비행기에서 바다로 뛰어내린다면 살 수 있을까요? 이 질문은 단순한 호기심을 넘어 물리학의 핵심 원리를 담고 있습니다. 높이와 속도, 충격량의 관계를 이해하면 왜 물이 콘크리트처럼 단단해지는지 알 수 있습니다. 더 나아가 물의 분자 구조부터 우주적 기원, 그리고 생명 탄생의 비밀까지 과학의 스케일은 놀랍도록 확장됩니다. 오늘은 물을 중심으로 물리학과 지구과학, 우주과학이 어떻게 연결되는지 살펴보겠습니다.
종단속도와 물의 충격 - 높이가 아니라 속도가 문제입니다
다이빙을 할 때 물에 닿는 순간의 속도가 초속 20m를 넘어가면 위험해지기 시작합니다. 이는 단순히 높이의 문제가 아닙니다. 사람이 공기 중에서 자유낙하할 때 속도는 무한정 증가하지 않습니다. 일정 시간이 지나면 공기 저항과 중력이 평형을 이루면서 더 이상 가속되지 않는 지점에 도달하는데, 이를 종단속도라고 합니다. 사람의 종단속도는 대략 초속 50m 정도이며, 이 속도에 도달하는 높이는 약 500m입니다. 따라서 500m에서 떨어지나 1km에서 떨어지나 물에 닿을 때의 속도는 동일합니다. 여기서 중요한 점은 물에 닿을 때 속도가 초속 20m를 넘어서면 이미 위험 수준에 도달한다는 것입니다. 종단속도인 초속 50m로 물에 떨어지는 경우 생존은 사실상 불가능합니다. 많은 사람들이 물을 부드러운 물질로 생각하지만, 고속 충돌 시 물 분자들이 빠르게 이동할 시간이 없어 고체처럼 단단하게 반응합니다. 인스타그램에서 보는 높은 곳에서의 다이빙 영상들은 극소수의 전문가들이 철저한 훈련과 준비 끝에 수행한 것입니다. 일반인이 10m 높이에서도 배부터 떨어지면 심각한 부상을 입을 수 있습니다. 충격을 최소화하기 위해서는 물에 닿는 면적을 최대한 줄이고, 물속에서 멈출 때까지의 시간을 늘려야 합니다. 머리부터 들어가거나 발부터 들어가는 것이 가장 좋은데, 발부터 들어가는 것이 상대적으로 더 안전합니다. 발 쪽이 머리보다 좁아 물 표면과의 접촉 면적이 작기 때문입니다. 덩치가 큰 사람일수록 물에 닿는 면적이 넓어져 더 위험할 수 있습니다. 헬멧이나 강한 장갑, 충격 흡수 신발을 착용하더라도 몸 전체 뼈에 가해지는 충격을 막기는 어렵습니다. 결국 비행기가 운항하는 고도는 500m보다 훨씬 높기 때문에, 비행기에서 떨어져 바다로 다이빙하는 것은 생존이 불가능합니다. 빗방울이 높은 곳에서 떨어지는데도 우리에게 상처를 입히지 않는 이유가 바로 종단속도 때문입니다. 빗방울의 종단속도는 매우 낮아 위험하지 않지만, 사람의 종단속도는 치명적인 수준이라는 점을 명확히 이해해야 합니다.
혜성탐사와 물의 우주적 기원 - 로제타 미션이 밝힌 진실
물은 수소 2개와 산소 1개가 결합한 H2O 분자입니다. 그런데 지구에 있는 이 엄청난 양의 물은 대체 어디서 온 것일까요? 지구 표면의 70%를 차지하는 물의 기원은 여전히 과학계의 중요한 미스터리 중 하나입니다. 과거에는 땅속 지하수가 증발하고 폭우가 내려 바다를 채웠다고 단순하게 생각했습니다. 그러나 지구의 초기 역사를 연구한 결과, 오래전 지구는 지금과 전혀 달랐습니다. 표면에 암석이 없고 격렬한 충돌로 인해 펄펄 끓는 마그마의 바다 시기가 있었습니다. 이런 환경에서 물이 처음부터 지구에 있었다고 보기는 어렵습니다. 이에 따라 과학자들은 지구 바깥, 즉 우주에서 물이 공급되었을 가능성에 주목하기 시작했습니다. 가장 유력한 후보는 혜성이었습니다. 태양계 가장자리에는 얼음 덩어리인 혜성들이 많이 존재하며, 이들이 태양계 안쪽으로 날아오면서 긴 꼬리를 그립니다. 오랫동안 과학자들은 이 혜성이 지구 물의 원천이라고 생각했습니다. 혜성의 얼어있는 물과 지구의 물을 성분 비교하는 시도가 많이 이루어졌습니다. 그런데 로제타 미션을 통해 실제로 혜성에 착륙하여 얼음 성분을 확인한 결과, 놀라운 사실이 밝혀졌습니다. 혜성의 물과 지구의 물은 중수소 함량이 달랐습니다. 중수소는 수소의 동위원소로, 그 함량 비율은 타임스케일이 매우 길기 때문에 물의 기원을 추적하는 중요한 지표입니다. 혜성의 중수소 함량이 지구와 다르다는 것은 혜성이 지구 물의 주요 공급원이 아닐 가능성이 높다는 의미였습니다. 이에 따라 혜성은 후보군에서 떨어져 나갔고, 대신 소행성이 새로운 유력 후보로 떠올랐습니다. 소행성에 얼어있던 물들의 성분을 분석한 결과, 지구의 물과 비슷한 특성을 보였습니다. 더욱 흥미로운 발견은 로제타 미션에서 혜성에 글리신이라는 복잡한 분자가 존재한다는 것을 확인한 것입니다. 글리신은 지구 생명체의 DNA를 구성하는 분자 중 하나입니다. 이전까지는 글리신처럼 복잡한 분자가 혜성 같은 척박한 환경에서 자연적으로 조합될 수 없다고 생각했습니다. 하지만 실제로는 이런 성분들이 지구에서만 조합되는 것이 아니라 우주 공간의 혜성과 소행성에도 이미 존재했던 것입니다. 이는 생명의 재료가 어느 정도 완성된 상태로 지구에 도착했을 가능성을 시사합니다. 물론 지구 내에서 원소들이 모여 생명이 탄생했을 수도 있지만, 외계에서 온 물질이 생명의 시원이 되었을 가능성도 배제할 수 없습니다. 이는 과학에서 아직 해결하지 못한 중요한 미싱 링크입니다. 빅뱅부터 별이 만들어지고 행성이 형성되며 다양한 원소가 만들어지는 과정, 그리고 최초의 생명체가 탄생한 이후 진화 과정은 비교적 잘 이해되고 있습니다. 하지만 원소 레벨의 재료가 어떻게 최초의 생명체가 되었는지에 대해서는 여전히 명확한 그림을 그리지 못하고 있습니다.
맨틀 속 물의 순환과 생명의 조건 - 지구 내부의 숨겨진 바다
지구의 물은 대부분 어디에 있을까요? 많은 사람들이 바다를 떠올리지만, 실제로 지구에서 물이 가장 많은 곳은 지구 내부의 맨틀입니다. 지표만 놓고 보면 전체 물의 97%가 바다에 있고, 약 2%가 빙하로 존재합니다. 강물이나 호수 같은 우리가 일상에서 보는 물은 사실상 무시해도 될 정도로 적습니다. 오히려 지하수가 강물보다 훨씬 많으며, 지하수는 전체의 약 0.몇%를 차지하지만 강물은 그보다도 훨씬 적습니다. 아마존 강처럼 거대한 강조차도 지구 전체 물의 양에서는 미미한 수준입니다. 그런데 맨틀에는 지표의 모든 물을 합친 것보다 더 많은 물이 존재합니다. 이 물은 광물 속에 들어가 있습니다. 맨틀은 지구 부피의 약 80%, 질량의 약 67%를 차지하는 거대한 층입니다. 맨틀이 고체임에도 불구하고 유동성을 갖는 이유 중 하나가 바로 이 물 때문입니다. 물론 물이 없어도 고압 환경에서 결정 구조를 유지하면서 천천히 밀릴 수는 있습니다. 하지만 계산 결과, 물이라는 윤활유가 있을 때 맨틀이 훨씬 더 빠르게 움직입니다. 즉, 물이 맨틀의 대류 속도를 높여주는 역할을 하는 것입니다. 맨틀 속의 물은 큰 순환을 통해 지구 내부 깊숙이까지 들어갑니다. 남극의 빙하를 연구하면 과거 지구의 대기 조성을 알 수 있습니다. 남극의 빙하는 눈이 쌓여서 만들어진 것으로, 지층의 법칙에 따라 아래에 있는 것이 오래되고 위에 있는 것이 최근 것입니다. 깊이 있는 빙하의 얼음 사이에는 과거의 대기가 포집되어 있어, 이를 직접 뽑아서 측정하면 과거 대기 조성을 알 수 있습니다. 실제로 빙하 연구를 통해 산업혁명 이전에는 CO2 농도가 낮았다는 것이 명확하게 밝혀졌습니다. 남극이 얼어붙기 시작한 것은 약 4천만 년 전이며, 그 이전에는 남극이 따뜻했습니다. 따라서 가장 오래된 빙하는 4천만 년을 넘을 수 없지만, 아직 그 깊이까지 뚫은 적은 없습니다. 과거에는 남극의 2%에 해당하는 빙하가 없었기 때문에 해수면이 지금보다 훨씬 높았습니다. 만약 남극 빙하가 녹는다면 지구 환경은 크게 변할 것입니다. 한반도 역시 수면 높이가 크게 상승하여 많은 지역이 물에 잠길 수 있습니다. 이산화탄소 같은 경우도 대기에 존재하지만 지구 내부에 훨씬 더 많은 탄소가 있습니다. 지구 내부를 이해하지 못하면 탄소나 물의 순환을 제대로 파악할 수 없습니다. 마지막으로 던져진 질문은 매우 철학적입니다. "물 없는 생명은 상상할 수 없는가?" 이는 우리가 가진 생명 정의의 한계를 드러냅니다. 지구상의 모든 생명체는 물을 기반으로 하지만, 우주 어딘가에는 다른 용매를 사용하는 생명체가 존재할 가능성도 완전히 배제할 수는 없습니다. 하지만 현재까지 우리가 아는 모든 생명은 물 없이는 존재할 수 없으며, 물은 생명의 가장 근본적인 조건입니다. 맨틀 속 물의 순환, 빙하 속에 기록된 과거의 대기, 우주에서 온 물과 유기 분자들, 이 모든 것이 연결되어 지구라는 행성에서 생명이 탄생하고 유지될 수 있었습니다.
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비행기에서의 다이빙은 종단속도라는 물리 법칙 앞에서 생존 불가능한 선택입니다. 물은 단순한 액체가 아니라 속도에 따라 단단한 장벽이 될 수 있습니다. 동시에 물은 우주에서 온 생명의 재료이자, 지구 내부 깊숙이 순환하며 행성 활동을 돕는 핵심 물질입니다. 과학은 명확한 결론과 함께, 여전히 풀리지 않은 질문들을 우리에게 던지고 있습니다.
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**[출처]**
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=IWSzP1DaSqA&list=PLYeXRzoBwGeHVguBktW327fxb1tKqLXrR&index=160