우주의 신비

[아하! 우주] 지구와 우주의 경계는?…우주는 지상 몇㎞ 부터 시작될까?

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▲ 우주는 어디서부터 시작될까? 새 연구에 따르면 기존의 100km보다 20km 더 낮아진 80km부터 우주가 시작된다고 한다. 사진에서 푸른색이 검은색으로 바뀌는 경계가 우주의 시작이다(사진=NASA)



우주는 어디에서부터 시작될까?

현재 국제적으로 지상 100㎞ 이상이 우주라고 정의되고 있다. 이 고도 100㎞ 선을 ‘카르만 라인’이라 하는데, 이것이 국제항공연맹(FAI)에서 규정한 지구와 우주의 경계이다. 그러니까 국제적으로 100㎞를 넘어선 비행이라야 우주에 다녀온 것으로 공식 인정된다는 뜻이다. 카르만 선은 헝가리계 미국의 엔지니어이자 물리학자인 시어도어 본 카르만이 도입한 것이다.

그런데 이 100㎞ 선이 아래로 20㎞는 더 내려와야 한다는 연구가 발표되어 관심을 끌고 있다. 과연 우주의 경계는 무엇을 기준으로 정하며, 왜 20㎞ 더 끌어내려야 할까?

미국 하버드-스미소니언 천체 물리학 연구소의 조나단 맥도웰 박사가 새 연구를 내놓았는데, 그의 계산이 정확하다면, 지구 대기의 영역은 더욱 축소되고 우주의 경계가 생각보다 가까이 있다는 사실을 받아들여야 한다. 기존의 개념보다는 20㎞ 더 가깝다.

국제우주학회지 ‘악타 아스트로노티카’(acta astronautica) 10월호에 게재될 맥도웰의 논문에 따르면, 많은 과학자들이 받아들이는 카르만 선은 실제 궤도 데이터를 고려하지 않은 잘못된 데이터 해석을 기반으로 설정된 것이다. 데이터를 해석하는 일은 맥도웰의 장기로, 그는 여가 시간이 나면 지구상의 모든 로켓 발사기록을 세심하게 수집하고 해석한다. 이런 작업 결과 맥도웰은 “우주는 어디에서 시작됩니까?”라는 질문에 확실한 해답을 찾아냈다는 것이다.

북미항공우주방위사령부(NORAD)에서 수집한 약 4만 3000개의 인공위성 궤도 데이터를 검토한 결과, 맥도웰은 그들은 카르만 선보다 훨씬 높은 궤도를 선회했으며, 궤도 공간에 잘 안정되어 있음을 확인할 수 있었다.

▲ 국제우주정거장(ISS)에서 찍은 사진은 지구 대기층의 경계를 보여준다. 중간권(mesosphere)은 파란색의 위쪽 띠이다. ​이 띠(지구에서 약 80km 고도)위로 지구 궤도가 가능하다.(출처/Ron Garan / NASA)



그러나 이들 위성 중 약 50기의 움직임이 눈에 띄었는데, 미션이 끝나고 지구 대기권으로 재진입하는 동안, 이 위성들은 100㎞ 이하 고도에서 지구를 적어도 2회 완전 선회했다. 예컨대, 1977년 소련의 일렉트론-4 위성은 85㎞ 고도에서 지구 궤도를 10번 돈 끝에 대기권으로 들어와 불탔다.

이 사건들로부터 우주의 물리학이 여전히 카르만 선 아래서 확정적이지 않음이 분명히 드러났다. 맥도웰은 수학적 모델을 사용하여 다양한 위성이 마침내 궤도를 벗어나 대기권에서 불타는 정확한 지점을 찾아냈다. 그것은 66~88㎞ 사이에 있었다. 보통 우주선이 고도 80㎞ 이하로 떨어졌을 때 다시 우주로 돌아갈 희망은 없는 것으로 밝혀졌다.

지구 대기의 가장 차가운 벨트인 중간권(mesopause)은 지구 표면 위로서 대략 50~80㎞ 정도 뻗어 있다. 여기에서 대기의 화학적 조성은 크게 변화하기 시작하고 대전 입자는 더욱 풍부해진다. 맥도웰은 중간권 아래쪽 경계 이하에서 지구의 대기가 공기 중의 물체를 부양할 수 있는 강한 양력을 발생할 수 있는 것이 분명하다는 결론을 내렸다.

맥도웰이 새로운 우주의 경계로 고도 80㎞를 선택한 것은 이런 이유들을 감안한 결과였다. “유성이 70~100㎞ 고도 범위에서 보통 붕괴되는데, 이는 이곳이 대기의 중요한 구역이라는 증거 중 하나라는 것에 주목할 가치가 있다”라고 맥도웰은 밝혔다.

지구상에서의 일상적인 삶이 당신을 힘들게 할 때 우주가 조금 더 내게 가까이 다가왔다고 생각하면 조금은 기운을 얻을 수 있을지도 모른다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com  

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