지구의 대기 – 생명체를 위해 경이롭게 설계되었다. : 천문학-지구 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2024-07-14

지구의 대기 – 생명체를 위해 경이롭게 설계되었다.

(Earth’s atmosphere—wonderfully designed for life)

by Andrew Sibley

지구 대기(atmosphere)의 놀라운 특성에 대해 궁금해 본 적이 있는가? 대기는 우리에게 빛을 통과시켜 창조의 아름다움을 드러내 주는 것과 동시에, 숨을 쉴 수 있는 산소를 공급하고, 이산화탄소 형태의 식물 비료를 제공한다. 또한 온실효과를 일으키고, 태양의 유해한 자외선을 크게 감소시키는 보호막 역할을 하기도 한다. 요약하면, 생명체를 위해 경이롭게 설계된 것이다.

하늘과 무지개의 색깔

구름 한 점 없는 날의 맑은 하늘은 아름다운 푸른빛을 띠지만, 새벽이나 해가 지는 황혼에는 빨강, 주황, 분홍색으로 변하기도 한다(아래 '하늘의 색깔' 참조). 그리고 맑은 바다 위로 해가 질 때 자세히 보면, 원반이 완전히 사라지기 전에 녹색 섬광이 보일 수도 있다. 구름의 색깔도 빛의 반사와 산란에 따라 선명한 흰색부터 짙은 회색까지 다양하다.

그림 1. 이 현상은 (2020. 9. 6일, 독일(Großkrotzenburg)에서 촬영됨) 삽입 그림에 표시된 것처럼, 육각형 얼음 결정에 의해 빛이 22° 굴절되기 때문에, ‘22도 후광(22° halo)’이라고 불리는 것이다. <Prism: donalbein, Wikimedia CC | Halo: Patrick Looß, Wikimedia CC>

빗방울은 굴절(refraction), 반사(reflection), 분산(dispersion)을 통해, 빛을 무지개의 일곱 가지 색으로(실제로는 빛의 전체 스펙트럼이 존재하지만) 분리할 수 있다. 1차 무지개뿐만 아니라, 빗방울에 빛이 이중으로 반사되어 반전된 2차 무지개가 하늘에서 더 높게 보일 때도 있다.[1] 두 무지개 사이에는 알렉산더 밴드(Alexander band, AD 200년경에 처음 설명한 아프로디지아의 알렉산더의 이름을 따서)라고 불리는 한 어두운 띠(dark band)가 형성되어, 모든 반사된 빛이 관찰자로부터 먼 쪽으로 향할 수 있다(아래 '쌍무지개' 참조).

대기 중의 다른 광학 현상으로는 얇은 권운(cirrus clouds, 새털구름)의 육각형 얼음 결정으로 인해, 때때로 태양 주위에 후광(halo)이 형성되는 경우도 있다. (햇빛 또는 달빛은 얼음 결정에 의해 관측자 쪽으로 굴절되어, 태양 주위에 고리를 형성한다)(그림 1).

필터링에 의한 보호

지구 대기에서 볼 수 있는 경이로움과 아름다움을 당연하게 여기기 쉽지만, 우리가 보는 빛이 전자기 스펙트럼의 좁은 범위를 통해서 대기를 통과하여 우리에게 도달함으로서 일어나는 것이다. 태양은 스펙트럼의 자외선(ultra-violet, UV)과 가시광선 영역에서 가장 강력한 전자기 복사를 방출한다. 또한 대기는 대부분의 가시광선(400~750nm)을 통과시킨다. 덕분에 세상을 밝힐 수 있지만, 가시광선 스펙트럼 바로 바깥에 있는 더 고주파의 자외선은 걸러진다. 걸러진 방사선에는 매우 해로운 UV-C(100~280nm)와 대부분의 UV-B(280~315nm)가 포함되어 있으며, 과도한 노출은 일광 화상과 피부암을 유발한다(그림 2).

그림 2. 다양한 파장들에 대한 대기의 불투명도는 놀라운 대기가 어떻게 빛을 통과시키고, 유해한 방사선을 차단하며, 지구를 따뜻하게 하는 데 얼마나 놀라운 역할을 하는지를 보여준다. <Image: NASA; Mysid, Wikimedia / PD>

자외선의 투과율은 대기 중 높은 곳에 있는 오존층(ozone layer)에 의해 제한된다. 오존층은 지상 약 10km 상공에서 시작하여 약 40km 상공까지 이어지는 하늘 영역인 성층권(stratosphere) 내에 있다. 오존층 자체는 고도 약 15km에서 시작하여 약 30km까지 존재한다.[2, 3] 오존과 관련된 화학반응은 고에너지의 자외선이 바로 아래층인 대류권(지구의 가장 낮은 대기층)과 지상까지 더 깊이 도달하는 것을 방지한다. 그러나 에너지가 낮은 UV-A 광선(315~400nm)은 대부분 지상에 도달하여, 광합성과 식물 성장을 돕는다.[4] 지구 상공 60~200km의 훨씬 높은 곳에는 전리층(ionosphere)이 있어서, 태양 특히 태양 플레어(solar flares)와 깊은 우주에서 나오는 강력한 X-선을 걸러낸다.

그림 3. 아이슬란드 빅(Vik)에 있는 비쿠르키르캬 교회(Víkurkirkja church) 상공의 오로라(aurora, 북극광). <Photo: AstroAnthony, Wikimedia / CC BY 4.0>

또한 자기권(magnetosphere)은 태양에서 나오는 매우 높은 에너지 입자(주로 전자와 양성자)와 우주선으로부터 지구를 보호한다. 이러한 입자들은 자기장에 의해 포획되어, 극지방 사이에서 앞뒤로 튕겨지면서, 극지방에서 멋진 오로라(aurora)로 보여진다. (북반구에서 일어나는 경우 북극광(aurora borealis, or northern lights), 남반구에서 일어나는 경우 남극광(aurora australis, or southern lights)이라고 부른다.)

충분한 양의 UV-B가 대기층을 통과하면, 피부에서 비타민 D를 생성할 수 있다. 이 중요한 비타민은 기름진 생선이나 대구, 간유 보충제와 같은 음식을 통해서 얻을 수도 있지만, 주로 햇빛이 피부에 작용하여 생성된다.[6] 비타민 D는 뼈(bones)와 면역계의 건강에 필수적이지만, 고위도 지역에서는 겨울철에 태양이 너무 약하기 때문에, 햇빛이 부족할 때가 많다. 하지만 UV-A와 UV-B에 장시간 노출되면 피부가 손상되고 피부암으로 이어질 수 있으므로, 햇볕을 너무 많이 쬐거나 인공 선탠(artificial sunbeds) 아래에서 일광욕을 하는 것은 바람직하지 않다.[7]

자외선으로부터 피부를 보호하는 가장 큰 자연 보호막은 멜라닌(melanin)이라는 고분자로 이루어진 인체 자체의 자외선 차단제(sunscreen)이며, 그 양은 사람마다 다르다.[8] 멜라닌은 인간의 피부에 다양한 색조를 부여한다. 저위도(적도에 가까운)에 사는 사람들은 태양 광선으로부터 더 많은 보호가 필요하기 때문에, 멜라닌이 더 많아서 피부가 검은 경향이 있다. 반면 일조량이 적은 고위도에 사는 사람들은 뼈와 면역계를 건강하게 유지하기 위해 충분한 비타민 D를 생성해야 하므로, 역사적으로 북유럽 사람들은 멜라닌 색소가 적고, 피부색이 더 밝다.

온실효과와 식물 비료

지구는 태양에 의해서 따뜻해질 뿐만 아니라, 적외선(IR) 스펙트럼의 방사선을 우주로 방출한다. 그러나 이 적외선 중 상당 부분은 우주로 빠져나가기 전에 대기에 흡수된다. 대기는 가시광선보다 적외선 파장에서 더 불투명하다. 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)와 같은 미량 가스는 이러한 가두기 효과를 거의 모두 일으켜서, 지구를 따뜻하게 만들고, 생명체가 살아갈 수 있는 환경을 조성한다. 온실가스가 없다면, 지구의 온도는 현재 평균인 약 15°C보다 무려 33°C 더 낮아질 것이다![9] 그리고 수증기(water vapour)는 이러한 온난화 효과의 약 90%를 유발한다.

우리가 살고있는 이 세계는 얼마나 멋진가! 대기는 식물과 동물의 생명을 유지하도록 놀랍게도 설계되었으며, 유해한 방사능으로부터 인간을 보호하고 있다.

종종 대기 중 이산화탄소(carbon dioxide)는 기후 변화의 주범으로, 언론의 조명을 받곤 한다. 하지만 이산화탄소는 광합성 과정을 통해 식물에게 양분을 제공하는데 필수적이다. 실제로 대기 중 이산화탄소 농도가 증가함에 따라 식물의 생산성은 증가한다. 식물은 햇빛 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 당분과 기타 탄수화물로 전환하고, 부산물로 산소를 방출한다.

인간과 동물은 음식으로 식물을 섭취하고, 호흡을 위해 산소를 필요로 하며, 물과 이산화탄소를 부산물로 생성 배출하여, 그 반대의 과정을 거친다. 이 단순해 보이는 순환 과정은 모두 하나님의 지혜를 가리키는 증거로 놀라운 생명 설계의 일부인 것이다. 하지만 세부 사항을 살펴보면, 그 복잡성은 결코 단순하지 않다.

요약

우리가 살고있는 이 세계는 얼마나 멋진가! 대기는 식물과 동물의 생명을 유지하도록 놀랍게도 설계되었으며, 유해한 방사능으로부터 인간을 보호하고 있다. 또한 우리는 밤에 별을 볼 수 있으며, 아름다움으로 장식된 세상에 살고 있다. 이 모든 것은 하나님의 놀라운 설계를 통해 이루어졌다. 생명체에 필수적인 대기의 경이로움은 대기가 설계되었음을 가리킨다.

시편 19:1절의 말씀인 "하늘이 하나님의 영광을 선포하고 궁창이 그의 손으로 하신 일을 나타내는도다"라는 말씀처럼 말이다.

오 주 나의 하나님, 내가 놀라운 경이로움 안에 있을 때,

주의 손으로 만드신 모든 것들을 생각하게 하소서,

나는 별을 보고 강력한 천둥소리를 듣습니다.

온 우주에 주의 권능을 나타내셨습니다. [10]

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쌍 무지개

밝은 무지개에서 빛은 빗방울에 의해 한 번 더 반사된다. 더 높고 희미한 무지개의 빛은 빗방울에 의해 두 번째 반사된 것이다. 더 어두운 알렉산더 밴드(Alexander band, 사진 참조)에서는 빛이 관찰자로부터 멀리로 굴절된다.

<Photo: James Wheeler, Pixabay / CC0>

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하늘의 색깔

왜 하늘은 파란색일까? 빛의 파장보다 더 작은, 공기 중의 기체와 입자는 빛을 산란시킨다.(레일리 산란(Rayleigh scattering)이라고 함). 파장이 짧은 청색광은 파장이 긴 빛보다 더 많이 산란되므로, 더 많은 청색광이 관측자에게 도달한다.

<Image: Cmglee, Wikimedia / CC BY-SA 4.0>

황혼이 붉은 이유는 무엇인가? 일몰과 일출 시에는 빛이 훨씬 더 많은 대기를 통과해야 하므로, 사실상 모든 청색광이 관찰자로부터 산란되어, 노란색과 빨간색 빛이 더 많이 남게 되어 눈에 도달하기 때문이다.

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Posted on CMI homepage: 12 June 2023

References and notes

1. Explained in more detail: Sibley, A., Reclaiming the rainbow: the misappropriation of a religious symbol, creation.com/reclaiming-rainbow, 3 Nov 2022.

2. Ozone molecules are composed of three oxygen atoms. Ozone is a trace gas, making up just 0.00006% of the amosphere; see Ozone layer, education.nationalgeographic.org; acc. 21 Oct 2022.

3. US Environmental Protection Agency, Basic ozone layer science, epa.gov, acc. 23 Nov 2022.

4. Anon., Do your plants need UV light?, growace.com, acc. 5 Dec 2022.

5. Corrado J., The magnetosphere: an invisible force that makes life on earth possible, Creation 44(2):46–48, 2022; creation.com/magnetosphere-life-possible.

6. Specifically, this occurs through a photochemical reaction with a protein called 7-dehydrocholesterol (7-DHC), which forms vitamin D3 (cholecalciferol).

7. McNeill, A.M. & Wesner, E., Sun protection and Vitamin D, skincancer.org, 14 May 2018.

8. People with albinism (albinos), caused by a mutation, either have no melanin, or a greatly reduced amount, associated with pale skin, light blonde hair, and often poor eyesight.

9. NASA, What is the greenhouse effect? — Climate change: vital signs of the planet, climate.nasa.gov; accessed 21 Oct 2022.

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Further Reading

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*참조 : ▶ 특별한 지구

https://creation.kr/Topic302/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6724342&t=board

▶ 특별한 태양

https://creation.kr/Topic302/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6724391&t=board

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