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지난 2008년 2월 15일 미국 공학한림원(National Academy of Engineering)은 해결될 경우 인류의 삶을 향상시킬 수 있는 21세기의 14가지 공학적 난제를 발표한 바 있다. 이 14가지 공학적 난제에는 경제적인 태양에너지 이용의 실현, 융합(fusion)에 의해 에너지 제공, 질소 순환(nitrogen cycle)의 관리, 청정수에 대한 접근성을 전 세계에 제공, 인간의 뇌에 대한 역공학(reverse-engineering), 핵무기 테러의 예방, 사이버 공간의 보안 등이 포함됐다. 이와 때를 같이 하여 미국 국가과학위원회(NRC; National Research Council)는 21세기 지구과학(geological and planetary sciences)이 규명해야 할 10가지 의문 사항에 대한 새로운 보고서를 지난 3월 12일 발간했다. 이 보고서의 목적은 21세기 지구과학이 직면한 주요 과학적 이슈를 반영하는 데 있으며, 10가지 문제는 이들 문제들을 어떻게 해결할 것인지, 어떤 방향으로 나아갈 것인지 등을 상징하고 있다. 이 보고서를 주관한 캘리포니아 대학 지구화학과 교수인 Donald J. DePaolo는 진보를 달성하기 위하여 과거를 조명하고, 지구와 생명의 기원, 지구의 구조와 역학, 생명과 기후 사이의 상관관계 등에 관한 더 심도 있는 근본적인 질문이 필요하다고 밝혔다. 10가지 문제 중 일부는 과학자들이 수십 년 동안 이해할 수 없었던 난제를 대표하고 있으며, 일부는 더 다루기 쉽거나 수년 내에 상당한 진보를 이룰 수 있는 문제로 구성되어 있다고 보고서는 밝혔다. NRC는 10개의 문제에 대하여 우선순위를 정하지 않았으며, 이러한 문제를 수행하기 위한 특정 조치를 권고하지도 않았다. 10가지 문제는 다음과 같다. 1. 지구와 다른 행성은 어떻게 형성되었는가? 과학자들은 태양계의 태양과 행성이 동일한 성운으로부터 유래되었다는 데 일반적으로 동의하는 한편 진화를 이해하기 위한 화학적 조성을 지구가 어떻게 얻게 되었는지 또는 왜 행성이 서로 다른지 등에 관한 지식은 충분하지 않다고 밝히고 있다. 비록 현재 지구 형성의 신뢰 있는 모델이 존재하지만 태양계와 태양계 밖의 사물에 대한 추가적인 측정이 지구와 태양계의 기원에 대한 통찰을 제공할 것이다. 2. 지구의 암흑시대에 어떤 일이 일어났는가? 과학자들은 지구가 형성되는 후반부 동안 다른 행성이 지구와 충돌하여 발생한 잔해가 달을 창조하고, 지구의 코어(core)로 도달하면 녹게 만든다고 믿고 있다. 이 기간은 행성의 진화, 특히 지구가 대기와 해양을 어떻게 발달시켰는지를 이해하는 데 중요하다. 과학자들은 이 시대의 암석을 보존하지 못하고 있어, 이 시대와 관련하여 습득한 정보가 거의 없다. 3. 어떻게 생명체가 시작되었는가? 생명의 기원은 과학 분야에서 가장 복잡하고 어려우며, 끊임없는 질문 중 하나이다. 이러한 증거를 확인하는 방법은 암석과 미네랄에 대한 지질학적 조사를 통해서다. 이러한 의문에 답을 구하기 위하여 과학자들은 화성과 다른 행성으로 향하고 있다. 4. 지구 내부에는 어떤 일이 일어나고 있으며, 표면에 어떤 영향을 초래하는가? 과학자들은 맨틀과 코어가 일정한 대류 유동(convective motion)을 겪고 있다고 알고 있다. 코어 대류(core convection)는 지구의 자기장을 생성시켜 표면 조건에 영향을 줄 수 있고, 맨틀 대류(mantle convection)는 화산 활동, 해저 생성, 산맥 형성 등을 유발한다. 그러나 과학자들은 이러한 움직임을 정확하게 기술하거나 이러한 움직임이 과거와 어떻게 다른지 계산하지 못하고 있다. 또 과학자들은 과거에 대한 과학적인 이해가 부족하여 지구 미래의 표면 환경에 대한 예측에 어려움을 겪고 있다. 5. 왜 지구는 판구조론을 갖는가? 비록 판구조론(plate tectonics)이 잘 정립되어 있다고 할지라도 과학자들은 왜 지구가 판구조론을 갖는지, 이러한 판구조론이 대륙, 해양, 생명체 등의 존재 및 풍부한 물 등과 같은 지구의 다른 측면과 어떻게 상관관계를 갖는지 궁금해 한다. 게다가 과학자들은 아직까지 언제 대륙이 처음으로 형성됐는지, 어떻게 수십억 년 동안 보존되어 왔는지 또는 미래에는 어떻게 진화될 것인지 알지 못한다. 대륙 지각(continental crust)의 마모가 지구 기후를 제어하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 이러한 질문은 특히 중요하다. 6. 지구과정(Earth processes)이 재료 물성에 따라 어떻게 제어되는가? 과학자들은 현재 판구조론, 맨틀 대류 등과 같은 지구 재료의 미세 규모의 특성으로부터 유발되는 거시적인 행동 양식에 대하여 인식하고 있다. 이러한 미세 규모에서 재료에 대한 이해는 지구 역사를 이해하고, 행성과정(planetary process)이 미래에 어떻게 변화할 수 있는지 합리적인 예측을 제공하는 데 필수적이다. 7. 기후 변화는 어떻게 유발되는가? 지구의 표면 온도는 지난 40억 년 동안 상대적으로 좁은 범위 내에서 유지되어 왔다. 그러나 갑작스런 변화에도 불구하고 어떻게 오랫동안 잘 제어될 수 있는가? 역사상 지구 기후 이변에 대한 연구는 과학자들이 기후 변화의 크기와 결과를 예측할 수 있는 기후 모델의 개선으로 이어졌다. 8. 지구상의 생명체는 어떻게 형성됐는가? 지질학과 생물학이 상호간에 영향을 끼치는 정확한 방법은 아직까지 이해하기 어렵다. 과학자들은 대기 중 산화에서 생명체의 역할과 마모와 부식을 통한 표면의 재형성에 관심을 갖는다. 또 과학자들은 지질학적 사건이 집단 멸종을 어떻게 유발했으며 진화 과정에 어떻게 영향을 주었는지를 탐구하고 있다. 9. 지진, 화산 폭발 등이 예측 가능한가? 과학자들은 언제 어느 때 지진이 발생할지 결코 예측할 수 없다. 그럼에도 불구하고 과학자들은 단층파괴(fault rupture)가 어떻게 시작되고 종료되는지, 거대 지진 인근에서 얼마나 많은 여진이 예측되는지 지속적으로 해독하고 있다. 10. 인간의 환경에 영향을 초래하는 유체가 어떻게 흐르고 이동하는가? 자연 자원과 환경의 우수한 관리는 지하와 지표에서 유체의 행동 양식에 대한 이해를 필요로 한다. 과학자들은 궁극적으로 이러한 자연적인 시스템의 수행을 예측할 수 있는 수학적 모델을 산출하기를 바라고 있다. 그러나 지표에 가까운 유체가 혼성암과 토양 형성에 있어서 어떻게 분포되는지, 유체가 얼마나 빨리 흐르는지, 유체가 얼마나 효과적으로 부유 물질과 해리된 물질을 이동하는지 등을 결정하기는 아직까지 어려운 문제로 남아있다. 과학자와 공학자의 노력에도 불구하고 21세기인 현재에도 인간이 해결해야할 여러 가지 난제가 산재해 있다. 중국 역시 1998년에 100가지 과학 난제를 선정하고, 이에 대한 투자를 강화하여 자국의 과학 기술 발전을 도모하고 있다.(GTB2005010799) 미국 공학한림원과 국가과학위원회의 보고서는 현재 우리가 처한 현실에서 보다 윤택한 삶을 누리기 위하여 또는 과학 증진을 위하여 어떻게 전진할 것인가 그 방향을 제시하고 있다. 인간이 지닌 취약성을 극복하고 과감한 투자를 통하여 연구 기반을 조성하는 것이야말로 과학 기술이 담당할 몫이다. 그리고 과학 기술이 담당할 역할을 수행하는 것에 있어서 첫 단계는 어떤 난제를 해결할 것인가 논의하는 데 있다. 지구과학 분야에서 제기되는 의문은 인간이 삶을 영위하는 장에 대한 것이기 때문에 더욱 더 중요하게 다루어야 할 것이다.(기사작성자 의견) * yesKISTI 참조 |
