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삼천칼럼

지구상에서 사라지고 있는 필수품들

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그렇게 자주 대중매체를 통해 원유의 고갈을 우려하는 내용을 들으면서도 가솔린 자동차에 익숙해있는 우리들은 남의 일인 양 오늘도 자동차에 시동을 건다. 이 지구가 품고 있는 원유양이 얼마나 되는지는 정확히는 모르나, 경제성까지 고려한다면 지금처럼 가솔린과 경유 등을 연료로 계속 사용할 경우 앞으로 100년 넘게 사용하기는 불가능하다고 추산된다. 우리 일상을 점령하고 있는 화학공업제품들(플라스틱, 섬유, 고무 등)의 생산에는 원유의 3-5% 밖에 소비되고 있지 않고, 대부분은 연료로 사용하고 있는 현실이다. 미국 등지에서 발굴되어 사용되고 있는 셰일가스(천연가스와 같은 성분이다)도 매장량이 60여년 정도 사용 할 수 있는 양이란다. 또 한가지 화석연료인 석탄의 매장량은 전세계적으로 석유매장량의 여러 배(10여배까지)된다고 하나, 고체연료의 사용에 따른 불편과 환경오염(석탄을 주로 사용하는 중국에서부터 날아오는 (초)미세먼지를 생각해 보시라!) 물질의 배출 때문에 효과적인 석탄사용법을 지금도 연구하고 있다.
어쨌든 인류는 화석연료를 아끼지 않고 지금처럼 계속 소비한다면 21세기가 끝날 때 즈음에는 전시관에서나 그들을 만날 수 있게 될 지경이다. 화석연료가 사라지게 된다면 인류는 연료가 없는 추운 세상에서 살아야 한다. 이러한 비극을 막기 위해 태양빛, 바람(풍력), 조력 등을 이용한 발전과 태양열과 지열을 이용해 전력소모를 줄이려 노력하고 있다. 우리나라는 현재 대체에너지 사용이 대략 5% 정도로 추산된다. 태양빛을 많이 받는-커다란 복이다- 우리나라에서는 태양에너지의 사용이 훨씬 늘어야 한다.
에너지원의 고갈 얘기가 너무 길어진 듯하다. 우리는 이외에도 뜻하지 않게 몇 가지 중요 품목의 고갈을 눈앞에 두고 있으며, 이들의 고갈은 인류에게 예상보다 큰 영향을 미칠 것이 예상된다. 그들은 무엇일까? 사라져가는 생물체들의 이야기는 이번 글에는 포함시키지 않을 작정이다.

 

헬륨


헬륨(He)은 수소 다음으로 가벼우며, 이 우주 속에 수소 다음으로 많다(전체 원소 질량의 약 24%). 그러나 지구 대기 중에는 별로 없으며 부피로 겨우 5.2ppm정도 들어있다. 헬륨이라는 이름은 희랍의 태양신 헬리오스(Helios)에서 유래했다. 태양에도 수소의 핵융합산물인 헬륨이 많다. 태양은 4분의 3이 수소, 4분의 1이 헬륨인 거대한 기체덩어리다. 우리가 사용하는 헬륨기체는 주로 천연가스 중에 (부피로 약 7%) 들어 있는 헬륨을 분리해 얻는다. 지구상의 헬륨은 지하에 있는 천연 중 방사능 원소(예컨대 토륨과 우라늄)의 핵붕괴시 생겨 천연가스와 섞여있다. 헬륨은 가벼운(0.1786g/L) 비활성 기체로 그 용도가 다양하다. 끓는점이 매우 낮아(-269℃) MRI 기계의 초전도성 자석의 냉각에 필수적이다. 전세계 헬륨의 년 생산량(약 3천200만 Kg)의 약 32%가 극저온용도로 사용되고 있다. 그 외에 가압과 정화계, 용접, 누출 검출, 기구 등에 사용되며 반도체산업에 절대적으로 필요한 기체다. 과학연구실에서는 헬륨을 다양한 용도에 사용한다.
제조가 불가능한 가벼운 헬륨은 지구를 떠나 우주 속으로 자취를 감추고 있다. 따라서 머지않아 헬륨기구라는 말은 옛말이 될 것이다. 그 전에 빨리 저온초전도체를 고온초전도체(아직 발견하지 못했다.)로 대체해야 우리는 계속 MRI 진단의 혜택을 받을 수 있게 된다. 날아가 버리는 헬륨기체를 붙들어 맬 수 있는 손쉬운 방법은 없을까?

 

- 헬륨풍선 (출처: 데일리메일. 영화 'UP‘의 한 장면)

 


비록 지구 표면의 70여 퍼센트가 물로 덮여 있지만, 물은 사실 희귀한 물질로 지구 전체 질량의 겨우 0.05 퍼센트를 차지한다. 그러나 물은 지구상에 생명이 태어나게 했으며, 물이 없었다면 이 지구는 죽은 건조한 별에 지나지 않았을 것이다. 지구의 나이는 약 46억년이라고 한다.
그렇다면 46억년동안 바닷물의 양은 일정했을까? 아니다. 놀랍게도 지구는 지금까지 원래 존재했던 바닷물의 약 4분의 1이나 잃었다고 한다. 매우 오랜시간동안 일어난 일이라 걱정할 필요가 없는 현상으로 여길 수 있으나, 우리가 경험하고 있는 지구온난화는 이 과정을 가속화시킬 수도 있다. 바닷물의 양이 줄어들면 해수의 온도가 상승하기 쉬워져 물의 사라짐이 빨라지고, 지구 기후와 생태변화에 더 큰 영향을 미칠 수도 있다. 또 바닷물로부터 물이 증발해 사라지면 바닷물 중의 염분량이 상대적으로 증가하고, 수중 용존(녹아있는) 산소의 양을 감소시켜 수중생태계에 큰 혼란을 초래하게 된다.
도대체 그 많은 바닷물의 양이 감소하는 것을 어떻게 추산할까? 덴마크 자연사 박물관 연구팀은 사문석(蛇紋石) 중의 수소 동위원소(수소와 중수소)의 존재비로부터 바닷물의 양이 어떻게 변했는지를 추산하였다. 사문석의 화학성분이 Mg3Si2O5(OH)4로 이 화학식 속 H는 수소나 중수소로 구성된다. 덴마크 연구팀은 사문석의 화학성분인 H가 수소로 되어 있는 양과 중수소(D)로 되어 있는 양을 분석하는 작업을 했다.
그들은 그린랜드에서 나이가 다른 사문석 시료들을 분석해 바다의 물이 어떻게 줄었는지를 연구했다. 이것이 가능한 까닭은 사문석은 지각이 바닷물과 접촉해 생김으로 각 사문석의 H와 D의 비는 사문석이 생길 당시 바닷물의 H와 D의 비를 반영한다. 바닷물(H2O)은 메탄생성반응(methanogenesis)을 통해 수소(H2, HD, D2)와 산소로 분해되고 제일 가벼운 H2가 대기로 가장 쉽게 사라진다. 따라서 어린 바닷물은 나이먹은 바닷물에 비해 H/D가 높고, 나이먹은 바닷물은 H/D가 상대적으로 낮다. 물의 H/D가 사문석의 히드록시기(OH기)에 그대로 반영되기 때문이다.
물과 관련된 걱정거리는 바닷물 감소만이 아니다. 오히려 음용수를 제공하는 지하의 대수층(帶水層: 지하수를 포함하고 있는 다공질, 삼투성 지층)의 저수율 감소가 큰 걱정거리로 등장하고 있다. 미국 NASA에 의하면 세계에서 가장 큰 대수층 27개 중 21개가 2015년경부터 지속가능성을 잃어가고 있으며 그 중 13개의 저수량이 빠른 속도로 감소하고 있다고 한다. 급속히 늘고 있는 세계인구들이 마셔야 할 물과 농업용수를 생각하면 걱정이 앞선다.

 


생명에 필수적인 원소 중에 인(P)이 있다. 평소에 우리들은 흔히 인의 중요성을 잊고 있다.  인은 지구상에 11번째로 많은 원소로 DNA합성, 세포막, 뼈와 치아 형성에 필수적이다. 비료의 삼대요소(질소, 칼륨, 인) 중의 하나로 식물 성장에 필수적이다. 인은 인공적으로 합성이 불가능하기 때문에 인광석에 의존해야 한다. 광산에서 얻는 인광석의 90퍼센트는 농업과 식품 생산(대부분 비료) 등과 동물 먹이와 식품 첨가제로 사용한다.
지구상 인구의 급속한 증가는 육류를 비롯한 식품소비의 급속한 증가를 초래해 인 원천의 부족으로 연결될 수 있다는 점에서 큰 걱정거리다. 현재로는 인광석의 매장량이 300-400년은 더 사용할 수 있다고 추정된다. 그러나 양질의 인광석 매장량이 감소하고 광석 채굴, 정제, 저장 및 운송비의 상승도 문제다. 모로코, 중국, 남아프리카, 요르단과 미국 등 5개국이 전 세계 인광석의 90퍼센트 매장량을 보유하고 있다.
불행하게도 세계적으로 볼 때 인광석이 들어 있는 인의 약 20퍼센트만이 식품에 도달한다. 약 30-40퍼센트는 채광과 공정 중에 잃으며, 약 50퍼센트는 농장과 식탁 사이의 식품사슬(food chain) 중에 잃는다. 동식물의 분뇨와 사체를 100퍼센트 효과적으로 사용한다면 인은 완전히 재사용되어 지속가능하게 되지만, 비료, 분뇨, 세탁제, 음료수 등의 낭비물은 대부분 하수도를 통해 하천 및 바닷물, 지하수로 사라지고 종종 부영양화 현상을 일으킨다. 저질의 인광석 채광과 정제는 에너지를 더 필요로 하고 찌꺼기에는 종종 카드뮴과 우라늄같은 중금속 을 남기기도 한다. 이런 문제를 해결하기 위한 여러 방안들이 있다.
 1. 채광의 효율성 증대
 2. 분뇨를 더욱 효과적으로 사용할 것
 3. 비료사용을 더 과학적으로 할 것
 4. 농업법 개선으로 토양침식방지와 농업용수(빗물 포함)를 효율적으로 사용할 것
 5. 식물성 다이어트
 6, 식품남용 및 쓰레기 줄이기
 7. 인간의 배설물로부터 인의 회수

 

- 농업 (출처: The Mostly Fool, <3 Best Agriculture Stocks to Buy>, Neha Chamaria (Nehams), Aug 25, 2016 at 9:17AM )

 

희토류 원소들

 

희토류 원소는 원자번호 57부터 71까지의 원소(15원소)에 스칸듐과 이트륨을 더한 17개 원소를 말하며, 지각에 존재하는 양이 희소하고 컴퓨터용 신소재 등에 사용되어 그 이용가치가 높다. TV, 스마트폰, 휴대용PC, 하이브리드 자동차에는 모두 이들 일부 원소제품이 들어있으며, 레이더와 수중음파탐지기, 원자핵발전기의 차폐와 암치료 약물에도 필수적이다. 현재 희토류가 꼭 필요한 제품은 200여개에 이른다고 한다. 1990년대부터 중국이 희토류 생산에 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 미국, 오스트렐리아, 말레이시아 그리고 인도가 그 뒤를 따르고 있다. 2008년에는 중국이 세계 희토류 생산의 90퍼센트까지 차지하더니 2011년에는 97퍼센트까지 이르렀다. 그 후로 중국은 자국 생산 희토류의 수출을 제한하고 있다.
희토류는 지각에 비교적 널리 존재한다. 예컨대 세륨은 25번째로 풍부한 원소로 구리만큼 산재한다. 그러나 희토류는 원소들이 광석에 섞여 있어 각 원소로 분리하기가 매우 어렵다. 그렇기 때문에 각종 전자제품 폐기물에서 희토류 금속을 회수하려는 노력이 특히 눈에 띈다. 세계적으로 볼 때 희토류 생산을 중국에 의존하고 있어 희토류의 공급이 정치적 상황에 따라 예측불가능하다는 점이 우리나라를 포함하여 희토류를 사용하는 국가에서는 큰 걱정거리다. 또한 전자산업이 세계적으로 급성장하고 있기 때문에 희토류 원소의 원활한 공급은 전세계가 주시하고 있다. 현재로는 희토류 원소 생산에서뿐만 아니라 소비에서도 중국이 가장 큰 비중을 차지한다. 우리나라는 불행히 희토류 원소를 수입에 의존하고 있다. 양질의 희토류 광물의 소비가 급속히 증가하고 중국의 독점적 생산에서 벗어나기 위해 새로운 희토류광 발견에 세계가 열을 올리고 있다. 국방적 응용에 희토류 원소가 필수적임을 고려할 때 쉽게 이해가 가는 부분이다.

 

-희토류 산화물들 (source: wikipedia)

 

이상의 사라져가는 것들에 산소가 추가된다면 누구나 충격을 받으리라 믿는다. 그러나 이 대기에 존재하는 산소의 양은 느린 속도로 꾸준히 감소하고 있음을 작년에 미국 프린스턴 대학교 한 연구팀이 발표했다. 더 큰 문제는 그 까닭을 아직 정확히 모른다는 점이다. 그들의 연구결과에 의하면 지난 80만년동안 대기의 산소량이 0.7퍼센트 정도 감소했다고 한다.

 

결어


지난 50년 동안 이 지구상의 생물체 중 거의 반이 사라졌다고 한다. 소위 생태계의 급속한 변화가 일어나고 있으며 그 대부분은 인간의 탐욕에서 비롯되었다고 한다. 그렇기 때문에 세계가 생물다양성의 중요성을 역설하며, 이들을 유지시키거나 확대시키고자 노력하고 있다. 환경파괴와 몰지각한 남획이 가장 큰 원인이다. 세계적으로 정어리가 사라질 것이라는 우려 속에 미국은 2015년부터 정어리 포획을 금지하고 있을 정도다. 우리나라 연해에서 명태가 거의 잡히지 않은지는 벌써 여러 해가 되었다.
우리는 태양계 중에서 유일하게 생명체들이 생존할 수 있는 지구에 살고 있다. 이 얼마나 신기하고 행복한 일인가! 그러나 인류는 지구의 환경을 지키지 않고 부존자원의 낭비를 통해 스스로를 멸망의 길로 몰아가고 있다. 스티븐 호킹(미국 캠브리지 대학) 박사는 최근에 ‘인간이 살아남기 위한 최선의 방법은 이 우주 속에 독립식민지를 만들어 이 지구를 탈출하는 길’일지도 모른다고 말할 정도로 인류에게 경고의 메시지를 전했다. 다음 멸종의 대상이 인류라는 내용의 책이 작년에 발간되었을 정도이니 호킹 박사의 언급은 놀랄 일도 아니다.
이 지구를 사랑하고 자원을 아끼고 환경을 보존하려는 전인류적 노력이 지속적으로 강화될 때에만 인류를 멸종으로부터 보호할 수 있다고 믿는다.

 

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