우주에 대해 어떻게 생각하세요?진공청소기는 차가운가요? 지난 몇 달 동안 웹에서 실시한 설문조사 결과, 대부분의 사람들이 이 질문에 “예”라고 답할 것으로 나타났습니다.
사실 물질만이 온도를 가질 수 있는데, 이는 물질 분자의 속도에 따라 결정됩니다. 물질 속 분자의 운동 속도가 빠를수록 그 물질은 더 따뜻합니다. 절대 진공은 정의상 아무것도 없는 공허한 상태이므로 온도를 가질 수 없습니다. 우주의 공간이 절대 진공 상태라면, 그 공간은 온도를 가질 수 없으므로 “차가운” 것이 아닙니다.
하지만 절대 진공은 실제로 존재하지 않습니다. 우주 공간 곳곳에는 분자들이 끊임없이 움직이고 있습니다. 최근 몇몇 이론에 따르면, 이 모든 분자들의 질량은 모든 은하의 질량을 합친 것보다 더 크다고 합니다. 이를 “암흑 물질”이라고 부릅니다. 그럼에도 불구하고, 이 분자들의 밀도는 극히 낮아서 우주 기술의 관점에서 볼 때 행성 간 공간은 실질적으로 절대 진공과 같은 환경으로 간주됩니다. 달조차도 대기를 가지고 있어 기체 분자의 밀도가 우주 공간보다 훨씬 높지만, 인간 활동 측면에서는 실질적으로 절대 진공 환경으로 볼 수 있습니다. 이는 달에 존재하는 분자들이 주변의 다른 물질과 접촉(대류)에 의한 열 교환을 거의 하지 않기 때문에 달 탐사선이나 기지는 이 분자들에 의해 냉각되거나 가열되지 않는다는 것을 의미합니다. 태양계를 공전하는 우주선도 마찬가지입니다. 우주선 역시 주변의 진공 상태를 떠도는 분자들과 열 교환을 거의 하지 않습니다.
대기가 뚜렷하게 형성된 화성에서조차 이러한 열 교환 효과는 인간 활동에 큰 영향을 미치지는 않겠지만, 체감할 수 있는 차이는 있을 것입니다. 화성의 기온은 국지적으로 영상 30도까지 올라갈 수 있지만, 화성의 대기가 지구보다 훨씬 희박하기 때문에 지구에서처럼 체감하기는 어려울 것입니다. 화성의 대기압은 지구의 1000mbar에 비해 6mbar에 불과합니다. 지구의 어떤 산업용 진공 펌프도 이처럼 낮은 압력을 만들어낼 수 없는데도 진공 펌프라고 부릅니다. 따라서 기술적으로 화성 역시 우주비행사들에게는 일종의 진공 환경으로 볼 수 있지만, 달처럼 절대적인 진공 상태는 아닙니다.
이 모든 것은 우주, 즉 진공이 대류열에 대해 완벽한 단열재라는 것을 의미합니다. 진공 상태에서 물체 간에 열 교환이 가능한 유일한 방법은 복사입니다. 진공은 전자기 에너지를 통과시키기 때문입니다. 다행히도 우리는 태양으로부터 빛과 열을 받는데, 이 모든 것이 전자기 복사입니다. 이 복사의 주파수는 전달되는 에너지의 양을 나타내는 척도입니다. 주파수가 높을수록 복사 에너지가 강해지고 일반적으로 물질에 더 깊이 침투합니다. X선은 주파수가 매우 높아서 우리 몸을 투과할 수 있을 만큼 강력하며, 예를 들어 의료 분야에 사용됩니다. 감마선은 X선보다 훨씬 강력하며 원자 붕괴, 즉 핵 방사선에서 발생합니다. 열 복사를 적외선이라고 부르는 이유는 빨간색이 우리 눈이 볼 수 있는 주파수 범위의 하한선(보라색이 상한선)이기 때문입니다.
적외선은 주파수가 너무 낮아 우리 눈으로 볼 수 없고, 대신 열로 느껴집니다. 적외선의 주파수는 방출하는 물체의 온도와 관련이 있는데, 주파수가 높을수록 그 물체는 더 따뜻합니다. 이것이 바로 온실 효과의 원인인데, 특정 물질은 낮은 주파수보다 높은 주파수에 대해 더 투명하기 때문입니다. 태양 표면의 온도는 6000켈빈이며, 이 주파수의 적외선은 지구 대기를 통과할 수 있습니다. 지표면에 닿으면 대부분 흡수되어 지표면을 데웁니다. 해변의 모래가 얼마나 뜨거운지 느껴본 적이 있을 것입니다.
하지만 이렇게 발생하는 온도는 (다행히) 태양 온도보다 훨씬 낮습니다. 지구 대기는 낮은 주파수 대역의 복사열을 투과하지 못하기 때문에, 따뜻한 지면에서 방출되는 에너지를 흡수하고, 공기와 지면 물질 분자 사이의 대류 열 교환을 통해, 그리고 직접 흡수하는 에너지를 통해 지구를 데웁니다. 유리에도 같은 원리가 적용되며, 햇볕에 주차된 자동차 내부가 매우 뜨거워지는 이유도 바로 이 때문입니다. 마찬가지로 온실 내부 온도도 주변 기온보다 높은데, 이것이 온실의 목적입니다.
지구의 따뜻한 대기는 태양으로부터 받은 열보다 훨씬 낮은 주파수의 열을 우주로 방출하며, 이 열은 우주 공간을 데우지 않고 그대로 퍼져 나갑니다. 진공 상태인 우주는 온도를 가질 수 없으므로 지구 대기가 방출하는 열에너지는 점점 더 넓은 “무(無)”의 공간으로 흩어집니다. 따라서 지구는 어떤 “차가운” 우주에 의해 냉각되지 않습니다. 냉각이 일어나려면 대류 현상이 필요한데, 진공 상태에서는 대류가 일어나지 않기 때문입니다.
마찬가지로, 멀리 떨어진 행성들이 매우 차가운 이유는 태양으로부터 받는 에너지가 매우 적기 때문이지, “차가운” 우주에 둘러싸여 있어서가 아닙니다. 열을 전혀 받지 못하고 스스로도 열을 발생시키지 못하는 “어두운” 우주에 있는 물체는 남아있는 아주 미미한 에너지마저 방출하면서 극도로 차가워집니다. 얼마나 차가워지는지는 이 글의 마지막 부분에서 살펴보겠습니다.
지구의 평균 온도는 받는 열에너지와 방출하는 열에너지의 균형에 의해 결정됩니다. 대기의 온도는 이 두 양이 같아지는 지점에서 안정됩니다. 따라서 지구는 태양으로부터 받는 에너지만큼 에너지를 방출합니다. 많은 사람들이 잘못 생각하는 것처럼 에너지를 “소비”하거나 “사용”하는 것은 없습니다. 온실이나 햇볕에 주차된 자동차도 마찬가지입니다. 내부 온도는 에너지 균형이 이루어지는 값에서 안정됩니다.
물론 지구에 도달하는 태양 에너지가 모두 지구에 흡수되는 것은 아닙니다. 대부분은 다시 우주로 반사됩니다. 나머지는 대기가 일부를 흡수하고 일부는 지표면에 도달하도록 통과시킵니다. 대기의 특성이 변하지 않는 한 지구의 평균 기온은 변하지 않겠지만, 우리가 배출하는 가스 등으로 인해 눈에 띄는 변화가 생긴다면 어떤 일이든 일어날 수 있습니다. 지구는 더 추워질 수도 있고 더 따뜻해질 수도 있습니다. 오늘날에는 지구 온난화에 대한 이야기가 많지만, 지구 냉각의 위험성을 주장하는 과학자들도 있습니다. 결국, 대기의 열역학적 시스템은 매우 복잡하고 알려지지 않은 변수가 많기 때문에 아무도 확실히 알 수 없습니다.
하지만 만약 우리가 연료에서 방출하는 열이 지구 전체 에너지에서 상당한 비중을 차지하게 된다면, 실제로 지구 온난화에 영향을 미칠 것입니다. 물론 그런 일이 일어날 것 같지는 않고, 단지 이론적인 시나리오일 뿐입니다. 하지만 우리는 실제로 국지적으로 열 오염을 유발하고 있으며, 대형 발전소에서 방출되는 냉매로 인해 발전소 주변 해역의 수온이 상승하고, 이는 그곳의 생태계에 영향을 미치고 있습니다.
지구에서는 자동차, 온실, 기타 구조물들이 주변 공기, 특히 바람이 불 때 냉각 효과가 뛰어납니다. 하지만 달은 그렇지 않습니다. 공상 과학 소설에서 볼 수 있는 달의 거대한 유리 돔이나 사방이 유리창으로 둘러싸인 우주선은 사실상 오븐과 같습니다. 햇빛에 노출되면 유리나 다른 투명 재질이 태양열을 거의 모두 반사(흡수하지 않고!)하지 않는 한 과열로 인해 자멸할 것입니다. 게다가, 이러한 거주 공간은 내부에 있는 사람들의 체온과 기술 시스템을 가동하는 데 필요한 전력으로 인해 추가적으로 가열됩니다(모든 에너지는 주변 온도에서 열로 변환됩니다 – 열역학 제2법칙). 이 모든 열을 방출해야 합니다.
“어두운” 우주 공간에 있는 물체는 얼마나 차가워질 수 있을까요? 많은 사람들은 3켈빈이라고 답하는데, 이는 우주 배경 복사의 “온도”(실제로는 2.7켈빈)와 같습니다. 이 복사는 빅뱅의 잔해로 여겨지며, 그 주파수는 3켈빈에 해당합니다. 많은 사람들이 이것이 우주의 온도라고 잘못 생각하지만, 물론 사실이 아닙니다. 아주 깊은 어두운 우주 공간에 있는 물체는 3켈빈보다 더 차가워질 수 있지만, 열역학 제2법칙에 따르면 0켈빈은 절대 될 수 없습니다. 0켈빈은 온도가 아니라 온도가 없는 상태, 즉 “무” 또는 공허이기 때문입니다. 우리가 알고 있는 물질은 0켈빈에서는 존재할 수 없습니다.
하지만 모든 과학자들이 이에 동의하는 것은 아닙니다. 검색 엔진에서 “열역학 제3법칙”을 검색해 보시면 알겠지만, 저는 개인적으로 그 “법칙”에 동의하지 않습니다.
참고로, 기후 변화나 지구 온난화에 대해 목소리를 높이고 싶으신가요? 먼저 ‘스페이스십 어스’를 읽어보세요!
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