우주의 크기에 비하면 참으로 작고 작은 점에 지나지 않는 지구가 특별한 이유는 무엇일까? 지구 바깥의 태양계 천체에서 원시 생명체를 찾고자 하는 국제적인 연구는 화성과 목성의 위성, 토성의 위성 탐사로 이어지고 있다. 하지만 현재까지 알려진 바로는 태양계 천체들 중 유일하게 생명체가 살고 있는 행성은 지구뿐이다. 지구에는 어떤 조건들로 인해서 생명체가 살 수 있게 되었을까?
그 조건에는 어떠한 것들이 있는지 알아보자.
지구에서 생명체가 살 수 있는 조건들은 외계 생명체 탐사 프로젝트에서 생명체 존재 후보지를 찾을 때 고려하는 조건을 보면 알 수 있다. 현재 가동 중인 화성 탐사나 목성, 토성의 위성 탐사 프로젝트들은 대개 ‘액체 상태의 물’을 찾기 위한 노력에 집중되고 있다. 액체 상태의 물은 비열이 높아 많은 양의 열을 오랜 시간 보존할 수 있고, 다양한 물질을 녹여서 포함할 수 있는 좋은 용매이므로 생명체가 탄생하고 진화할 수 있는 훌륭한 환경을 제공하기 때문이다.
순수한 물은 1기압하에서 온도 0℃보다 낮아지면 응고하여 얼음이 되고, 100℃를 넘으면 끓어서 기화한다. 항성은 주위를 돌고 있는 행성 표면의 온도를 결정하는 중요한 요소이므로 액체 상태의 물의 존재는 항성으로부터의 거리에 영향을 받는다.
지구 바깥에서 생명체를 찾고자 하는 인류의 노력은 금성, 화성뿐만 아니라 태양계 위성에서도 끊임없이 지속되고 있지만, 현재까지 생명체 발견 소식을 접하지 못하고 있다.
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지구계 하위 권역들은 시간이 지나면서 점차 안정화되면서 상호 작용을 하게 된다. 특히, 원시 지구의 진화 과정에서 지구의 대기와 자기장, 오존층의 형성은 생명체가 생명 활동을 유지할 수 있는 터전을 마련해 주었다.
지구의 자기장은 철과 니켈로 구성된 외핵의 운동에 의해 발생한다고 생각된다. 이 자기장은 우주에서 지구로 쏟아지는 유해한 우주선(방사선)이나 태양에서 방출되는 태양풍의 고에너지 입자를 막아 줌으로써 생명체를 보호해 주었다. 태양 활동의 극대기에 코로나 물질 방출이나 플레어와 같은 폭발 현상이 나타나면 수십~수백억 톤의 물질이 초속 400 km 이상의 속도로 분출되고, 며칠 후 수많은 고에너지 입자들이 지구에 도착한다. 이때 지상에서는 오로라가 나타나거나, 엄청난 자기 폭풍이 일어나 전파 통신 장애가 발생하기도 한다.
만약 이들이 없다면 생물의 몸이나DNA는 상처를 입게 되고, 지구의 기온이 요동쳐 생명체가 살기 힘든 환경에 직면하게 되었을 것이다.
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지구에 사는 생물들은 오존층에 의해서도 지켜진다. 초기 지구의 대기 중으로 공급된 산소는 태양 에너지를 받으면서 광해리와 결합 과정을 통해 오존으로 성층권에 축적되었다. 성층권의 오존이 태양으로부터 오는 자외선과 같은 유해한 우주선을 걸러내면서 생명체는 육상으로 진출하는 계기를 갖게 되었다.
현재 지구에서 살고 있는 육상 생물의 대부분은 6억 년 전 오존층이 형성된 다음에야 탄생한 것이다. 즉, 오존층은 지구의 생명체를 지키는 보호막 구실을 한 것이다.
*오존의 생성 과정
O2 + UV(λ<240 nm) → 2O
O + O2 + M → O2 + M
오존은 원래 불안정한 구조를 띠고 있어 자외선을 흡수하여 다시 산소 원자와 분자로 광해리된다. 오존은 광해리 과정에서 파장이 280 nm~320 nm인 자외선을 매우 잘 흡수한다.
항성의 둘레에서 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 거리의 범위를 일컬어 생명 가능 지대라고 한다. 생명 가능 지대는 외계의 지적 생명체 탐사에서 가장 기본적인 개념이다.
태양계에서 생명 가능 지대는 태양으로부터의 거리뿐만 아니라 대기의 두께 등의 조건에 따라 차이가 있지만, 이론적으로 금성과 화성 사이에 놓여 있다.
한편, 생명 가능 지대는 중심별의 밝기, 즉 광도에 따라서도 달라진다. 중심별의 광도가 클수록 생명 가능 지대는 더 바깥쪽으로 옮겨 가며 그 폭도 더 커진다. 하지만 행성이 생명 가능 지대 안에 있다고 해서 반드시 생명체가 존재한다고 볼 수는 없다.
행성을 둘러싸고 있는 적당한 두께의 대기는 생명체를 양육하고 유해한 우주선들로부터 생명체를 보호하는 데 필수적이다.
또한, 별에서 오는 에너지원의 지속성도 관건이다.
이때 중요한 것 중 하나가 별의 질량이다. 별의 중심 온도는 별의 질량이 클수록 높다.
중심의 온도가 높은 별일수록 더 많은 에너지를 만들어 내기 때문에 별의 광도는 증가한다.
따라서 별의 질량은 별의 수명과 관련이 있다.
별 중심의 온도가 높을수록 별 중심의 연료 소모율도 높아져 별의 수명이 짧아지기 때문이다.
별의 수명이 짧다는 것은 그 별 주위를 도는 행성에서 생명체가 발생하여 진화할 만큼 충분한 시간을 확보하지 못한다는 것을 의미한다.
한편, 태양 질량의 절반이 안 되는 별은 태양 광도의 8%에 불과하고, 수명은 태양보다 25배나 더 길다. 그런데 이런 별의 생명 가능 지대는 중심별에 너무 가깝고 폭도 너무 좁다.
중심별의 영향 때문에 일반적으로 행성들의 자전 주기는 조금씩 길어지는 경향이 있는데, 별에 이렇게 가까이 있다면 별로부터 받는 힘이 워낙 커서 행성의 자전이 급격하게 늦춰진다.
결국 행성의 자전 주기가 공전 주기와 같아지면, 행성은 언제나 별 쪽으로 같은 면만을 향하게 된다. 이럴 경우 낮과 밤의 변화가 없어져 빛이 비추는 곳은 항상 낮이 되고, 그렇지 않은 곳은 항상 밤이 되어 생명체가 살 수 없게 된다.
*별의 질량과 수명
태양의 수명이 100억 년인 데 비하여, 태양 질량의 25배(태양 광도의 8만 배)인 별의 수명은 3백만 년밖에 되지 않는다.
반면, 태양 질량의 8%(태양 광도의0.03%)밖에 안 되는 별의 수명은 2천 5백억 년 정도나 된다.
우리가 사는 지구는 생명체가 존재하는 데 필요한 다양한 조건들을 완벽하게 갖추고 있다.
태양으로부터 적당한 거리에 위치하고 적당한 크기를 가졌기 때문에 지구의 표면에는 액체 상태의 풍부한 물을 가질 수 있었다.
물은 생명체 서식에 아주 중요한 요건이다.
또한, 적당한 두께와 조성의 대기는 생명체의 양육과 함께 자외선과 방사선 같은 유해한 우주선을 걸러 주어 생명체를 보호해 주는 역할을 하고 있다.
더욱이, 생물이 진화하기에 충분한 태양의 수명과 기울기가 거의 변하지 않는 지구 자전축의 안정성 등으로 태양계 내에서 유일하게 인류를 비롯한 다양한 생명체들이 살아갈 수 있다.