우주는 얼마나 추울까? 태양은 얼마나 뜨거울까? 두 질문 모두 훌륭하다. 우리가 살고 있는 지구는 온화한 서식지이지만 지구가 속한 태양계는 극단적인 온도로 가득 차 있다. 태양은 중심부가 약 1500만℃, 표면 온도가 약 6000℃에 이르는 가스와 불의 덩어리이다. 한편 우주의 온도, 즉 지구의 따뜻한 대기에서 벗어나 충분히 멀리 떨어진 우주의 온도는 평균적으로 –270℃를 맴돈다.

하지만 어떻게 한 은하의 어떤 부분이 불타고 있는데 다른 부분은 얼어붙을 수 있을까? 과학자들은 오랫동안 이 영원한 역설에 대해 숙고해 왔다.

여기에는 타당한 설명이 있다. 열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동하는 에너지의 적외선 파동인 ‘복사’로 우주를 이동한다. 복사파는 자신과 접촉하는 분자들을 자극하여 가열한다. 이것이 열이 태양에서 지구로 이동하는 방법이지만, 문제는 복사는 진행 경로에서 직접적으로 접촉하는 분자와 물질만 가열한다는 것이다. 다른 모든 것들은 차가운 상태를 유지한다. 미 항공우주국(NASA, 나사)에 따르면 수성의 야간 온도는 복사에 노출되는 낮보다 약 538℃ 낮아질 수 있다.

지구와 비교해 보면 지구에서는 그늘에 있거나 심지어 어떤 계절에는 밤의 어둠 속에 있어도 주변의 공기가 따뜻하게 유지된다. 열이 한 가지 방법이 아닌 전도, 대류, 복사라는 세 가지 방법으로 우리의 아름다운 푸른 행성 전체를 이동하기 때문이다. 태양 복사가 대기의 분자를 자극하고 데우면 주변 분자에 여분의 에너지가 전달된다. 그다음 그 분자들은 이웃한 분자와 부딪혀 가열된다. 이렇게 분자에서 분자로 열이 전달되는 것을 전도라고 하며 태양 경로 이외의 영역을 따뜻하게 하는 연쇄 반응이다.

그러나 우주는 진공 상태이다. 즉, 기본적으로 비어 있다. 우주의 가스 분자는 너무 적고 서로 멀리 떨어져 있어서 규칙적인 충돌이 일어나지 않는다. 따라서 태양이 적외선으로 가열하더라도 전도를 통해 열을 전달하는 것은 불가능하다. 마찬가지로 대류(중력이 존재하는 곳에서 발생하는 열전달의 한 형태)는 지구 전체에 온기를 분산시키는 데 중요하지만 무중력 공간에서는 발생하지 않는다.

NASA의 다트 프로젝트 열 엔지니어인 엘리자베스 아벨은 우주에서의 장기 항해를 위한 차량과 장치를 준비하면서 이러한 것들에 대해 생각한다. 그는 특히 파커 태양 탐사선 작업을 할 때 그러했다고 말한다.

이름으로부터 추측할 수 있듯이 파커 태양 탐사선은 태양을 연구하는 NASA의 임무 중 하나이다. 이것은 태양의 코로나(별의 대기 가장 바깥층)를 확대하여 데이터를 수집한다. 2021년 4월, 탐사선은 태양과의 거리 1300만km까지 다가갔는데 이로써 현재까지 태양에 가장 근접한 우주선이 되었다. 탐사선의 한쪽 면에 투사된 방열판 덕분에 가능한 일이었다.

아벨은 “그 방열판의 역할은 태양 복사가 우주선의 어떤 것에도 영향을 주지 못하게 하는 것”이라면서 “그러므로 방열판이 태양의 극심한 열(약 121℃)을 경험하는 동안 우주선 자체는 –150℃ 정도로 훨씬 더 차갑다.”라고 말했다.

아벨은 소행성과 충돌하여 소행성의 궤도 이탈을 유도하도록 설계된 소형 우주선 다트의 수석 열 엔지니어로서 먼 우주에서 온도를 관리하기 위해 실용적인 조치를 취한다. 차가운 공허와 태양의 끓는 열 사이의 극심한 온도 변화는 아주 특별한 도전을 하게 한다. 우주선의 일부 부품은 합선을 방지할 수 있을 만큼 냉각해야 했고 다른 부품은 작동할 수 있을 만큼 충분히 따뜻하게 유지하기 위해 가열 요소가 필요했다.

수백 도의 온도 변화에 대비하는 것이 어렵게 들릴 수 있겠지만 그러한 온도 변화는 우주의 일상이다. 정말로 이상한 것은 지구이다. 극도로 춥고 불같이 뜨거운 가운데 우리의 대기는, 적어도 지금은 놀라울 정도로 온화한 상태를 유지하고 있다.

만일 지구에서 열전도와 대류가 일어나지 않는다면 열은 오직 복사를 통해서만 전달되며 지구 전체에 고르게 퍼지지 못할 것이다. 태양을 향해 있는 지구의 한쪽 면은 매우 뜨거워지는 반면 반대쪽은 아주 차가워질 것이다. 극심한 기온 차이는 공기가 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 이동하게 하며 강한 바람을 생성할 수 있다. 뜨거운 쪽의 공기는 강한 열기로 인해 건조해지고 차가운 쪽의 공기는 습기를 머금을 것이다. 이는 양쪽 면의 극명한 기후 차이를 유발할 수 있다.

바닷물 역시 따뜻한 쪽은 염분이 높고 밀도가 높아져 바닥으로 가라앉으며 차가운 쪽은 상승하게 된다. 결국 지구에 열전도와 대류가 없다면 우리의 별은 훨씬 극단적이고 예측할 수 없는 기후 속에 생태 안정성을 잃어버릴 수 있다.

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다. 

/글 DONAVYN COFFEY & 이가영 기자