과학시간에 들려주는 이야기 4

[겸이엄마]

31. 지구가 돈다면 높이 뛰었다 내려와도

왜 다른 곳에 떨어지지 않을까?

1600년대에 몇몇 천문학자들이 지구가 자전한다고 주장할 때, 그 견해에 동조하지 않는 사람들이 반론을 제기했다고 합니다. ‘만일 지구가 돈다면, 땅에서 뛰어 오른 사람은 그의 발 아래에서 지구가 돌므로 원래 뛰었던 자리에서 조금 떨어진 곳에 내려서지 않겠는가? 이런 일이 일어나지 않으므로 지구는 돌지 않는 것이 분명하다’라고 말입니다.

그러면 이러한 현상을 어떻게 설명할 수 있을까요? 이제, 한 가지 예를 들어보겠습니다. 달리는 자동차 안에서 공 던지기 놀이를 한다고 생각해 봅시다. 이때 달리는 자동차의 움직임이 공의 진로에 영향을 미쳐 공이 다른 방향으로 날아갈까요? 그렇지 않습니다. 공은 던진 방향으로 정확히 날아갑니다. 그것은 자동차 안의 모든 것들이 자동차의 속도로 함께 움직이기 때문입니다. 마찬가지로 지구는 적도를 기준으로 할 때 시속 약 1,600㎞의 속도로 자전하고 있습니다. 그때 여러분이나 나나 대기나 공중을 날아가는 공이나, 모두 같은 속도로 움직이고 있는 것입니다. 따라서 지구의 운동과 관계없이 지구상 어느 곳에서나 야구를 즐길 수 있는 것입니다. 못 믿겠으면 오늘 귀가 길에 버스에서 공 던지기를 해보시기 바랍니다.

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▶ 관련단원 : 중 3, Ⅸ.지구와 우주 - 지구의 자전

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32. 속담 속의 과학 - 바늘구멍 황소바람

밖에는 찬바람이 몰아치고 솜이불도 변변찮은 살림살이에 한겨울을 지내기는 험한 일입니다. 이런 때 창호지 한 장으로 막은 창문의 틈새로 바람이 새어들고 문풍지가 떨리면, 자식을 품은 부모의 가슴은 더욱 시름에 떨게 됩니다.

문풍지 사이로 드는 바람에 얼굴을 가져가면 찬 기운이 살을 에이는 것 같습니다. 바늘구멍만 한 틈으로 새어드는 바람 끝은 왜 그리 시린 걸까요? 아마도 가난한 마음으로 맞는 바람이기 때문일 것입니다. 그러나 그것만은 아닙니다. 실제로 문틈으로 새어드는 바람 끝은 활짝 열린 창으로 드는 것보다 훨씬 셉니다.

19세기 초 프랑스의 과학자 베르누이는 통로가 좁은 곳을 통과하는 공기는 통로가 넓은 곳을 지나는 공기보다 속도가 빨라진다는 것을 발견했습니다. 이것은 공기뿐만 아니라 모든 유체에서 마찬가지입니다. 흔히 쓰는 물뿌리개는 이 원리를 이용한 것입니다.

넓은 곳을 통과하던 공기분자들은 갑자기 통로가 좁아지면 서로 먼저 통과하려고 아우성치게 됩니다. 이 때문에 그 속도가 빨라져 통로의 벽면에서는 압력이 줄어듭니다. 이 지점에 물통과 연결한 통로를 내주면 물은 압력이 낮은 곳으로 빨려 올라가게 됩니다. 물뿌리개 입구로 빨려 올라간 물은 통로를 통과하던 공기와 섞여 분무를 이루고 고루 뿌려집니다.

창 밖에서 불던 겨울바람은 문틈을 통과하면서 베르누이 원리에 의해 속도가 빨라집니다. 바늘구멍만 한 틈으로 불어온 바람이 좁은 통로를 통과하면서 황소만큼 세고 매워지는 것입니다. 문틈에 난 바늘만 한 구멍의 바람이 바깥바람 보다 더욱 시리게 느껴지는 것은 이 때문입니다.

속담이나 금언에는 경험으로 터득한 생활의 지혜가 압축되어 있습니다. 이들을 대개 도덕이나 예절을 언급하고 있지만, 뒷면에 상당한 과학적 관찰과 분석을 토대로 한 것들이 많습니다.

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▶베르누이(Daniel Brnoulli, 1700～1782) : 스위스의 물리학자․수학자. 확률론의 연구와 응용, 특히 그 해석학적 검토 등의 업적도 있지만, 물리학 분야에서의 공헌이 더욱 현저하다. 오르간의 파이프의 공기진동․탄성현(彈性弦)․탄성곡선의 연구와 강체(剛體)의 운동에 있어서의 병진(竝進)과 회전운동의 분리의 중요성에 대한 지적 등이 있으며, 특히 에너지의 이론을 추진하여, 그 보존의 원리(역학적 에너지 보존의 법칙)를 보편화하였다. 그와 같은 생각은 유체(流體)를 다루는데 있어서도 활용되었으며, 38년에 쓴 유명한 저서 ‘유체역학’에서는 ‘베르누이 정리’를 논술하여 유체역학의 정식화를 시도하였다.

▶관련단원 : 중 2, Ⅲ.대기와 물의 순환 - 바람

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33. 지구는 왜 차가워지지 않을까?

오늘날 지구 내부의 온도는 약 5,000℃, 나이는 약 46억 년으로 알려져 있습니다. 이 사실로부터, 46억 년이라는 긴 세월이 흘렀는데도 지구는 왜 아직까지 차가워지지 않고 있는 것일까? 하는 의문을 가질 수 있습니다. 우리가 수업시간에 학습한 내용에 따르면 열은 반드시 온도가 높은 지역에서 낮은 지역으로 흐른다고 알고 있습니다. 그러므로 열이 뜨거운 지구 중심부에서 차가운 표면으로, 그리고 지구 표면에서 공중으로 흐르는 게 당연할 것입니다. 이 문제는 단순히 이렇게 생각할 수 있습니다. 지구가 태양으로부터 열을 받기 때문이라고 말입니다. 그러나 태양열은 지구 표면에서 손실되는 열을 보충해 주는 정도에 불과해서 태양열이 더해짐에도 지구 표면의 온도는 평균 섭씨 4도를 유지한다고 합니다. 그러니 지구 중심부의 온도와는 큰 차이가 나는 것이지요. 따라서 지구 전체가 표면과 같은 온도가 될 때까지 열은 중심부의 초고온 지역에서 바깥쪽으로 계속 흘러나가야 마땅할 것입니다. 바위로 된 지구 표면부가 좋은 방열판 구실을 한다 해도 그 흐름을 완전히 멎게 할 수는 없을 것입니다. 열의 흐름이 느려져 내부의 냉각 속도가 크게 떨어질 뿐이지요. 그러므로, 46억 년이라는 세월은 지구를 냉각시키기에는 충분한 시간입니다. 그런데도 지구는 여전히 뜨거운 채로 남아 있습니다. 왜일까요? 과학자들은 이 문제를 해결하기 위하여 많은 조사와 연구를 하던 중, 지구에 자신들이 미처 고려하지 못한 다른 에너지원이 있는 게 아닐까 하는 쪽으로 생각을 돌렸습니다. 그리고 그것은 사실로 밝혀졌습니다. 방사능이 발견된 후, 퀴리 부인의 남편인 프랑스 화학자 피에르 퀴리가 방사능 물질의 원자는 붕괴되면서 반드시 에너지를 방출한다는 사실을 알아냈던 것입니다. 1901년에 그는 처음으로 이 에너지를 측정해, 방사능 물질의 원자 하나가 붕괴될 때에는 가솔린 분자 하나가 타거나 TNT 분자 하나가 폭발할 때보다 훨씬 많은 에너지가 방출됨을 알아냈습니다. 즉, 과학자들이 전혀 예상치 못한 새로운 형태의 강력한 에너지인 핵 에너지가 발견된 것입니다. 방사능 물질은 이 에너지를 매우 느린 속도로 방출하므로 그 사실을 알아차리기가 힘들다고 합니다. 그리고 그 과정은 믿기지 않을 만큼 오랜 기간에 걸쳐 서서히 진행됩니다. 과학자들의 연구에 의하면 지구가 생성된 지 46억 년이 흐르는 동안에 원래 있던 우라늄의 절반과 토륨의 1/5만이 붕괴되었을 뿐이라고 합니다. 그 과정에서 지구의 암석층에 있던 우라늄과 토륨이 지구에 지속적으로 열을 공급해 주어 지구의 냉각을 막아 왔습니다. 아니, 오히려 지구의 온도를 조금씩 높여 왔는지도 모릅니다. 물론 속도는 매우 조금씩 줄어들지 모르지만 그 영향은 앞으로도 수십, 수백 억 년 동안 지속될 것입니다.

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▶피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859～1906) : 프랑스 물리학자. 현대물리학의 주요 창시자. 파리대학을 나와 모교의 교수를 지냄. 형 자크와 함께 암전기 현상을 발견하였고, 자성체에 관한 퀴리의 법칙, 퀴리의 온도를 발견하였음. 1895년 마리 퀴리와 결혼한 뒤 부인과 협력하여 폴로늄․라듐을 발견하였다. 방사능 연구로 부인과 A. H. 베크렐과 함께 1903년 노벨 물리학상을 받았다.

▶토륨(thorium) : 주기율표 3B족에 속하는 악티늄 계열의 방사성 원소. 원소기호 Th. 원자번호 90. 원자량 232.0381. 은백색이며 공기 중에서는 회색이나 흑색으로 변한다. 232Th의 반감기는 139억 년. 232Th로부터 233U를 만들 수 있어 자원으로서 중요하다.

▶관련단원 : 중 1, Ⅰ.지각의 물질변화 - 지질시대

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34. 공룡의 멸종을 통해 얻을 수 있는 교훈

약 1억 5천만 년 전의 지구는 공룡들이 지배하는 공룡의 제국이었습니다. 그런데 6천 5백만 년 전 어느 한순간에 공룡의 제국은 사라지고 말았습니다. 막강한 포식자였던 공룡이 자취를 감춘 것입니다. 학자들은 이러한 갑작스러운 멸종의 수수께끼를 풀기 위해 운석 충돌설, 질병설, 기후 변동설, 공룡 노화설, 성 불균형설 등 약 60여 가지에 이르는 가설을 제시하고 있습니다.

공룡 멸종에 대한 최근의 연구에서 21세기를 살아가는 인간은 매우 귀중한 교훈을 발견할 수 있습니다. 지질시대에 등장하는 생물들의 변화에서 식물들은 언제나 동물들보다 한 발 앞서고 있었습니다. 약 4억 년 전 육지에 포자로 번식하는 양치식물이 나타날 무렵 땅 위에는 동물이 하나도 없었습니다. 그러던 어느 날, 씨가 있는 식물이 등장하였으며, 이 겉씨식물은 바람에 꽃가루를 날려보내 번식하였습니다. 공룡이 지배하는 세상에서도 식물은 동물을 한 발 앞섰습니다. 속씨식물들은 협력자인 곤충의 도움을 받아 번식하는 방법을 택하고 곤충을 위해 화려한 꽃과 꿀을 만들었습니다. 이와 같은 공생 관계는 계속 발전하여 중생대 말에 등장한 작고 보잘것없는 포유류가 식물의 새로운 협력자가 되었습니다. 작은 포유류는 식물의 열매를 먹고 난 후 이동하면서 씨를 뱉거나 배설하여 식물을 넓은 지역에 번식하도록 도와주었습니다. 겉씨식물의 바람에 날려 번식하는 방법보다 훨씬 합리적이고 강력한 생존 방법을 택한 속씨식물은 거대한 숲을 이루고 있던 겉씨식물들을 차츰 북쪽으로 밀어낼 수 있었고, 식물에 아무 것도 해주지 않으면서 먹고 빼앗기만 하던 공룡은 자신들의 먹이였던 겉씨식물을 쫓아 추운 북쪽 지방으로 이동할 수밖에 없었습니다. 그리고 운석이 충돌하고 기후가 떨어지자 이미 쇠락하고 있던 공룡은 멸종할 수밖에 없었으나 평소 식물을 도우며 영양가 많은 열매를 먹고 건강을 유지했던 작은 포유류들은 어려운 시기를 극복하고 새시대의 주인공으로 등장하였다는 학설입니다. 우리가 주목할 사실 하나는 21세기 전 지구의 생태계를 지배하는 인간은 공룡의 시대를 능가하는 속도로 지구상의 생물을 멸종시키고 있다는 것입니다. 우리가 공룡의 전철을 따르지 않기 위하여 할 일은 협력자가 되는 것입니다. 서로 돕는 관계 속에서 생태계의 균형을 유지하는 협력자가 되어야 한다는 것입니다.

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▶운석(隕石) : 땅에 떨어진 별똥, 곧 대기(大氣) 중에 돌입한 유성이 타버리지 않고 땅에 떨어진 것. 겉면은 공기와의 마찰로 거멓게 빛남, 지구의 온 표면에 1년 동안 약 2천 개 가량 떨어지는데, 그 중 발견되는 것은 적으며, 지금까지 세계적으로 알려진 것을 전부 합치면 약 1전 700개쯤이라 함. 운석이 떨어질 때에는 주먹크기라도 벼락치는 듯한 큰 소리를 내며, 밤중이라도 둘레가 대낮같이 밝다고 함. 유성은 고작 2-3초 동안 빛을 내는데 운석은 때로 10초 동안 빛을 내며, 20km높이에서 파열하여 사방으로 퍼지는 일이 많음, 별똥돌, 성석(星石), 천운석(天隕石)

▶관련단원 : 중 1, Ⅰ.지각의 물질 변화 - 지질시대

35. 연료 전지

지구를 떠나 우주 공간을 달려가는 우주선은 온갖 전자 장비로 되어 있기 때문에 많은 양의 전기가 필요합니다. 우주선 안에 사람이 타면, 우주선 실내의 온도 조절, 산소 공급 및 우주복 자체를 움직이는 데도 전기의 힘이 없으면 모든 동작이 불가능해지고 만다고 합니다. 그렇기 때문에 우주선에 설치되는 모든 장비들은 처음 설계에서부터 전력을 적게 소모하게 만들었지만 우주선이 워낙 많은 장비들로 이루어져 있어서 전력 소모는 엄청난 양으로 늘어난다고 합니다.

그렇다면 우주선에 어떻게 전력을 공급할까요? 그 열쇠는 연료 전지가 쥐고 있습니다. 연료전지는 나라마다 특급 비밀 속에 감추어진 채 연구되고 개발되어 왔으나, 더 이상 베일 속에 가려져 있을 수 없게 되었으며, 머지 않아 일반 가정에까지도 전력을 공급하게될 전망입니다.

연료전지는 수산화칼륨 용액이 든 통에 니켈로 된 전극이 2개 들어가 있습니다. 니켈전극은 속이 비어 있어 그 속으로 산소와 수소가 각각 들어가 있으며, 니켈에는 연료인 산소와 수소가 수산화칼륨 용액 속으로 빠져나가도록 작은 구멍이 뚫려 있습니다. 한쪽은 산소가 들어가는데, 이곳이 양극이 되고 수소가 들어가는 다른 곳이 음극입니다.

이렇게 산소와 수소를 공급하기만 하면 전기가 흐르고 물까지 생기는 연료 전지는 그 성능도 뛰어납니다. 전기의 효율은 현대의 기술로 80%까지 활용되고, 대기를 오염시킬 가스나 먼지가 나오지 않기 때문에 매우 우수한 전지라는 것을 알 수 있습니다.

아폴로 우주선이나 스카이랩처럼 짧은 우주 여행이라면 연료 전지를 사용하는 것이 무엇보다도 경제적일 것입니다. 그러나 연료전지에 대한 연구는 아직 초보적인 단계이고 몇 년씩 여행해야 하는 우주 비행에서는 막대한 양의 연료를 싣고 갈 수 없기 때문에 연료 전지에도 결함이 있습니다.

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▶연료전지(燃料電池, fuel cell) : 연료의 산화에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 장치. 산화환원반응을 이용하는 점은 근본적으로 보통의 화학전지와 다른 점이 없다. 그러나 그것은 닫힌 계 안에서 전지 반응을 행하는 보통전지와 달리 계속적인 연료의 공급으로 전기에너지를 계속 내는 일종의 에너지 변환 장치이다.

▶관련단원 : 중 3, Ⅳ.지구와 우주 - 행성(우주탐색선)

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36. 오존은 무공해 세제

오존은 매우 복잡한 성격을 갖고 있어요. 지상에서는 건강에 해롭지만 상층의 대기권에서는 해로운 태양광선을 막아 줍니다. 그런데 최근 오존은 세탁을 거들어 준다는 것이 밝혀졌습니다.

세 개의 산소원자를 가진 오존은 건조한 산소나 공기 중에서 전기를 방전하면 인공으로 만들 수 있어요. 강력한 산화제인 오존은 박테리아를 죽이고 더러운 옷뿐만 아니라 온갖 종류의 먼지와 때를 분해하여 제거할 수 있습니다. 오존을 세탁용 물 속에 녹일 때 세탁기의 세제의 양을 줄일 수 있고 물을 데울 필요가 없으며 세탁물을 덜 회전시켜도 되기 때문에 섬유에 피해를 덜 줍니다. 미국 펜실베이니아주 콘쇼호켄 소재 론드리르지사와 캔저스 시티의 퓨어 워터사 등은 오존을 세탁기 속으로 펌프를 주입하는 시스템을 개발하여 시판하기 시작했습니다.

그런데 플로리다주 포트 피어스 소재 트리오클린 론드리 시스템즈사는 찬물을 사용하고 세제는 전혀 사용하지 않는 시스템을 개발하여 판매하고 있고, 이 기업에 따르면 보통 1파운드 (453.59그램)무게의 옷을 세탁하는 데 3갤런(약11리터)의 물이 필요하지만, 이 시스템을 이용하면 그 8분의 1밖에 들지 않는다고 주장하고 있습니다. 또 이 시스템은 더운물 대신 찬물을 사용하기 때문에 물만 아니라 에너지도 절약할 수 있습니다. 불안정한 오존분자는 찬물보다 더운물 속에서 더 빨리 소실되기 때문입니다. 또 이 시스템은 세탁한 물을 걸러서 재사용하고 있고, 이런 시스템은 앞으로 환경규제가 더욱 엄격해지고 물 값도 만만치 않을 것으로 보아 특히 환경보호주의자들에게 환영을 받을 것으로 보입니다.

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▶오존층 : 성층권 상층 높이 20～25km 사이의 오존이 밀집해 있는 층. 오존이 검출되는 10～15km 사이의 성층권도 오존층이라 하기도 한다. 이 층의 높이는 계절에 따라 변하는데, 겨울에서 봄까지는 낮고, 여름에서 가을까지는 높다. 한편 오존의 양은 봄에 가장 많으며, 가을에 최소가 된다. 오존층은 대기 속의 산소 분자가 파장 2400Å 이하의 파장이 짧은 태양 자외선을 흡수하여 분해함으로써 생긴 것이다. 오존층이 있기 때문에 인체나 생물에 해로운 강력한 자외선은 흡수되어 지상에 도달하지 못한다. 따라서 오존량의 감소는 인체나 생물에 해로울 뿐만 아니라 대기의 운동에 영향을 주어 기후 변동을 일으킬 우려가 있다.

▶교과서 관련 단원 : 중 1, Ⅰ.지각의 변화

▶들려주는 시기 : 오존층에 대해 배운 후

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37. 폼페이의 유적이 거의 원래의 모습 그대로

남아 있었던 까닭은?

이탈리아 서해안은 경치가 빼어나기로 이름이 높지요. 폼페이는 풍경이 아름다운 나폴리 해안가에 자리잡고 있었습니다. 이 도시는 기원전 6세기에 만들어져 오랫동안 번영을 누려왔습니다. 인구는 약 3만 명이었답니다. 그런데 700여 년 동안 아무 일도 없던 이 도시에 63년 어느 날 대규모 지진이 일어났습니다. 도시는 크게 파괴되었지요. 그러나 사람들은 꽤 심한 지진이 일어났다고 생각할 뿐 더 이상 걱정을 하지 않았습니다. “지진은 그 동안에도 여러 차례 일어났잖아.” “화산이 폭발할 수 있다고 하지만, 베수비오 화산은 죽은 화산 아닌가.” 그후 13년이 지난 79년 8월 14일 베수비오 화산은 연기를 조금 토해낼 뿐 여느 때와 다름없었습니다. 그런데 해가 중천에 떴을 무렵 갑자기 화산이 폭발하기 시작했습니다. 연기는 끊임없이 올라가 태양을 가렸고 하늘은 온통 화산재로 뒤덮였으며 크고 작은 돌들이 폼페이로 수도 없이 쏟아졌습니다. 이어서 화산재, 모래, 흙으로 뒤범벅이 된 폭우가 쏟아졌습니다. 도시는 서서히 사라졌습니다. 아름다움을 뽐내던 건물도, 아우성치던 사람들도 모두 흔적 없이 파묻히고 말았습니다. 베수비오 화산은 사람들의 믿음과는 달리 사화산이 아니라 휴화산이었던 것입니다. 1689년 화산재에 묻혔던 폼페이는 드디어 세상에 모습을 드러내기 시작했습니다. 고고학자가 이 곳을 조사하던 중 폼페이라는 도시 이름이 새겨진 돌을 발견했던 것이지요. 그 뒤 1860년부터 본격적인 발굴작업이 시작되었습니다. 5킬로미터의 성벽, 일곱 개의 성문, 우물 정자의 도시, 금속 바퀴 자국, 상점, 주택, 심지어 문에 새긴 사람 이름까지 옛 모습 그대로 보존되어 있었습니다. 또한 원형극장, 사원, 분수대, 비너스 조각상 등 걸출한 조각품들도 폼페이의 옛 명성을 들려주며 땅위로 모습을 드러냈습니다. 결국 화산재가 폼페이라는 역사박물관을 고스란히 우리에게 물려주었던 것이랍니다. 화산은 파괴의 상징이지만 폼페이의 경우만큼은 인류에게 크나큰 선물을 한 셈이지요. 폼페이의 경우 외에도 화산재는 인류에게 옛 모습을 그대로 남겨준 경우가 많습니다. 대표적인 것이 미국 네브라스카 주에서 발견된 화석이랍니다. 약 1천만년 전의 것인데 주로 동물의 화석이지요. 코뿔소, 말, 사슴, 낙타, 기린 등 몇백 마리의 동물들의 골격이 뛰어나게 보존되어 있었습니다. 그곳에서 발견된 것 가운데 사람들의 가슴을 뭉클하게 했던 장면도 있었답니다. 바로 어미코뿔소와 아기코뿔소였는데 아기코뿔소는 어미코뿔소의 엉덩이와 무릎사이에 머리를 들이밀고 있었습니다. 위기상황에서도 자식을 보호하려는 어미의 보호본능을 잘 보여주고 있지요. 화산재 외에도 진흙 속이나 사막 또는 시베리아에서 발견된 매머드의 예에서도 알 수 있듯이 얼어붙은 땅도 먼 과거의 유산을 원형 그대로 보존하는 중요한 역할을 했답니다.

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▶화산 : 화산 활동에 의해서 마그마가 분출하여 지표에 생긴 특수한 형태의 지형. 보통은 지표에 돌출된 형태를 이루고, 그 중심에는 마그마의 분출구인 화구가 있는 형태이나, 화산폭발이나 함몰에 따라서 깊게 패인 지형도 있다. 분출하는 마그마의 성질이나 양에 따라서 화산의 활동형태가 달라지고, 또한 만들어지는 화산체의 모양이나 내부구조도 다르게 된다. 각 화산은 가스와 마그마 암석의 조각들이 어떤 비율로 어느 정도의 온도와 압력에 의해 분출하는가에 따라 분출하는 형식이 각각 다르다.

▶교과서 관련 단원 : 중 1, Ⅰ.지각의 변화

▶들려주는 시기 : 화산활동을 배우면서

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38. 대류현상 이용한 냉방용 굴뚝

발명가를 꿈꾸시나요?

그런데 과학의 원리를 몰라 너무 어렵다구요?

Oh! NO! 그리 어렵지 않아요. 간단한 과학의 원리만 잘 응용해도 훌륭한 발명가가 될 수 있답니다. 실례를 들어볼까요?

간단한 자연의 원리를 이용하여 간편하고 비용이 덜 드는 냉방 방법이 개발되었습니다. 높이 약 7미터의 이 냉방용 ‘굴뚝’이 보급되면 건조한 지대의 생활양식을 바꿀 것으로 전망됩니다.

미국 애리조나 대학 환경연구소 과학자들이 설계한 이 냉방용 탑은 찬 공기가 더운 공기보다 무겁다는 간단한 원리를 이용한 것입니다. 소형의 펌프를 이용하여 탑의 꼭대기에 설치한 셀롤로스 판에 계속 물을 적셔 주면 수분이 증발하면서 이웃의 공기는 냉각되고 무거워집니다. 차가워진 공기는 탑을 타고 집안의 바닥공간으로 내려와서 집안을 순환한 뒤 작은 창문을 통해 마당으로 빠져나갑니다.

한편 공기가 탑을 타고 내려오면 탑 꼭대기 주변의 기압은 낮아지고 따라서 더 많은 더운 공기를 탑 속으로 끌어들입니다. 그 결과 잔잔한 날에도 집안에서는 바깥공기보다 섭씨 8도에서 16도나 더 시원한 산들바람을 즐길 수 있습니다. 그런데 냉각효과는 주위의 기온과 상대 습도로 좌우됩니다. 그래서 날씨가 더 덥고 건조할수록 셀룰로스 판의 물은 더욱 빠른 속도로 증발하게 되고 따라서 더욱 많은 양의 공기를 냉각하게 됩니다.

애리조나에서 기술이전회사를 운영하고 있는 엘리자베드 하지스(Elisabeth Hoge)에 따르면 이 냉방용 탑은 평균 상대습도가 60퍼센트 또는 그 이하의 건조한 지방에서 가장 효율적으로 가동한다고 말하고 있습니다.

냉방용 탑의 운영비는 건당 월5달러(약4천원)이하이며 증발식 쿨러보다 70퍼센트, 그리고 에어콘디셔너보다 90퍼센트나 비용이 덜 틀니다. 냉방용 탑은 최근 미국 에너지성의 발명 상을 받았습니다

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▶대류현상 : 전도, 복사와 함께 열의 전달 방법의 한 가지. 액체와 기체 따위가 부분적으로 가열되어 온도가 높아지면, 그 부분은 팽창하여 밀도가 작아지므로 가벼워져서 위로 올라간다. 그러면 그 주위 에 있던, 온도가 낮고 밀도가 큰 부분이 내려온다. 이러한 과정을 되풀이함으로써 열이 이동하는 현상을 대류라 한다. 냉장고에서 냉각 부분이 위쪽에 있는 경우나 난방 기구를 낮은 데 두는 것은 이 대류 효과를 이용하기 위해서이다.

▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅲ. 대기와 물의 순환

▶들려주는 시기 : 열의 이동 방법을 배울 때

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39. 보온병이나 보온 도시락이 열을 보존할 수 있는 이유는?

보온병은 차가운 것을 담아두면 차가운 채로 뜨거운 것을 담아두면 뜨거운 채로 오랜 시간 보관할 수 있는 용기이지요. 마치 마법의 병 같습니다.

마법의 병은 듀어 병이라고 불리는데 그것은 듀어라는 과학자가 발명했기 때문입니다. 제임스 듀어는 스코틀랜드에서 태어난 영국의 과학자로 마법의 병 외에도 무연탄약을 만든 사람으로도 유명하지요.

처음에 보온병을 만들었던 것은 가정용이 아니라 실험실용이었습니다. 당시 영국의 여러 대학에 있는 연구실들은 액체 공기와 액체 가스를 보존하기 위한 방법을 고민했습니다. 이런 물질들은 매우 낮은 온도에서 보관하지 않으면 순식간에 날아가 버리기 때문이었지요.

“낮은 온도를 유지하기 위해서는 바깥의 뜨거운 공기가 안으로 들어가지 못하도록 해야 해. 그렇다면 열을 전달하지 않는 유리로 이중 벽을 만들고 벽 사이의 공기를 뽑아버리면 되겠군.”

그래서 공기의 이동을 막을 수 있는 보온병이 탄생한 것이지요.

보온병 안쪽 벽을 보면 반짝거리는 것을 볼 수 있습니다. 이것도 다 이유가 있답니다. 안쪽 벽을 도금한 것인데 은도금은 밖의 뜨거운 공기나 차가운 공기를 반사시켜버리고 안의 뜨거운 공기나 차가운 공기도 밖으로 마음대로 나가지 못하도록 한답니다.

그 뒤 독일의 한 기술자가 니켈로 보온병을 감쌀 수 있는 통을 만들어 보온병을 판매하기 시작했습니다. 그러나 당시에는 사람들로부터 인기를 끌지 못했습니다. 손으로 직접 만들기 때문에 값이 워낙 비쌌기 때문이고, 또한 사람들이 많은 필요성을 느끼지 못했기 때문이지요.

보온 통이 널리 쓰이게 된 것은 탐험가들이 보온병의 장점을 이해하면서부터 입니다. 그리고 좀더 널리 쓰인 것은 니켈 통 대신에 플라스틱 통이 만들어지고부터 랍니다.

가정이나 택시에서 사용하는 LPG도 비슷한 원리를 이용해서 만든 것이랍니다. LPG는 가스를 액체로 만든 것인데, 만약 LPG통 같은 특수한 용기가 아니라면 액화 가스는 순식간에 날아가 다시 가스로 변해버리고 말겠지요.

☞ 보고 또 보고

▶도금 : 녹이 스는 것을 방지하거나 아름답게 하기 위하여 금속의 표면에 다른 금속을 얇게 입히는 일. 전기 분해를 이용하여 도금하는 방법을 전기 도금이라고 하는데, 보통 도금이라고 하면 전기 도금을 가리키는 경우가 많다. 도금을 할 때는 도금하고 싶은 물체의 표면에 묻은 기름 등 더러운 물질을 미리 묽은 산이나 묽은 알칼리 용액으로 씻어낸 후 도금한다. 도금시키는 물체를 (-)극으로 하고 도금하려는 금속을 (＋)극으로 하여, 도금하려는 금속의 이온을 포함한 수용액(도금액) 속에 담그고 직류 전류를 통해 도금하는 방법이다. 금, 은, 구리, 니켈, 크롬, 아연 따위의 도금이 널리 이용되고 있다.

▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅲ.대기와 해수의 순환

▶들려주는 시기 : 열의 이동 방법을 배울 때

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40. 일기에 대한 속담

옛부터 우리 조상들은 일기를 예상하려고 많은 노력을 하였습니다. 그래서 여러 가지 속담을 남겼는데, 그 중에 어떤 것은 과학적인 근거가 없는 것도 아니나, 불확실하기 때문에 이것만으로 일기를 예상할 수는 없습니다. 자 일기속담 몇 가지에 대한 과학적인 근거를 알아볼까요?

◈ 아침에 무지개가 생기면 비가 오고, 저녁에 무지개가 생기면 갠다.

⇒ 무지개는 태양과 반대쪽에서 비가 오고 있을 경우, 빗방울 입자가 프리즘과 같은 작용을 하기 때문에 볼 수 있는 현상입니다. 아침에 생기는 무지개는 서쪽에서 비가 내리고 있을 때 볼 수 있고, 저녁에 생기는 무지개는 동쪽에서 비가 내리고 있을 때 볼 수 있는 것입니다. 날씨는 서쪽에서 동쪽으로 이동해 가므로, 서쪽 비는 앞으로 다가오고, 동쪽 비는 뒤로 멀어져 가게 됩니다.

◈ 햇무리나 달무리가 나타나면 비가 온다.

⇒ 무리는 권층운이 하늘을 덮었을 때 나타나는 현상인데, 권층운은 날씨가 나쁜 저기압의 전선면에 나타나는 것이 보통입니다.

◈ 청개구리가 울면 비가 온다.

⇒ 통계상으로 보아 청개구리의 울음소리를 들은 30시간 안에 비가 오는 확률이 60～70%라 합니다. 정확한 이유는 판명되지 않았으나, 기압이 낮아지고 습기가 많아져서 호흡에 장애를 받기 때문이라 생각됩니다.

◈ 제비가 지표면 가까이에서 날면 비가 온다.

⇒ 모기와 같은 곤충들이 습기가 많아지면 비가 올 것을 예상하여 지표면 가까이로 숨을 장소를 찾아내려 가므로, 제비가 먹이를 구하기 위하여 지표면 가까이로 내려오기 때문이라 생각이라 생각됩니다.

◈ 저녁 노을이 붉을 때는 개일 징조이고, 아침 노을이 보라색일 때는 비가 올 징조이다.

⇒ 저녁 노을은 서쪽 하늘에 구름이 없다는 것을 표시하므로, 서쪽에서 고기압이 접근하게 되어 날씨가 좋아집니다. 아침 노을은 동쪽 하늘에 구름이 없다는 것을 표시하므로, 고기압이 사라져 버렸다는 것을 나타낸답니다.

☞ 보고 또 보고

▶교과서 관련 단원 : 중 2, Ⅲ.대기와 물의 순환의 날씨 변화

▶들려주는 시기 : 일기예보의 다른 방법을 알아보고자 할 때