01. 지구상의 물은 어디서부터 왔을까?

<진정일 교수, 소설에게 과학을 묻다>

우주에는 수소와 헬륨이 가장 많고, 세 번째로 산소가 많다. 수소와 산소가 성간공간에서 충돌・결합해 물분자를 생성했다. 이 반응은 화학반응이며 핵융합반응과는 다른 유형의 반응이다. 화학반응에는 핵융합보다 훨씬 적은 양의 에너지가 관여한다. 성간공간에는 물분자 외에 수소분자는 물론 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 시안화수소(HCN), 메탄올(CH3OH), 포름알데히드(HCHO) 등이 검출된다. 이외에 미량의 고체 광물질도 존재한다. 이들이 모여 행성을 만든다. 모여든 물질들은 중력에 의한 높은 압력, 또 그로 인한 높은 온도 안에서 핵융합반응을 일으키며 새로운 별을 탄생시킨다. 이때 큰 바람이 일어 기체와 먼지를 밖으로 뿜어내며, 가열된 수소와 산소가 반응해 물이된다. 즉 물원자들은 다른 물질들과 마찬가지로 별이 소멸되고 또 재생되는 과정에서 만들어진 부산물로 볼 수 있다.

지구상의 물은 강, 바다, 호수, 만년설, 북극 및 남극 얼음, 습지 등처럼 눈에 잘 띄는 꼴로 있을 뿐 아니라, 지하수처럼 보이지 않는 형태로도 존재하며, 공기 중에 수증기, 하늘에는 구름이라는 이름으로 강을 이루고 있다. 토양도 물을 많이 붙들고 있다. 그렇다면 도대체 지구상에는 물이 얼마나 있을까? 지구 표면의 약 71%가 물로 덮여 있으며, 바다가 지구 전체 물의 약 96.5%를 차지한다. 물론 이 지구상의 물은 정적으로 있지 않고 물의 순환에 따라 지속적으로 한 곳에서 다른 곳으로 움직이며, 또 기체, 액체, 고체 사이를 순환한다. 지구 전체에 분포되어 있는 물의 총량은 대략 1386×106km3이고, 이중 지하수, 습지수, 강, 호수 등 소위 민물은 10.6×106km3로 전체의 0.75%를 차지한다. 식용수는 민물에서 얻는다. 불행히도 지하수는 땅속 너무 깊은 곳에 존재하기 때문에 지극히 일부만 사용가능하다. 호수와 강물은 9.3×106km3정도다. 세계 인구 팽창과 물 소비량의 증가로 민물공급 부족이 염려스러우며, 이미 일부 국가에서는 바닷물을 담수화해 사용하고 있다.

빅뱅 후 약 90억 년이 지나(지금부터 약 45억 년 전) 태양과 지구를 포함한 태양계가 형성되었다고 믿고 있으며, 이때 지구는 너무 뜨거워 최초에 물이 있었더라도 최소한 지표의 물은 모두 증발해 없어졌을 터이고, 후에 다시 지구로 돌아왔다고 생각된다. 우리가 현재 매일 사용하고 만나는 물은 지구가 생긴 지 오랜 시간이 흐른 후 지구에 배달(?)되었으리라는 이 가설은 지지를 가장 많이 받고 있다. 그러나 아직도 지구상 물의 근원에는 여러 가지 설이 공존하고 있다.


1・제1설 충돌
달 표면의 크레이터(분화구, 운석공)들을 보면 태양계가 오래전에는 매우 바쁜 곳이었음을 감지하게 된다. 약 38억~41억 년 전 후기 대충돌기(late heavy bombardment(LHB) period)에 태양 내부계 전체는 소행성과 혜성에 의한 충돌을 우박처럼 받고 있었다. 혜성은 80%가 물이므로 이런 충돌시 지구에 물이 대량으로 유입되었다고 믿으며, 소행성들은 물의 양이 혜성보다는 적지만 역시 충돌시 지구에 물을 전달했을 가능성이 크다. 지구상의 물을 만들고 있는 수소/중수소(H/D)의 비와 비교할 때 소행성과의 충돌설이 설득력이 아주 높다.

2・제2설 성운
지구가 신생 태양 주기를 돌 때 성운(星雲)으로부터 대량의 물이 지구로 직접 이동했다는 설이다. 물론 이때 중력이 큰 역할을 했다.

3・다른 이론들
물이 성간 먼지 입자들 표면에 이미 있어, 이들이 뭉쳐 지구(태양계)를 만들 때 충분한 물이 지구에 존재할 수 있었다는 설이다. 그러나 실제로 성간 입자 표면에 있던 물이 고온을 견딜 수 있었는지 의문이 간다. 일본의 한 학자는 지구를 에워싸고 있던 수소가 지구 맨틀에 있는 산화물과 반응해 바다와 호수를 만들었다고 주장한다.

이렇듯 지구의 물이 어디서 왔고, 어떻게 생겼는지는 아직도 논쟁이 일고 있으나 제1설의 소행성 충돌설이 현재는 가장 넓게 받아들여지는 추세다.