기적의 행성이라 불리는 지구

 

 

① 지구에는 액체의 물이 존재한다.

 

지구상의 생명체는 물을 필요로 합니다. 따라서 물이 안정적으로 공급되어야 하는 것은 물론이고, 물은 지구 생명체의 60~70%를 구성하는 물질인 것 입니다.

 

물의 경우 다른 물질에 비해 비교적 액체 상태로 존재할 수 있는 폭이 넓습니다. 만약 생명이 물이 아닌 약간의 온도 변화로 곧바로 얼거나 증발하는 물질을 사용했더라면 생명의 활동 가능 온도 조건은 더욱 까다로웠을 것 입니다.

 

특히 물의 경우 수소와 산소로 구성되는데, 이는 우주에서 가장 많은 원소들이라는 점에서 물의 뛰어난 특징이며, 물이 없다면 세포막을 유지할 수 없습니다. 물의 극(極)성이라고 불리는 성질 때문에 세포막을 유지할 수 있습니다.

 

또 물에 생명에 필요한 물질이 녹아 들어가기에 모든 생명 활동은 물 속에서 이루어진다고 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

② 태양과의 절묘한 거리에 위치하고 있다.

 

액체 상태의 물이 존재하려면 표면온도가 0℃에서 섭씨 374℃ 정도여야 하는데, (100℃를 넘어도 압력이 높으면 물은 액체 상태로 존재한다.) 374℃는 물의 임계 온도로 이 온도 이상 올라가면 액체 상태의 물은 존재할 수 없습니다.

 

이 요소를 결정하는 것은 태양과 지구와의 거리이며, 태양과의 거리가 너무 가까우면 수성이나 금성처럼 물은 모두 증발하게 되어 우주로 날아가게 됩니다. 반대로 지나치게 멀면 물은 얼음으로 얼어버리게 됩니다.

 

단, 지구의 표면은 온도는 태양과의 거리로만 정해지는 것이 아니라 구름과 빙하의 양으로도 결정되고, 구름과 빙하가 많아지면 흰 부분이 늘어나므로 반사율이 증가하고 태양빛이 반사되어 지구 표면은 추워지게 됩니다.

 

대기 역시 표면 온도에 영향을 끼치는 요소인데, 대기가 없다면 지구 표면은 -18℃로 예측됩니다.

 

 

 

 

③ 암석형 행성이어야 물이 존재한다.

 

행성에서 액체의 물이 존재하기 위해서는 암석형 행성이어야 합니다. 태양계에서는 수성, 금성, 지구, 화성이 해당됩니다. 반면 목성과 토성, 천왕성, 해왕성은 거대 가스 행성입니다.

 

일단 암석형 행성에는 지구처럼 비를 받아서 막는 대지가 있기에 표면에 물이 고일 수 있습니다. 하지만, 거대 가스 행성에서는 대부분이 수소와 헬륨으로 구성되며 액체 상태의 물이 존재하다고 해도 대기의 극히 일부입니다.

 

상층은 지나치게 춥고, 하층은 지나치게 뜨거우며, 물의 비가 내려도 극히 일부에서만 존재하게 됩니다. 물을 받아서 가둘 표면이 없기에 대기 속에서 다시 증발하는 것입니다. 이러한 상태에서는 생명을 키우기에는 안정된 상태가 아닌 것입니다.

 

 

 

 

④ 지구는 행성으로서의 크기가 적당하다.

 

화성은 생명 존재 가능 영역인데도, 표면에 액체 상태의 물이 존재하지 않습니다. 그 이유는 화성의 대기가 엷기 때문입니다.

 

화성의 대기가 희박한 것은 행성으로서의 크기가 작기 때문입니다. 화성의 반지름은 지구 반지름의 절반 수준입니다.

 

큰 행성일 수록 중력이 강해 우주로 도망가려는 대기를 붙잡아 둘 수 있습니다. 중력이 약하면(크기가 작은 행성) 충분한 대기의 양을 잡아 둘 수 없습니다.

 

실제 화성의 표면 중력은 지구의 40% 정도이며 대기압은 지구의 1%이하입니다. 대기압이 낮은 행성에서는 액체의 물은 모두 증발됩니다. 지구 역시 화성과 같은 크기 였으면 표면에서 물이 증발되었을 것이라는 연구가 있습니다

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물의 경우 증발되며 수증기가 되는데, 태양으로부터 자외선을 받으면 산소와 수소로 분해되며, 수소가 가볍기 때문에 우주로 날아간다. 그 결과 물이 존재하기 힘든 환경이 되게 됩니다

 

 

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⑤ 태양의 수명이 지나치게 짧지 않다.

 

행성의 수명은 항성의 수명으로 결정됩니다. 행성은 항성의 죽음에 말려서 소멸되든가, 아니면 운 좋게 소멸을 면했더라도 얼어붙게 됩니다. 

 

결국 행성에서 생명이 존재할 수 있는 기간은 항성이 최후를 맞을 때까지의 기간에 한정됩니다.

 

태양은 이미 탄생으로부터 약 50억 년 정도가 지났고, 태양의 경우 지금으로부터 약 50억년 후까지 안정적으로 빛나게 됩니다.

 

태양보다 8배 정도 무거운 항성의 경우, 초신성 폭발을 일으키는데 이와 같은 별은 수명이 수백만 ~ 수천만 정도이며, 태양보다 질량이 2배 정도인 별은 수명이 10억년 정도이지만, 고도의 지능 생명체가 출현하기에는 너무 짧은 시간입니다.

 

반면 태양보다 작은 적색 왜성(우주의 항성의 80%~90%가 이에 해당된다. 태양은 우주에서 보기 힘든 비교적 큰 주계열성이다.)이 경우 생존 기간이 수천억년에 달할 것으로 알려져 있지만, 방출하는 빛이 대부분 적외선이기에 최소한 지구의 식물(식물의 경우 가시광선으로 광합성을 한다.)과 동물에는 살 수없는 환경일 것입니다.

 

 

 

 

⑥ 태양계의 경우 행성의 공전궤도가 매우 안정되어 있다.

 

행성의 존속 조건 중 하나는 행성의 공전 궤도가 안정적이어야 한다는 점입니다. 태양계의 경우 거의 모든 행성이 원모양에 가깝게 공전하고 있고, 이는 매우 안정적은 상태인 것입니다.

 

반면 태양계가 아닌 외부 행성 중 상당수는 타원형 궤도 등 공전궤도가 매우 불안정한 것이 많습니다. 특히 이들 중에는 거대 가스 행성들도 많습니다.

 

행성의 중력에 가장 많은 영향력을 미치는 것은 항성이지만, 행성 간의 서로 중력을 미미하게 미치게 되는데, 이로 인해 행성 궤도가 교란되게 됩니다. 태양계의 경우 태양이 흑색왜성이 되어 있을 1조년 뒤에야 행성 궤도가 교란될 것으로 보입니다.

 

거대한 행성은 교란시키는 효과가 큰데, 컴퓨터 시뮬레이션에 의하면 거대한 행성이 2개까지 있는 경우 궤도는 크게 교란되지 않습니다.(태양계에서는 목성과 토성 정도가 해당된다.) 만약 천왕성이나 해왕성이 목성이나 토성 정도의 크기로 더 컸다면 태양계의 공전 궤도가 크게 교란되었을 가능성 높습니다. 이 경우 지구는 존재하기 힘들다고 합니다.

 

목성 크기의 2배 정도의 행성이 3개 존재한다면 행성 궤도는 1000만년 정도에 크게 교란되어 지구는 태양계 밖으로 튕겨져 나가고, 거대 행성 1개 역시 태양계 밖으로 튕겨져 나가게 됩니다.

 

 

 

 

⑦ 지구의 경우, 바다의 크기가 적당하다.

 

물은 생명 활동을 지탱할 줄 뿐만 아니라 물 그자체도 지구의 환경을 조절하는 역할을 담당합니다. 물의 경우 비열이 크기에 암석에 비해 잘 데워지지 않고, 잘 식지도 않습니다.(물의 비열은 1이라고 가정하면 암석은 0.2~0.3 정도이다.)  그래서 해안 지방이 내륙 지방보다 기온 변화가 적은 것입니다.

 

특히 바다는 "해류"를 통해 열을 운반하는 역할을 담당하고, 해류 덕택에 지구는 고위도와 저위도 간의 기온 차가 비교적 적습니다. 바다가 크기 작아 서로 떨어져 있었다면 해류가 그 역할을 담당하지 못해 생명체가 존재해도 지금처럼 살기 좋은 환경은 아닐 것입니다.

 

 

 

 

⑧ 지구의 자전 주기는 적당하다.

 

지구는 약 24시간에 1회 자전운동을 합니다. 24시간이라는 시간은 필연성이 없습니다. 왜냐하면 다른 행성들도 자전을 하는데, 금성의 경우 지구 시간으로 약 243일에 1회 자전을 합니다.

 

만약 지구의 자전 속도가 느려 1년에 한번 자전을 하게 되는 경우, 햇빛이 닿는 반구는 1년 언제나 빛이 존재하지만, 그 반대 쪽은 계속 1년 내내 어둠입니다. 이로 인해 반대쪽으로 빙하로 얼어붙고 빛의 반구는 사막화 됩니다.

 

 

 

 

⑨ 지구의 경우 자전축의 기울기가 적당하다. 달이 존재해 자전축의 변화가 적다.

 

지구에는 계절이 존재합니다. 계절이 변화는 자전축의 기울기로 결정되는데, 자전축이 공전면에 대해 수직으로 서 있게 되면 계절은 존재하지 않습니다. 반면 옆으로 누워 있는 경우 계절의 변화가 심해집니다.

 

이는 지구의 자전축이 23.4º 기울어 있는데, 이로 인해 북반구와 남반구 각 지점에서 태양의 고도가 높아지는 시기(여름)이 존재하게 됩니다.

 

단 자전축의 기울기 역시 개연성이 없습니다. 천왕성의 경우 자전축이 98º로 기울어져 있는데, 거의 옆으로 누워서 태양 주위를 공전합니다.

 

지구의 자전축은 23.4º로 일정하지 않습니다. 엄밀히 말하자면 23.4±1º정도입니다. 이렇게 기울기가 변하는 것은 행성 자체가 팽이처럼 축이 움직이는 운동을 하는 것과 다른 행성 간의 중력이 합쳐지기 때문입니다.

 

화성의 경우 현재 25.4º 정도 기울어져 있지만, 역사적으로 볼때 기울기의 변화가 10~60º 정도로 매우 변화가 심하다는 사실입니다. 이는 화성의 지형을 통해서도 알 수가 있습니다. 과거 화성에 대량의 물이 흘러 생긴 지형을 찾아 볼 수 있는데, 이는 자전축의 변화 때문인것으로 알려져 있습니다.

 

지구의 경우 화성과 달리 자전축이 안정적으로 유지되는 이유는 달 때문입니다. 달의 경우 모 행성의 크기에 비해 비정상적으로 크고, 달의 반지름은 지구 반지름의 27% 정도이며, 태양계의 다른 행성과 비교해 보면 모행성에 대한 비율이 매우 크다고 볼 수 있습니다.

 

지구의 경우 달과의 조석력을 통해 지구 자신의 '팽이의 축 운동"과 다른 천체의 중력 영향이 합쳐지지 않습니다.(공명하지 않는다.)

 

결과적으로 이로 인해 자전축이 안정적으로 유지되게 됩니다. 화성의 경우 위성 2개가 있지만, 자전축을 안정 시키기에는 너무 크기가 작습니다.

 

 

 

 

⑩ 지구는 이산화탄소의 양이 적당하다.

 

금성은 대기압이 약 90기압입니다. 지구의 약 90배나 되는 매우 진한 대기이며, 그 성분은 대부분 이산화탄소로 구성됩니다. 이산화탄소는 매우 강한 온실가스인데, 행성의 기온은 이산화탄소의 농도에 따라 크게 좌우되게 됩니다.

 

지구 역시 탄생 초기에는 금성과 다를 것이 없었습니다. 그러나 현재 지구의 기압은 1기압이며, 그 중 이산화탄소는 0.04%를 구성합니다.

 

그 많은 이산화탄소가 지구에서 사라질 수 있었던 이유는 바다에 원인이 있습니다. 지구가 탄생하는 과정에서, 약 수백 기압이나 되는 수증기·수소·일산화탄소·이산화탄소의 대기가 만들어졌는데, 수소는 우주로 달아나고, 일산화탄소는 이산화탄소로 변하게 됩니다.

 

대기가 식어 수증기가 대량의 비가 되어 바다가 만들어짐으로서 대량의 이산화탄소가 바다 속으로 흡수되며, 흡수된 이산화탄소는 화학반응을 통해 탄산칼슘으로 침전되게 됩니다. 이 때 기압이 10기압 정도입니다.

 

그 후 이산화탄소는 빗물에 녹아 탄산이 되어 육지를 녹이게 되고, 이 때 나온 칼슘 이온과 결합해 탄산칼슘으로 해저에 침전됨으로써 서서히 대기에서 사라져갑니다.

 

단, 약 27억년~약 25억 년 전까지 육지는 거의 존재하지 않았는데, 이산화탄소가 거의 제거되는 시점부터 육지는 성장하기 시작하여 현재의 대륙이 되었습니다. 이산화탄소가 사라지지 않았다면 지구 역시 금성처럼 작열 행성이 되었을 가능성이 높습니다.

 

 

 

 

⑪ 판의 운동이 없었다면 지구는 화성처럼 얼어붙는다.

 

지구의 기온은 액체의 물이 존재할 수 있을 정도로 유지되고 있습니다. 이는 지구가 기온을 결정하는 이산화탄소의 농도를 자동적으로 조절하기 때문입니다다.

 

이산화탄소는 물에 잘 녹는데, 이산화탄소가 녹아든 물은 지각을 조금씩 녹여 칼슘 등의 물질을 바다로 운반합니다. 녹은 이산화탄소는 칼슘과 결합하여 탄산칼슘이 되어 해저에 침전합니다.

 

이는 대기중의 이산화탄소를 제거하는 역할을 합니다. 기온이 높으면 이와 같은 작용이 지각의 풍화가 더 많이 일어나게 되고, 풍화의 화학반응도 자주 발생됩니다. 반대로 기온이 낮은 상태에서는 이산화탄소가 제거되기 어려워진다. 일종의 에어컨이 작동하는 것입니다.

 

한편 판의 운동으로 일어난 화산활동으로 언제나 이산화탄소는 대기로 배출됩니다. 판의 활동으로 새로운 지각과 화산이 만들어지고, 화산에서 이산화탄소가 대기로 배출됩니다. 만약 판의 활동이 중단되어 이산화탄소의 공급이 끊어지면, 수십만 년내에 대기에서 이산화탄소가 제거되고, 지구 전체가 얼어붙는 눈덩이 상태가 됩니다.

 

단, 여기서의 지구 에어컨의 작용은 수십만 년이라는 시간 단위에서의 이야기입니다. 현재처럼 수백 년 사이의 갑작스런 이산화탄소 농도 상승을 없애기에는 힘들게 됩니다.

 

 

 

 

⑫  지구의 대기에는 많은 양의 산소가 존재한다.

 

지구는 태양계의 행성 중 산소의 비중 제일 높은 행성입니다. 산소는 지구 대기의 약 20%로, 금성이나 화성의 대기에는 거의 포함되어 있지 않습니다.

 

산소가 이렇게 많이 존재하는 것은 식물과 조류 등에 의한 광합성의 결과입니다. 산소를 만든 최초의 생물은 시아노박테리아라는 원시적인 세균 무리입니다. 지구는 약 22억년 전부터 대기에서 산소의 농도가 급격히 상승했습니다.

 

지구 대기에는 오존(오존은 산소원자 3개가 결합한 분자)층이 존재합니다. 대기 중의 산소분자가 자외선을 만나면 산소원자 각각으로 분리되고, 다른 산소분자와 결합하여 오존을 만들어내며, 오존은 자외선을 흡수하고, 스스로는 산소분자와 산소원자로 분해된다. 이로써 해로운 자외선이 지상에 도달하지 않게 됩니다.

 

22억년 전 자외선을 막아주는 오존층이 지표 부근에 생성된 것으로 보이며. 당시에는 산소의 농도가 낮았기 때문이다. 약 6억년 전에 산소 농도가 급상승했을 것으로 추정된다. 당시 눈덩이 지구 상태 직후에 산소 농도 급상승으로 오존층이 상공으로 진출하게 되고 자외선이 지표면에 도달하지 못하게 되었다. 그후 4억년 전에 척추동물이 육상 진출을 마쳤다.

 

 

 

 

⑬ 지구에는 자기장이 존재한다.

 

지구의 자기권은 치명적인 태양풍이 지구로 쏟아지는 것을 막아줍니다. 태양풍은 생명체에 해롭습니다. 그리고, 행성의 대기를 벗겨 내는 작용을 합니다. 만약 지구에 태양풍이 쏟아지면, 지구는 생명 활동을 할 수 없게 될 것입니다.

 

태양풍의 대부분은 전자를 잃은 수소원자(양성자)이며, +전기를 띠며, 전기를 띤 것이 자기장 속으로 나아가면 진로가 구부러지므로, 지구에 쏟아져야 할 태양풍의 대부분이 지구에서 뻗어나게 됩니다. 지구의 자기장은 액체 상태의 외핵에서 만들어지는데, 외핵에서 금속 물질이 회전함으로써 전류를 생산하기 때문입니다.

 

 

 어떤 연구 결과에 따르면, 원래 우리 은하에서 생명을 품은 행성이 존재할 확률은 수백억에서 수십억분의 1이라고 합니다.