잠 못 이루는 행성

잠 못 이루는 행성

어네스트 지브로스키 Jr. 지음/이전희 옮김

코기토/2002년 2월/416쪽/15,000원



1. 지각 위의 생명

우리가 사는 행성 지구의 지각은 끈적거리는 행성 내부 물질 위에 떠다니는 단단한 물질의 얇은 판에 불과하고, 지구의 어느 곳에서도 완전히 안정된 고체 표면은 없다. 지구의 회전에 따라 대기는 거대한 회오리와 소용돌이를 일으키면서 지구를 휘돌며 증발과 응결을 통하여 지구의 수증기를 재분배한다.

지구에는 인체의 살아있는 기관을 먹어치우는 데 대단한 식욕을 보이는 수많은 미생물들이 있다. 우주에서 지구의 궤도는 수천 개 소행성의 궤도를 가로지르고 그들 가운데 다수는 행성과 충돌했을 때 상당한 파괴를 일으킬 만한 크기다. 이러한 위협에도 인간이 살아남고 번영해 온 것은 거대한 재해들 사이의 평균기간과 인간 한 세대의 수명시간의 차이 덕분이라고 할 수 있다. 한 사람이 일생에 한 번 이상의 대재앙을 경험하기는 어렵다.

어떤 종이 살아남기 위해서는 성장하고 번식하고 세대교체를 할 확률이 어려서 죽을 확률보다 높아야 한다. 만일 인류의 수명이 1000년이고 성숙기까지 300년이 걸린다면 우리의 생체주기와 자연의 대재앙의 주기가 더 가까워져 인류는 한참 전에 멸종했을 것이다. 더 작은 생명체들이 더 짧은 번식주기를 갖는 이유는 이 때문이다. 그러나 만일 충분한 시간과 충분한 지리학적 공간, 충분한 인원이 주어지면 일어날 것 같지 않은 사건들도 발생 가능성이 커진다.



2. 과학의 진화

과학은 선사시대와 고대 문명의 미래를 예측하고 계획을 세우려는 사회적 요청으로 발전되어왔다. 고대 그리스에서 과학은 철학자들의 지적인 활동 영역이었다. 근대 과학을 낳은 대부분의 초기 과학은 성직자 계급을 통하여 독립적으로 제도화한 것으로 보인다. 탐구를 공식적으로 인정된 도그마로 바꿔놓음으로써 결국 실제로는 정체를 보증했다.

1700년대 계몽주의 시대에 들어서서야 사회 분위기가 과학적 탐구에 광범위한 관심을 갖기 시작했다. 19세기 중반에 이르기까지 자연철학과 자연사 연구의 발전으로 너무도 많은 가설, 이론 등이 만들어졌기 때문에 오늘날 자연철학과 자연사 분야는 너무 많은 분야로 분화되고 전문화되었다. 이는 현재 정립된 과학 분야의 경계를 넘나드는 주제를 연구하고 싶어하는 사람들에게 중대한 도전이 된다. 근대의 과학자들은 그들 자신의 문화적 분화를 극복해야 한다. 과학 분과 사이의 경계는 가장 큰 무지의 공백과 일치한다.

18～19세기 과학의 목적은 자연계의 사건이 누군가를 놀라게 할 가능성을 전적으로 제거하기 위함이었다. 과학자들은 성공적으로 자연의 주된 프로그램의 많은 부분들 - 전기와 자기, 파동, 열, 빛, 소, 원자들 간의 운동과 상호작용 등 - 을 성공적으로 기술할 수 있었다. 1890년대까지 활동 중인 과학자들의 세계관은 사실상 모두 결정론이었다. 과학이 더 발전되면 사람들은 더 이상 자연때문에 일어나는 어떤 종류의 불쾌한 놀라움도 겪지 않게 되고, 재해는 과학기술에 기반을 둔 예측과 대응으로 막을 수 있는 생각이 1890년대의 상황이었다. 바로 그때 방사능 발견이 이루어졌는데 이는 분명한 비결정론적 현상이었으며, 그 후 수십 년 동안 결과를 예측할 수 없었던 다른 여러 가지 기본적인 과정이 계속 발견되었다.

인간 수준의 시공간에서 자연은 때때로 결정론적으로 보일 수 있는데 이는 단지 많은 수의 각 입자들 간의 상호작용에 적용되는 평균법칙때문에 나타나는 현상이다. 우리가 예측할 수 있는 것은 통계적 확률뿐이다. 지금까지 쌓아온 증거로 자연의 결정론은 기껏해야 통계일 뿐이라는 점을 받아들일 수밖에 없도록 한 것이다. 여기서 중요한 점은 우리가 통계적 예측에 전념하기로 마음먹는다면 아직도 예측이 가능하다는 것이다.

오늘날 대부분의 과학자들은 절대적 또는 무조건적인 의미의 진리란 있을 수 없다는 데 동의하고 있다. 발전가능한 과학의 유일하게 옳은 전제는 그것이 임시적이며, 시공간에 제한된다는 것이다. 결과적으로 우리의 과학 발전과정에 대한 관점은 인간이 자연과 상호작용을 통하여 관측하고 경험하는 수천의 개별 사건들을 일반화하고, 그 다음에 비슷한 양식이 집단을 묶어서 더 일반적인 과학적 원리로 발전시킨다는 것이다.

사람들은 과학 이론을 증명할 수는 없다. 사람들이 확실하게 할 수 있는 것은 이를 반증하는 것뿐이다. 모든 과학 이론은 이를 반증할 수 있는 수단 내에서 구체화된다. 우리가 전 우주를 모든 기간 동안 관찰할 수는 없기 때문에 어떤 이론도 완전할 수 없으며, 어떤 이론도 절대적으로 진리일 수 없다. 자연재해와 관련하여 이러한 새로운 지식은 불완전함에도 불구하고 공공정책을 작성하는 데 이용되어 우리 행성에 아직 태어나지 않은 많은 사람들의 목숨을 구하는 데 사용될 법규와 방제계획을 만들어 내게 될 것이다.



3. 주택의 위험

1906년의 샌프란시스코와 1908년의 메시나는 파괴적인 지진을 경험했다. 지리적으로 유사한 지구물리학적 사건이며 재산상의 손실도 비슷했다. 그러나 인명의 손실은 엄청나게 달랐는데, 이는 건축물의 구조에서의 차이 때문이다. 샌프란시스코에서는 대부분의 건물이 목재였고, 메시나에서는 집들의 재료가 주로 돌이었다. 메시나에서는 화재가 크게 일어나지 않았지만 수많은 사람들이 무거운 벽돌에 깔려 생존율이 33～45% 밖에 안 됐다. 반면 샌프란시스코에서는 대부분의 목재 건물들이 탄력 있게 구부러져 거주자들은 불가피한 화재가 발생하기 전에 안전하게 밖으로 빠져 나올 수 있었다. 샌프란시스코의 생존율은 적어도 99.8%에 이르렀다. 이는 지진에 의한 사망자수는 지진의 진도에 의해서보다 건축물의 형태와 더 밀접한 관련이 있다는 것을 보여주는 사건이다.

건축 재료는 하중을 지탱하기 위해 탄성적이어야 한다. 한 구조물의 재료가 늘어날 경우에 이를 인장이라고 부르는데, 휨은 압축과 인장이 재료의 서로 다른 부분에서 결합된 상태로 간주할 수 있다. 어떤 물질들은 압축과 인장의 탄성 한계가 서로 다르다. 따라서 공학자들은 그들이 선택한 물질들이 복잡한 건축물로 통합된 다음에 압축 응력의 영향에 놓을지, 인장 응력의 영향에 놓일지를 판단해야 한다.

또한 각각의 물질들은 그들의 탄성 한계와 같을 수도, 다를 수도 있는 최종 내구력에 의해 특징지어진다는 점을 주목해야 한다. 어떤 물질들은 탄성 한계가 초과되면 바로 부서지지만 다른 물질들은 바로 파괴되지 않고 항구적인 변형을 거치는 소성거동의 영역으로 들어간다. 건축물에서는 어떠한 물질도 그들의 탄성 한계를 넘어서는 응력을 주지 않도록 하는 것이 본질적이다. 만일 문제의 재료에 소성 영역이 없다면 그 건축물은 즉시 붕괴되어 자갈더미로 변해버린다. 한편 응력이 문제의 건축 재료의 소성 영역에 머물러 있다면 건물은 휘어지고 비틀리지만 아직 각 부분들은 서로 연결되어 있어 재난 때문에 거주자들이 생명의 위협을 받는 동안 그들이 생존할 수 있는 가능성을 높여 준다. 이 목재의 소성 거동이 1906년과 1908년의 샌프란시스코와 메시나에서의 생존율의 극적인 차이를 설명해 준다.

건축물 파괴의 대부분은 중요 건축 재료의 지나친 휨 때문에 일어난다. 물질이 하나의 층에 압축력을 이와 평행한 층에 인장력을 받으면 그 사이에 힘을 경험하지 않는 중립면이 있게 마련이다. 이 중립면 근처의 물질은 들보의 힘이 작용하는데 사실상 전혀 작용을 하지 않으므로 지탱력을 줄이지 않으면서 들보의 무게를 줄이기 위해 중립면 부근을 비워놓을 수 있다.

또한 들보는 두 개의 평행한 물질의 판 사이를 가벼운 삼각형이 배열로 연결시켜 만들 수 있다. 들보는 일반 주택이나 교량, 마천루에 이르기까지 대부분의 건축물에서 필수적인 부분이다. 들보의 지탱력에서 중요한 것은 이를 구성하는 물질이 무엇으로 되어 있는가이다. 재료뿐만 아니라 구조물의 안정성도 생각해야 하는데 설계자는 각각의 부품이 서로 잘 연결되어 있는지, 무엇이 건물을 땅에 고정시키는지의 문제를 인지해야 한다

예상하지 못한 동적 하중은 구조물에 탄성 한계 이상의 응력을 가할 수 있으며 진동 구조물을 매우 약해진 상태로 놓아둘 수 있다. 사실 심각한 지진에서 살아남았던 많은 건물들이 비교적 약한 여진을 거치면서 무너졌다. 이러한 전제 아래 구조 공학자들은 공명현상을 피해야만 하는 문제를 갖고 있다. 어떤 동적 하중, 특히 지진과 관련된 것은 자체의 주기적 특성을 갖는데 이 주기가 건물의 자연주기가 맞아떨어진다면 이 파동은 건물에 매우 효율적으로 진동 에너지를 주입시킬 수 있다. 이 같은 조건에서는 작은 지진이라도 건물에 커다란 진폭의 진동을 만들어 내 피해를 크게 한다.



4. 죽음과 생명

자연재해의 필요불가결한 조건은 많은 수의 인류가 반영구적으로 한 장소에 사는 것이다. 국가 안에서도 도시가 가장 높은 인구밀도를 보이는데, 높은 인구밀도를 지닌 지역에서는 인구밀도가 낮은 곳보다 재난 사태에 극도로 취약하다.

어떤 연못에 수초의 크기가 두 배씩 커지고 30일째 되는 날 연못 전체를 덮는다면 29일째 되는 날에는 연못의 절반을 덮고 있을 것이다. 생명을 유지시킬 수 있는 충분한 자원을 이용할 수 있는 동안 인류의 인구는 시간에 따라 기하급수적으로 증가할 것이다. 빠른 인구 증가로 인해 귀결되는 불행은 부적당한 기반시설을 갖는 도시가 전 세계에 점점 흔해진다는 것이다.

현재 전 세계의 인구는 약 57억이며 성장률은 약 1.8%이다. 성장률을 줄이기 위한 어떤 조치도 취하지 않는다면 39년 후에 세계인구는 114억으로 늘어날 것이다. 지구 행성이 지탱할 수 있는 인구의 용량은 100억에서 150억 사이의 어느 지점이다. 달리 말하면 우리는 이미 29번째 날에 와 있는 것이다. 인구 증가에 대한 경종을 울리는 한 예로 고립된 채 이스터 섬에 살던 주민들은 인구의 과잉으로 인하여 문명도 퇴보하고 결국에는 인육을 먹기에 이르렀다는 점을 생각해봐야 한다.

가장 빠르게, 그리고 가장 많은 수가 번식하는 종족이 환경의 압력 아래에서 새로운 특성을 진화시키기 쉽다는 것은 분명하다. 특히 인간과 관계 있는 것은 질병을 일으키는 병원균의 경우 미생물은 불과 몇 시간 내로 번식할 수 있기 때문에 양성 세균이 변이를 거쳐 새로운 질병이 생기는 것이다. 그러나 인체 안에서 양성이던 세균이 갑자기 변이하여 질병을 일으키는 경우는 거의 없고, 주로 다른 동물들에게 있던 세균 중의 하나가 변이하여 인간 숙주로 옮아간 것이다. 세균이 숙주가 지탱할 수 있는 용량을 넘어서게 되면 숙주는 병으로 죽게 되는데 질병은 이때 새로운 희생자에게로 퍼져 나가지 못하면 멸종하고 만다. 빨리 사람을 죽이려면 빨리 퍼져 나가야 하므로 가장 치명적인 질병은 동시에 가장 전염성이 높은 질병이기도 하다.

지금까지 가장 무서웠던 전염병은 쥐나 쥐벼룩에 의해 전염되는 선 페스트였다. 이 파괴적인 질병은 로마 제국의 몰락을 촉진시킨 결정적 타격이었고, 14세기에는 살아 있던 유럽인들의 1/3을 죽였다. 이 거대한 페스트는 인간이 지금까지 알고 있던 어떤 전쟁보다도 효율적으로 인간을 죽였다. 전염의 속도에는 인구밀도와 유동성이 큰 관련이 있기 때문에 인간의 숫자와 밀도가 증가하면서 우리는 또한 기생성 병원균들에게 그들이 결코 이전에 얻을 수 없었던 환경을 제공한다. 확률의 법칙은 이러한 환경에서 장래 새로운 질병이 미래에 실제로 일어날 것이며 점점 늘어날 것임을 시사한다.



5. 불안한 바다

에너지 보존법칙은 수면파가 파원에 의해 방출된 에너지보다 더 많은 에너지 총량을 가질 수 없음을 말해 준다. 방출된 에너지 가운데 일부는 해저를 통하여 지진파의 형태로 전파되고, 일부는 열로 전환되며, 일부는 충격파의 형태로 대기에 입사된다. 만일 언젠가 지진이 일어나기 전에 이에 의해 방출될 에너지를 예측하는 것이 가능해진다면 이 지진파나 쓰나미(지진, 화산폭발 등에 의하여 바닷물이 비정상적으로 높아져 육지로 넘쳐들어오는 현상)에 의해 일어나는 가능한 피해의 상한값이 얼마인지 계산하는 것도 가능하다.

실제 자연에서의 파동운동은 잘 정의된 파장이나 주기를 갖는 단일 파장이 아니다. 이런 자연의 복잡한 파형은 여러 단순한 파동의 중첩에서 생겨난다. 쓰나미와 폭풍 해일을 포함하여 모든 수면파는 조수의 자연적 간만과 중첩되어 일어난다. 조수가 높았을 때 육지에 도달한 허리케인이나 쓰나미는 조수가 낮을 때 도달한 것보다 더 위협적인 존재이다.

파도는 얕은 물로 들어오면서 속력은 느려지고 높이는 높아진다. 그 이유는 경사진 분지에서 파도의 선두 부분이 같은 파도의 뒷부분보다 앞서서 얕은 물과 만나기 때문이다. 파도가 이런 식으로 증가해도 파동의 에너지는 전혀 사라지지 않는다. 이때 일어나는 현상은 파도가 해안에 접근함에 따라 파동의 에너지가 높지만 좁은 마루에 집중된다는 것이다. 파도 마루의 앞면에 파동의 형태를 유지할만한 충분한 물이 더 이상 없을 때 물결은 부서진다. 파도가 부서질 때 보통 궤도운동을 하던 마루의 물은 빈 공간으로 던져진다. 파도가 매우 높으면 이 과정에 의하여 방출된 운동 에너지는 파도의 경로에 있는 모든 물체에 큰 피해를 줄 수 있다. 그러나 보통 대자연에서는 단순한 현상들만 일어나는 것이 아니라 파도가 부서지지 않고 해변을 쓸어가 버리는 것도 가능하며, 파도가 얕은 물 가까이에 오지도 않고 부서지는 것도 가능하다. 파고가 파장의 1/7을 넘을 때 부서진다고 어림잡아 판단할 수 있는데, 아주 긴 파동은 때때로 부서지지 않고 해안을 범람시킬 수도 있다. 쓰나미가 그런 경우이다. 파도는 진동을 계속하는 한 별로 위험하지 않다. 그러나 파도가 부서진 형태로 나타날 때, 또는 해안에서 융기될 때는 파동의 경로에 놓여 있는 모든 것에 파괴적인 양의 에너지가 투사된다.

쓰나미는 순간적으로 발생한다. 이는 넓은 지역에서 많은 양의 에너지가 갑작스럽게 물로 쏟아질 때 일어난다. 쓰나미는 해저 지진, 해면 높이에서의 화산의 폭발, 대륙붕에서의 해저 산사태 등에 의한 에너지의 갑작스러운 방출로 발생한다. 몇 가지 특이한 경우에는 큰 해안에서 산사태가 바다로 쏟아져 쓰나미를 일으키기도 한다. 쓰나미는 매우 긴 주기를 갖는데 일반적으로 20분～1시간이며 또한 파장은 수백 킬로미터로 측정된다.

마루 사이의 간격은 매우 멀리 떨어져 있으나 파동은 항상 연속적으로 나타나며 첫 번째 파도가 가장 커야 할 이유는 없다. 그러므로 첫 번째 파도가 물러갔을 때 사건이 끝났다고 안심하는 실수를 해서는 안 된다. 또한 쓰나미의 절반 정도는 마루가 아니라 파도의 골이 먼저 도착하는데 관찰자는 바닷가 수평선으로부터 급속하게 후퇴하는 것을 보게 될 것이다. 불행하게도 종종 새로 드러난 해저 바닥을 보기 위해 호기심 많은 군중이 몰리는 경우가 있다. 강한 지진뿐만 아니라 실제 약한 지진이 있은 후에 발생하는 쓰나미도 보고되었는데, 이는 쓰나미 생성 현상에 더 깊은 연구를 요구하는 까다로운 질문들을 남긴다.



6. 융기하는 지구

지진계의 기록은 일반적으로 1903년 이후부터 가능해졌으며, 이는 과학자들이 합리적이고 일관적인 숫자의 척도를 가지고 지진의 규모를 평가・비교하는 일을 가능하게 했다. 1883년 주세페 메르칼리는 메르칼리 등급을 제안했는데, 이는 다소 주관적인 관측을 기반으로 한 체계지만 과학적 장비의 사용에 의존하지 않고 보통 사람들의 관측에만 의존한다는 점에서 여러 번 수정되어 오늘날에도 가끔씩 사용되고 있다.

제임스 포브스는 1841년부터 다양한 진자의 배열로 실험을 하여 간이지진계를 만들어 냈다. 1875년 이탈리아의 필리코 케치는 두 개의 무거운 추를 사용하여 성공적인 지진계를 만들었다. 그 후 민감도와 자료를 기록하는 방법 등 두 가지 면에서 많은 발전이 있었다. 많은 현대의 지진계들은 매달려 있는 관성 추에 대한 상대적인 지구의 움직임을 더 이상 측정하지 않는다. 대신 보통 긴 지하터널 안의 두 지점 사이 지구의 변형량을 직접 측정하기 위하여 전기적 감지장치를 이용한다.