물의 특성과 다양한 기능을 살펴보면

<나무 꼭대기까지 물은 어떻게 올라가나>

세상에서 가장 큰 나무는 미국 캘리포니아주 북서부의 레드우드 국립공원에 있는 하이페리온이라는 이름을 가진 레드우드(미국산 삼나무)이다. 나무 높이는 120미터로 40층 건물 높이다. 나무가 높이 자라는 이유는 광합성에 필요한 햇빛을 잘 받기 위해서다. 그런데 나무 위에까지 물을 올리기 위한 전달원리는 아직 밝혀지지 않았다. 뿌리에서 밀어 올리는 뿌리압, 나뭇잎에서 끌어당기는 힘, 그리고 줄기에서 물관을 타고 물이 올라가는 모세관 현상 등이 복합적으로 작용해 나무 꼭대기까지 물이 전해진다고 보는 것이 일반적인 학설이다. 먼저 땅 속에 있는 물을 뿌리로 빨아들이는 삼투현상이 있다. 그리고 뿌리압으로 물을 밀어 올리는 이 압력으로 물은 줄기를 타고 서서히 위쪽으로 이동하는 셈이다. 나무의 뿌리압은 수종과 계절에 따라 달라지지만 보통 몇 미터 높이까지 물을 밀어 올릴 수 있다. 또한 나무 꼭대기에서 물을 끌어당기는 힘도 있는데 이는 흡인력이다. 광합성을 통해 나뭇잎 기공에서 수증기를 내보내면 물을 공급하는 물관 내부는 압력이 낮아지고 물관 내부의 낮아진 압력은 아래쪽에 있는 물을 끌어 올리게 된다. 마치 빨대로 물을 빨아올리는 원리이다. 이외에 물이 나무줄기에 있는 물관을 타고 위로 올라가는 모세관 현상이다. 물은 다른 물질에 달라붙는 부착력과 같은 물 분자끼리 잡아당기는 응집력이 매우 강한 물질이다. 선두에 있는 물 분자가 부착력을 발휘해 물관을 타고 올라가기 시작하면 나머지 물 분자들이 응집력을 이용해 선두를 따라가는 방식이다. 그러나 이처럼 뿌리압과 흡인력 그리고 모세관현상으로 한다고 해도 120미터까지 올라가는 현상을 설명하기에는 아직 부족하다고 보고 있다

 

북극

남극과 북극

<북극곰과 펭귄 누가 추위를 덜 탈까>

지구에서 가장 추운 곳은 남극과 북극이다. 이런 혹독한 추위에서도 살아가도록 진화한 동물이 있다. 북극은 북극곰과 남극의 펭귄이 대표적이다. 지구상에서 가장 추위를 안 타는 동물인 것이다. 남극의 평균기온은 영하 55도 정도이고 북극은 영하 40도로 남극이 북극에 비해 15도 이상 더 춥다. 이런 차이는 지형적인 특성 때문이다. 남극과 북극은 모두 얼음으로 뒤덮여 비슷해 보이지만 남극은 땅 위에 얼음덩어리가 있는 대륙이고 북극은 물 위에 얼음덩어리가 떠 있는 바다이다. 주변의 바다로 둘러싸인 북극은 물에 의한 온도 조절이 쉽기 때문에 남극에 비해 덜 춥다. 따라서 추운 곳에서 오래 버티기 시합을 하면 펭귄이 북극곰보다 한 수 위인 셈이다. 물이 북극의 온도조절 기능을 할 수 있는 것은 물의 온도를 올리거나 내리기가 쉽지 않기 때문이다. 물은 지구에 있는 액체 중 가장 데우기 어려운 물질이다. 물질에 열이 가해질 때 온도가 올라가는 정도를 비열이라고 한다. 비열이 가장 큰 것은 물이다. 알코올이 0.58이고 유리 0.2, 철 0.1 납 0.03 등이다. 같은 양의 열을 가하면 비열이 작은 물질이 빨리 뜨거워진다. 따라서 우리 몸과 지구의 온도조절 기능을 한다. 지구는 영상 60도와 영하 60도로 유지된다. 달은 물이 거의 없어 최저온도가 영상 130도이고 영하는 180도를 나타낸다. 비열은 바람을 불게 하는 원리이기도 하다. 여름철 해변에서 시원한 해풍이 불어오는 것도 물과 모래의 비열 차이 때문인데 모래의 비열은 0.2정도로 물의 1/5수준에 불과하다. 따라서 더운 낮에는 비율이 작은 육지가 더 더워져 지표면의 더워진 공기는 가벼워져 위로 올라가고 이 빈자리는 바다에 있는 공기가 이동해 채워준다. 이 공기 이동이 바다에서 육지로 부는 해풍이 되고 반대로 밤에는 육지가 금새 식어 육풍이 분다

 

<물도 표면 장력인 껍질이 있다>

물 분자가 서로 끌어당기는 이 힘은 표면을 당기고 수축시키는 힘이라는 의미로 표면장력이다. 물표면은 표면장력에 의해 당겨지고 수축되어 탱탱해지기 때문에 우리 눈에는 마치 물 표면이 막으로 둘러싸였거나 투명한 껍질을 가진 것처럼 보이기도 한다. 작은 곤충에는 치명적인 위협이 된다. 실제로 개미크기의 작은 곤충이 물방울에 갇히면 표면장력을 이기고 물 밖으로 나올 수 없어 죽는다. 표면장력이 가장 큰 물질은 수은인데 물보다 6.7배나 크다. 바닥에 떨어지면 물처럼 흩어지지 않고 마치 구슬처럼 굴러다닌다. 수은은 액체 형태를 갖지만 금속으로 분류되기 때문에 수은을 제외하면 물은 지구상에 존재하는 물질 중 가장 큰 표면 장력을 가진다. 물은 표면을 당기고 수축시키는 표면장력 때문에 물방울은 잘 퍼지지 않고 동그랗게 뭉치는 경향이 있다. 그래서 이슬과 빗방울이 둥근 모양을 갖는다. 또한 물은 기름과 섞이지 않는 것도 표면장력 때문이다. 물 분자끼리 끌어당기는 힘이 강하기 때문에 기름이 물 속으로 들어가지 못해 물과 기름은 섞이지 않는다. 따라서 물을 이용해 때를 씻어내기가 힘들다. 때는 주로 기름 성분으로 구성되어 있기 때문이다. 여기에 세제와 비누는 물의 표면장력을 약하게 해 물과 기름의 경계면이 서로 섞이도록 활성화해 주는 역할을 한다. 세제와 비누를 계면활성제라고 부른다. 물의 모세관 현상도 물끼리 끌어당기는 표면장력과 관련이 있다. 그리고 조약돌을 던제 물수제비를 하고 소금쟁이가 물 위를 걸어갈 수 있다. 사람도 넓은 발바닥과 빠른 다리가 있다면 물을 건너갈 수 있다고 보고 있다 아마 우사인 볼트보다 4.6배는 빨라야 한다

 

< 인간이 지구에 살 수 있게 터전을 마련한 남조류는 무엇인가 >

녹조를 일으키는 것은 녹조류가 아닌 남조류로 녹조류에 비해 약간 남색을 띤다. 녹조류와 남조류 등을 우리는 조류 또는 식물플랑크톤이라고 부르는데 물 속에 떠다니는 식물이다 남조류는 생물학적 분류 체계로 보면 식물로 진화하지 못한 세균이다. 남조류 대신 남세균이라고도 한다. 남조류는 지금으로부터 34억년 전에 출현한 것으로 추정되는데 지구 나이를 46억년이라 볼 때 가장 오래되었다고 할 수 있다. 남조류는 가장 먼저 출현하였지만 진화를 하지 못한 것이 아닌 진화하지 않았고 다른 조류에 비해 하등생물이지만 수십억년 동안 지구에서 여름에 녹조로서 최고의 전성기를 누리고 있다. 남조류는 식물과 마찬가지로 비슷한 성장과정을 가진다. 햇빛과 영양분이 충분하고 온도가 따뜻하면 잘 자란다. 독성물질을 배출해 다른 경쟁자들의 성장을 방해하기도 한다. 그리고 남조류는 군체라고 무리를 형성해 개체의 크기를 키워 포식자가 잡아먹기 어렵게 한다. 남조류는 물고기의 부레와 같은 공기주머니가 있어서 항상 수면에 떠 있을 수 있기 때문에 광합성에 절대적인 햇빛을 많이 얻는다. 그런데 물 속의 조류나 물고기 등이 산소 공급을 받지 못해 생태계에 위험을 초래한다. 그러나 과거 30억년 전쯤에는 지구의 대기에는 0.0001%미만의 산소만 존재했다. 극미량의 존재했던 산소가 지금의 20% 수준으로 늘어날 수 있었던 것은 바로 원시 지구 해양에 존재했던 원시 미생물 덕분이다. 특히 남조류는 광합성을 통해 산소와 유기물을 만들어냄으로써 인간을 포함한 산소호흡을 하는 다양한 고등 생물이 살아가는 터전을 마련했다

 

< 장마와 달리 태풍은 에너지와 물질을 수송하는 작전이라는데 >

태풍은 여름 이전에 쏟아지는 장마와는 다르다. 태풍은 장마에 비해 쏟아지는 비의 양도 많고 바람도 거세다. 또한 장마와 구름 모양도 다르다. 커다란 눈과 나선형 몸통, 그리고 부메랑 모양으로 이동하는 모습을 보면 태풍은 그리스 신화에 나오는 외눈박이 거인 키클롭스를 연상시킨다. 그것은 닥치는 대로 사람을 잡아먹는 잔인한 외눈박이 괴물이다. 인도양에서 발생하는 태풍인 사이클론의 어원이 여기에서 유래했다. 태풍은 열대성저기압으로 서태평양 근처에서 발생하는 태풍, 북대서양 근처에서 생기는 허리케인, 인도양 근처에서 나타나면 사이클론이다. 한편 장마는 북태평양 근처에서 발달한 덥고 습한 고기압과 북쪽의 오호츠크해 근처에서 생긴 차고 습한 공기가 우리나라 근처에서 만나 장마전선을 형성하면서 많은 비를 내리는 현상을 말한다. 찬공기와 따뜻한 공기가 만나면서 힘겨루기를 하면서 오르락내리락하기 때문에 장마는 한달 이상 지속되는 경우도 있다. 장마는 태풍과 달리 강한 바람을 동반하지는 않는다. 그러나 태풍은 장마와 달리 바람을 타고 이동하며 지구 자전의 영향을 받아 나선형 생김새와 부메랑 형태의 복잡한 이동 경로가 만들어진다.

 

열대성저기압 태풍은 기압이 낮으면 주변에 있는 공기가 몰려든다. 마치 수압이 낮은 곳으로 물이 흘러드는 것과 같은 이치다. 바다에서 수증기를 만히 공급받을수록 공기가 상승하는 힘이 강해지고 바람도 세지기 때문에 태풍의 위력도 강해진다. 바람은 태풍 중심부로 직선으로 붙지 않고 지구 자전의 영향을 받아 나선형 모양으로 휘어진다. 이힘을 전향력이라는데 지구 북반구에서 움직이는 물체는 당초 진행 방향보다 약간 오른쪽으로 휘게 된다는 한다 태풍은 전체적인 바람 방향은 반시계 방향이 된다. 태풍 위력이 강해져 회전속도가 빨라지면 원심력에 의해 태풍의 중심에는 구름이 없는 빈 공간이 생기는데 이곳이 바로 태풍의 눈이다. 또한 태풍은 부메랑처럼 이동한다. 위도 5-25도 근처에서 만들어진 태풍은 서쪽으로 부는 무역풍을 타고 북서쪽으로 이동한다. 무역풍을 타고 북서쪽으로 이동하던 태풍은 위도 30도를 넘으면서 동쪽으로 부는 편서풍을 만나고 이때부터 태풍을 방향을 바꿔 북동쪽으로 이동하기 시작한다. 위도 34-38도에 걸쳐 있는 우리나라를 지나는 태풍의 경로가 항상 북동쪽을 향하는 이유다. 태풍은 저위도에서 고위도로 이동한다. 이는 열대지방을 비롯해 저위도에 축적된 에너지를 고위도로 운반함으로써 지구 전체의 에너지 순환을 가능하게 한다. 그뿐만 아니라 바다에 있는 물을 육지로 옮겨주는 역할도 한다 지구 차원에서는 태풍은 에너지와 물질을 지구에 골고루 운반하기 위한 대규모 수송작전이라고 할 수 있다