[나는야 논술 짱]지구 온난화와 해수면 상승

중도일보-대전광역시교육청 공동기획 통합논술

※ 다음 제시문을 읽고 아래의 논제에 답하시오.

<논제1> 지구의 기후변화 원인을 자연적 요인과 인위적 요인으로 서술하시오.

<논제2> 제시문 (가)와 (나)에서 바다에 떠 있는 빙산이 모두 녹아도 해수면은 상승하지 않음을 물 컵 속에 들어있는 얼음을 이용하여 서술하시오.

<논제3> 이산화탄소()와 수증기(), 메탄()은 온실효과를 나타내는데, 질소()와 산소()는 온실효과를 나타내지 않는 이유를 서술하시오.


가) 해수면의 높이 변화는 조산 운동에 의한 해안 지역의 융기나 침강 등으로 일어나거나 많은 양의 침식 물질이 해저에 퇴적되면 상승하기도 한다. 그러나 가장 큰 요인은 지구의 기온 상승으로 인한 빙하의 융해와 해수의 열팽창이다. 보통 해수의 온도가 약 1℃ 상승하면 해수면이 약 2m 상승한다고 한다.

지구온난화는 해수면 상승에 크게 기여하는데, 이러한 영향은 일부 도서국가나 해안을 가지고 있는 국가들의 저지대가 침수되는 형태로 나타나고 있다. 지구온난화에 따른 해수면 상승은 수온 상승에 따른 해수의 열팽창, 빙하의 융해 등으로 지난 100년간 10～20cm 상승된 것으로 보고되고 있다. 지구 온난화로 인한 전세계의 해수면 상승은 21세기 말까지 최대 88cm 까지 상승할 것으로 예측되고 있다(IPCC, 2001). 또한 현재 지구상에 분포해 있는 빙하가 모두 녹는다면 해수면의 높이가 60～70m 상승할 것으로 추정된다.

나) 빙하(glacier)는 육상에서 오랫동안 쌓인 눈이 자체의 무게로 압력을 받아 단단한 얼음으로 형성된 것을 말한다. 즉 빙하는 겨울의 강설량이 여름에 미처 녹지 못할 때 생기며, 현재는 높은 고산지대와 극지방에서만 생긴다. 빙하는 지구 육지 면적의 약 11％를 차지하고 있지만, 담수의 약 3/4을 차지한다. 빙하의 약 99％는 남극대륙과 그린란드에 집중되어 있다. 빙하는 중력에 따라 지형이 낮은 곳으로 서서히 이동하여 해안가에 도달하면 빙하의 끝 부분에서 얼음이 바다로 떨어져 나가는데 이것을 ‘빙산(iceberg)’이라고 한다. 빙산은 육상의 빙하로부터 바다로 떨어져 나온 얼음 덩어리이다.

보통 빙하가 녹으면 해수면이 상승하지만, 바다에 떠 있는 빙산은 녹아도 해수면 상승에 기여하지 못한다. 물얼음BA물이 가득 들어있는 컵 안에 그림과 같이 얼음 덩어리가 떠 있다고 생각해 보자. 이 얼음이 모두 녹았을 때 컵 안의 수면은 어떻게 변할까? 컵 속의 얼음이 녹으면 수면이 올라가 물이 넘쳐야 할 것 같지만, 물은 넘치지 않는다. 대부분의 물질은 액체에서 고체로 바뀌면 부피가 줄어들지만 물은 예외적으로 부피가 약 10% 정도 늘어난다. 왜냐하면 물이 얼면 물 분자들이 수소 결합을 해 특유의 육각고리 모양의 빈 공간이 생기기 때문이다. 이 때문에 얼음의 밀도가 물의 밀도보다 작은데 실제로 0℃에서 얼음과 물의 밀도는 각각 0.917g/㎤, 0.999g/㎤ 이다.

다) 지구를 둘러싸고 있는 대기는 태양으로부터 오는 태양 복사에너지를 잘 통과시키지만, 지표에서 방출되는 지구 복사에너지(적외선)는 흡수하여 그 일부를 다시 지표면으로 돌려보낸다. 즉, 대기는 지표로부터 방출된 복사에너지가 대기권 밖으로 빠져나가지 못하게 하여 지구를 보온하는 역할을 하는데, 이러한 대기의 보온 효과를 온실효과라고 한다.

대기의 주성분인 질소()와 산소()는 온실효과를 나타내지 않지만, 대기 중에 소량으로 섞여 있는 이산화탄소(), 수증기(), 메탄(), 일산화이질소() 등은 적외선을 흡수하여 지구의 온실효과를 일으키는데, 이러한 기체를 ‘온실기체’라고 한다.

지구는 온실기체를 갖고 있는 대기층 때문에 지표면의 복사에너지는 대기가 없을 때와 비교하여 커지게 되고, 지표면의 온도는 더욱 높아지게 된다. 이러한 온실효과 때문에 지구 기온은 대기가 없을 때의 복사평형 온도인 255K(-18℃) 보다 상당히 높은 288K(15℃)가 되었다.

[출제방향 및 의도]

과학은 자연 현상에 대한 호기심과 의문을 해결해 나가는 과정으로 사고력과 창의적인 문제 해결력이 많이 요구되므로 다양한 생각의 폭을 넓혀가는 확산적 사고를 함양하는 데 초점을 두고 출제하였다. 특히 지구 환경의 변화와 그 영향에 대한 관심, 그리고 지속가능한 환경 개발에 대한 환경관을 생각하고자 했다.

논제 1은 ‘지구온난화에 따른 해수면 상승’라는 학생들에게 비교적 익숙한 논제이다. 지구온난화와 지구 환경의 문제는 환경과 지구과학 교과에서 다루는 주요 내용이다. 논제 1은 자연 환경의 변화 중 기후 변화의 원인을 여러 측면에서 고려해 보는 사고의 다양성을 기르는 계기를 제공한다. 특히 기후 변화 요인을 자연적 측면과 인위적(인간에 의한) 측면을 고려해 봄으로서 미래 후손들에게 아름답고 풍요로운 환경을 물려줄 수 있는 방안을 생각해 보는 기회를 제공한다.

논제 2는 수리 영역과 관련된 통합 교과형 논술이다. 지구 온난화로 빙산이 녹으면 해수면이 올라갈 것이라는 오개념을 수리적으로 설명할 수 있는 논제이다. 얼음에 작용하는 중력과 부력 등을 이용하여 논리적으로 서술하면 쉽게 해결할 수 있다. 전체 얼음에 대한 수면 아래에 잠긴 얼음의 비율을 고려하고, 물과 얼음의 밀도는 온도에 따라 다르다는 통합적인 사고력을 요구한다.

논제 3은 지구 온난화와 해수면 상승을 일으키는 근본적인 원인으로서 온실효과를 일으키는 온실기체에 대한 통합적인 이해와 응용력을 요구한다. 기체의 적외선 흡수에 관한 분자 구조와 쌍극자 모멘트 개념을 확장 적용하여 설명할 수 있다.

[학생글] 대전과학고등학교 1학년 백승관

▲ 대전과학고등학교 1학년 백승관

<논제 1>
지구의 기후는 태양 활동의 변화와 같은 천문·자연적인 현상에 의해서 뿐만 아니라, 사람들의 사회·경제적 활동에 의한 인위적인 요인에 의해서도 변화될 수 있다. 자연적인 기후변화의 요인에는 태양의 흑점 활동 변화, 지구 공전 궤도와 자전축의 변화, 화산 활동, 엘니뇨 현상 등이 있는데, 이것들은 지구 표면에 도달하는 태양 에너지의 양을 변화시킨다. 인위적인 기후변화 요인에는 인간 활동에 의한 온실 가스의 증가와 오존층 파괴 등이 있는데, 현재의 지구 온난화에 가장 큰 영향을 주는 요인은 온실기체의 증가이며, 온실기체(대기 중의 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 등)의 증가는 온실효과를 증폭시켜 생태계의 교란과 해수면 상승과 같은 심각한 환경 변화를 초래하고 있다.

<논제 2>
전체 얼음의 질량과 수면 아래의 얼음 부피에 해당하는 물의 질량이 같다. 얼음은 수면 위에 정지해 있으므로 아무 힘도 받지 않고 있다. 정확하게 말하면 모든 힘의 합력인 알짜힘이 0인 상태이다. 분명히 얼음은 지구의 중력을 받고 있으므로 이 힘과 평형을 이루고 있는 다른 힘이 존재할 것이다. 이를 부력이라고 하는데 부력은 유체(기체나 액체)속에 있는 물체 양끝에서 유체의 압력 차이 때문에 물체와 유체 사이에 발생하는 힘의 쌍으로 정의된다. 얼음에 작용하는 부력의 크기는 수면 아래쪽의 얼음 부피에 해당하는 물에 작용하는 중력의 크기와 동일하다.

ⅰ) 얼음에 작용하는 중력 = 얼음에 작용하는 부력 (∵ 알짜힘=0)
ⅱ) 얼음에 작용하는 부력 = 수면 아래 얼음의 부피에 해당하는 물에 작용하는 중력 ∴ (단, m=전체 얼음 질량, =물 밀도, =수면 아래 얼음 부피, g=중력가속도) (단, =전체 얼음의 부피, =얼음의 밀도)
따라서 얼음 전체(A+B)의 질량과 수면 아래에 잠긴 부피(B)에 해당하는 물의 질량이 같으므로 얼음이 녹아도 수면의 변화는 없다.

<논제 3>
산소()와 질소()는 동족 이원자 분자로서 두 원자 사이에는 전기음성도 차이가 없기 때문에 쌍극자 모멘트는 0이다. 그러나 극성 분자인 물()은 원래 쌍극자 모멘트를 가지고 있고, 메탄()과 이산화탄소()는 분자가 진동했을 때 늘어남(stretching)과 굽힘(bending)을 통해서 일시적으로 쌍극자 모멘트를 가질 수 있다. 쌍극자 모멘트를 갖는 기체에서는 지구 복사 에너지와 같은 적외선을 흡수하여 진동, 회전 등의 모멘트 운동을 하게 된다. 따라서 적외선을 흡수하여 온실효과를 갖으려면 쌍극자 모멘트를 가져야 한다. , , 는 적외선을 흡수하여 에너지를 얻어 진동운동을 하면 굽힘이나 늘어남에 의해 구조가 바뀌는 쌍극자 모멘트를 갖는다. 즉 온실기체는 쌍극자 모멘트를 가지기 때문에 적외선을 흡수할 수 있으므로 온실효과를 나타낼 수 있다.

[총평] 대전과학고등학교 교사 윤마병
과학 논술의 시작은 다양하고 종합적인 사고로부터!!!

▲ 대전과학고등학교 교사 윤마병

과학은 자연 현상에 대한 호기심을 바탕으로 의문을 해결해 나가는 과정으로서 사고력과 창의적인 문제 해결력이 많이 요구되는데, 이러한 사회의 요구를 과학논술의 답안에서도 적극적으로 반영하여 표현해야 좋은 논술이 될 것이다. 주어진 제시문을 통해 내용을 파악하고 주제를 찾는다 하여도 다양한 사고를 통해 공통적 문제의식에 접근할 수 없다면 창의적인 글의 전개가 어려울 것이다. 아울러 이와 함께 심층적 분석력을 바탕으로 한 독창적인 해결 방법의 제시가 좋은 답안의 필수 조건일 것이다.

위 학생은 제시문을 통해 전체적으로 문제에 접근하여 풀어내는 사고능력이 우수하다. 우선 논제1에서 기후 변화의 원인으로서 자연과 인간에 의한 기후 변화 요인을 설명하면서 지구 환경의 위기 상황과 그 배경 자식을 제시한 점은 우수하다고 할 수 있다. 그러나 주어진 논제에 대한 다양한 사고를 통한 통합적인 사고 능력에 대한 보완이 필요하다.

논제2에서 빙산이 녹을 때 해수면의 변화가 없음을 증명하는 과정에서 수리적 전개와 설명이 적절하게 논술되었다. 수식의 사용과 전개 과정을 명료하게 기술하면 보다 더 좋은 논술이 될 수 있을 것이다. 수식에 대한 논리적인 설명과 전개가 필요하다.

논제3에서는 대기 기체의 쌍극자 모멘트에 대한 전문적인 지식과 종합적 사고력을 요구하는 내용으로서 쌍극자 모멘트를 갖는 기체들이 적외선을 흡수할 수 있음을 증명하고, 이러한 기체의 특성들이 지구 대기의 온실효과를 일으킨다는 사실을 깊이 이해하고 서술한 우수한 논술문이다. 그러나 기체 분자 구조를 시각적으로 표현하여 쌍극자 모멘트 개념을 좀 더 간결하고 명확하게 설명했다면 보다 더 우수한 답안이 될 수 있었을 것이다.