 정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학
지구환경과학

[인터뷰] 국종성_낯선 지구 : 다시는 예전의 지구로 돌아갈 수 없다!

기후변화 연구는 단순히 데이터를 분석하는 즐거움을 넘어 이제는 우리 사회가 직면한 가장 중대한 도전 과제가 되었습니다. 25년 넘게 기후를 연구해 온 학자로서 초기에는 가설이 증명될 때 느끼는 학문적 카타르시스와 전율에 집중했다면, 이제는 연구자로서의 사회적 책임감을 깊이 통감하고 있습니다. 대중과 소통하며 기후 위기의 심각성을 알리는 과정에서, 개인적인 연구의 재미와 사회적 필요성 사이의 균형을 맞추는 것이 얼마나 중요한지 깨닫게 된 것입니다. 최근 기후학계에서 주목하는 화두 중 하나는 바로 '기후 임계점'입니다. 이는 지구온난화가 진행되면서 기후가 서서히 변하다가 특정 지점에 도달하면 걷잡을 수 없이 급격하게 변화하는 현상을 의미합니다. 임계점을 넘어선 이후의 기후가 어떤 방향으로 흐를지는 현재의 과학적 지식으로도 정확히 예측하기 어렵습니다. 영화 속 장면처럼 갑작스러운 빙하기가 찾아오거나 울창한 숲이 순식간에 사막으로 변하는 등, 지구가 전혀 다른 환경으로 변모할 수 있다는 사실은 우리에게 큰 경각심을 줍니다. 이산화탄소 증가가 지구에 미치는 영향은 단순히 온실효과에 그치지 않습니다. 식물은 이산화탄소 농도가 높아지면 기공을 적게 열어 수분 증발을 억제하는데, 이는 지면의 온도를 조절하는 증발산 작용을 방해하여 온도를 더욱 높이는 결과를 초래합니다. 이러한 복합적인 기후 시스템을 연구하기 위해 과학자들은 가상의 지구인 '기후 모형'을 활용합니다. 실제 지구를 대상으로 함부로 실험할 수 없기에, 정교한 수학적 모델과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미래 기후를 예측하고 대응책을 마련하는 것입니다. 우리가 탄소 중립을 실현하여 대기 중 농도를 낮춘다 하더라도 지구가 과거의 안정적인 상태를 회복할 것이라는 보장은 없습니다. 최근의 학술적 성과들은 지구가 원래의 궤도가 아닌 전혀 새로운 환경적 평형 상태로 진입할 가능성을 경고하고 있습니다. 이는 현재 우리가 산정하는 기후 대응 비용에 미래의 영구적인 손실분까지 포함해야 한다는 경제적, 윤리적 함의를 담고 있습니다. 기후변화가 남기는 흔적은 인류의 예상보다 훨씬 깊고 오래 지속될 수 있음을 잊지 말아야 합니다. 과학 연구는 단거리 경주가 아닌 마라톤과 같습니다. 젊은 연구자들이 처음의 열정을 잃지 않고 꾸준히 나아가기 위해서는 체력 관리와 마음의 여유가 필수적입니다. 밤을 새워 연구에 매진하는 것보다 규칙적인 운동과 다양한 활동을 통해 창의성을 유지하는 것이 장기적으로 더 큰 성과를 내는 비결입니다. 조급함을 버리고 작은 성공들을 쌓아가며 자신만의 페이스를 유지할 때, 비로소 기후 위기라는 거대한 장벽을 넘을 수 있는 혁신적인 해답을 찾고 지속 가능한 연구를 이어갈 수 있을 것입니다.

국종성

카오스재단석학인터뷰

지구환경과학

[질문Q] 지구온난화가 인간에 의한 게 아니라 자연적인 현상이라는 주장에 대해 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라

기후 변화에 대한 논의는 크게 세 가지 핵심적인 질문으로 요약할 수 있습니다. 먼저 지구 대기 중 이산화탄소 농도가 실제로 증가했는지, 그리고 이러한 증가가 인간 활동에 기인한 것인지, 마지막으로 이것이 지구의 온도를 얼마나 상승시키는지에 대한 문제입니다. 관측 결과 이산화탄소 농도의 증가는 명백한 사실이며, 다양한 과학적 근거들이 이를 인간 활동의 결과로 지목하고 있습니다. 비록 미래의 온도 상승 폭을 정확히 예측하는 데에는 여전히 학술적 견해 차이가 존재하지만, 인간 활동의 개입이 지구 온난화의 결정적인 요인이라는 점에는 대다수의 과학자가 동의하고 있습니다. 지구의 기온 변화를 이해하기 위해서는 인간 활동과는 무관하게 발생하는 자연적인 변동성을 함께 고려해야 합니다. 대표적인 사례인 엘니뇨와 라니냐는 해양과 대기의 상호작용을 통해 나타나는 자연 현상으로, 그 자체만으로도 지구 전체의 기온을 오르내리게 하는 힘을 가지고 있습니다. 강력한 엘니뇨가 발생하면 지구의 온도가 일시적으로 상승하고, 반대로 라니냐 시기에는 기온이 낮아지는 양상을 보입니다. 이러한 자연적 변동성에 인간 활동에 의한 외적 강제력이 더해질 때, 기온 변화의 폭이 자연스러운 범위를 넘어서며 유례없는 온난화 현상을 초래할 수 있다는 사실을 유념해야 합니다. 전 지구적인 기온 변화를 정확하게 측정하기 시작한 것은 인공위성 관측이 본격화된 이후의 일입니다. 1978년 인공위성 발사 이후 축적된 데이터는 1980년대부터 높은 신뢰도를 확보하게 되었으며, 기후학자들은 이 시기 이후의 자료를 바탕으로 정밀한 분석을 수행합니다. 반면 위성 관측 이전의 시기나 육지가 적은 남반구 지역의 경우, 관측 자료의 밀도가 낮아 상대적으로 신뢰도가 떨어지는 한계가 있습니다. 이러한 데이터의 공백을 메우기 위해 과학자들은 과거의 단편적인 기록들을 수학적, 통계적으로 가공하여 전 지구를 대표할 수 있는 통합적인 자료를 구축하려는 노력을 지속하고 있습니다. 과거 기후 데이터의 불확실성을 극복하기 위해 기후학자들은 '프록시'라고 불리는 대용 자료를 적극적으로 활용합니다. 나무의 나이테, 산호의 성장 기록, 빙하와 퇴적물에서 추출한 코어 등은 수백 년 전의 기온 정보를 간직하고 있는 소중한 지표가 됩니다. 연구자들은 현재의 온도와 이러한 대용 자료 사이의 상관관계를 분석하여 검증 모델을 만들고, 이를 과거의 기록에 적용함으로써 데이터의 신뢰성을 높입니다. 비록 과거 자료가 현대의 정밀 관측치에 비해 완벽할 수는 없지만, 이러한 다각적인 분석을 통해 도출된 지구 온도의 상승 추세는 과학적으로 부정할 수 없는 강력한 근거를 갖추고 있습니다. 기후 위기에 대응하기 위한 극단적인 기술적 조치들은 때로 외과 수술을 통해 지방을 강제로 제거하는 다이어트에 비유되기도 합니다. 하지만 우리가 지구를 지키고자 하는 궁극적인 목적은 인류가 보다 행복하고 안정적인 환경에서 삶을 영위하기 위함임을 잊어서는 안 됩니다. 지구는 인류만을 위한 공간은 아니며, 기후의 급격한 변화가 특정 생물종에게는 새로운 기회가 될 수도 있겠지만, 인류의 생존과 번영을 위해서는 현재의 안정적인 환경을 유지하는 것이 최우선 과제입니다. 따라서 인류와 자연이 공존할 수 있는 적절한 대응 방안을 모색하는 것이 우리가 지향해야 할 올바른 방향이라 할 수 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강

기후 변화는 이제 우리에게 익숙한 주제이지만, '티핑 포인트'라는 개념은 여전히 생소하게 다가옵니다. 영화 '설국열차'나 '인터스텔라'에서 묘사된 극한의 환경은 단순한 상상력의 산물처럼 보이지만, 사실 이는 지구가 임계점을 넘었을 때 마주할 수 있는 현실적인 경고이기도 합니다. 산업혁명 이후 인류는 전례 없는 지구 온난화를 겪고 있으며, 이는 단순한 기온 상승을 넘어 지구 시스템 전체의 균형을 흔들고 있습니다. 우리가 상상하지 못했던 낯선 지구의 모습은 먼 미래의 이야기가 아니라, 현재 우리가 내리는 선택에 따라 결정될 눈앞의 현실입니다. 해수면 상승은 기후 변화의 가장 가시적인 위협 중 하나입니다. 지난 100년 동안 전 지구 평균 해수면은 약 20 cm 상승했으며, 일부 지역에서는 이미 기후 난민이 발생하고 있습니다. 단순히 물의 열팽창만 고려하더라도, 평균 깊이가 4,000 m에 달하는 거대한 바다는 단 1%의 팽창만으로도 40 m의 해수면 상승을 불러올 수 있습니다. 여기에 남극의 빙하가 모두 녹는 최악의 시나리오가 더해지면 해수면은 120 m 이상 높아질 수 있습니다. 이는 과거 빙하기에 서해가 육지였던 것처럼, 지구의 지도를 완전히 바꿀 수 있는 거대한 변화입니다. 현재의 지구 온난화를 주도하는 주범은 단연 이산화탄소입니다. 과거 2,000년 동안의 기록을 살펴보면 온실가스 농도는 일정하게 유지되다가 산업혁명 이후 급격한 'J'자형 상승 곡선을 그립니다. 인구 증가 추세와 이산화탄소 농도 변화가 일치한다는 사실은 현재의 기후 변화가 인간 활동에 의한 것임을 명확히 보여줍니다. 우리는 인류 역사상 처음으로 이산화탄소 농도 400 ppm 시대를 살고 있으며, 이는 지구가 자연적으로 조절할 수 있는 범위를 넘어서고 있음을 시사합니다. 온실 효과는 생존에 필수적이지만, 과도한 농도는 지구의 열 균형을 파괴합니다. 기후 시스템에는 변화를 증폭시키는 '양의 피드백'이라는 공범이 존재합니다. 기온이 오르면 대기가 더 많은 수증기를 머금어 온실 효과가 커지고, 북극의 얼음이 녹으면 태양 빛을 반사하는 알베도가 낮아져 지구 온난화가 가속됩니다. 최근 연구에 따르면 북극의 식물성 플랑크톤 증가조차 태양 에너지를 더 많이 흡수하여 온도를 높이는 피드백으로 작용합니다. 이처럼 다양한 피드백 기제들은 이산화탄소가 직접 올리는 온도보다 훨씬 더 큰 폭의 기온 상승을 유도합니다. 우리가 아직 발견하지 못한 피드백들이 존재할 수 있다는 점은 기후 변화의 불확실성과 위험성을 더욱 높입니다. 기후 변화의 티핑 포인트는 작은 충격이 거대한 붕괴로 이어지는 임계점입니다. 영구 동토층이 녹아 이산화탄소보다 온실 효과가 강력한 메탄이 대량 방출되면, 인류의 통제를 벗어난 급격한 기후 변화가 시작될 수 있습니다. 이를 우리 몸에 비유하자면 점진적인 지구 온난화는 '비만'이고, 급격한 변화는 '중병'과 같습니다. 비만일 때 식단과 운동으로 관리하지 않으면 결국 치명적인 질병에 걸리듯, 지금이 바로 우리의 생활 패턴과 에너지 정책을 전환해야 할 마지막 기회입니다. 현재의 안정적인 기후를 지켜내는 것은 미래 세대를 위한 가장 시급한 과제입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 by 김경렬 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강

지질학적 시간 단위인 홀로세는 약 만 년 전부터 시작되었지만, 최근 300년 사이 지구 환경은 이전과는 비교할 수 없을 만큼 급격한 변화를 겪었습니다. 인류가 화석 연료를 사용하고 대규모 산업 활동을 전개하면서 이산화탄소, 메탄, 아산화질소와 같은 온실가스 농도가 폭발적으로 증가했기 때문입니다. 이러한 변화는 자연적인 지질 시대의 흐름을 벗어나 인류의 활동이 지구 시스템의 주도적인 힘이 되었음을 의미하며, 과학자들은 이를 '인류세'라는 새로운 시대로 정의하고 있습니다. 온실가스 농도의 증가는 인류의 생존 방식과 밀접하게 연결되어 있습니다. 산업혁명 이후 석탄과 석유의 사용은 이산화탄소 배출의 주범이 되었고, 인구 증가에 따른 축산업의 확장은 소의 소화 과정에서 발생하는 메탄 농도를 높였습니다. 또한 농업 생산성을 높이기 위해 사용되는 질소 비료는 아산화질소를 배출하여 오존층 파괴와 온난화를 가속화하고 있습니다. 이러한 현상은 인류가 지구 생태계 전반에 걸쳐 거대한 발자국을 남기고 있음을 보여주는 명백한 증거입니다. 전 세계 인구 1인당 연간 약 1톤의 탄소를 배출한다는 통계가 있지만, 이는 국가별 경제 수준에 따라 매우 불공평하게 나타납니다. 선진국들은 과거부터 막대한 양의 탄소를 배출하며 성장해 온 반면, 개발도상국들은 이제 막 경제 발전을 위해 배출량을 늘리고 있는 상황입니다. 예를 들어 프랑스는 원자력 발전 비중이 높아 탄소 배출량이 상대적으로 적은데, 이는 에너지 생산 방식이 국가의 탄소 수지에 얼마나 큰 영향을 미치는지 보여줍니다. 결국 기후 위기 해결을 위해서는 전 지구적인 공평성과 책임 분담이 필수적입니다. 화석 연료를 대체하기 위한 노력은 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 재생 에너지 분야에서 활발히 이루어지고 있습니다. 과거에는 이러한 재생 에너지의 발전 단가가 원자력 발전이나 화력 발전에 비해 높았지만, 기술 혁신을 통해 경제성이 점차 확보되고 있습니다. 특히 해상 풍력이나 해수 온도차 발전과 같은 새로운 시도들은 에너지 자립과 탄소 중립을 동시에 달성할 수 있는 가능성을 제시합니다. 엔지니어들의 노력으로 재생 에너지의 경쟁력이 높아짐에 따라, 우리는 위험 부담이 큰 에너지원 대신 지속 가능한 선택지를 가질 수 있게 되었습니다. 기후 위기 해결을 위한 책임은 국가나 기업에만 있는 것이 아닙니다. 전체 탄소 배출량의 약 3분의 1은 우리 개개인의 일상적인 생활 방식에서 비롯됩니다. 우리가 사용하는 전기, 이동 수단, 소비 습관 하나하나가 지구 환경에 직접적인 영향을 미치고 있습니다. 우리가 누리는 문명적 혜택을 유지하면서도 환경을 보전하기 위해서는 생활 속의 작은 실천이 무엇보다 중요합니다. 에너지 절약과 같은 노력이 모일 때, 우리는 비로소 후손들에게 아름답고 건강한 지구를 물려줄 수 있는 책임을 다하게 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 기후학자가 노벨물리학상을 수상한 이유? by 국종성 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 2강

기후 연구는 단순히 대기와 해양의 물리적 현상을 관찰하는 지구과학의 영역을 넘어, 이제는 식물의 호흡과 같은 생태적 요소까지 고려하는 거대한 융합 학문으로 진화했습니다. 우리가 살고 있는 지구에 대한 깊은 호기심과 관심을 가진 사람이라면 누구나 이 여정에 동참할 수 있습니다. 특히 현대 기후학은 다양한 학문적 배경을 가진 이들이 모여 복잡한 지구 시스템을 다각도로 분석하는 융합적 사고를 요구합니다. 이러한 통합적 접근은 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 해결하는 데 필수적인 토대가 되며, 미래의 기후학자들에게 가장 필요한 덕목이기도 합니다. 소중한 지구를 대상으로 직접적인 실험을 할 수 없기에, 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상의 지구인 '기후 모형'을 만듭니다. 이는 지구의 물리적 과정을 정교한 수학적 방정식으로 표현하여 미래의 변화를 진단하는 도구입니다. 전 지구를 격자로 쪼개어 수천만 개의 미분 방정식을 푸는 이 과정에는 엄청난 성능의 슈퍼컴퓨터가 동원됩니다. 10만 줄 이상의 복잡한 코드로 이루어진 기후 모형은 인류가 지구 시스템을 이해하고 미래의 기후 위기에 대비하기 위해 수십 년간 개발해 온 정교한 과학적 산물이자, 미래를 내다보는 창과 같습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후학자들에게 수여된 사건은 과학계에 큰 영감을 주었습니다. 이는 기후 시스템이 물리학적으로 매우 정교한 복잡계임을 인정함과 동시에, 기후 위기가 인류가 직면한 가장 시급하고 거대한 위협이라는 강력한 메시지를 담고 있습니다. 노벨 재단은 지구 온난화를 물리적으로 모델링하고 그 변동성을 정량화하여 신뢰할 수 있는 예측을 가능하게 한 공로를 높이 평가했습니다. 이는 기후학이 현대 물리학의 중요한 한 축으로서 인류의 생존과 직결된 학문임을 공표한 것이며, 우리가 당장 실천해야 할 과제임을 일깨워주는 상징적인 사건입니다. 슈쿠로 마나베 교수는 1960년대에 이미 세계 최초로 3차원 대기 대순환 모형을 개발하며 현대 기후 예측의 기틀을 마련했습니다. 그는 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지표 온도가 약 2.4℃ 상승할 것이라는 놀라운 예측을 내놓았는데, 이는 수십 년 뒤의 현대적 관측치와도 매우 유사합니다. 특히 이산화탄소 증가 시 성층권 온도가 하락할 것이라는 그의 통찰은 훗날 실제 관측을 통해 증명되었습니다. 이는 기후 변화가 태양 활동의 변화가 아닌, 인간 활동에 의한 온실가스 배출 때문임을 밝히는 결정적인 과학적 근거가 되어 회의론자들의 주장을 잠재웠습니다. 클라우스 하셀만 교수는 무질서해 보이는 날씨의 변동 속에서 어떻게 장기적인 기후 예측이 가능한지에 대한 해답을 제시했습니다. 그는 대기의 빠른 변화가 해양과 같은 느린 시스템에 축적되는 과정을 수학적으로 증명하며 기후 예측의 토대를 마련했습니다. 이는 아인슈타인의 브라운 운동 개념을 기후 연구에 적용한 혁신적인 시도였습니다. 해양과 대기가 서로 시그널을 주고받으며 엘니뇨와 같은 거대한 기후 흐름을 만들어내는 과정을 이해하게 됨으로써, 인류는 무작위적인 날씨의 소음 속에서도 기후라는 거대한 질서의 방향성을 읽어낼 수 있게 되었습니다. 하셀만 교수의 또 다른 위대한 업적은 기후 변화의 원인을 규명하는 '최적 지문법'을 개발한 것입니다. 이는 관측된 기후 패턴 중에서 인간 활동에 의한 영향을 정밀하게 찾아내는 기술입니다. 최근 빈번해진 이상 기후가 단순한 자연적 변동인지, 아니면 인위적인 온난화 때문인지를 과학적으로 판별할 수 있게 된 것입니다. 이러한 연구는 기후 변화의 확률적 위험성을 정량화하여 정책 결정자들이 방파제 높이를 조절하거나 탄소 중립 전략을 세우는 데 실질적인 데이터를 제공합니다. 즉, 과학이 사회적 의사결정에 기여할 수 있는 강력한 도구를 마련해 준 셈입니다. 노벨상 수상은 기후 연구의 끝이 아니라 인류에게 주어진 새로운 숙제의 시작을 의미합니다. 우리는 여전히 지구 시스템의 임계점이 어디인지, 탄소 중립 이후 지구가 과거의 상태로 회복될 수 있는지에 대해 명확한 답을 찾고 있습니다. 급격한 기후 변화에 따른 생태계의 반응과 지구가 받는 지속적인 기후 스트레스는 우리가 앞으로 풀어야 할 거대한 수수께끼입니다. 기후학자들이 닦아놓은 과학적 토대 위에서, 이제는 전 인류가 지혜를 모아 지구의 지속 가능한 미래를 위한 실천적인 해답을 찾아나가야 합니다. 이번 수상은 그 여정을 독려하는 인류의 응원과도 같습니다.

국종성

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

지구환경과학

[강연] 표면에서 일어나는 화학 반응의 세계 _ by이현주ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 6강 | 6강

현대 화학 산업은 거대한 전환점을 맞이하고 있습니다. 과거에는 땅속의 석유를 채굴하여 연료와 플라스틱을 대량 생산하는 모델이 주를 이루었으나, 이제는 이산화탄소 배출로 인한 기후 변화 문제가 심각한 화두로 떠올랐습니다. 탄소세 부과와 전기차 시장의 급격한 팽창은 기존 정유 및 화학 업계에 큰 변화를 요구하고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 인류는 더 이상 자원 고갈 때문이 아니라, 지구 환경을 보호하기 위해 석유를 대체할 새로운 자원을 찾아야 하는 과제에 직면해 있습니다. 석유의 대안으로 주목받는 자원에는 바이오매스, 태양광, 풍력 에너지 등이 있습니다. 특히 태양광이나 풍력으로 생산된 전기를 이용해 물을 분해하여 수소를 얻고, 이를 이산화탄소와 결합해 유용한 화합물을 만드는 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 미래의 화학 산업은 특정 지역에서 대량 생산하여 전 세계로 보급하던 방식에서 벗어나, 지역별 자원 특성에 맞춰 필요한 제품을 즉석에서 생산하고 소비하는 분산형 모델로 진화할 것입니다. 이러한 변화의 중심에는 화학 반응을 조절하는 촉매 기술이 자리 잡고 있습니다. 촉매는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 조절하는 물질입니다. 일상적인 조건에서는 반응물이 생성물로 변하기 위해 매우 높은 활성화 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 과정을 안정화하여 더 적은 에너지로도 반응이 진행되도록 돕습니다. 촉매는 크게 균일계, 불균일계, 효소 등으로 나뉘는데, 그중에서도 고체 상태의 촉매를 사용하는 불균일계 촉매는 산업 현장에서 가장 널리 쓰입니다. 이는 공정 관리가 용이하고 대량 생산에 적합하여 현대 화학 공장의 핵심적인 역할을 수행합니다. 불균일계 촉매의 핵심은 표면 반응에 있습니다. 반응은 촉매의 표면에서만 일어나기 때문에, 비싼 귀금속인 백금 등을 사용할 때는 표면적을 극대화하는 것이 경제적으로 매우 중요합니다. 나노 기술을 활용해 금속을 수 나노미터 크기의 입자로 만들면 표면적을 수십만 배 이상 늘릴 수 있어 효율성이 비약적으로 상승합니다. 반응물이 촉매 표면에 흡착되어 결합이 끊어지거나 재결합한 뒤 생성물로 탈착되는 일련의 과정은 나노 입자의 크기와 모양, 표면 원자 배열에 따라 결정되며, 이를 정밀하게 제어하는 것이 연구의 핵심입니다. 최근 촉매 연구의 가장 뜨거운 분야 중 하나는 단일 원자 촉매입니다. 이는 금속 원자를 하나씩 담체 위에 분산시켜 모든 원자가 표면 반응에 참여하도록 만드는 기술입니다. 기존 나노 입자 촉매는 내부의 원자들이 반응에 참여하지 못해 낭비되는 부분이 많았으나, 단일 원자 촉매는 금속 활용도를 100%까지 끌어올릴 수 있습니다. 또한 반응 자리가 매우 균일하여 원치 않는 부산물을 줄이고 특정 생성물만 얻는 선택도가 높다는 장점이 있습니다. 이는 메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 등 난도가 높은 반응에서 혁신적인 가능성을 보여줍니다. 하지만 단일 원자 촉매가 모든 반응에서 만능은 아닙니다. 수소 연료 전지의 핵심인 산소 환원 반응처럼 두 개 이상의 원자가 협동하여 결합을 끊어야 하는 경우에는 단일 원자만으로는 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해 원자들이 서로 이웃하여 존재하는 앙상블 촉매 구조가 새롭게 주목받고 있습니다. 앙상블 촉매는 모든 원자가 표면에 노출되어 있으면서도 이웃한 원자들과의 상호작용을 통해 복잡한 화학 결합을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 이는 불순물에 취약한 단일 원자 촉매의 단점을 보완하고 실제 산업 공정에서의 내구성을 높이는 대안이 됩니다. 촉매 기술의 발전은 수소 연료 전지차의 대중화와 탄소 중립 실현을 앞당기는 결정적인 열쇠입니다. 연료 전지에 들어가는 고가의 백금 사용량을 획기적으로 줄이거나, 자동차 배기가스의 오염 물질을 정화하는 삼원 촉매의 성능을 높이는 일은 모두 표면 반응 제어 기술에 달려 있습니다. 나아가 대기 중의 이산화탄소를 포집하여 다시 연료나 원료로 바꾸는 기술이 완성된다면, 인류는 지속 가능한 순환형 화학 산업 구조를 갖추게 될 것입니다. 보이지 않는 미세한 표면에서 일어나는 원자들의 움직임이 인류의 미래를 바꾸는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다.

이현주

카오스재단카오스강연

화학

[인터뷰] 이현주_화학산업의 게임체인저, 촉매ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학자로서의 삶은 끊임없는 도전과 실패의 연속입니다. 스스로의 한계를 규정짓지 않는 마음가짐은 복잡한 공학적 난제를 해결하는 가장 강력한 원동력이 됩니다. 특히 주변의 뛰어난 인재들 사이에서 스스로를 의심하게 되는 순간에도, 실패를 두려워하지 않고 다시 일어서는 용기는 좋은 과학자가 갖춰야 할 필수적인 덕목입니다. 이러한 단단한 의지는 단순히 지식을 습득하는 단계를 넘어 새로운 과학적 지평을 열어가는 과정에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 불균일계 촉매 연구는 현대 화학 산업의 핵심적인 토대를 이룹니다. 촉매는 반응물과 생성물의 상태가 다른 환경에서 화학 반응을 촉진하는 역할을 하며, 특히 귀금속 사용량을 줄이면서도 활성과 선택성을 높이는 것이 연구의 주된 목표입니다. 우리의 생활 환경에서 흔히 볼 수 있는 자동차 배기가스 정화 장치 역시 이러한 촉매 기술의 결정체입니다. 유해한 황산화물이나 질소산화물을 무해한 물과 질소로 변환함으로써, 촉매는 보이지 않는 곳에서 인류의 건강과 환경을 보호하는 중추적인 기능을 수행하고 있습니다. 오랜 시간 안정적인 분야로 여겨졌던 화학 산업은 현재 거대한 전환점에 서 있습니다. 과거의 성장이 효율성에 집중했다면, 이제는 이산화탄소 배출과 미세플라스틱 문제 해결이라는 강력한 사회적 요구에 직면해 있습니다. 이러한 변화는 단순히 위기가 아니라 지속 가능한 사회로 나아가기 위한 필수적인 과정입니다. 석유 기반의 생산 방식에서 벗어나 새로운 원료를 활용해 필요한 물질을 만들어내는 과정에서 촉매는 성패를 가르는 열쇠가 됩니다. 화학 산업의 근본적인 혁신만이 깨끗하고 지속 가능한 내일을 보장할 수 있습니다. 공학 분야 내의 멘토링 프로그램은 단순한 지식 전달을 넘어 사회적 연대를 구축하는 장이 됩니다. 특히 여학생들이 겪는 경력 단절에 대한 고민이나 구직 과정에서의 보이지 않는 장벽은 개인의 노력만으로 해결하기 어려운 지점입니다. 이러한 문제를 공유하고 해결책을 모색하는 과정에는 남녀 학생 모두의 참여가 필요합니다. 서로의 상황을 이해하고 포용하는 태도는 갈등을 줄이고 모두가 행복하게 일할 수 있는 환경을 만드는 첫걸음입니다. 멘토링은 변화하는 시대에 발맞춰 건강한 조직 문화를 형성하는 중요한 역할을 수행합니다. 연구실의 기술이 실험실 담장을 넘어 실제 시장과 사회에 실질적인 영향을 미치는 것은 모든 공학자의 꿈입니다. 원자 수준에서 표면 구조를 정밀하게 제어한 촉매를 실험실 규모를 넘어 kg 단위로 대량 생산하는 기술은 화학 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 도전적인 과제입니다. 나노기술의 발전으로 과거에는 불가능해 보였던 원자 수준의 분석과 합성이 가능해지고 있는 만큼, 이러한 혁신적 기술이 제품화되어 사회적 가치를 창출하는 미래를 기대해 봅니다. 이는 공학이 추구해야 할 진정한 실용적 가치의 실현이라 할 수 있습니다.

이현주

카오스재단카오스강연

화학

[연구뭐하지] 이현우 교수_서울대학교 '화산학/휘발성성분연구실' | 여행 엄청 좋아하시거나 역마살 있으신 분들? 주저말고 이곳으로!

지구의 깊은 곳에서 뿜어져 나오는 기체들은 단순한 연기가 아니라, 지구 내부의 비밀을 간직한 중요한 단서입니다. 서울대학교 화산학 및 휘발성 성분 연구실에서는 화산 가스나 지진 활동 중에 배출되는 이산화탄소, 물, 이산화황, 질소와 같은 휘발성 성분을 정밀하게 분석합니다. 특히 탄소와 질소, 그리고 헬륨과 같은 비활성 기체의 동위원소비를 측정함으로써 마그마의 기원을 추적하고 지각 변동의 징후를 포착합니다. 이러한 연구는 지구 심부 물질이 어떻게 유래하고 배출되는지를 이해하는 데 필수적이며, 화산과 지진 같은 지질 재해를 사전에 모니터링하는 과학적 토대가 됩니다. 연구의 범위는 단순히 화산에만 국한되지 않고 지하수, 약수, 온천수 등 우리 주변의 다양한 수자원으로 확장됩니다. 물속에 녹아 있는 헬륨, 네온, 아르곤과 같은 비활성 기체와 메탄 등의 성분을 분석하여 기체의 생성 기작과 운반 과정을 파악합니다. 또한 화산암 내 광물 속에 갇혀 있는 미세한 가스 성분까지 분석하여 한반도 하부의 지질학적 배경을 심도 있게 연구합니다. 이러한 다각적인 접근은 눈에 보이지 않는 지하의 역동적인 변화를 화학적 데이터로 변환하여, 우리가 발을 딛고 서 있는 땅 밑에서 어떤 일이 벌어지고 있는지에 대한 명확한 해답을 제시해 줍니다. 연구실은 단순히 실험이 이루어지는 공간을 넘어, 구성원들이 학술적 영감을 나누고 정서적으로 교감하는 공동체 역할을 합니다. 이곳의 분위기는 자유로운 소통이 가능한 카페와 같으면서도, 오랜 시간 함께 연구하며 서로를 챙기는 가족 같은 따뜻함이 공존합니다. 교수님과 학생 사이의 수평적인 관계는 의문점이 생겼을 때 즉각적인 토론으로 이어지며, 이는 연구자가 스스로 미처 깨닫지 못했던 부분을 발견하고 성장하는 밑거름이 됩니다. 젊은 연구자들이 모여 자유롭게 의견을 개진하는 유연한 문화는 창의적인 연구 성과를 도출하는 이 연구실만의 강력한 원동력이라 할 수 있습니다. 지질학이라는 학문은 미지의 세계를 탐험하고자 하는 인간의 본능적인 호기심에서 시작됩니다. 어린 시절 산과 계곡을 누비며 자연의 섭리에 의문을 가졌던 경험이나, 영화 속 화산학자의 모습에서 느낀 뜨거운 동경은 한 연구자를 평생의 길로 인도하는 계기가 되기도 합니다. 화산학은 지구의 역동성을 가장 직접적으로 느낄 수 있는 학문으로, 화산에서 배출되는 가스 성분을 연구하는 과정은 마치 지구의 숨결을 기록하는 일과 같습니다. 이러한 열정은 연구실을 지키는 시간을 넘어, 전 세계의 험난한 지형을 직접 발로 뛰며 시료를 채취하는 현장 연구의 에너지로 이어집니다. 휘발성 성분 연구의 핵심은 현장성에 있습니다. 연구자들은 아프리카의 탄자니아와 케냐, 중남미의 코스타리카, 그리고 극한의 땅 남극에 이르기까지 판 구조론적 활동이 활발한 지역을 직접 찾아가 시료를 확보합니다. 국내에서도 울릉도, 독도, 제주도와 같은 화산섬은 물론 지진의 위험이 있는 단층 지역을 정밀하게 조사하며 지구의 살아있는 움직임을 추적합니다. 지구 깊은 곳에서 올라오는 뜨거운 숨결을 직접 느끼며 과학적 스토리텔링을 완성해가는 과정은 단순한 조사를 넘어선 하나의 거대한 여정입니다. 이러한 도전 정신은 지구 과학의 미래를 밝히는 중요한 자산이 됩니다.

이현우

카오스재단연구뭐하지

지구환경과학

[과학원리체험]@HOME풍선 렌즈 2부

이산화탄소는 우리가 일상에서 흔히 접하는 기체 중 하나이지만, 공기와 비교했을 때 독특한 물리적 특성을 가지고 있습니다. 가장 대표적인 차이점은 바로 밀도입니다. 이산화탄소는 일반적인 공기보다 분자량이 크기 때문에 같은 부피를 차지하더라도 더 큰 질량을 가집니다. 이러한 밀도의 차이는 단순히 무게의 차이를 넘어, 소리와 같은 파동이 공간을 통과하며 전달되는 방식에 결정적인 영향을 미치게 됩니다. 매질의 성질이 변하면 파동의 속도와 방향도 함께 변하기 때문입니다. 소리는 공기라는 매질을 통해 전달되다가 성질이 다른 매질을 만나면 굴절 현상을 일으킵니다. 이는 빛이 공기 중에서 진행하다가 물을 만났을 때 꺾이는 원리와 매우 유사합니다. 풍선 안에 공기보다 밀도가 높은 이산화탄소를 채우면, 소리 파동은 풍선을 통과하면서 안쪽으로 굴절하게 됩니다. 이때 풍선의 형태가 곡면을 이루고 있어 소리가 한 곳으로 모이는 현상이 발생하는데, 이것이 바로 소리를 모아주는 음향 렌즈의 역할을 하게 되는 원리입니다. 이러한 원리를 직접 확인하기 위해 이산화탄소가 가득 찬 풍선을 사이에 두고 대화를 나누는 실험을 진행해 볼 수 있습니다. 평소라면 들리지 않을 정도로 아주 작게 속삭이는 소리도 이산화탄소 풍선을 거치면 반대편에서 놀라울 정도로 선명하게 들리게 됩니다. 풍선이 볼록렌즈처럼 소리 에너지를 특정 지점에 집속시키기 때문입니다. 마치 돋보기로 햇빛을 모으듯, 흩어지던 소리 파동이 풍선을 통과하며 한데 모여 청취자의 귀에 전달되는 마법 같은 현상을 경험하게 됩니다. 실제로 풍선 가까이 귀를 대고 소리를 들어보면, 멀리서 들려오는 소리가 바로 귓가에서 울리는 듯한 생생한 느낌을 받게 됩니다. 아주 미세한 소리조차 풍선을 통과하는 순간 증폭되어 전달되기 때문입니다. 이는 단순히 소리가 커지는 것이 아니라, 사방으로 퍼져나가 손실될 소리 에너지를 굴절을 통해 효율적으로 집속해준 결과입니다. 이러한 현상은 매질의 물리적 특성 변화가 우리의 감각에 얼마나 큰 차이를 만들어낼 수 있는지를 잘 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 실험에 사용된 이산화탄소는 드라이아이스에서 승화된 기체로, 매우 낮은 온도를 유지하고 있습니다. 온도는 기체의 밀도와 소리의 속도에 영향을 주는 또 다른 중요한 변수입니다. 낮은 온도의 이산화탄소는 공기와의 밀도 차이를 더욱 극명하게 만들어 소리의 굴절 효과를 극대화하는 데 기여합니다. 이처럼 보이지 않는 기체의 밀도와 온도, 그리고 파동의 굴절 원리가 결합하여 만들어낸 음향 렌즈 현상은 기초 과학의 원리가 우리 주변에서 어떻게 작용하는지 흥미롭게 증명해 줍니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

물리학

[강연] 미지의 세계, 바다의 탐구 by나한나｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 2강

바다는 인류에게 여전히 거대한 미지의 세계로 남아 있습니다. 과거 19세기 영국 해군의 챌린저호가 지구 둘레의 세 배가 넘는 거리를 항해하며 바다의 깊이와 생물을 탐사했던 것이 현대 해양학의 시초가 되었습니다. 오늘날의 탐사는 연구선뿐만 아니라 인공위성과 첨단 무인 장비를 활용하여 과거보다 훨씬 정밀하게 이루어집니다. 과학자들은 망망대해에서 위도와 경도를 지표 삼아 바닷물의 성질과 운동, 그리고 그 변화가 지구 전체에 미치는 영향을 끊임없이 추적하며 푸른 심연 속에 감춰진 비밀을 하나씩 밝혀내고 있습니다. 21세기 해양 탐사의 핵심은 무인 관측 장비인 '아르고 플로트'의 활용에 있습니다. 약 1미터 높이의 이 장비는 스스로 부력을 조절하며 수심 2,000미터까지 내려가 바다의 수온과 염분을 정밀하게 측정합니다. 약 10일 주기로 심해와 표층을 오가며 수집된 데이터는 인공위성을 통해 육상 연구소로 실시간 전송됩니다. 현재 전 세계 바다에는 4,000개에 가까운 아르고 플로트가 떠다니며 인간이 직접 가기 힘든 깊은 바다의 정보를 쉼 없이 보내오고 있으며, 이는 해양의 수직적 구조와 물리적 특성을 이해하는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 바닷물은 한자리에 머물지 않고 끊임없이 움직이며 지구의 환경을 조절합니다. 표층의 해류가 주로 바람에 의해 형성된다면, 깊은 바다의 순환은 온도와 염분 차이에 따른 밀도 변화로 인해 발생합니다. 극지방에서 차가워지고 염분이 높아진 바닷물은 무거워져 심해로 가라앉으며, 이 거대한 흐름은 전 지구를 연결하는 '컨베이어 벨트'처럼 작동합니다. 이러한 해수의 순환은 지구의 열에너지를 골고루 분산시키는 중요한 역할을 하며, 바다의 운동 원리를 파악하는 것은 복잡한 기후 시스템의 변화를 예측하는 데 있어 매우 중요한 기초 연구가 됩니다. 해양의 물리적 변화는 생태계와 인류 경제에도 직접적인 영향을 미칩니다. 엘니뇨 현상으로 태평양의 따뜻한 해수층이 이동하면 가다랑어와 같은 어종의 서식지도 함께 변하며, 이는 도서 국가들의 어업 경제에 큰 변동을 가져옵니다. 특히 기후 변화로 인해 지구에 쌓인 잉여 에너지의 약 90%가 바다로 흡수되고 있다는 사실은 매우 중요합니다. 이로 인해 해빙이 녹고 해수면이 상승하며, 우리나라 주변 해역처럼 특정 지역의 수온이 급격히 상승하는 등 바다는 현재 기후 위기의 최전선에서 지구의 변화를 온몸으로 받아내며 경고의 메시지를 보내고 있습니다. UN은 2021년부터 2030년까지를 '해양과학 10년'으로 지정하여 미래의 깨끗하고 안전한 바다를 위한 전 지구적 연구를 독려하고 있습니다. 놀랍게도 전 세계 바다의 80% 이상은 여전히 인간의 발길이 닿지 않은 미지의 영역으로 남아 있습니다. 우리가 알고 있는 것보다 모르는 것이 훨씬 많은 이 거대한 공간은 미래 세대에게 무궁무진한 탐구의 기회를 제공합니다. 지구 환경에 대한 지적 호기심을 발휘하여 스스로 질문을 던지고 해답을 찾아가는 과정은, 급변하는 환경 속에서 인류가 바다와 공존하기 위해 반드시 지속해야 할 숭고한 여정입니다.

나한나

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학

[생존과학] 기후변화, 생존이 걸린 문제!

최근 호주에서 발생한 대형 산불은 기후변화의 심각성을 여실히 보여주는 사례입니다. 무려 다섯 달 동안 지속된 이 화재로 인해 한국보다 넓은 면적이 소실되었고, 수많은 야생동물이 목숨을 잃었습니다. 전문가들은 이러한 기상이변의 주요 원인으로 기후변화를 지목하고 있습니다. 지구가 점차 건조해지면서 한 번 발생한 불길이 쉽게 잡히지 않는 환경이 조성된 것입니다. 이제 기후변화는 먼 미래의 이야기가 아니라 우리의 생존을 위협하는 현실로 다가와 있습니다. 기후변화의 근본적인 원인은 산업혁명 이후 급증한 인류의 화석연료 사용에 있습니다. 석탄과 석유의 연소 과정에서 배출되는 이산화탄소와 메탄 같은 온실가스는 지구의 온도를 높이는 주범입니다. 실제로 미국 해양대기청의 자료에 따르면, 대기 중 이산화탄소 농도는 산업화 이전보다 약 1.5배 가까이 증가했습니다. 이러한 데이터는 현재의 지구온난화가 자연적인 변화가 아닌 명백한 인류 활동의 결과임을 입증하며, 우리가 직면한 문제의 본질을 명확히 보여줍니다. 지구가 더워지는데 겨울철 한파가 심해지는 현상은 이른바 '온난화의 역설'로 설명됩니다. 북극 빙하가 녹으면 태양열 흡수량이 늘어나 극지방의 기온이 상승하게 됩니다. 이로 인해 북극의 찬 공기를 가두어 두던 제트기류의 힘이 약해지면서, 마치 느슨해진 고무줄 사이로 찬 공기가 새어 나오듯 중위도 지역까지 한기가 내려오는 것입니다. 결국 겨울철의 기록적인 추위 역시 지구온난화가 만들어낸 기상이변의 한 단면이며, 생태계의 균형이 무너지고 있다는 강력한 신호입니다. 국제사회는 지구 평균 온도 상승 폭을 산업화 이전 대비 1.5도 이내로 제한하기 위해 노력하고 있습니다. 단 0.5도의 차이가 작아 보일 수 있지만, 이는 생태계에 엄청난 영향을 미칩니다. 온도 상승을 1.5도로 억제할 경우 해수면 상승을 10cm가량 낮출 수 있어 수천만 명의 거주지를 보호할 수 있습니다. 또한 산호초의 멸종 가능성을 줄이고 북극 빙하가 완전히 사라지는 빈도를 획기적으로 낮출 수 있습니다. 0.5도는 단순한 숫자가 아니라 지구 생명체의 생존을 결정짓는 임계점입니다. 기후변화를 극복하기 위해서는 우리 개개인의 사소한 실천이 무엇보다 중요합니다. 일주일에 하루만 운전을 쉬어도 연간 상당량의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있으며, 일회용 컵 대신 텀블러를 사용하는 습관은 나무를 심는 것과 같은 효과를 냅니다. 또한 실내 온도를 적절히 유지하는 것만으로도 에너지 소비를 크게 절감할 수 있습니다. 우리가 기후변화의 원인인 만큼, 변화를 만들어낼 주체 역시 우리 자신입니다. 미래 세대에게 아름다운 지구를 물려주기 위한 행동을 지금 당장 시작해야 합니다.

카오스재단술술과학

지구환경과학

[석학인터뷰] 김민수 ─ 우리나라에 테슬라보다 앞선 자동차 기술이 있다?! | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

대한민국은 수소전기차 연료전지 분야에서 오랜 연구 역사를 자랑하며, 지속적인 투자를 통해 수소 경제의 기틀을 마련해 왔습니다. 현재 국내 도로 위에는 수천 대의 수소전기차가 실제로 운행되고 있으며, 이는 우리 기술의 실용성과 신뢰성을 증명하는 사례가 되고 있습니다. 비록 초기 단계의 높은 차량 가격과 충전 인프라 부족이라는 현실적인 제약이 존재하지만, 생산과 보급 측면에서 보여주는 성과는 매우 고무적입니다. 이러한 저변 확대는 한국이 미래 친환경 모빌리티 시장을 선점하는 중요한 발판이 될 것입니다. 자율주행 기술은 기존의 내연기관차에서도 구현이 가능하지만, 수소전기차와 같은 차세대 모빌리티에서 그 잠재력이 극대화됩니다. 시스템 전체가 고도화된 전자 제어 방식을 따르기 때문에 복잡한 인공지능 알고리즘을 차량의 움직임과 동기화하기에 매우 적합하기 때문입니다. 이러한 기술적 특성은 차량의 반응 속도를 획기적으로 높이고 정밀한 위치 제어를 가능하게 하여 안전성을 강화합니다. 결국 미래의 도로는 수소 에너지의 효율성과 자율주행의 편리함이 결합된 지능형 차량들이 주도하게 될 것입니다. 지구 온난화의 주범인 탄소 배출을 줄이기 위해 전 세계는 화석 연료를 대체할 새로운 에너지원에 주목하고 있습니다. 그 중심에 있는 수소는 연료전지라는 장치를 통해 전기와 열을 생산하며, 오랫동안 친환경 에너지 솔루션으로 연구되어 왔습니다. 수소 경제의 실현을 위해서는 단순히 이용하는 단계를 넘어, 수소를 친환경적으로 생산하고 안전하게 저장하며 효율적으로 수송하는 전 과정의 기술적 뒷받침이 필수적입니다. 이러한 에너지 패러다임의 전환은 기후 위기 대응뿐만 아니라 지속 가능한 미래를 구축하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.

김민수

카오스재단카오스강연

화학
융합

[강연] 미세먼지 세상에서 살아남기 by박록진｜2020 서울대 자연과학 공개강연 '과학으로 살아남기' | 4강

대기 중 이산화탄소는 기후 변화를 일으키는 주범이자 미세먼지의 주요 구성 성분이기도 합니다. 현재 지구의 평균 이산화탄소 농도는 약 400ppm 수준이지만, 환기가 되지 않는 실내에서는 호흡으로 인해 그 농도가 순식간에 수천 ppm까지 치솟기도 합니다. 이산화탄소 농도가 2000ppm을 넘어서면 뇌에 산소 공급이 원활하지 않아 졸음이 쏟아지게 됩니다. 따라서 실내 공기 질 관리는 단순히 미세먼지 차단을 넘어 적절한 환기를 통한 이산화탄소 조절이 필수적입니다. 미세먼지는 공기 중에 떠다니는 아주 작은 액체나 고체 입자를 말하며, 보통 그 크기에 따라 분류됩니다. 지름이 10마이크로미터 이하인 것을 미세먼지(PM10), 2.5마이크로미터 이하인 것을 초미세먼지(PM2.5)라고 부릅니다. 사람의 머리카락 굵기가 보통 80에서 100마이크로미터임을 고려하면, 초미세먼지는 머리카락 굵기의 약 40분의 1에 불과할 정도로 매우 작습니다. 이렇게 작은 입자들은 우리 눈에 보이지 않지만 호흡기를 통해 폐 깊숙이 침투하여 건강에 치명적인 영향을 미칠 수 있습니다. 미세먼지는 발생 원인에 따라 자연적인 것과 인위적인 것으로 나뉩니다. 황사나 소금 입자, 꽃가루 등은 자연적으로 발생하며 입자의 크기가 상대적으로 커서 대기 중에 머무는 시간이 짧습니다. 반면 자동차 배기가스나 공장 굴뚝에서 나오는 검댕, 황산염 등은 인간의 활동으로 인해 발생하는 인위적 미세먼지입니다. 이들은 크기가 매우 작아 초미세먼지의 대부분을 차지하며, 대기 중에서 화학 반응을 통해 2차적으로 생성되기도 합니다. 특히 검댕은 탄소로 이루어져 빛을 흡수하는 성질이 강해 대기 오염의 주요 원인이 됩니다. 미세먼지 농도가 높을 때 하늘이 뿌옇게 보이는 이유는 입자들이 태양빛을 산란시키거나 흡수하기 때문입니다. 특히 습도가 높은 날에는 미세먼지가 수증기를 흡수하여 크기가 커지는 '흡습 성장' 현상이 일어납니다. 입자의 표면적이 넓어지면 빛을 산란시키는 효율이 급격히 높아져 시정이 더욱 짧아지게 됩니다. 따라서 같은 미세먼지 농도라 하더라도 건조한 날보다 습한 날에 우리가 체감하는 대기 오염 정도가 훨씬 심하게 느껴지는 것입니다. 시정이 나쁜 것이 반드시 미세먼지 때문만은 아니므로 정확한 수치 확인이 필요합니다. 통계적으로 보면 우리나라의 연평균 미세먼지 농도는 지난 20년간 꾸준히 감소하는 추세입니다. 하지만 대중의 관심과 불안은 오히려 증가하고 있는데, 이는 극심한 고농도 사례가 빈번하게 발생하기 때문입니다. 2013년 베이징의 사례 이후 대기 오염에 대한 경각심이 높아졌고, 최근에는 일평균 농도의 변동성이 커지면서 맑은 날과 탁한 날의 차이가 극명해졌습니다. 이러한 극단적인 현상은 우리가 체감하는 환경 오염의 심각성을 더욱 증폭시키는 원인이 됩니다. 최근 고농도 미세먼지 현상이 자주 발생하는 주요 원인 중 하나로 대기 정체가 꼽힙니다. 한반도의 평균 풍속이 점차 감소하면서 오염 물질이 지표면에 머물게 되는 것입니다. 풍속이 낮아지면 확산이 저해되어 농도가 급격히 상승하게 되는데, 이러한 변화는 지구 온난화로 인한 기후 변화와 밀접한 관련이 있습니다. 대기가 안정화되면서 공기의 수직 이동이 줄어들고, 결과적으로 우리가 마시는 공기 속의 미세먼지 밀도가 높아지는 결과를 초래합니다. 미세먼지는 단순히 오염 물질에 그치지 않고 지구의 기후 시스템에도 복잡한 영향을 미칩니다. 미세먼지 입자는 태양빛을 우주로 반사하여 지표면을 냉각시키는 직접적인 효과를 가집니다. 또한 구름의 씨앗 역할을 하여 구름 입자를 더 작고 많게 만듦으로써 구름을 더 하얗게 변화시키고 비가 내리는 패턴을 바꾸기도 합니다. 이처럼 미세먼지와 기후 변화는 서로 영향을 주고받는 밀접한 관계에 있습니다. 따라서 대기 오염 문제를 해결하기 위해서는 배출량 저감뿐만 아니라 기후 시스템 전반에 대한 깊이 있는 이해와 연구가 병행되어야 합니다.

박록진

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학

[강연] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강 | 4강 ①

화학은 물질의 변환을 다루는 학문입니다. 제2차 세계 대전 당시 나치의 눈을 피해 금으로 된 노벨상 메달을 왕수에 녹여 보관했다가 전쟁 후 다시 금으로 되돌린 일화는 화학의 본질을 잘 보여줍니다. 겉모습이 완전히 변해도 원소 자체는 사라지지 않으며, 적절한 반응을 통해 원래의 상태로 복원할 수 있다는 믿음은 화학적 원리에 기반합니다. 금속에서 전자를 빼내어 이온화하고, 다시 전자를 넣어 금속으로 환원시키는 과정은 물질의 근본적인 변화를 제어하는 화학의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 화학 반응의 중심에는 전자와 양성자가 있습니다. 전자를 잃는 산화와 전자를 얻는 환원은 항상 쌍을 이루어 일어나며, 이는 우리 주변에서 일어나는 수많은 물질 변화를 설명하는 기본 원리가 됩니다. 이 작은 입자들은 서로 긴밀하게 상호작용하며 물질의 전기적 중성을 유지하고 복잡한 구조적 변화를 이끌어냅니다. 인류가 전자의 존재를 명확히 이해하게 된 것은 비교적 최근의 일이지만, 이들의 움직임은 우주와 생명의 모든 화학적 변환을 주도하는 가장 강력한 동력이자 보이지 않는 세계의 질서를 구축하는 근간입니다. 양성자의 활동은 주로 산과 염기의 작용으로 나타납니다. 물 분자 사이에서 양성자가 이동하며 산성도를 결정하고, 이는 생명 현상뿐만 아니라 지구 전체의 환경 시스템에도 지대한 영향을 미칩니다. 특히 대기 중 이산화탄소가 물에 녹아 평형을 이루는 과정은 양성자의 농도에 따라 결정되는데, 최근 급격한 이산화탄소 증가는 바다의 산성화를 초래하여 생태계를 위협하고 있습니다. 이처럼 미세한 양성자의 움직임은 산호초의 생존부터 지구 전체의 기후 변화에 이르기까지 거대한 자연의 순환 체계를 지탱하는 중요한 축으로 작동합니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 경이로운 과정입니다. 식물의 엽록소가 빛을 흡수하여 들뜬 전자를 전달하면, 물이 산화되어 산소가 발생하고 이 과정에서 생명 활동에 필요한 에너지가 축적됩니다. 전자가 전자 전달계를 따라 이동할 때 양성자가 함께 펌핑되며 생명체의 에너지 화폐인 ATP가 생성됩니다. 식물은 이 에너지를 이용해 공기 중의 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성합니다. 이는 지구상의 모든 생명체가 살아갈 수 있는 연료를 생산하는 거대한 천연 화학 공장과 같은 역할을 수행합니다. 생명체의 호흡은 광합성의 역과정으로, 섭취한 영양소를 산화시켜 생존에 필요한 에너지를 얻는 과정입니다. 우리가 들이마신 산소는 전자를 받아 환원되고, 그 결과 이산화탄소가 배출되며 생태계의 탄소 순환이 완성됩니다. 광합성이 에너지를 저장하는 환원의 여정이라면, 호흡은 그 에너지를 인출하여 사용하는 산화의 여정이라 할 수 있습니다. 전자와 양성자의 끊임없는 순환은 태양 에너지를 생명의 동력으로 바꾸어 전달하며, 지구상의 모든 생명 현상을 유지하고 대를 이어가게 하는 근본적인 메커니즘으로 작동하고 있습니다. 현대 전기화학은 전자의 흐름을 정교하게 제어함으로써 인류의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하여 모바일 시대를 열었으며, 혈당 센서는 생체 내의 화학 반응을 전기 신호로 바꾸어 질병 관리를 돕습니다. 더 나아가 뇌의 신경 신호를 컴퓨터와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 전기화학의 새로운 지평을 열고 있습니다. 전자기적인 세계와 생화학적인 세계의 경계에서 일어나는 입자들의 상호작용을 이해하는 것은 인류의 미래 기술을 설계하는 데 있어 가장 핵심적인 토대가 됩니다. 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술인 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 깨끗한 전기 에너지를 생산합니다. 하지만 산소 환원 반응의 효율을 높이기 위해 여전히 고가의 백금 촉매에 의존해야 하는 한계가 존재합니다. 과학자들은 생체 효소의 정교한 구조에서 영감을 얻어 백금을 대체할 수 있는 새로운 촉매를 찾기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 뜨겁지 않은 연소를 통해 에너지를 직접 얻으려는 인류의 열망은 전자와 양성자의 조화를 완벽히 이해하고 제어하려는 노력을 통해 수소 경제라는 새로운 시대를 향해 나아가고 있습니다.

정택동, 황성필

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 미래의 기원 (1) _ by이관수 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 10강 | 10강 ①

미래 과학에 대한 논의는 흔히 앞으로 다가올 화려한 기술적 진보와 무한한 가능성에 초점을 맞추곤 합니다. 하지만 진정한 미래를 이해하기 위해서는 우리가 미래를 바라보는 방식 자체를 점검해 볼 필요가 있습니다. 과학사학자의 관점에서 본 미래는 단순히 새로운 것을 만들어내는 과정이 아니라, 과거로부터 이어져 온 인간의 사고방식이 투영된 결과물입니다. 우리는 현재의 연구가 미래에 미칠 영향력을 분석하기에 앞서, 인류가 과학과 미래라는 개념을 어떤 틀 안에서 정의해 왔는지 비판적으로 성찰해야 합니다. 많은 이들이 과학이 모든 문제를 해결해 줄 것이라는 무한한 긍정의 믿음을 가지고 있습니다. 그러나 방사성 폐기물 처리 문제에서 볼 수 있듯이, 자연의 기본 법칙은 인간의 의지로 바꿀 수 없는 영역이 존재합니다. 논리 회로의 기본인 노어(NOR) 게이트가 부정의 조합만으로 모든 논리를 구현하듯, 과학에서 '불가능함'을 인식하는 것은 매우 중요합니다. 무한한 가능성만을 쫓기보다 과학이 보여주는 명확한 한계를 인정할 때, 비로소 우리는 현실적이고 견고한 미래를 설계할 수 있는 힘을 얻게 됩니다. 과학이 증명한 절대적 불가능성은 인류의 지적 자산입니다. 에너지 보존 법칙이 무한 동력 기관의 불가능을 선언하고, 수학이 평면을 메우는 오각형 타일링의 가짓수를 제한하는 것은 우리 세계의 확고한 질서를 보여줍니다. 최근의 생물학적 연구 또한 다세포 생물의 노화와 죽음이 피할 수 없는 논리적 결과임을 시사합니다. 이러한 불가능의 영역들은 우리의 꿈을 짓밟는 장벽이 아니라, 오히려 우리가 발을 딛고 서 있는 현실의 경계를 명확히 해주는 소중한 이정표 역할을 수행하며 더 나은 방향을 제시합니다. 지식의 확장은 역설적으로 우리가 모르는 영역을 더 넓게 만듭니다. 루트비히 플렉의 비유처럼 과학자가 지식의 최전선에서 밝은 영역을 넓혀갈수록, 그 주변을 둘러싼 모호한 해석의 영역과 칠흑 같은 미지의 영역도 함께 확장됩니다. 아는 것이 늘어날수록 질문은 더 많아지고, 확실함보다는 긴가민가한 불확실성이 우리를 더 자주 찾아오게 됩니다. 따라서 미래 과학의 발전은 단순히 정답을 찾아가는 과정이 아니라, 우리가 직면한 거대한 무지의 영토를 확인하고 그 경계에서 겸허함을 배우는 과정이라 할 수 있습니다. 공상과학 소설(SF)은 종종 미래를 예언하는 것처럼 보입니다. 스타트렉의 통신기나 영화 속 태블릿 PC가 현실이 된 사례들은 SF의 통찰력을 증명하는 듯합니다. 하지만 '멋진 신세계'가 유전자의 개념조차 없던 시절에 쓰였음에도 오늘날 유전공학의 상징처럼 여겨지는 것은, 우리가 과학적 메커니즘보다 외형적 유사성에 더 집중하기 때문입니다. SF는 미래를 직접 보여주는 거울이라기보다 인간의 욕망과 상상력이 과학이라는 옷을 입고 나타난 결과물이며, 우리는 그 속에서 과학적 사실과 허구의 경계를 구분할 줄 알아야 합니다.

이관수

카오스재단카오스강연

물리학
융합

[강연] 지구탈출계획 : 화성에서 살아남기 (1) _ by이정은 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 8강 | 8강 ①

지구 온난화가 가속화되면서 극지방의 빙하가 녹고 해수면이 상승하는 등 인류의 터전이 위협받고 있습니다. 이러한 환경 변화는 사막화를 초래하여 식량 생산을 어렵게 만들고, 결국 인류는 지구를 대체할 새로운 행성을 찾아야 한다는 절박한 과제에 직면하게 되었습니다. 영화 '인터스텔라'나 '마션'에서 묘사된 것처럼, 황폐해진 지구를 떠나 우주로 이주하려는 상상은 이제 단순한 공상을 넘어 과학적 탐구의 대상이 되었습니다. 인류의 지속 가능한 미래를 위해 우리는 이웃 행성으로 눈을 돌리고 있습니다. 화성은 지구와 가장 유사한 물리적 조건을 갖춘 이주 후보지입니다. 비록 대기압이 지구의 1%에 불과하고 산소가 없으며 기온 변화가 극심하지만, 암석 지표와 사계절의 존재는 매력적인 요소입니다. 반면 금성은 지구와 크기가 비슷함에도 불구하고 90기압이 넘는 고압과 500도에 육박하는 고온 때문에 생명체가 살기에 부적합합니다. 따라서 화성 지표 아래에 존재하는 얼음 상태의 물은 인류가 화성을 주목하는 결정적인 이유가 됩니다. 우리는 극한의 환경 속에서도 생존의 가능성을 화성에서 찾고 있습니다. 행성들의 운명을 이해하기 위해서는 태양계 전체의 탄생 과정을 살펴봐야 합니다. 우주의 성간 구름이 자기 중력으로 수축하며 중심부 온도가 1,000만 도에 이르면 수소 핵융합을 통해 별이 탄생합니다. 이때 회전하는 원반이 형성되는데, 최근 알마(ALMA) 전파 망원경을 통해 아기 별 주위의 원반에서 행성들이 만들어지는 생생한 증거가 포착되었습니다. 이 원반 속 먼지 티끌들이 서로 부딪히고 뭉쳐지면서 거대한 행성계의 기틀이 마련되는 것입니다. 이는 별과 행성이 별개의 존재가 아니라 하나의 시스템임을 보여줍니다. 원반 내의 온도 분포는 행성의 크기와 성질을 결정하는 핵심 요소입니다. 중심 별에서 멀어질수록 온도가 낮아지는데, 물 분자가 얼음 상태로 존재할 수 있는 경계선을 '스노우 라인'이라 부릅니다. 이 라인 바깥쪽은 얼음 입자가 아교 역할을 하여 암석 덩어리가 크게 자랄 수 있어 목성 같은 거대 행성이 형성됩니다. 반면 안쪽은 얼음이 없어 지구처럼 작은 암석형 행성들만 만들어지게 됩니다. 이는 태양계 행성 배치의 비밀을 푸는 열쇠가 되며, 왜 지구와 같은 암석형 행성이 태양 가까이 위치하는지를 설명해 줍니다. 약 45억 년 전 초기 지구는 수많은 미행성과의 충돌로 인해 암석이 모두 녹아버린 마그마 상태였습니다. 이후 충돌이 잦아들며 지구가 식어가는 과정에서 무거운 철과 니켈은 중심으로 가라앉아 핵을 형성하고, 가벼운 물질들은 지표로 떠올라 지각이 되었습니다. 이러한 분화 작용 덕분에 지구는 현재의 층상 구조를 갖게 되었으며, 내부의 잔여 열과 방사성 원소의 붕괴 에너지는 외핵을 액체 상태로 유지하며 지구의 자기장을 형성하는 원동력이 되었습니다. 이러한 내부 구조는 행성이 생명체를 보호하는 방패를 갖추는 과정이기도 합니다. 생명체가 번성하기 위해서는 지표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 '생명 서식 지대'가 확보되어야 합니다. 중심 별로부터 너무 가까우면 물이 증발하고, 너무 멀면 얼어붙기 때문에 적당한 거리를 유지하는 것이 필수적입니다. 이 지대의 위치는 별의 온도와 밝기에 따라 달라지는데, 뜨거운 별일수록 서식 지대는 멀리 형성됩니다. 따라서 외계 생명체를 탐사할 때는 단순히 행성의 위치뿐만 아니라 그 중심 별이 내뿜는 에너지의 특성을 면밀히 분석해야 합니다. 액체 상태의 물은 생명 현상을 촉발하는 가장 중요한 매개체이기 때문입니다. 별의 질량은 그 수명을 결정하며, 이는 지적 생명체의 탄생과 직결됩니다. 질량이 큰 별은 밝고 뜨겁지만 연료를 빠르게 소모하여 수명이 매우 짧습니다. 반면 태양과 같은 별은 약 100억 년의 수명을 가지며 생명체가 진화할 충분한 시간을 제공합니다. 지구에서 인류 문명이 탄생하기까지 약 40억 년이 걸렸다는 점을 고려하면, 수명이 짧은 거대 별 주위에서는 고등 지능을 가진 생명체를 기대하기 어렵습니다. 결국 우주 이주는 별과 행성의 조화로운 조건을 찾는 여정이며, 우리는 그 속에서 인류의 새로운 고향을 찾기 위한 탐사를 계속하고 있습니다.

이정은

카오스재단카오스강연

천문학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (4) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ④

온실효과는 흔히 인류의 산업 활동으로 인해 시작된 부정적인 현상으로 오해받곤 합니다. 하지만 사실 온실효과는 산업화 이전부터 존재해 온 자연스러운 과정입니다. 지구 평균 기온을 생명체가 살기 적합한 수준으로 유지해 주는 이 현상의 핵심 주역은 이산화탄소가 아닌 수증기입니다. 대기 중 온실 기체 기여도의 상당 부분을 차지하는 수증기는 지구 평균 기온을 조절하는 가장 강력한 요소입니다. 따라서 온실효과 자체를 인류의 잘못으로 보기보다는, 자연적인 시스템에 인간의 활동이 어떤 추가적인 변화를 일으켰는지 파악하는 것이 기후 변화 이해의 첫걸음이라 할 수 있습니다. 지구 온난화의 원인을 규명할 때 태양 에너지의 변화를 간과해서는 안 됩니다. 20세기 동안의 태양 흑점 활동 변화를 살펴보면, 지구 평균 기온 상승 곡선과 유사한 흐름을 보이는 지점이 존재합니다. 일부 연구에 따르면 태양 에너지의 증가가 지구 평균 기온 상승에 적게는 10%에서 많게는 30%까지 기여했을 가능성이 제기되기도 합니다. 물론 현대 기후학의 주류인 IPCC 보고서 등에서는 태양 활동의 영향력을 이산화탄소에 비해 매우 낮게 평가하기도 하지만, 이러한 견해 차이는 기후 시스템이 얼마나 복잡하고 다양한 변수에 의해 움직이는지를 잘 보여주는 사례입니다. 기후 변화를 둘러싼 논쟁 중 하나는 인간 활동이 지구 평균 기온 상승에 미치는 정확한 기여도입니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 증가했다는 사실과 그것이 인간의 활동에 기인했다는 점에는 대다수 과학자가 동의합니다. 그러나 이 증가분이 구체적으로 온도를 얼마나 올렸는지에 대해서는 양의 피드백 작용 등 복잡한 메커니즘으로 인해 다양한 해석이 존재합니다. 엘니뇨나 라니냐와 같은 자연적인 변동성 또한 지구 평균 기온에 큰 영향을 미치지만, 중요한 점은 이러한 자연적 변동의 범위를 넘어서는 외적 강제력이 인류에 의해 더해지고 있다는 사실입니다. 과거의 기온 데이터를 신뢰할 수 있는지에 대한 의문은 과학적 검증의 핵심입니다. 인공위성 관측이 시작된 1980년대 이전의 데이터는 측정 지점의 한계로 인해 불확실성이 존재하는 것이 사실입니다. 이를 보완하기 위해 과학자들은 나무의 나이테, 산호, 빙하 코어와 같은 '프록시' 자료를 활용하여 수백 년 전의 기온을 추정합니다. 이러한 다각적인 검증 과정을 통해 도출된 결론은 현재의 지구 온난화가 분명한 상승 추세에 있다는 점을 뒷받침합니다. 불완전한 과거의 기록을 수학적, 통계적으로 정교하게 복원하려는 노력은 기후 변화의 실체를 밝히는 중요한 토대가 됩니다. 지구는 매우 예민하고 정교하게 연결된 시스템입니다. 우리가 기후 변화에 관심을 가져야 하는 이유는 단순히 환경을 보호하기 위해서가 아니라, 인류가 생존하기에 최적화된 환경을 유지하기 위해서입니다. 지구 시스템의 변화를 정확히 이해하고 과학적 근거를 바탕으로 대응책을 마련하는 것은 현대 인류에게 주어진 가장 시급한 과제입니다. 기후 변화는 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니며, 과학적 연구에 대한 지속적인 투자와 대중의 깊은 관심이 결합될 때 비로소 우리는 지구와 인류의 공존을 위한 올바른 방향을 설정할 수 있을 것입니다.

국종성, 예상욱, 최용상

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (3) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ③

기후 시스템에서 '티핑 포인트'란 물이 100도에서 끓기 시작하듯, 서서히 변화하던 시스템이 어느 순간 급격하고 돌이킬 수 없는 상태로 접어드는 지점을 의미합니다. 이는 마치 공이 담긴 바구니가 기울어지다 결국 옆 바구니로 옮겨가는 과정과 같습니다. 일단 이 지점을 넘어서면 우리가 이전에 경험하지 못했던 전혀 새로운 기후 환경이 펼쳐지게 됩니다. 과학자들은 이를 하나의 안정 상태에서 다른 상태로 전이되는 결정적인 찰나로 정의하며, 지구 시스템의 급격한 변화를 경고하고 있습니다. 현재 기후 과학계에서 주목하는 티핑 포인트의 임계 온도는 지구 평균 기온 상승 폭 1.5도에서 2도 사이입니다. 이는 단순히 특정 지역의 날씨 변화가 아니라 지구 전체의 평균적인 에너지 균형이 무너지는 시점을 뜻합니다. 유엔 산하 기구인 IPCC는 이 수치를 논의의 기준점으로 삼아 기후 변화의 위험성을 경고하고 있습니다. 비록 정확한 지점에 대한 논란은 있으나, 온난화가 진행될수록 예상치 못한 급격한 변화가 일어날 가능성이 커진다는 점에는 대다수의 전문가가 동의하고 있습니다. 과거 지구는 태양 활동의 변화에 따라 수만 년에 걸쳐 서서히 빙하기와 간빙기를 오갔습니다. 하지만 현대의 기후 변화는 인간 활동에 의한 온실가스 배출이라는 강력한 외력이 작용하면서 그 속도가 유례없이 빨라졌습니다. 자연적인 변동성의 범위를 넘어선 인위적인 압력은 지구라는 시스템을 탁자 끝으로 밀어내는 힘과 같습니다. 이러한 급격한 변화는 지구가 스스로 적응하고 회복할 시간을 주지 않으며, 결과적으로 티핑 포인트에 도달하는 시점을 앞당기는 결정적인 원인이 되고 있습니다. 지구 시스템의 견고함에 대해서는 전문가들 사이에서도 의견이 나뉩니다. 한쪽에서는 지구가 작은 외력에도 쉽게 깨질 수 있는 연약한 시스템이라고 주장하는 반면, 다른 쪽에서는 수만 년의 역사 속에서 거대한 변화를 견뎌온 강인한 회복력을 강조합니다. 실제로 빙하기와 간빙기 사이의 큰 온도 차이에도 지구는 생태계를 유지하며 버텨왔습니다. 그러나 현재의 온난화 속도가 과거의 자연적 변화보다 훨씬 빠르다는 점은 지구가 가진 음의 피드백, 즉 스스로를 치유하는 능력이 한계에 다다를 수 있다는 우려를 낳습니다. 기후 과학자들은 이러한 복잡한 지구의 미래를 예측하기 위해 방대한 관측 자료와 기후 모델을 활용합니다. 위성과 부표 등을 통해 수집된 대기, 해양, 육지의 데이터를 분석하고, 이를 물리 방정식으로 변환하여 슈퍼컴퓨터로 계산합니다. 지구를 수많은 격자로 나누어 각 지점에서의 변화를 시뮬레이션함으로써 이산화탄소 농도 증가에 따른 미래의 모습을 그려내는 것입니다. 비록 모든 물리 현상을 완벽히 이해할 수는 없기에 불확실성이 존재하지만, 이는 인류가 미래 기후에 대비할 수 있는 가장 과학적인 도구입니다. 만약 영화처럼 기후 재앙이 닥친다면 지구는 다시 회복될 수 있을까요? 화산 폭발 사례에서 보듯 지구는 에너지를 우주로 방출하며 스스로 온도를 낮추는 회복 기제를 갖추고 있습니다. 하지만 이산화탄소는 한 번 배출되면 대기 중에 오래 머물며 지속적으로 영향을 미치기 때문에 회복에 수백 년에서 수만 년이 걸릴 수도 있습니다. 더욱이 회복된 지구가 지금과 같은 모습일지는 장담할 수 없습니다. 열대 지역이 확장되거나 사막화가 심화된, 인류에게 낯선 새로운 안정 상태로 변모할 가능성도 존재하기 때문입니다. 기후 변화를 막기 위한 공학적 대안으로 '지구 공학'이 논의되기도 합니다. 성층권에 에어로졸을 뿌려 태양광을 차단하거나 바다에 철분을 뿌려 플랑크톤을 증식시키는 방식 등이 대표적입니다. 그러나 이러한 기술적 개입은 생태계 파괴나 국제적 분쟁과 같은 예상치 못한 부작용을 초래할 위험이 큽니다. 결국 가장 근본적이고 안전한 해결책은 티핑 포인트에 도달하기 전에 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄이는 것입니다. 지구가 스스로의 회복력을 잃기 전에 인류의 적극적인 노력이 절실한 시점입니다.

국종성, 예상욱, 최용상

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지구환경과학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (2) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ②

지구 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소는 사실 지구 생태계에 필수적인 존재입니다. 대기가 없다면 지구의 평균 기온은 영하 18도까지 떨어지겠지만, 온실효과 덕분에 인류가 살기 적합한 15도를 유지할 수 있기 때문입니다. 문제는 산업화 이후 온실가스 농도가 급격히 높아지며 이 균형이 깨졌다는 점입니다. 온실효과의 효율이 단 10%만 증가해도 지구 기온은 약 3도나 상승할 수 있으며, 이는 곧 인류가 감당하기 어려운 기후 위기로 이어지게 됩니다. 현재 우리는 인류 역사상 유례없는 이산화탄소 농도 400ppm 시대를 살아가고 있습니다. 이러한 농도 증가는 산업 혁명 이후의 인구 급증 및 화석 연료 사용량과 정확히 일치하는 궤적을 보입니다. 특히 대기 중 산소 농도가 미세하게 감소하고 있다는 사실은 인간 활동의 결정적인 증거가 됩니다. 화석 연료를 태우는 과정에서 산소가 소모되고, 이산화탄소를 흡수해 산소를 내뿜는 열대 우림이 파괴되면서 대기의 화학적 조성이 인위적으로 변하고 있음을 명확히 보여줍니다. 기후 시스템에는 결과가 다시 원인에 영향을 미치는 '피드백' 원리가 존재합니다. 그중에서도 변화를 더욱 가속하는 '양의 피드백'은 지구 온난화의 무서운 공범입니다. 지구가 더워지면 우리는 에어컨을 더 많이 사용하게 되고, 이는 다시 에너지 소비를 늘려 온도를 높이는 악순환을 만듭니다. 기후학자들은 이러한 양의 피드백이 온난화를 억제하는 음의 피드백보다 훨씬 강력하다고 경고합니다. 이 메커니즘은 이산화탄소가 직접 올리는 온도보다 훨씬 큰 폭의 기온 상승을 유발합니다. 대표적인 양의 피드백으로는 수증기와 알베도 피드백이 있습니다. 기온이 오르면 대기는 더 많은 수증기를 머금게 되는데, 수증기 자체가 강력한 온실가스이기에 온난화는 더욱 심화됩니다. 또한 북극의 해빙이 녹으면 태양 에너지를 반사하던 흰 표면이 사라지고 어두운 바다가 드러나 열 흡수율이 높아지는 알베도 피드백이 발생합니다. 바다 역시 온도가 높아질수록 이산화탄소를 흡수하는 능력이 떨어져, 대기 중 온실가스 농도를 더욱 높이는 결과를 초래하게 됩니다. 과학자들은 식물성 플랑크톤이 북극의 열 흡수를 돕는 새로운 피드백을 발견하는 등 여전히 기후 시스템의 복잡성을 연구하고 있습니다. 영화 '설국열차'는 기후 변화를 막으려는 인간의 오만이 예상치 못한 피드백을 불러와 빙하기를 초래하는 설정을 보여줍니다. 이는 우리가 기후 시스템을 완벽히 통제할 수 있다는 착각을 경계해야 함을 시사합니다. 기후 민감도에 대한 불확실성은 여전히 존재하며, 우리가 모르는 수많은 피드백이 미래의 기후를 예측하기 어렵게 만드는 요인이 됩니다. 기후 변화에서 가장 두려운 개념은 '티핑 포인트'입니다. 이는 서서히 변하던 시스템이 임계점을 넘는 순간, 작은 충격에도 급격하고 돌이킬 수 없는 변화를 일으키는 지점을 의미합니다. 마치 탁자 끝에 놓인 컵이 한순간에 바닥으로 떨어지듯, 지구 기후도 현재의 균형을 잃고 전혀 다른 상태로 전이될 수 있습니다. 파리 기후 협약에서 지구 온도 상승 폭을 1.5도에서 2도 이내로 제한하려는 이유도 바로 이 티핑 포인트를 넘지 않기 위한 인류의 마지막 방어선이라 할 수 있습니다. 점진적인 기후 변화가 비만이라면, 티핑 포인트를 넘는 급격한 변화는 치명적인 중병에 비유할 수 있습니다. 비만은 생활 습관을 바꾸고 다이어트를 통해 개선할 수 있지만, 중병은 회복을 위해 막대한 고통과 희생을 요구합니다. 우리는 지구가 산업화 이전으로 돌아가기를 기대하기보다, 현재의 건강한 상태를 유지할 수 있도록 에너지 소비 패턴과 정책을 근본적으로 바꿔야 합니다. 지구라는 거대한 빙산의 일각만을 알고 있다는 겸손한 자세로 기후 위기에 대응해야 할 때입니다.

국종성

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지구환경과학

[강연] 과거 : 지구와 생명의 대화 | 2017 카오스 콘서트 '지구, 생명, 인간' 1부 | 1부 ①

약 46억 년 전 탄생한 초기 지구는 오늘날과는 전혀 다른 모습이었습니다. 수많은 운석과 혜성이 충돌하며 질소, 이산화탄소, 수증기 같은 기체들이 대기에 공급되었고, 활발한 화산 활동을 통해 지구 내부의 가스들이 끊임없이 분출되었습니다. 시간이 흐르며 지구가 점차 식어감에 따라 대기 중의 수증기가 응결하여 바다가 형성되었는데, 이는 생명체가 탄생할 수 있는 결정적인 환경적 토대가 되었습니다. 이러한 물리적, 화학적 변화는 단순한 행성이었던 지구를 생명의 요람으로 탈바꿈시키는 위대한 첫걸음이었습니다. 원시 지구의 가혹한 환경 속에서 생명의 기본 부품인 아미노산이 만들어졌고, 이는 자기 복제와 대사 작용을 수행하는 최초의 생명체로 진화했습니다. 심해 열수구와 같은 특수한 환경은 에너지를 얻고 물질을 조립하기에 적합한 장소를 제공했으며, 이곳에서 RNA와 DNA, 그리고 지질 막을 갖춘 단위 생명체가 출현했습니다. 과학자들은 이를 모든 생명체의 공통 조상인 '루카(LUCA)'라고 부릅니다. 루카의 탄생은 지구 역사 24시간 중 새벽 5시경에 해당하며, 이후 수십억 년에 걸친 위대한 진화의 서막을 알리는 사건이었습니다. 약 35억 년 전 출현한 남세균은 광합성을 통해 지구 환경을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이들은 태양 에너지를 이용해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며 대기 성분을 재편했습니다. 약 22억 년 전 발생한 산소 농도의 급격한 상승은 지질학적 기록인 호상철광층과 붉은 지층을 통해 확인할 수 있습니다. 산소의 증가는 지구의 온실 효과를 조절하여 생명체가 번성하기 적합한 온도를 유지하게 했으며, 이는 단순한 유기물 수준을 넘어 더 복잡한 생명체로 나아갈 수 있는 에너지 기반을 마련해 주었습니다. 풍부해진 에너지를 바탕으로 생명체는 구조적 혁신을 단행했습니다. 초기 원핵세포는 별도의 구획 없이 생존에 필요한 요소들을 배치했으나, 진핵세포는 유전 정보를 핵 안에 보호하고 특정 기능을 수행하는 소기관들을 갖추기 시작했습니다. 특히 다른 세균을 세포 안으로 받아들여 에너지 공장인 미토콘드리아와 엽록체로 변화시킨 세포 내 공생은 진화의 결정적 순간이었습니다. 이러한 변화는 마치 단칸방에서 살던 생명체가 가전제품과 가구를 갖춘 현대적인 집으로 이사한 것과 같으며, 더 높은 수준의 생명 활동을 가능하게 했습니다. 진핵세포의 등장은 필연적으로 다세포 생물로의 진화로 이어졌습니다. 볼복스와 같은 녹조류 연구를 통해 알 수 있듯이, 단세포에서 다세포로의 전환은 생각보다 복잡한 유전적 장벽을 요구하지 않았습니다. 세포 분열을 조절하는 소수의 유전자 변화만으로도 세포들은 군집을 이루고 각자의 역할을 분담하며 하나의 유기체로서 기능을 수행하게 되었습니다. 이러한 다세포화는 생명체가 더 큰 체구와 복잡한 신경계를 갖추는 기반이 되었으며, 마침내 지구상에 지능과 의식을 가진 존재가 출현할 수 있는 통로를 열어주었습니다.

안진호

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지구환경과학

[강연] 현재 : 21세기 과학 혁명 | 2017 카오스 콘서트 '지구, 생명, 인간' 1부 | 1부 ②

약 138억 년 전 빅뱅으로 시작된 우주의 역사 속에서 지구는 약 46억 년 전에 탄생했습니다. 칼 세이건이 '창백한 푸른 점'이라 명명했듯, 광활한 우주에서 지구는 아주 작은 존재에 불과하지만 생명이 숨 쉬는 유일하고 아름다운 터전입니다. 지구와 생명은 서로 영향을 주고받으며 공진화해 왔으며, 이러한 유기적인 관계는 우리 존재의 근원을 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 푸른 빛을 띠는 지구의 모습은 그 자체로 생명력이 넘치는 역동적인 역사를 대변하고 있습니다. 오늘날 지구는 인류의 활동으로 인해 전례 없는 위기에 직면해 있습니다. 기상 관측 이래 가장 높은 기온을 기록하고 이산화 탄소 농도가 급격히 상승하는 등 지구 온난화는 가속화되고 있습니다. 학자들은 인류가 지구 환경에 결정적인 영향을 미치는 현시대를 '인류세'라고 부르며 경고의 메시지를 보냅니다. 기후 변화는 단순한 자연 현상을 넘어 인류의 이기심과 경제적 논리가 결합된 복합적인 문제입니다. 우리가 직면한 환경적 재항을 막기 위해서는 공동의 대응과 성찰이 절실한 시점입니다. 생명 과학의 발전은 인류를 유전자의 '생존 기계'에서 유전자를 조작하는 '설계자'의 위치로 격상시켰습니다. 1953년 DNA 이중나선 구조의 발견 이후, 인류는 유전 정보를 해독하고 크리스퍼 유전자 가위를 통해 생명 정보를 편집하는 수준에 도달했습니다. 이는 40억 년 생명 역사에서 자연 선택의 원리를 넘어선 인공 선택의 시대를 의미합니다. 인간이 스스로의 설계도를 수정할 수 있게 됨에 따라, 진화의 주도권이 자연에서 인간의 손으로 옮겨가고 있으며 이는 생명의 본질에 대한 새로운 질문을 던집니다. 지능은 단순히 인간이나 고등 동물의 전유물이 아니라, 변화하는 환경 속에서 복잡한 문제를 해결해 나가는 생명체 보편의 능력입니다. 뇌가 없는 식충식물인 파리지옥이 자극의 횟수를 세어 소화액을 분비하거나, 기생충이 숙주의 행동을 조종하는 사례는 지능의 다양한 층위를 보여줍니다. 모든 생명체는 각자의 방식대로 생존과 복제를 위해 지능적인 전략을 구사합니다. 이러한 관점에서 지능은 유전자가 자신의 목적을 달성하기 위해 대리인에게 부여한 고도의 생존 도구라고 정의할 수 있습니다. 인류는 자신의 지능을 모방한 인공지능을 창조하며 새로운 진화의 단계에 들어섰습니다. 인간의 뇌가 유전자의 대리인으로서 복잡한 신경망을 통해 작동하듯, 인공지능 역시 인간의 필요에 의해 설계된 강력한 연산 도구입니다. 현재 인공지능의 발전 속도는 무어의 법칙을 따르며 인간의 지적 능력을 위협할 정도로 빠르게 성장하고 있습니다. 1,000억 개의 신경세포와 천조 개의 시냅스를 가진 인간의 뇌와 수십억 개의 트랜지스터를 가진 컴퓨터의 대결은 미래 사회의 가장 중요한 화두가 될 것입니다.

이대열

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뇌인지과학

[강연] 인류세 & 초인류 | 2017 카오스 콘서트 '지구, 생명, 인간' 2부 | 2부 ①

인류세는 인간의 활동이 지구 환경 변화의 주된 원인이 되는 새로운 지질 시대를 의미합니다. 과거 80만 년 동안 대기 중 이산화탄소 농도는 일정 범위를 유지해 왔으나, 최근 150년 사이 그 수치는 전례 없는 속도로 급증했습니다. 빙하 속에 갇힌 고대 공기를 분석한 결과, 현재의 변화는 자연적인 변동 폭을 훨씬 뛰어넘는 수준임이 드러났습니다. 이는 인류가 지구 시스템에 막대한 영향력을 행사하고 있음을 보여주는 명백한 증거이며, 우리가 직면한 기후 위기의 심각성을 일깨워 줍니다. 기온 상승으로 인한 빙하의 소멸은 해수면 상승이라는 거대한 재앙을 예고하고 있습니다. 남극과 그린란드의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 약 64미터나 상승할 수 있으며, 이는 인류 문명의 지도를 완전히 바꿀 정도의 규모입니다. 더욱 우려스러운 점은 탄소 배출을 당장 중단하더라도 대기 중 농도와 기온, 해수면의 변화는 수백 년간 지속되는 관성이 있다는 사실입니다. 우리는 이제 과학적 해결책을 넘어 세대 간, 국가 간의 갈등을 조율해야 하는 복합적인 윤리적 과제에 직면해 있습니다. 자연의 진화가 유전자 복제를 위한 맹목적인 과정이었다면, 초인류의 등장은 인간이 스스로의 행복과 운명을 결정하겠다는 의지를 반영합니다. 유전자 가위 기술의 발전은 유전병 치료를 넘어 외모나 지능을 선택하는 '맞춤형 아기'에 대한 논의로 이어지고 있습니다. 비록 현재는 기술적 한계와 법적 규제가 존재하지만, 인간 배아의 유전자를 교정하는 행위는 다음 세대까지 영구적인 영향을 미친다는 점에서 신중한 접근이 필요합니다. 이는 단순한 과학 기술의 문제를 넘어 사회적 합의가 선행되어야 할 중대한 사안입니다. 인공지능이 인간의 인지 능력을 모든 분야에서 뛰어넘는 지점인 기술적 특이점에 도달하면 초지능의 시대가 열릴 것입니다. 초지능은 불치병 치료나 에너지 문제와 같은 인류의 난제를 해결할 열쇠가 될 수도 있지만, 동시에 통제권을 상실할 경우 심각한 위협이 될 수도 있다는 우려를 낳고 있습니다. 현재의 인공지능은 인간의 뇌를 그대로 모방하기보다는 방대한 데이터와 고성능 하드웨어를 기반으로 독자적인 문제 해결 방식을 구축하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 우리가 우주의 본질을 이해하는 데 새로운 패러다임을 제시할 것입니다. 초지능의 구현은 단순히 기술적인 성취에 머물지 않고 보안, 법률, 윤리 등 사회 전반의 시스템 변화를 요구합니다. 자율주행 자동차가 사고를 냈을 때의 책임 소재나 위급 상황에서의 윤리적 판단 기준은 인공지능이 해결해야 할 복잡한 숙제입니다. 인공지능의 발전 속도는 과거의 경험을 토대로 예측하기 어려울 만큼 급진적일 가능성이 높습니다. 따라서 우리는 기술이 가져올 미래를 막연하게 기다리기보다, 인간과 기술이 공존할 수 있는 제도적 장치와 철학적 토대를 미리 준비하는 자세를 가져야 합니다.

안진호, 조성배

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물리학
지구환경과학
수학

[강연] 과학자들의 퀴즈와 토론 (1) | 2017 카오스 콘서트 '지구, 생명, 인간' 2부 | 2부 ②

최근 인류는 스스로의 영향력이 지구 전체에 미치는 전례 없는 변화의 시대를 맞이하고 있습니다. 인류세, 초인류, 초지능과 같은 신조어들은 우리가 직면한 새로운 현실을 대변하며, 인류가 단순한 생물학적 존재를 넘어 지구의 운명을 결정짓는 주체로 거듭나고 있음을 시사합니다. 유발 하라리와 같은 학자들은 인류가 불멸과 행복을 추구하며 신적인 존재로 업그레이드될 것이라 예견하기도 합니다. 이러한 변화는 우리에게 설렘과 동시에 막연한 불안감을 안겨주며, 다가올 미래에 대해 과학적이고 철학적인 성찰을 요구하고 있습니다. 지질학적 관점에서 인류세의 도래는 뜨거운 논쟁의 대상입니다. 일부 전문가들은 대기 중 이산화탄소 농도의 급격한 증가나 핵실험으로 인한 방사성 물질의 축적, 그리고 대규모 생물 멸종의 흔적이 이미 지층에 기록되고 있다고 주장합니다. 반면, 인류세라는 명칭이 확정되려면 먼 훗날의 후손들이 오늘날의 지층을 조사했을 때 명확한 증거가 발견되어야 한다는 신중론도 존재합니다. 이는 단순히 과학적 정의를 넘어, 인류가 지구 환경에 남기는 흔적에 대해 얼마나 책임감을 가져야 하는지를 묻는 중요한 질문이기도 합니다. 인류의 영향력은 기후 변화를 넘어 생태계 전반의 구조적 변화로 이어지고 있습니다. 과거 매머드와 같은 대형 포유류의 멸종부터 현대의 호랑이나 늑대와 같은 포식자들의 실종에 이르기까지, 인간의 활동은 생물 다양성을 급격히 위축시켜 왔습니다. 이러한 인위적인 변화는 화석 기록으로 남아 미래 세대에게 인류의 발자취를 증명하게 될 것입니다. 우리가 만들어낸 수많은 인공 물질과 생태계의 변형은 지구 역사상 유례없는 사건으로 기록될 가능성이 크며, 이는 인류세라는 개념에 강력한 설득력을 부여하는 근거가 됩니다. 의학 기술의 발달로 인간 수명 150세 시대에 대한 논의가 활발해지고 있습니다. 일부 연구자들은 노화 방지와 수명 연장 기술이 조만간 가시적인 성과를 거둘 것이라 낙관하며, 인간이 소나무나 거북이처럼 장수하는 존재가 될 수 있다고 믿습니다. 하지만 생물학적 복잡성이 증가할수록 수명 연장의 한계가 뚜렷해진다는 반론도 만만치 않습니다. 단순한 생명체와 달리 인간과 같은 고등 생물은 유전적 조절 기제가 복잡하여 수명을 획기적으로 늘리는 데 더 큰 기술적 장벽이 존재하기 때문입니다. 수명 연장이 반드시 인류의 행복으로 이어질지에 대해서는 여전히 의문이 남습니다. 단순히 생물학적 수명을 늘리는 것을 넘어, 노년의 삶이 얼마나 건강하고 활기차게 유지될 수 있는지가 관건이기 때문입니다. 또한 기후 변화와 같은 환경적 스트레스가 전쟁이나 내전과 같은 사회적 갈등으로 번질 경우, 의료 기술의 혜택이 인류 전체의 평균 수명 증가로 이어지기 어려울 수도 있습니다. 결국 미래의 기술은 인간의 욕망을 충족시키는 도구를 넘어, 인류가 공동체로서 어떻게 지속 가능한 행복을 누릴 것인가에 대한 해답을 제시해야 합니다.

고형종, 안진호, 이관수, 이대열, 조성배

카오스재단카오스콘서트

생명과학
지구환경과학
뇌인지과학
융합

[강연] 한반도 : 10억년 전으로의 시간여행 (4) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 4강 | 4강 ④

우리가 발을 딛고 서 있는 이 땅은 단순히 멈춰 있는 존재가 아닙니다. 수십억 년의 세월 동안 땅덩어리는 끊임없이 갈라지고 움직이며 서로 부딪히는 역동적인 과정을 거쳐왔습니다. 이러한 지질학적 변화를 이해하는 것은 우리가 살고 있는 한반도의 형성과 그 뿌리를 찾아가는 흥미로운 여정입니다. 단순히 과거의 기록을 살피는 것을 넘어, 지구라는 거대한 유기체가 어떻게 숨 쉬며 변화해 왔는지를 깨닫는 과정은 우리에게 세상을 바라보는 새로운 시각을 제공합니다. 지질학은 전문가들만의 영역이 아니라 우리의 일상과도 밀접하게 연결되어 있습니다. 지하 자원의 탐사나 지진 및 화산 같은 자연재해에 대비하기 위해서도 지질학적 지식은 필수적입니다. 또한, 여행을 떠났을 때 그 지역의 지형이 형성된 원리를 알게 되면 풍경을 감상하는 즐거움은 배가 됩니다. 아는 만큼 보인다는 말처럼, 암석과 지층에 담긴 이야기를 읽어낼 수 있을 때 우리는 자연이 선사하는 진정한 아름다움과 경이로움을 만끽하며 더욱 풍요로운 삶을 누릴 수 있습니다. 한반도 곳곳에는 지구의 역사를 고스란히 간직한 명소들이 가득합니다. 한탄강 지질공원에서는 약 50만 년 전의 젊은 현무암과 3억 5천만 년 전의 고색창연한 습곡 구조가 공존하는 독특한 풍경을 만날 수 있습니다. 제주도의 주상절리와 수월봉 역시 화산 활동의 신비를 보여주는 세계적인 연구 가치를 지닌 곳들입니다. 이러한 장소들은 단순히 관광지를 넘어, 한반도가 형성되던 시기의 거대한 대륙 충돌과 화산 분출의 흔적을 직접 눈으로 확인하고 체험할 수 있는 소중한 자연 학습장입니다. 세계로 시야를 넓히면 지구의 역동성은 더욱 거대하게 다가옵니다. 캐나디안 로키의 웅장한 산맥과 에메랄드빛 호수들은 5억 년 전 바다 밑에서 쌓인 지층이 대륙 충돌로 솟아오른 결과물입니다. 스위스 알프스의 마테호른 역시 유라시아 판과 아프리카 판이 충돌하며 지하 깊숙한 곳의 암석이 지표로 올라온 경이로운 사례입니다. 이처럼 지구 곳곳의 지형들은 수억 년에 걸친 판의 이동과 충돌이 만들어낸 예술 작품이며, 우리는 그 흔적을 통해 지구가 겪어온 격동의 세월을 짐작할 수 있습니다. 지구 역사상 가장 극적인 사건 중 하나는 전 지구가 얼음으로 뒤덮였던 '눈덩이 지구' 시기입니다. 약 7억 년 전, 대기 중 산소가 급격히 증가하면서 강력한 온실가스인 메탄이 제거되자 지구의 온도는 급격히 낮아졌습니다. 하지만 얼음 밑에서도 멈추지 않았던 화산 활동은 이산화탄소를 대기 중으로 꾸준히 내보냈고, 축적된 온실 효과는 결국 수만 년이라는 짧은 시간 안에 빙하를 녹여버렸습니다. 이러한 극단적인 기후 변화와 회복의 과정은 지구가 가진 놀라운 자정 작용과 생명력을 상징적으로 보여줍니다.

박정웅, 정해명, 최덕근

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 뜨거워지는 지구, 급증하는 기상이변, 왜? (2) _ 김백민 극지연구소 책임연구원 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 6강 | 6강 ②

지구 상공의 이산화탄소 분포를 살펴보면 산업화가 급격히 진행된 중국, 유럽, 미국 등지에서 농도가 압도적으로 높음을 알 수 있습니다. 이는 지구온난화가 인간 활동과 직결되어 있다는 명백한 증거입니다. 실제로 기후 과학자의 97%는 인간 활동을 온난화의 주요 원인으로 지목하며, 과학계 내에서는 이에 대한 이견이 거의 없습니다. 화석 연료 사용으로 배출된 이산화탄소는 대기 흐름을 타고 지구 전체로 퍼져나가며 기후 체계를 근본적으로 변화시키고 있습니다. 기후 변화의 위험성을 알린 공로로 IPCC와 앨 고어는 노벨 평화상을 수상했지만, 성급한 예측은 오히려 대중의 불신을 초래하기도 했습니다. 2013년 북극 얼음이 소멸할 것이라는 예측이나 히말라야 빙하에 대한 과장된 보고는 '빙하게이트'라 불리는 논란을 낳았습니다. 하지만 단기적인 변동성에도 불구하고 빙하가 지속적으로 감소하고 있다는 사실은 변함이 없습니다. 과학자들은 대중의 신뢰를 회복하기 위해 과장 없이 있는 그대로의 데이터를 전달해야 하는 막중한 책임감을 가져야 합니다. 산업혁명 이전 약 13.7도였던 지구 평균 기온은 현재 15도까지 상승했습니다. 1.3도라는 수치가 작아 보일 수 있지만, 이는 사람의 체온이 변하는 것과 같은 엄청난 충격입니다. 이에 전 세계 지도자들은 파리 기후 협약을 통해 지구 기온 상승 폭을 2도 이내로 제한하기로 합의했습니다. 우리가 절대 넘지 말아야 할 한계선인 15.7도를 지키기 위해서는 화석 연료 사용을 획기적으로 줄여야 합니다. 현재의 온도는 인류가 한 번도 경험해보지 못한 미지의 영역으로 향하는 경고등과 같습니다. 과거의 기후 비밀을 풀기 위해 과학자들은 극지의 얼음 기둥인 빙하 코어를 연구합니다. 80만 년 전부터 기록된 얼음 속 공기 방울을 분석하면 당시의 대기 성분과 온도를 정확히 알 수 있습니다. 지구는 긴 시간 동안 빙하기와 간빙기를 반복해 왔지만, 현생 인류가 등장한 이후 단 한 번도 현재 예상되는 15.7도 이상의 고온을 경험한 적이 없습니다. 이는 우리가 마주할 미래가 과거의 자연적인 변동 범위를 벗어난, 인류 역사상 유례없는 위기임을 시사합니다. 온실효과는 지구온난화의 시작일 뿐 전부가 아닙니다. 이산화탄소 농도 증가에 따른 물리적 계산만으로는 현재의 급격한 온도 상승을 모두 설명할 수 없기 때문입니다. 진짜 비밀은 지구의 '되먹임' 작용에 있습니다. 예를 들어 북극의 얼음이 녹으면 바다가 태양 에너지를 더 많이 흡수하고, 이는 다시 온도를 높여 얼음을 더 녹이는 증폭 과정을 거칩니다. 이처럼 지구 스스로 온도를 높이는 복잡한 메커니즘을 정확히 이해하는 것이 기후 위기 대응의 핵심 과제입니다.

김백민

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[강연] 뜨거워지는 지구, 급증하는 기상이변, 왜? (3) _ 김백민 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 6강 | 6강 ③

기후 모델링은 지구 온난화의 복잡한 증폭 현상을 컴퓨터 언어로 구현하여 미래의 기온 변화를 예측하는 핵심적인 도구입니다. 국제 협의체인 IPCC는 우리가 이산화탄소 배출을 얼마나 억제하느냐에 따라 상이한 시나리오를 제시하고 있습니다. 적극적인 감축 노력이 동반된다면 파리 기후 협정의 목표인 1.5도에서 2도 이내의 상승을 기대할 수 있지만, 현재의 배출 추세를 유지할 경우 기온은 8도 이상 치솟는 암울한 미래를 맞이할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션 결과는 인류의 선택과 지구 시스템의 반응이 결합되어 결정되는 불확실한 미래를 경고하고 있습니다. 현재 과학 기술로 예측하는 2100년의 기온 상승 폭은 1.5도에서 4.5도 사이로 상당히 넓은 범위를 보입니다. 이러한 불확실성은 지구 시스템의 복잡한 상호작용을 완벽히 이해하기 어렵기 때문인데, 특히 영구 동토층의 해빙과 같은 급격한 변화가 모델에 충분히 반영되지 않은 점이 큽니다. 북극의 얼어붙은 땅이 녹기 시작하면 그 속에 잠들어 있던 미생물들이 활동하며 이산화탄소보다 20배나 강력한 온실가스인 메테인을 대량으로 방출하게 됩니다. 이러한 연쇄 반응은 우리가 예측한 것보다 훨씬 빠르고 강력하게 지구의 온도를 끌어올릴 위험성을 내포하고 있습니다. 지구 온난화의 가장 치명적인 결과 중 하나는 해수면 상승입니다. 과거에는 바닷물의 열팽창이 주요 원인이었으나, 이제는 남극과 그린란드의 거대한 빙하가 녹아내리는 현상이 결정적인 변수로 떠오르고 있습니다. 특히 육지 위에 있던 빙하가 바다로 유입되면 해수면은 급격히 상승하게 되는데, 최근 연구에 따르면 2100년까지 해수면이 2미터 이상 높아질 수 있다는 경고도 나오고 있습니다. 바다 위에 떠 있는 빙붕이 붕괴하면 육지 빙하의 유출 속도가 가속화되는 악순환이 반복되며, 이는 전 지구적인 해안 지형의 변화와 생태계 위기를 초래하는 직접적인 원인이 됩니다. 해수면 상승은 전 세계 모든 지역에서 동일하게 나타나지 않으며, 해류와 지형의 영향에 따라 지역별로 큰 차이를 보입니다. 우리나라는 쿠로시오 해류의 영향으로 해수면 상승 속도가 비교적 빠른 편이며, 이는 태풍의 위력을 강화하는 에너지원으로 작용하여 해안가 도시에 심각한 침수 피해를 입히고 있습니다. 실제로 부산 마린시티에서 발생한 해일 피해는 기후 변화가 더 이상 먼 미래의 이야기가 아님을 시사합니다. 해발 고도가 낮은 투발루와 같은 섬나라들은 이미 국가의 존립 자체를 위협받고 있으며, 이러한 위기는 머지않아 우리 모두의 현실로 다가올 수 있습니다. 기후 변화는 단순히 과학적인 데이터를 넘어 우리 미래 세대의 생존권과 직결된 문제입니다. 최근 미국의 어린아이들이 기후 변화로부터 건강한 지구에서 살 권리를 지키기 위해 주 정부를 상대로 소송을 제기하여 승소한 사례는 시사하는 바가 큽니다. 인류가 자연을 완벽하게 이해하고 예측하는 것은 불가능에 가까울지 모르지만, 불확실성을 핑계로 대응을 늦추기에는 우리에게 남은 시간이 그리 많지 않습니다. 미래 세대에게 안전한 터전을 물려주기 위해서는 과학적 연구를 통한 불확실성 감소와 더불어, 온실가스 감축을 위한 범지구적인 실천과 책임 있는 자세가 절실히 요구됩니다.

김백민

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[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (1) 김경렬 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ①

인류세(Anthropocene)는 1995년 노벨 화학상 수상자인 파울 크루첸 교수가 제안한 개념으로, 인류의 활동이 지구 환경에 결정적인 영향을 미치기 시작한 새로운 지질 시대를 의미합니다. 약 만 년 전부터 시작된 홀로세가 안정적인 기후를 유지해 왔다면, 지난 200~300년 사이의 급격한 변화는 인류를 새로운 시대로 이끌었습니다. 이는 단순히 학술적인 용어를 넘어, 인간이 지구 시스템의 거대한 변화를 주도하는 주체가 되었음을 시사하며 우리가 직면한 환경 위기의 심각성을 일깨워줍니다. 1988년은 지구 환경 역사에서 매우 상징적인 해였습니다. 전 세계적인 가뭄과 홍수, 산불 등 기상 이변이 속출하면서 타임지는 '올해의 인물' 대신 '위험에 빠진 지구'를 올해의 행성으로 선정했습니다. 이러한 위기감 속에서 과학자들의 국제적 협력체인 IPCC가 탄생했으며, 이후 수차례의 보고서를 통해 기후 변화의 원인이 인류의 활동에 있음을 과학적으로 입증해 왔습니다. 이는 환경 문제가 특정 국가의 문제를 넘어 전 지구적 과제가 되었음을 보여주는 중요한 전환점이 되었습니다. 기후 변화를 입증하는 가장 강력한 증거 중 하나는 '킬링 곡선'입니다. 찰스 킬링은 하와이 마우나로아 관측소에서 대기 중 이산화탄소 농도를 정밀하게 측정하기 시작했습니다. 계절에 따라 식물의 광합성 작용으로 농도가 오르내리는 자연적인 신호 속에서도, 전체적인 농도는 매년 꾸준히 상승하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 자연적인 변동 범위를 넘어서는 현상으로, 인류가 산업화 이후 화석 연료를 연소하며 배출한 탄소가 대기 중에 지속적으로 축적되고 있음을 명확히 보여주는 지표가 되었습니다. 과거의 기후 기록을 간직한 남극의 빙하는 인류세의 심각성을 더욱 극명하게 드러냅니다. 수천 미터 깊이의 빙하를 시추하여 그 속에 갇힌 고대 공기 방울을 분석한 결과, 지구의 이산화탄소 농도와 기온은 매우 밀접하게 연동되어 변화해 왔음을 알 수 있었습니다. 그러나 최근의 농도 상승 폭은 과거 그 어느 때보다 압도적으로 높으며, 상승 속도 또한 유례를 찾을 수 없을 만큼 빠릅니다. 이러한 데이터는 현재 우리가 겪고 있는 변화가 지구의 자연스러운 순환 과정이 아님을 과학적으로 뒷받침합니다. 현대 과학은 정교한 컴퓨터 모델링을 통해 기후 변화에 대한 인류의 기여도를 분석합니다. 자연적인 요인만을 고려했을 때와 인위적인 요인을 포함했을 때의 기후 변화를 시뮬레이션하여 실제 관측 자료와 비교하는 방식입니다. 실험 결과, 인류가 배출한 온실가스 효과를 제외하고는 현재의 급격한 기온 상승을 설명할 수 없다는 결론에 도달했습니다. 이러한 과학적 근거는 기후 변화 대응이 선택이 아닌 필수임을 강조하며, 국제 사회가 파리 협정과 같은 강력한 합의를 이끌어내는 결정적인 토대가 되었습니다. 인류세의 변화를 주도하는 온실가스는 이산화탄소뿐만이 아닙니다. 가축 사육의 급증으로 배출되는 메탄과 화학 비료 사용으로 발생하는 아산화질소 역시 지구 온난화와 오존층 파괴에 심각한 영향을 미칩니다. 특히 전 세계적으로 10억 마리가 넘는 소가 배출하는 메탄은 강력한 온실효과를 유발하며, 이는 인류의 식생활과 산업 구조가 지구 시스템과 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 보여줍니다. 이러한 다각적인 오염원들은 지구의 자정 능력을 위협하며 생태계의 균형을 무너뜨리는 원인이 됩니다. 오존층 파괴 문제는 몬트리올 의정서를 통한 국제적 공조로 회복의 길에 들어섰지만, 지구 온난화는 훨씬 복잡하고 어려운 과제입니다. 해수면 상승과 기상 이변은 이미 저지대에 거주하는 수많은 인구의 생존을 위협하고 있습니다. 지구 기온 상승 폭을 2도 이내로 제한하기 위해서는 현재의 탄소 배출량을 획기적으로 줄여야 하는 '노 리턴'의 기로에 서 있습니다. 인류세라는 이름이 멸종의 기록이 아닌, 지구와의 공존을 위한 지혜로운 전환점이 되도록 우리 모두의 결단과 행동이 필요한 시점입니다.

김경렬

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[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (3) 김경렬 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ③

인류가 지구 환경에 미치는 영향을 과학적으로 분석하기 위해 IPCC는 탄소 수지를 작성했습니다. 1990년대 기준으로 전 세계 인구는 1인당 연간 약 1톤의 탄소를 배출하는 것으로 나타났습니다. 바다와 삼림이 탄소를 흡수하며 정화 노력을 기울이고 있지만, 인위적인 배출량을 모두 감당하기에는 역부족인 상황입니다. 결국 흡수되지 못한 탄소는 대기 중에 남아 농도를 높이며 지구 온난화를 가속하는 주요 원인이 되고 있습니다. 탄소 배출량은 국가의 경제 수준과 밀접한 관련이 있습니다. 과거에는 선진국 위주로 배출이 이루어졌으나, 최근에는 중국과 인도 같은 국가들이 경제 성장을 이루며 배출량이 급격히 증가했습니다. 이는 모든 사람이 잘살고자 하는 욕구와 연결되어 있어 단순히 비난하기 어려운 문제입니다. 인구 분포와 탄소 배출 지도를 비교해 보면 부의 불균형이 환경에 미치는 영향이 얼마나 큰지 명확하게 드러납니다. 기후 위기를 해결하기 위해서는 전력 생산 방식의 근본적인 변화가 필요합니다. 화석 연료를 대체할 태양광, 풍력, 조류 발전 등 재생 에너지 기술을 발전시켜야 합니다. 과거에는 원자력 발전이 경제성 측면에서 유리했으나, 기술의 발전으로 태양광 발전의 단가가 낮아지면서 재생 에너지의 경쟁력이 높아지고 있습니다. 위험 부담이 있는 에너지원 대신 안전하고 깨끗한 에너지를 선택할 수 있는 기반이 마련되고 있는 것입니다. 탄소 배출의 책임은 크게 세 부분으로 나뉩니다. 전력 생산과 산업 활동이 각각 큰 비중을 차지하며, 나머지 3분의 1은 우리 개개인의 일상생활에서 발생합니다. 밤하늘을 밝히는 도시의 불빛은 우리가 얼마나 많은 에너지를 소비하고 있는지를 상징적으로 보여줍니다. 기업과 국가가 탄소 감축을 위해 노력하는 것만큼이나, 개인의 생활 양식을 변화시켜 배출량을 줄이는 노력이 동반되어야만 실질적인 변화를 이끌어낼 수 있습니다. 우리는 문명의 혜택을 포기하고 과거로 돌아갈 수는 없습니다. 인류세의 위기 속에서 후손에게 아름다운 지구를 물려주기 위해서는 우리 모두의 책임감이 필요합니다. 일상 속의 작은 에너지 절약 실천이 과학 기술 및 국가적 정책과 결합될 때, 비로소 지구는 다시 건강한 방향으로 나아갈 수 있을 것입니다. 소박한 실천이 모여 거대한 변화를 만든다는 사실을 명심하고, 지속 가능한 미래를 위해 행동해야 할 때입니다.

김경렬

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[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (4) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ④

인류세라는 용어는 인간의 활동이 지구 환경에 지배적인 영향을 미치는 새로운 지질 시대를 의미합니다. 최근 학계에서는 이를 '인간세'로 번역하자는 제안이 힘을 얻고 있는데, 이는 인류 전체의 추상적인 문제보다 개개인의 구체적인 활동이 모여 지구를 변화시켰다는 점을 강조하기 위함입니다. 우리가 매일 사용하는 플라스틱이나 에너지 소비가 지구의 역사를 바꾸고 있다는 사실을 직시하게 함으로써, 환경 문제에 대한 개인의 책임감을 고취하고 실천적인 변화를 이끌어내려는 의도가 담겨 있습니다. 지질학적 관점에서 새로운 시대의 도래는 지층에 남는 뚜렷한 흔적으로 증명됩니다. 과거의 지질 시대가 화석으로 구분되었다면, 인류세는 콘크리트, 플라스틱, 그리고 우리가 소비한 막대한 양의 가금류 뼈가 지층에 쌓여 기록될 것입니다. 비록 수백 년이라는 짧은 시간이 지질학적 척도에서는 찰나에 불과할지라도, 인간이 만들어낸 인공물과 생태계의 급격한 변화는 미래의 지적 생명체가 지구의 역사를 탐사할 때 결코 간과할 수 없는 명확한 경계선이 될 것임이 분명합니다. 지구가 생명체가 살 수 있는 유일한 행성으로 남은 비결은 적절한 거리와 크기에 있습니다. 태양으로부터 너무 가깝지도 멀지도 않은 위치 덕분에 물이 액체 상태로 존재할 수 있었고, 적당한 질량은 내부의 열을 보존하여 자기장을 형성하게 했습니다. 이 자기장은 태양풍으로부터 대기를 보호하며, 판 구조론에 의한 탄소 순환을 가능하게 하여 지구의 온도를 일정하게 유지해 줍니다. 이러한 정교한 균형 덕분에 지구는 금성이나 화성과 달리 수십억 년 동안 생명의 요람 역할을 할 수 있었습니다. 화성을 제2의 지구로 만들려는 '테라포밍'은 더 이상 공상과학 소설 속의 이야기만이 아닙니다. 과학자들은 화성의 극한 환경에서도 생존 가능한 미생물을 활용해 대기 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하고, 이를 통해 온실효과를 유도하여 화성의 온도를 높이는 방안을 연구하고 있습니다. 온도가 상승하면 지하에 얼어붙어 있던 물이 녹아 흐르고 구름이 생성되는 등 지구와 유사한 물의 순환 체계가 구축될 수 있습니다. 이는 인류가 지구를 넘어 우주로 거주지를 확장하려는 거대한 도전의 시작이라 할 수 있습니다. 기후변화는 이제 논쟁의 대상이 아닌 당면한 현실입니다. 이에 대응하는 방식은 온실가스 배출을 줄이는 '완화'와 이미 변화한 환경에 맞춰 살아가는 '적응'으로 나뉩니다. 해수면 상승으로 인해 몰디브와 같은 섬나라뿐만 아니라 전 세계 연안 도시들이 침수 위기에 처해 있는 상황에서, 단순히 둑을 쌓는 토목 공사를 넘어 생태계의 자정 능력을 활용한 대안이 주목받고 있습니다. 이는 인간이 자연의 순환 체계를 이해하고 그 안에서 공존의 길을 찾아야 함을 시사하며, 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 전략입니다. 연안 습지는 단순한 철새 도래지를 넘어 기후변화를 극복할 핵심 열쇠인 '블루 카본'의 저장소입니다. 습지의 식물들은 막대한 양의 탄소를 흡수하여 땅속에 가두고, 퇴적물을 쌓아 올려 해수면 상승에 스스로 대응하는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다. 또한 맹그로브 숲과 같은 습지는 쓰나미와 같은 자연재해로부터 육지를 보호하는 천연 방파제 역할을 수행합니다. 이러한 자연 생태계를 보존하는 것은 인위적인 구조물을 설치하는 것보다 훨씬 효율적이고 지속 가능한 기후변화 적응 전략이 될 수 있습니다. 인간의 영향력은 이제 지구 표면을 넘어 우주 공간으로까지 확장되었습니다. 수십 년간의 우주 개발 결과, 퇴역한 인공위성과 로켓 파편들이 '우주 쓰레기'가 되어 지구 궤도를 위협하고 있습니다. 초속 수 킬로미터의 엄청난 속도로 회전하는 이 파편들은 작은 크기라도 인공위성이나 우주정거장에 치명적인 타격을 줄 수 있는 거대한 에너지를 품고 있습니다. 지구의 환경 오염이 우주로 전이된 셈이며, 이를 해결하기 위한 기술적 노력은 우리가 만든 쓰레기를 스스로 치워야 한다는 인류세의 책임이 우주까지 이어짐을 보여줍니다.

강호정, 김경렬, 이정은

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[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (5) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ⑤

인류세라는 용어는 인간의 활동이 지구 환경을 현격하게 변화시키고 있다는 사실에서 출발합니다. 지질학적 시대를 구분할 때 반드시 대멸종이 전제되어야 하는 것은 아니며, 과거 홀로세를 정의할 때도 인류의 멸종을 염두에 두지는 않았습니다. 중요한 점은 지난 200년간의 급격한 환경 변화가 이미 지구의 역사적 기록체 속에 뚜렷하게 새겨져 있다는 사실입니다. 학계에서는 이 용어의 사용 여부를 넘어, 인류가 지구 시스템에 미치는 영향력이 무시할 수 없는 수준에 도달했다는 점에 깊이 공감하고 있습니다. 현재 해수면 상승의 주요 원인은 해수의 열팽창이지만, 육상의 빙하가 본격적으로 녹기 시작하면 상황은 파국으로 치달을 수 있습니다. 남북극의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 60미터 이상 상승할 것으로 예측되며, 이는 인류 문명에 치명적인 위협이 됩니다. 과학자들은 지구가 스스로 온도를 조절할 수 없는 임계점인 '문턱'을 넘지 않도록 연구에 매진하고 있습니다. 온도가 상승하는 것을 완전히 막을 수는 없더라도, 그 속도를 늦추어 빙하가 돌이킬 수 없이 녹아내리는 최악의 시나리오는 반드시 막아야 합니다. 지구 온난화가 통제 불능의 상태에 빠진다면 우리의 미래는 금성과 닮아갈지도 모릅니다. 과거 금성도 지구와 유사한 환경이었을 것으로 추정되나, 온도가 상승하면서 바다와 암석 속의 이산화탄소가 대기로 방출되는 폭주 온실 효과가 발생했습니다. 이로 인해 지각의 순환이 멈추고 대기 온도가 500도에 육박하는 죽음의 행성이 되었습니다. 인위적인 이산화탄소 배출이 계속되어 지구의 탄소 순환 시스템이 붕괴된다면, 우리 역시 생명체가 살 수 없는 극한의 환경을 마주하게 될 것이라는 경고를 잊지 말아야 합니다. 과거 지구의 역사를 살펴보면 '영거 드라이아스'기와 같은 급격한 기후 변화의 사례를 찾아볼 수 있습니다. 약 1만 3천 년 전, 빙하가 녹은 막대한 양의 민물이 대양으로 유입되면서 해류의 순환이 멈추고 지구가 다시 추워졌던 시기입니다. 영화 '투모로우'의 과학적 배경이 되기도 한 이 사건은 기후 시스템이 얼마나 민감하게 반응할 수 있는지를 보여줍니다. 현재 우리가 겪는 변화는 과거의 자연적인 주기보다 훨씬 빠른 속도로 진행되고 있으며, 이 빠른 변화의 속도에 인류가 적응하고 대응할 수 있는지가 생존의 관건입니다. 기후 변화 대응은 과학과 공학의 영역을 넘어 경제, 정치, 외교가 복잡하게 얽힌 국제적인 과제입니다. 몬트리올 의정서가 산업계의 협력으로 오존층 파괴 문제를 해결했듯이, 탄소 배출 문제 역시 국가 간의 이해관계를 조정하며 해결책을 찾아야 합니다. 파리 협정과 같은 국제적 합의는 각국에 실질적인 압박으로 작용하며 변화를 이끌어내고 있습니다. 하지만 정치적 결단에만 의존할 것이 아니라, 지구 시스템의 3분의 1을 결정짓는 우리 개개인의 관심과 실천이 뒷받침될 때 비로소 지속 가능한 미래를 꿈꿀 수 있습니다.

강호정, 김경렬, 이정은

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