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[이론강좌1] 물이란 무엇인가?
에피타이저
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태양계의 9개 행성중에서 액체상태로 있는 물의 풍부한 혜택을 받고 있는 것은 지구뿐이다. 지구 전체에는 약 13억 5천 6백만 입방킬로미터의 막대한 물이 존재하고 있는데, 양이 풍부한 것과 마찬가지로 지구가 물을 액체, 고체, 수증기의 세가지 형태로 보유하고 있는 것도 지구뿐이다. 또한, 이 세형태로 지구상에 자연히 존재하는 자원이라면 물뿐이다. 식탁에 놓인 한 컵의 물은 정지하고 있는 듯이 보이나, 속에 있는 얼음 조각을 액체로 변화시키면서, 한편으로는 극히 소량의 수증기를 공기중에 발산시키고, 나아가서 공기중의 수증기를 응결시켜 컵 바깥쪽에 물방울을 매단다.
그리고 지구 전체의 물은 언제나 자연의 힘과 지구의 자전, 태양열과 인력에 반응하고 있다. 이런 것들이 복잡하게 얽혀 다이나믹한 영원한 변화를 형성한다. 그러나 중요한 점은 물은 불변의 성질을 가지고 있다.
그것은 물의 총 공급량은 늘지도 줄지도 않는 다는 것이다. 지구상의 물의 양은 30억년전부터 죽 같았다는 것이 정설로 되어있다. 물은 영원히 순환되면서 사용되고, 버려지고, 여과되며 다시 사용된다. 그런 성질때문에 지구에서는 물이 없어지는 일은 없는 것이다.
그래서 이 핵의 밀도가 커짐에 따라 온도가 상승하고 결국에는 대략 1만 3천도라는 고온이 되고, 수소의 원자핵이 헬륨에 융합하여, 큰 에너지를 방출하게 되었다. 태양의 열과 빛의 열핵반응이 이렇게 시작되었다 한다.
태양은 가까이 있는 우주운이 응결하기 이전에 응결하여 분리체가 되었고, 남은 우주운은 여전히 내부의 미립자가 서로 충돌하면서도 전체적으로는 점점 확대해가는 큰 원반처럼 회전하고 있었다.
그래서 시간이 흘러 9개의 행성이 되었다. 그때 원시의 우주운에 포함되어 있던 물도 역시 각각의 행성의 일부분이 되었다. 그리고 각각의 별에 포함되어 있는 물의 양과 상태는 그 별의 엉겨붙는 양식 (별의 인력을 결정)에 의해, 그리고 그 별의 태양과의 거리(별의 표면적온도 를 결정)에 의해 결정되게 되었다. 지구상에 존재하는 물의 상태도 역시 지구의 크기가 중간 정도이고, 태양의 거리가 적당하다는 사실의 결과이다.
이 설은 응축하여 지구의 암석이 된 원시우주진이, 그 결정구조의 내부에 물의 분자를 가둘 수가 있었다는 사실에 기초하고 있다. 오늘날 지구의 표면은 대부분이 규산염의 암석으로 되어 있는데, 이것은 원자 배열 중에 물의 분자를 함유하고 있는 함수결정체이다. 함수결정체에 열이 가해지면 물은 비교적 쉽게 나온다. 만약 이 주장대로 지구가 처음부터 차가왔다면 결정체에서 나오는 물은 최초부터 지구상에 존재 했던 셈이 된다.
그래서 후에 수차례 거대한 물질의 덩어리와 지구가 충돌하여 생긴 가열에 의해 결정에서 나왔다는 것이다. 이후에 화산활동과 운석의 충돌에 의한 열 때문에 지구 내부의 암석중의 물이 비등해 나온 것이라고 생각한다는 것이다.
지구는 점점 더 가열되어가서 중심부에서 부터 녹아들어, 물은 완전히 수증기가 되고, 게다가 극도로 고온인 경우에는, 물의 분자가 수소와 산소로 분해하기 때문에 물은 없어진다.
이러면 물은 존재하지 않게 되는데, 녹아 있는 지구의 들끓는 표면 위에는 갖가지 가스가 둘러쌓이게 되는데, 후에 방사선이 감소하고, 수축작용이 약해지면서 지구의온도순환은 반대로 변하고, 차츰 냉각되었다. 그래서 지표층이 굳어지기 전에 고온의 가스로 이루어진 대기권은 거의 없어 진다.
즉 대기는 우주의 저편으로 소실되어 버린다. 그 대신에 지구의 내부에서 새로이 수증기를 머금은 가스가 나온다. 그 수증기는 지구의 갈라진 곳, 화산의 분화구, 용암에서 뿜어내는 거품 따위에서 배출되어 상공의 차가워진 대기권 속에서 응결한다. 그 때문에 지구는 물방울과 눈의 두꺼운 구름으로 뒤덮인다.
지구가 다시 식으면 수분은 한층 더 지표로 내려와 결국에는 수분이 지상에 도달해도 곧 증발하지 않을 정도가 되고, 그 후 많은 세월이 지나 지구를 에워싸고 있던 구름이 엷어지며, 점차 태양 열로 데워져 원시해양과 생명이 발생하기 시작했다는 것이다. 따라서 태평양은 현재에도 계속 수축되고 있으며 대서양은 계속 확대를 하고 있다 한다.
이 나머지의 1퍼센트에도 못미치는 물중에서도 가장 중요한 것은 지하수이다. 지하수는 우물물의 기초가 되고, 강을 채운다. 지하수는 지구의 물의 총량에서 바다, 만년설, 빙하를 제외한, 인류가 사용할 수 있는 물 중 97퍼센트를 차지한다.
생명의 물
생명의 물"이라는 말은 시적인 감흥을 띠고 있으나, 그 이상으로 깊은 내용을 담고 있다.
탄생하기 전 어머니 뱃속에 있을 때부터 우리들은 물속에서 지내지 않으면 안된다. 태아는 자궁 내의 양수속에서 생장한다. 그리고 태어나서 죽을 때까지 물은 체내를 끊임없이 계속 흐른다.
인간의 생명은 먹지 않고도 수주간은 유지 가능하나, 물이 없으면 기껏해야 10일간밖에 생명이 지탱되지 못한다. 산소가 없어도 번식하는 어떤 종류의 박테리아를 포함하여 어떤 생명이라도
수증기 및 그밖의 가스가 화산에서 대기중으로 분출하고, 이것이 냉각하여 응축하고, 비가되어 지표에 내리고, 그리곤 증발했다. 이러한 과정이 몇 억년에 걸쳐 되풀이 되었다. 그리고 지구는 서서히 냉각되고, 물은 증발하지 않고 해저부분에 괴기 시작했다.
격심한 강우에 모든 생물조직의 98퍼센트를 구성하는 원소인 탄소, 수소, 산소, 질소가 대기중에서 해양에 쏟아져들어가, 바닷물에는 생명체에 필요한 모든 성분이 포함되게 되었다.
생명의 기원에 대한 이런 사고방식은 원시해양과 꼭 같다고 추정되는 조건을 재현하여 생명체를 이루는 복잡한 화학물질을 만들어내기에 성공한 실험으로 입증되고 있다. (한편...모든 생명체가 단 7일만에 성공적으로 창조되었다는 설도 있다.)
식물의 경우와 마찬가지로 동물의 경우에도 역시 물은 양분과 노폐물, 산소와 이산화탄소를 나르는 운반차의 역할을 하고 있다. 음식물의 소화라는 작업에 있어서는 특히 중요한 임무를 수행하고 있다.
게다가 동물의 경우에는 관절이 삐걱거리거나 부드러운 조직이 단단해지지 않도록 물이 윤활유의 역할도 하고 있다. 또 물의 냉각작용은 신진대사의 열로 견딜 수 없어지는 것을 막고 있다.
또 이러한 많은 요구를 충족시키기 위해서 물을 관리할 뒤얽힌 장치가 필요해 진다. 예컨데 물의 양과 농도는 항상 정확히 규제되지 않으면 안된다. 너무 많거나, 너무 적다면 심하게는 죽음에 이를 수 있기 때문이다.
인간과 물
인간의 몸은 여러 개소에서 물을 섭취하고 있다. 음료수라는 확실한 방법으로 공급되는 것은 47퍼센트 정도이다. 매일 물의 필요량의 약 14퍼센트는 세포호흡이라는 화학작용의 부산물로서 체내에서 만들어진다.
그리고 나머지 39퍼센트의 물은 고체라고 생각되는 음식물에서 공급되고 있다. 대부분의 음식물, 즉 음식물이 되는 동물과 식물의 세포는 적어도 인간의 세포와 같은 정도 양의 물을 함유하고 있다. 단지 버터와 같은 지방분만은 보통 수분은 그다지 함유되어 있지 않다. 그 밖의 음식물, 예를 들면..토마토는 94퍼센트, 육류는 50-70퍼센트, 빵은 35퍼센트가 물이라고 할 수 있다.. 게다가, 거기에 관련되는 성질로서 물의 (증발)잠열이 큰 것이 인체를 높은 온도로부터 지키는 데에 도움된다는 사실이다. 땀의 형태로 나오는 물은 같은 무게의 알콜에 비해 증발과정에서 약 3배의 열을 빼앗는다. 거기에 더하여 물은 인체 내부의 화학작용을.. 인체에 주어지는 압력과 산성과 화학적 구성 등의 격심한 변동에서 지켜주고 있다. 물은 그 자체가 인체의 여러가지 생리작용을 조정하는 귀중한 안정제이다. 동시에 물 자체의 양과 용해물질의 농도의 균형도 조정하지 않으면 안된다. 인체의 물의 균형엔 대단한 정확성이 요구된다. 평상시에 비교하여 1-2퍼센트의 변화가 있어도 몸은 순식간에 갈증과 고통을 느끼게 된다.
그것은 신장의 활동을 조정하며, 인후 뒤쪽의 신경을 자극하는 홀몬에 지령을 내려 신체내 수분의 균형도 유지하고 있다. 진정한 갈증은 주로 여기서 느낀다. 따라서 물이 부족하여 죽을 듯한 사람일지라도 그 인후가 젖어 있기만 하면 갈증은 느끼지 않는다.
물은 너무 많아도 너무 적어도 생명에 위험을 초래한다. 인간은 보통 체액의 5퍼센트 정도만 잃어도 피부가 수축하고, 입과 혀가 마르고, 때로는 환각증상을 나타내는 수도 있다. 반대로 너무 물을 많이 섭취해도 구토증과 쇠약의 원인이 된다.
또 한꺼번에 대량의 물을 마시면 정신착란이 되고, 방향감각이 없어 질 수 있으며 공포심에 엄습당하고, 경련을 일으키고, 흥분상태가 되고, 결국에는 죽을 수도 있다. "미개종족" 중에는 그것을 이용하여 고문기술에 이용하는 일도 있다.
또 예컨대 바닷물을 마셨을 때처럼 염분을 너무 많이 섭취하면 세포는 바싹 말라 오그라들어 극히 고통스럽게 죽을 수도 있어 바다에서의 조난중 바닷물을 마시지 말라는 것이다.
그러나, 아무리 수분을 발산하지 않는 사람이라도 1일당 약 1.9리터의 최저한에 못미치는 일은 좀처럼 없다. 인간은 살아가기 위해 이 일정량의 물의 손실을 1일 평균 2.4-2.8리터라는 너무 많지도 적지도 않은 물을 섭취하여 보충함으로서 균형을 취하고 있다. 인간은 물 속에서는 살 수 없으나, 물 없이는 살 수 없는 것이다.
적절한 물의 공급이라는 것은 우리들 인간에겐 사활의 문제이다. 인간은 몸속의 물의 불과 15퍼센트만 잃어도 순식간에 죽음에 이르고 말며, 실제로 모든 생물은 체중의 50퍼센트 이상을 물에 의존하고 있다. 인체속의 수분은 평균 65퍼센트이며, 여위사람이라면 70퍼센트에 이르고, 여성은 지방이 많아서 52퍼센트쯤 된다.
만일 근육에 충분한 수분 공급이 제한된다면 국소적 마비(다리의 쥐오름)를 초래 할 수 있으며, 물이 없다면 우리들은 눈깜빡 한번도 제대로 할 수 없으리라.
생화학자는 인체의 0.9퍼센트의 염분 농도는, 지구상에 최초의 생물이 등장한 30억년전의 바다의 염분농도와 같다고 생각하고 있다. 극히 상징적인 일이지만 인간은 태고적의 조상들이 살던 원시해양의 물을 지금도 그대로 자신들의 체내에 유지하면서 살고 있다고 말할 수 있는 것이다. 따라서, 대량의 바닷물을 마시면 여분의 염분을 배출하려고 하므로 소변등을 통한 체내배출이 빈번해 지며 결국은 탈수상태에 빠져들 수 있다.
물의 다른 용도
물만큼 흔한 것도 없다.
또 지구의 내부에도, 흙이나 암석에 스며들어 있거나 지하수의 상태로 있는 것이 약 840만입방킬로미터나 되며, 대기중에도 주로 수증기의 상태로 약 1만 3천입방킬로미터가 존재한다. 이 방대한 물의 잠재량은 지구가 탄생할 때부터 존재하고 있었던 것이고, 창세기의 바다속에 이미 생명의 싹이 트고 있었다고 대다수의 과학자들은 믿고 있다.
그 생명을 지탱해온 것은 물이다. 사실 극히 단순한 생물은 공기없어도 살 수 있으나, 어떤 생물도 물 없이는 살 수 없다. 물은 인류에게 위대한 문명을 가져다 주었으나, 때로는 그 문명을 파괴하는 요인이 되기도 했다. 물은 가장 큰 자연력의 하나로서, 수억년에 걸쳐 지구의 외관을 변형시켜왔다.
빙하가 되어 이동하고, 지표를 깎고, 광대한 움푹 팬 땅과 호수를 도려내고, 강의 흐름을 바꾸고, 토사와 암석을 놀랄만큼 멀리까지 운반하기도 한다.
또 큰 비와 하천의 범람으로 산을 깎고, 깊은 골짜기와 험한 협곡을 만들고, 견고한 바위마저 마멸시킨다. 나아가 되풀이하여 기슭을 치는 파도는 끊임없이 해안선을 침식하고, 섬과 대륙의 윤곽을 바꾸고 있다.
즉 매우 안정된 화합물이며, 훌륭한 용매 이며, 화학 에너지의 강력한 원천이다. 대부분의 유기물과는 서로 멀리 하나, 물끼리는 물론 대부분의 무기물과는 끌어 당긴다.
실제로 물의 분자는 금속류의 분자보다도 단단히 결합한다. 다른 대부분의 물질은 얼어 고체가 되면 수축하는데, 물은 얼어 고체가 되면 팽창 하여 무거운 액체위에 떠오른다. 또 물은 보통의 물질에 비하면 열을 많이 흡수하기도 하고 방출하기도 한다.
빙점과 비등점에서 보여주는 것과 같은 물리적인 또는 화학적인 특성에서 알 수 있듯이, 물은 이단적인 물질이요, 예외적인 존재라고 말할 수 있다.
물이 얼마나 색다른 물질인가는 그 분자구조에서 알 수 있다. 물을 형성하는 수소원자 2개와 산소원자 1개의 결합은 놀랄 만큼 견고한 분자를 이룬다.
수소원자와 산소원자는 좀체 떨어지려고 하지 않고 또 떨어져 있어도 용이하게 결합한다.
예컨대 작은 자극이라도 두 원자는 결합한다. 마스크를 흐리게 하는 수증기는 수소원자가 공기중의 산소원자와 결합 한 결과이다. 또 인간의 체내에서도 신진대사 과정에서 1주일에 약 1.9리터의 물이 합성되고 있다. 물의 분해에는 방대한 량의 에너지가 흡수되는데, 물이 형성될 때에는 같은 양의 에너지가 방출된다.
순수한 수소 약 0.5킬로그램과 순수한 산소 약 4킬로그램으로 물이 약 4.5킬로그램 만들어 질땐 60와트의 전구를 325시간 켜기에 충분한 에너지를 만들어 낸다. 이와 같이 수소와 산소의 반응은 효과적인 에너지원이 되므로 우주선 제미니 5호의 발사때에는 처음 연료로 사용되었다.
물은 증기상태일때의 잠열 또는 응결때의 잠열은 다른 거의 모든 물질에 비교하여 매우 크다. 비등하는 뜨거운 물을 수증기로 바꾸는 데에는 동결하는 얼음을 비등시키는데 필요한 열의 5배 이상을 사용하지 않으면 안된다. 그리고 응결하는 수증기가 액체의 상태로 변할때에는 꼭 동량의 열을 방출한다.
NAUI Course Director NAUI Nitrox diving Instructor ASHI CPR Instructor 김승규
팀 드레이크/team DRAKE |
물의 생성기원
