공기란 무엇인가? [원시대기도 함께 알아보자]

우리의 일상생활에서 없어서는 안 될 공기, 그러나 우리는 평소 공기에 대해서 큰 관심을 가지지 않고, 있다.  손에 잡히지도 않고 보이지도 않지만 공기는 많은 과학적 연구의 대상이 되고 있으며 생활과도 밀접한 관계를 맺는다.  이는 우리가 매일 타고 다니는 자동차를 보아도 알 수 있다.  타이어에 공기가 들어있다는 것은 누구나 알고 있는 사실이지만, 무거운 차체를 들어 올리는 타이어의 공기가 가진 힘에 대해 생각해 본 사람은 그리 많지 않다.  이렇게 우리 생활의 중요한 일부분을 차지하고 있는 공기에 대해 알아보고자 한다.  또한, 이 외에도 우리 생활 속에서 공기가 어떻게 사용되고 있는지, 나아가 공기가 모여 있는 대기는 어떠한 성질과 특성을 가지고 있는지에 대해서도 알아보도록 하자. 공기란 무엇인가?  공기는 우리 지구를 둘러싸고 있는 색깔과 냄새가 없는 투명한 기체이다.  이것은 동식물의 호흡, 소리의 전파에 필수적이다.  공기는 항상 우리를 둘러싸고 있기 때문에 우리들은 생활하면서 공기의 존재와 중요성을 잊고 있는 것이 사실이다.  하지만, 공기가 없다면 사람을 포함한 모든 생명체는 살 수 없다.  그리고 대류현상이 일어나지 않아 비, 구름, 눈, 바람 등의 기상현상은 일어나지 않는다.  또한, 밤과 낮의 기온차가 수백도 정도로 차이가 날 것이고, 우주로부터 날아온 수많은 운석에 지구는 무방비로 맞게 되어 달처럼 운석구덩이가 많이 생길 것이다.  이처럼 중요한 공기는 얼마 전까지만 해도 무한의 자원이라고 생각하고 함부로 다루어졌다.  그러나 산소를 통에 담아 판매하는 사업이 생겨날 정도로 대기 오염이 심각해지면서 공기에 대한 인식이 달라지고 있다.  원시대기는 어떻게 만들어졌을까?  태초에 지구(원시지구:약 46억 년 전)는 우주에서 떨어지는 수많은 물질과 가스로 인해 엄청난 불덩어리였을 것으로 생각하고 있다.  이후 서서히 원시지구의 지표는 식어가고, 지구 주위에 엄청난 물질과 가스는 태양풍에 의해 서서히 사라지게 되었다.  그러나 원시 지구 내부는 여전히 불덩어리 상태이므로 화산활동은 매우 심했다.  이러한 초기의 화산활동은 지구 내부에 있는 암석이나 먼지 속에 포함되어 있던 소량의 수증기와 기체를 원시 지구 대기로 분출하기 시작하였고, 이들은 시간이 지남에 따라 점점 많아져서 원시 대기를 형성하기 시작하였다.  이러한 원시대기에는 암모니아, 메탄, 수증기, 수소 및 이산화탄소가 주성분이었다.  그러면 산소는 어디서 어떻게 생겨났을까?  처음 대기 중의 산소는 수증기가 응결하여 만들어진 큰 구름 속에서 번개 등으로 인해 물이 분해되어 생겼거나 또는 햇빛에 의한 분해로 수증기가 해리되어 형성된 것으로 보고 있다.  그러나 그 양은 그렇게 많지 않았을 것이다.  또한 원시대기 중의 이산화탄소 역시 대기 중에 산소를 공급하는 데 중요한 역할을 했을 것으로 보고 있다.  원시 대기의 온도가 낮아지면서 이산화탄소와 산소는 암석과 물속으로 서서히 용해되어 들어갔다.  그러면서 바다에 산소가 점차 많아지게 되었고, 이것이 지구상에 최초의 생명체 출현을 도왔을 것이다.  생명체는 서서히 진화하여 바다에 조류식물이 출현하게 되었고, 이들의 광합성으로 인해 산소는 해수와 대기 중에 급격히 많아지게 되었다.  대기 중에 오존층까지 형성되어 현재와 같은 대기조성이 형성된 것은 지금으로부터 약 5억 년 전, 즉 지구 탄생 후 약 40억 년이 지난 다음으로 보고 있다.  앞에서 언급했듯이 원시대기의 주성분은 암모니아, 메탄, 수증기, 수소, 이산화탄소였다.  이 중 가장 양이 많았던 수증기는 다른 물질을 녹이며 바닷물을 이루거나 햇빛을 받아 수소와 산소로 분해되었고, 질량이 가장 가벼운 수소는 상당 부분이 지구 밖으로 달아났으며, 메탄과 암모니아는 산소와 반응하여 다시 이산화탄소와 수증기, 질소를 만들었다.  원시대기의 주성분이었던 이산화탄소가 현재의 대기에서 차지하는 비중이 그토록 작아지게 된 이유는 무엇일까?  그 이유는 간단하다.  지구가 식으면서 대기 중에 존재하던 수증기가 물로 바뀌어 빗방울로 내려 형성한 원시바다 때문이다.  이산화탄소는 이렇게 형성된 바다의 많은 양의 물과 접촉하여 녹아들어 가게 된다.  그렇다면 초기의 고온 고압 상태에서 물에 용해된 이산화탄소가 현재 1 기압 288K로 되었는데도 다시 대기로 방출되지 않는 이유는 무엇 때문일까?  바로 이산화탄소가 물과 만나 다른 물질로 침전되거나 식물체내에서 광합성 작용에 의해 다른 물질로 전환되었기 때문이다.  예를 들어 석회암이나 생물의 껍질 등으로 전환되면 기체의 형태로 빠져나가기 힘들어지게 된다.  또한 원생대의 생물이 광합성 작용을 통해 이산화탄소는 소모시키고 엄청난 양의 산소를 대기 중에 공급하면서 현재와 비슷한 대기를 형성하게 되었다.  앞서 살펴본 원시대기의 형성과정에서 우리는 한 가지 궁금증에 휩싸이게 된다.  이산화탄소와 수증기는 제쳐 두고라도 질소와 산소에 대해서는 뚜렷한 언급이 없다는 점이다.  질소와 산소는 현재 대기의 99% 이상을 차지하고 있는 중요한 기체이다.  그렇다면 현재의 이러한 대기조성이 형성된 이유에 대해 살펴보기로 하자.  이미 앞에서 원시대기의 성분 중 가장 많았던 것은 수증기와 이산화탄소라고 언급한 바 있다.  하지만 수증기와 이산화탄소만 존재했던 것은 아니었다.  사실 질소나 그 외 다른 기체도 존재하였다고 판단된다.  그러나 그 양이 수증기와 이산화탄소보다 적어 주목을 받지 못할 뿐이다.  미행성의 충돌에너지를 받을 때 수증기와 이산화탄소처럼 질소도 가스화되었다.  그리고 화산활동이 활발할 때 질소의 배출 역시 상당히 많았다.  질소는 지각을 구성하는 Si나 AI, K 등에 비해 기화가 잘 되어 다른 원소에 비해 많은 양이 대기 중에 존재할 수 있었다.  원시대기의 거의 대부분을 차지하던 수증기와 이산화탄소가 대기 중에서 사라지고, 그다음으로 많이 존재하던 질소가 자연히 가장 많이 남게 되어 현재와 비슷한 대기 상태가 된다.  산소는 어떻게 형성되었을까?  이는 두 가지 측면으로 생각해 볼 수 있다.  먼저 생물의 광합성에 의한 산소의 형성이다.  원시 바닷물에 녹은 이산화탄소가 원시생물에 의해 광합성 작용을 거쳐 산소로 배출된다.  산소의 양이 조금씩 증가하다가 조류등이 식물로 진화하면 광합성이 더욱 활발해져 산소의 양은 더욱 많아지고 이는 대기에 축적된다.  두 번째는 태양광으로 인한 물의 광분해 요인이다.  대기 중에 있던 수증기가 태양에 의해 광분해 되어 수소와 산소로 나뉘게 된다.  가벼운 수소는 지구 밖으로 날아가고 무거운 산소만 대기에 남아 대기 성분을 이루게 된다는 것이다.  하지만 이러한 산소의 생성은 전체 산소량을 보았을 때 매우 적었을 것으로 생각된다.  그 후, 식물의 개체수가 증가하는 만큼 동물의 개체수도 증가하여 산소의 양은 적절히 조절되어 현재의 대기상태와 비슷한 약 20%를 차지하게 된다.  참고로 이러한 과정으로 생긴 산소에 의해 오존이 형성되었다.  산소가 일정량 이상으로 늘어나게 되면, 태양복사에너지 중 자외선을 흡수하여 산소 원자로 해리되고, 이 산소 원자가 다른 산소 분자와 결합하여 오존을 형성하였다.  자료출처:쉽게배우는기상학[교육과학사]