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종말 : 태양의 수명

태양
- 원자 : 핵융합, 핵분열
- 태양 : 빛과 그림자
- 태양은 매일 수조개의 핵폭탄을 ...

태어난지 45억년 앞으로 100억년 후면 소멸된다
50억년만 지나도 대폭팔로 지구를 삼키고
땅위에 생명이 생긴지는 6억년 앞으로 다시 6억년후 땅위 아무도 없을 확율이

 

양성자-양성자 연쇄반응의 결과로 생성된 헬륨-4 원자핵과 반응에 사용된 양성자 4개의 질량을 비교해보면 0.7%의 질량감소가 있다. 이 질량은 아인슈타인의 질량에너지 변환식 E=mc2에 의해 에너지로 전환된다. 방출되는 에너지는 얼마나 될까? 수소 1kg이 헬륨으로 전환되면 60,000J의 에너지가 나온다. 우리는 태양이 매초4×1026J에너지를 우주공간으로 방출한다는 것을 안다. 이 에너지는 매초 6억 톤의 수소를 헬륨으로 전환하면 얻어진다. 그러면 태양은 얼마나 오래 탈 수 있을까? 만약 태양의 전 질량 2×1030kg이 모두 헬륨으로 전환된다고 하면 약 1000억년이 걸린다. 그렇다면 태양의 수명은 1000억년일까? 그렇지 않다. 태양의 온도는 바깥층으로 갈수록 떨어지므로 태양 속에 있는 모든 수소가 핵융합의 원료로 사용될 수는 없기 때문이다. 태양이 핵융합으로 태울 수 있는 부분은 중심 주위, 태양질량의 1/10 정도 되는 양이다. 따라서 태양의 수명은 약 100억년이 된다.

태양과 같은 별의 수명이 긴 이유는 무엇일까? 양성자-양성자 연쇄반응이 일어나기 힘들기 때문이다. 양성자-양성자 연쇄 반응에서 일어나는 일련의 과정 중 가장 일어나기 힘든 과정은 양성자 두 개가 융합하여 중수소핵이 만들어지는 첫 번째 과정이다. 이 과정은 양자터널링 현상이나 양성자가 중성자로 변환되는 일어나기 힘든 과정을 거쳐야 하기 때문이다. 이 과정은 평균 10억을 기다려야 한다. 이 때문에 태양이 오래 타는 것이다.

별은 질량이 클수록 밝지만 수명은 짧아진다. 예를 들어 별의 질량이 2배로 커지면 밝기는 거의 10배 가까이 밝아지지만 수명은 거의 1/10 수준으로 줄어든다. 그 이유는 무엇 때문일까? 별이 수소를 헬륨으로 바꾸는 또 다른 과정이 있기 때문이다. 이 과정은 탄소(C), 질소(N), 산소(O) 핵이 반응을 매개하는 촉매작용을 하므로 CNO 순환과정이라 불린다. (이 원소들은 이전 세대의 별들이 생성한 원소들로서 별이 생성될 때 포함된 원소이다.) 이 과정은 태양 질량의 2배 이상, 중심온도가 2000만 K 이상인 별에서 지배적이 된다. 이 정도의 고온에서는 C, N, O와 같이 무거운 핵들도 서로 반응할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 움직이기 때문이다


 

태양은 나이를 먹으면서 서서히 뜨거워집니다. 태양은 수소를 동력원으로 사용하는데 수소 원자들이 점차 소비되면서 핵이 수축하고, 핵이 수축하면서 증가하는 압력으로 수소의 충돌과 융합이 증폭되면서 점점 더 많은 에너지가 생산되는 과정이 진행되기 때문입니다. 수십억 년 후에는 엄청난 크기의 적색거성으로 팽창해 지구를 집어삼키게 되고, 그 때쯤이면 인류는 사라진 지 이미 오래일 것입니다.

상황 1단계, 55℃

지구의 평균 기온이 20도 가까이 상승해 섭씨 55도 폭염에 직면한 시점으로 가봅니다. 호주와 아시아는 기온이 급상승하며 60도 이상이 됩니다. 북극과 남극의 모든 얼음이 열기로 녹기 시작하면서 전 세계의 해수면은 60m 이상 상승하게 됩니다. 맨해튼을 비롯한 전 세계 해안 도시들은 물에 잠기게 되고 미국의 서부지역의 대부분은 바닷속으로 사라지게 될 것입니다.
물에 잠기지 않는 도시들도 상황이 좋지 않습니다. 섭씨 55도의 폭염 속에 모든 도시 기능이 마비됩니다. 냉방장치들은 과도한 사용으로 멈춰버리고, 전력망은 전기 수요를 감당하지 못합니다. 대형 여객기들은 뜨거운 열기 속에 이륙하기가 어려워 집니다. 찬 공기보다 밀도가 낮은 따뜻한 공기 속에서 희박한 공기가 엔진의 출력을 떨어뜨려 추력을 일으키기가 어려워지기 때문입니다.
우리 몸은 땀을 발생시켜 온도를 조절합니다. 체온이 올라가면 혈류량이 증가하면서 땀이 증발하고, 증발 과정에서 뜨거운 혈액이 식혀지는 것입니다. 하지만 외부 온도가 섭씨 37도를 넘으면 열을 식히기가 어려워지고 결국 과도한 열로 인체가 손상을 입거나 최악의 경우 죽을 수도 있습니다. 무엇보다 전 세계의 기후가 커다란 변화를 맞이하게 됩니다. 따뜻한 온도 때문에 상록수와 단풍나무가 자랐던 곳에는 긴 잔디가 자라게 되고, 시카고와 토론토 같은 도시들은 동남아시아처럼 무성한 잎으로 뒤덮일 것입니다. 강렬한 열기 때문에 물은 빠르게 증발해 어마어마한 양의 수증기가 하늘로 빨려 들어가는데 이 때문에 전 세계에 열대성 폭풍이 몰아치게 됩니다.

상황 2단계, 100℃

태양이 일생의 3분의 2 지점, 실제로는 약 30억년의 시간이 경과한 시점으로 가 봅니다. 노화 과정을 통해 수소의 양이 감소하면서 태양의 표층에는 더욱 큰 압력이 작용합니다. 남아있는 수소는 점점 더 빠르게 융합하고 살인적인 열기가 지구에 전해져 기온은 100도를 넘어섭니다. 인간은 이런 살인적인 열기 속에서 생존 할 수 없습니다. 눈을 보호하는 눈물은 빠르게 증발하고 강렬한 열기에 시력은 없어질 것입니다. 폐포로 채워져 있는 인간의 폐는 100도에 달하는 공기를 견딜 수 없고 결국 열기로 인간은 질식하고 말 것입니다. 지구를 태양풍으로부터 보호해주는 자기권도 엄청난 열기에 뚫려버려 태양에 노출된 피부 조직은 빠르게 타버릴 것입니다.
결국, 혹독하게 변해버린 환경 속에 인간이 생존할 수 있는 곳은 지하 밖에 없습니다. 무시무시한 태양열기로부터 힘겹게 살아남은 생존자들은 지하에서 유해한 자외선과 타는 듯한 열기를 피해보려고 하겠지만, 깊이 내려가는 데는 한계가 있습니다.
땅 속으로 300m를 내려갈 때 마다 지열로 인해 온도가 8도 이상 상승하기 때문에 결국 인간은 태양의 치명적인 입김과 지구의 내부 열기 사이에 갇혀버리게 되는 상황이 됩니다. 지표면으로 나오려면 우주복을 개조해 내부에 냉각 장치와 산소 공급 장치를 갖춘 특수 복장과 보호 장비를 갖춰야 할 것 입니다. 기온이 점점 상승해 150도가 되면 태양열로 물이 끓기 시작하고 엄청난 양의 물이 하늘로 증발하면서 지구의 기후는 끊임없이 변하게 됩니다. 점점 더 많은 물이 증발하고 응결하면서 더 높은 하늘까지 구름이 형성되고, 강렬한 태양열이 지구를 뜨겁게 달구면서 직경이 수백 km에 달하는 초대형 폭풍이 지구를 강타하게 됩니다. 기온이 계속 상승한다면 공기가 너무 뜨거워 빗방울이 지표면에 도달하지도 못하게 될 것입니다. 땅에 떨어지기도 전에 증발하기 때문입니다. 사막이 전 세계로 퍼져나가면서 극심한 더위에서도 잘 자라는 대나무와 잔디도 결국은 말라 죽고 식물의 죽음과 엄청난 양의 수증기로 산소 농도가 10-20%도 남아있지 않게 됩니다.

상황 3단계, 370℃

앞으로 40억 년 뒤의 모습은 어떨까요? 태양의 핵에 남아있는 수소는 외부 층의 무게에 짓눌려 엄청난 압력을 받게 됩니다. 수억 톤에 달하는 수소가 1초마다 서로 융합하며 어마어마한 에너지가 발생하게 됩니다. 지구 표면의 온도는 약 370도에 육박하게 될 것입니다. 이 시점에서는 특수 보호복장이나 지하에서의 생존도 더 이상 의미가 없습니다. 지구에서는 마지막 남은 물 한 방울 까지도 모두 증발해 바다는 광활한 소금 사막으로 변하고, 바닷물이 증발하면서 생성된 구름이 지구를 둘러싸며 햇빛을 반사하게 되지만 지구의 열기를 가둬버리는 덮개 역할을 해 오히려 냉각에는 전혀 도움을 주지 못합니다.
문제는 열기만이 아닙니다. 엄청난 대기로 인해 지구 표면의 기압은 예전보다 270배나 높아집니다. 마치 수천 kg에 달하는 무게가 짓누르는 듯한 느낌을 받게 되는 것입니다.
가압 상태의 밀봉 용기들조차 터져버릴 정도가 되지만, 프로판이나 가솔린은 휘발성이 강한 액체는 전혀 불에 타지 않습니다. 화염을 유지할 만큼 산소가 충분하지 않기 때문입니다. 극심한 열기로 인간이 만든 모든 구조물과 물건들이 녹기 시작합니다. 콘크리트는 혼합과정에서 물을 함유하게 되는데 기온이 370도가 넘어선 조건에서는 안에 갇혀있던 물이 격렬하게 증발하고 콘크리트는 먼지를 날리며 쉽게 부서져버립니다. 콘크리트 내부의 철근 역시 열기로 팽창합니다. 일부 고대 유적들 중, 석회암으로 만들어진 피라미드나 사암으로 이루어진 스톤헨지의 거석들은 370도의 살인적 열기 속에서도 녹아 내리지 않고 그대로 서 있을 것입니다.

상황 4단계, 1,300℃ 종말의 시작

마지막 기온 상승은 종말의 시작을 의미합니다. 기온이 급상승하면서 지구를 감싸고 있던 거대한 수증기가 지구의 대기권을 탈출해 우주 속으로 날아갑니다. 구름을 이루고 있던 물은 태양이 퍼붓는 자외선에 노출됩니다. 자외선은 물 분자를 분해해 수소를 떼어냅니다. 수소는 우주로 날아가고 산소만 지구에 남습니다. 이 과정에서 새로운 세계가 만들어집니다. 다시 발생한 산소가 지구 지각의 5%를 이루고 있는 철과 만나 철이 녹슬기 시작하고 그 결과, 지구는 붉게 물들어 갑니다. 산소 농도가 다시 상승하면 엄청난 기온과 만나 치명적인 악순환이 발생합니다.
불이 붙을 만큼 충분한 산소가 존재하게 되면서 힘겹게 남아 있던 모든 것들이 불타버리게 됩니다. 이제는 불이 나지 않아도 피라미드의 석회암이 부스러지고, 스톤헨지의 사암도 녹아 내립니다. 태양은 예전보다 40% 밝아지게 되지만, 지구는 불에 타고 녹슨 세계로 변해가게 됩니다.
지구와 우리에게 생명력을 선사했던 태양이 모든 것을 잿더미로 만들게 되는 것입니다. 태양이 현재보다 60억 년 이상 노화한 시점, 지구에 사는 생명체뿐 아니라 지구 역시 최후를 맞이하게 됩니다. 태양 중심부에서는 마지막 수소 연료가 연소됩니다. 남은 것은 헬륨 성분의 핵뿐이고, 헬륨이 융합하려면 엄청난 압력과 열이 필요합니다. 태양의 외부층이 어마어마한 힘으로 짓누르기 시작하면서 헬륨 융합이 시작되면 강력한 폭발과 함께 태양이 은하를 향해 팽창하기 시작합니다. 태양이 거침없이 커져가면서 지구와 태양 사이의 간격은 수백만 km로 줄어들고, 결국에는 이글거리는 열기를 내뿜는 태양의 가장자리가 지구의 공전 속도를 떨어뜨릴 정도로 가까워지면 지구는 혜성처럼 타오르는 불덩어리가 됩니다. 상상을 초월한 열기 속에 태양은 지구를 집어 삼키게 될 것 입니다. 이 모든 상황은 가상의 상황이고 현실이 되더라도 수십억 년후에나 일어납니다. 현재 지구는 생명체가 번성하기에 적당한 온도와 밝기를 유지하고 있지만, 서서히 뜨거워지고 커지는 태양 앞에 인류와 지구는 결코 안전하지 않습니다.