| 땅속에서 우주를 넘나드는 프론티어 지구환경과학 |
| 천문, 대기, 지질, 해양, 지구시스템의 종합 |
| 글 | 이동규/서울대 지구환경과학부 학부장ㆍdklee@snu.ac.kr |
지구환경과학은 땅속에 우주까지 우리를 둘러싼 다양한 환경에 대해 촌음에서 영겁까지 다양한 시간에 이뤄지는 일을 연구하는 기초과학분야다. 첨단기술을 바탕으로 급속히 발전하고 있는 지구환경과학을 만나보자.
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1. 지구환경과학이란?
지구 온난화, 기상 이변, 성층권 오존구멍, 사막화, 생태계 파괴, 산성비, 엘리뇨와 라니냐 등 지구환경문제에 대한 사람들의 관심은 이제 일상생활의 한 부분이 됐다. 소행성 충돌이나 거대한 지진과 화산의 폭발, 해일, 환경파괴로 인한 암울한 인류의 미래 등은 SF 영화의 주요 소재로 사용되고 있다.
이러한 지구환경문제는 다양한 의문을 제시하고 있다. 이와 같은 가공할 일들이 실제 벌어지는가. 왜 과학자들은 이러한 문제들을 좀더 잘 이해하지 못하는가. 과학자들은 미래를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가.
지구는 생명의 행성이다. 우리가 어떻게 해야 지구를 지속적으로 생명의 행성으로 유지시킬 수 있을까 하는 중대한 문제는 지구환경과학이 해결해야 할 최우선의 과제다. 끝을 헤아리기 어려운 광대한 우주의 한 구성원으로서의 우리 행성인 지구는 대기권, 수권, 지권으로 이뤄진 하나의 시스템이다. 이들 구성 요소들은 끊임없이 서로 연결돼 지구를 생명의 행성으로 만들어내고 있다. 이러한 문제를 푸는 학문은 상아탑에 갇혀 있지만은 않고 우리 일상생활과 밀접한 관계를 가진다. 지구환경의 문제를 다루는 중심학문이 바로 지구환경과학이다.
지구환경과학은 지구의 대기권, 수권, 지권의 구성물질과 이들의 순환과 변화의 이치를 이해하고, 지구 자연환경의 형성과 변화를 분석·예측하는 자연과학의 한 영역이다. 지구, 우주, 생명의 기원, 그리고 지구환경의 형성과 변화를 파악하기 위해 지구뿐만 아니라 우주공간을 연구대상으로 한다. 분자규모에서 우주공간규모에 이르기까지 다양한 규모의 운동계와 물질계의 물리·화학적 생성, 진화, 소멸, 그리고 이들 사이의 상호작용을 기초과학의 이해를 바탕으로 응용과학기술을 도입해 진단·예측·복원하는 방안을 제시한다.
지구환경과학은 지구와 지구 바깥의 모든 천체의 기원과 진화를 이해하는 천문학, 지구대기의 물리·화학적 상태와 운동을 이해하는 대기과학, 지구물질과 에너지의 순환과 기원 그리고 진화를 이해하는 지구시스템과학, 해양의 구성물질에서 물리적 순환과 자원을 이해하는 해양학을 포함하는 종합학문 영역이다. 우리 지구에 흥미를 느껴 공부하는 학생들은 각자의 관심의 초점에 따라 지구의 구성요소 각각을 좀더 집중적으로 공부한다. 즉 지구시스템과학, 대기과학, 해양학, 천문학을 전공으로 선택한다.
2. 무엇에 사용되나요?
우리가 살고 있고, 필요한 자원을 얻고, 지켜야할 곳은 하나밖에 없는 지구이다. 아주 먼 미래에 인류의 과학이 발달해 태양계 내 다른 행성으로 인간이 살아갈 공간이 확대된다 해도 생명의 원천인 고향행성으로서 그 중요성은 변하지 않을 것이다.
첨단 전자산업이나 석유화학산업은 어떤 형태든 지구자원을 이용하지 않고는 존재할 수 없다. 인류가 이용하는 자원의 종류나 형태는 시대의 변천과 함께 변해왔으며, 현대 산업사회에는 지구환경의 보전을 전제로 한 지구자원의 이용에 주력하고 있다. 따라서 석탄, 석유, 천연가스와 같은 지하나 해저로부터 물질적 자원에서 태양열, 지열, 풍력 등 자연환경 자체나 푸른 지구를 만들기 위한 지하공간 등으로 지구자원의 개념도 획기적으로 변화하고 있다.
또 지구환경과학은 대기오염, 해양오염, 폐기물 등으로부터 지구환경을 보전하기 위한 과학적 방법을 제시한다. 슈퍼컴퓨터 등 고성능 컴퓨터를 이용해 수치모형실험을 함으로써 엘니뇨, 지진, 태풍, 호우, 이상기후를 예측해 미래의 지구상태를 예측할 수 있다. 이러한 결과들은 국가 경제에 이바지하고 사회정책의 방향을 설정하는데 매우 중요하게 활용된다.
이 때문에 엘니뇨현상과 같이 바다의 대규모 운동과 변화가 지구기후에 미치는 영향을 이해하고 앞으로의 진행 사항을 예측하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 온실기체인 이산화탄소의 거대한 저장고 역할을 하는 바다 등 지구 전체를 유기적인 시스템으로 파악하는 일은 지구온난화를 비롯한 장기적인 변화에 대처하는 중요한 문제에 이용한다. 한편 지구환경과학은 국토이용개발사업, 배타적 경제수역 등 국가 간의 문제 해결에 필요한 자료를 제시한다.
최근 발달된 첨단 수신기와 대형 망원경, 우주 망원경 등을 사용해 먼 우주의 천체들을 관측할 수 있고, 이를 통해 우주와 은하의 기원 등 인류의 궁극적 의문을 풀어갈 수 있게 됐다. 우주선에 의한 태양계 탐사가 지난 수십년 간 진행돼 왔고, 최근 외계 행성계와 생명체에 대한 관심이 높아지면서 행성의 기원, 나아가 생명체의 기원에 대한 연구가 주목을 받고 있다.
3. 어디에 있어요?
최근 종합대학교의 대기과학과, 지질학과 또는 지구시스템과학과, 해양학과, 천문학과들이 일부 또는 모든 학과가 지구환경과학부로 합병돼 학문의 연계성과 위상을 높이는 추세다. 지구환경과학부는 응용성이 넓은 자연과학으로서 종합대학교의 자연과학대학 또는 이과대학에 주로 소속돼 있다. 종합대학교의 사범대학과 한국교원대 등의 지구과학교육학과에서도 다룬다. 지구환경과학부 또는 학과체제로 있는 경우에는 그 산하에 천문전공, 대기전공, 지구시스템과학전공, 해양전공 또는 이 일부로 구성돼 있다.
대기과학 관련 학과로 대기과학과, 천문대기과학과, 환경대기과학과, 대기환경과학과 등이 있으며 강릉대, 경북대, 공주대, 부경대, 부산대, 서울대, 연세대에 관련학과가 있다. 지구시스템과학 관련학과로 지구시스템과학과, 지구환경과학과, 지질학과 등이 있으며 강원대, 경북대, 경상대, 고려대, 공주대, 대전대, 부경대, 부산대, 서울대, 안동대, 연세대, 전남대, 전북대, 충남대, 충북대에 관련학과가 있다.
해양학 관련 학과로 해양학과, 해양과학과, 해양공학과 해양정보과학과, 해양환경학과 등이 있으며 강릉대, 경상대, 군산대, 동아대, 목포대, 목포해양대, 부경대, 부산대, 서울대, 인하대, 여수대, 전남대, 제주대, 조선대, 충남대, 충북대, 한국해양대, 해군사관학교에 관련학과가 설치돼 있다.
천문학 관련 학과로 천문학과, 천문대기과학과, 우주과학과, 천문우주과학과가 있으며 경북대, 경희대, 부산대, 서울대, 연세대, 충남대, 충북대에 관련학과가 있다.
4. 뭘 배우는데요?
수학, 물리학, 화학, 생물학, 전산학의 기본지식을 바탕으로 해 대기과학, 지구시스템과학, 해양학, 천문학 내의 다양한 분야에 대해 배운다.
대기과학에서는 첫째로 대기수치모형, 대기의 종관-역학적 구조, 태풍, 중·단기 기상예보, 중규모 기상현상에 관한 예보분야가 있다. 둘째로 기후시스템과 모형, 기후예측과 장기예보, 기후변화, 기후분석과 진단, 기후와 고기후를 다루는 기후분야가 있다. 셋째로 미기상과 국지기후, 대기복사와 대기화학, 환경기상, 항공기상, 농업·임업과 산악기상, 산업과 생활기상 정보, 기후변화 요소의 관측과 분석 등 응용기상분야가 있다. 넷째로 기상분석에 위성자료를 이용하는 원격탐사, 기상위성에 사용되는 원격탐사 장비, 고층대기의 특성과 감시, 수문과 레이더 활용, 물리기상과 기상조절, 기상관측기 등 원격탐사분야가 있다. 다섯째로 해양기상 관측과 조사, 해양기상의 특성과 예보, 대기와 해양의 상호작용, 극지기상, 해양 기상재해 예방 등 해양기상분야가 있다. 끝으로 대기 내 주요 온실기체 상황의 관측과 분석, 대기질과 대기복사 관측, 산성비 관측과 대기화학성분 분석 등 대기환경분야가 있다.
지구시스템과학에서는 첫째로 행성물질과 순환에 관해서는 행성구성물질과 분화과정, 지구구성물질의 화학적·생화학적 순환과 지구자원의 생성과정을 다루는 분야가 있다. 둘째로 지구시스템진화에 관해서는 지구 고환경 추적, 지구상 생물의 진화과정, 화석과 지구시스템환경변화 요인을 분석하는 분야가 있다. 셋째로 지구동력시스템에 관한 분야로 지각구조와 응력장, 지진과 화산의 메커니즘, 지구중력장과 지구자기장, 그리고 지구물질의 변성과 온도-압력 관계를 공부한다. 넷째로 지구정보시스템과 지구원격탐사분야에서는 지구환경종합정보시스템 구축과 지구환경모니터링, 그리고 지구재해 예측에 관해 배운다. 다섯째로는 지구시스템환경과 관련해 토양과 지구내부 오염 진단과 정화, 지구내부공간 이용, 지구재해 원인 분석과 예지, 그리고 오염원소 농집과 분산을 다룬다.
해양학에서는 첫째로 해류, 파도, 조석 등과 같은 바닷물 자체의 움직임과 관련된 내용과 이를 통한 엘니뇨, 지구온난화, 파랑과 폭풍해일 등의 연구를 한다. 둘째로 바다 속에 서식하는 아주 작은 미생물에서부터 덩치가 큰 포유동물에 이르기까지 바다 생물을 그 연구 대상으로 연구하고 있는 해양생물학의 연구가 있다. 셋째로 바다의 밑바닥을 구성하는 물질과 지형, 그리고 여기에 남겨진 과거의 역사적 기록 등을 다루는 연구가 있다. 끝으로 해수 중의 용존 원소와 인간의 활동으로 인해 대기 중으로 방출된 이산화탄소, 메탄, 질소화합물, CFC 등을 이용한 지구온난화와 해수순환 연구와 해양생물을 이용한 신약 개발과 분자생물학적 연구가 있다.
천문학에서는 첫째로 우주의 기원, 거대 구조와 진화 등을 이해하기 위해 우주배경복사, 은하들의 거시적 공간 분포와 속도장, 대규모 우주 진화의 모의 실험을 하고 있는 우주론이 있다. 둘째로 국부 은하군에 있는 은하들의 항성과 성단, 그리고 성간물질을 관측해 이 은하들의 진화 과정을 조사하고 있는 외부은하 연구가 있다. 셋째로 성단의 관측을 통해 이들의 생성과 진화에 관련된 연구를 하고 있는 우리 은하 연구가 있다. 넷째로 희박한 성간물질의 물리적 특성, 거시적 분포, 위상 변화 등에 관한 관측 및 이론 연구를 통해 은하 규모의 에너지 및 물질 순환을 밝히는 성간물질 연구다. 끝으로 별들의 스펙트럼 관측을 통해 항성의 화학조성비를 밝히는데 역점을 두고 있는 항성과 태양 연구가 있다.
5. 어떤 학생을 원하나요?
지구환경과학은 천문우주학, 지구시스템과학, 대기과학, 해양학으로 이뤄진 종합 학문분야다. 공간적으로는 인간을 둘러싸고 있는 모든 환경을, 시간적으로는 과거, 현재, 그리고 미래를 그 관심의 대상으로 하고 있다. 개개의 분야들은 무척이나 세분화돼 있으면서도 동시에 분야끼리 상호 유기적인 관계를 맺고 있는 것이 특징이다.
따라서 지구환경과학 분야는 작은 파도와 바람의 움직임을 놓치지 않는 섬세함과 우리 인간 존재의 근원인 우주의 움직임까지 볼 수 있는 거시적인 안목을 겸비하고, 다양한 현상을 탐구적·종합적·체계적으로 연구하는 학생을 원한다. 지구환경과학에 도전하는 학생들은 지구를 둘러싼 여러 현상들이 다양한 시간적·공간적 범위를 갖는 점을 감안해 끈질긴 인내력과 이를 과학적으로 해석하기 위한 깊은 사고력이 필요하다. 고정된 관점이나 사고가 아닌 독창적인 이론의 제시와 이를 증명하기 위한 노력을 마다하지 않는 창의력과 도전 정신도 지녀야 한다. 그리고 지구와 우주, 인간에 대한 무한한 사랑과 열정을 가져야 한다.
지구환경과학은 수학, 통계학, 물리학, 화학, 생물학 등 모든 기초과학을 토대로 한 종합과학이므로 기초과학의 원리와 연구방법에 대한 기초 지식을 잘 터득할 필요가 있다. 동시에 여러가지 첨단 탐사장비와 분석기기, 고성능 컴퓨터 등 최첨단 과학기술을 응용하는 분야이므로 최신 기술을 수용하고 활용할 수 있는 준비와 노력이 요구된다.
전공에 따라서는 야외에서 오랜 관찰과 실습을 필요로 하는 분야도 있기 때문에 건강한 신체를 유지할 필요도 있다. 물론 건강한 신체를 보유하지 않은 사람들도 수치해석, 모델 운영 등을 통해 다양한 현상을 이론적으로 해석하는 일을 중심으로 할 수 있기는 하다. 지구환경과학은 다른 학문 분야에 비해서 알려진 것보다는 여전히 모르는 것이 더 많은 개척할 여지가 무한한 학문영역이다. 인간 존재의 궁극적인 질문에 과학적으로 도전하는 프론티어 정신과 지구환경을 지키려는 학생들은 도전해보자.
6. 졸업 후 진학은 어떻게 되요?
지구환경과학은 인간의 생존과 관련된 근본적인 학문으로 아주 오래 전부터 연구돼 왔다. 사실 인류 문명이 만들어지면서부터 항상 주목해 온 학문영역이면서도 여전히 크게 주목받지 못하는 분야로 남아있었다. 그런데 사회적·경제적 수준이 어느 정도 높아짐에 따라 이 분야의 연구와 개발 중요성에 대한 인식이 보편화되면서 많은 투자가 이뤄지고 있다.
지구환경과학은 선진국일수록 발전된 학문 분야이다. 지구환경에 대한 관심이 급격히 증가함에 따라 지구환경과학을 전공한 학생들 중 많은 학생들이 대학원 진학을 통해 좀더 깊은 학문연구를 수행하고 있다. 국내에서도 우수한 교수진과 훌륭한 연구시설을 바탕으로 연구능력이 크게 향상돼 석사·박사학위 수여자를 많이 배출하고 있다. 아울러 국제적으로 저명한 학술지에 발표하는 논문 수도 급격히 증가하는 추세에 있다.
좀더 다양한 경험과 연구를 위해 해외로 진출하는 경우도 꾸준히 증가하고 있다. 미국 명문 대학들을 비롯해 영국, 독일, 프랑스, 일본, 캐나다 등의 유수 대학교의 지구환경과학 분야에 유학하는 학생들이 증가하고 있다. 또한 대학뿐만 아니라 미항공우주국(NASA) 등 세계적인 해양학·천문학·대기과학·지구시스템과학 연구소들이 유학과 연구를 병행할 수 있는 체계를 갖추고 있다.
특히 경제·사회의 발전과 함께 많은 국가들이 지구환경과학 분야의 전문인 수요가 크게 증가할 것으로 예측하고 있다. 우리나라도 이제 선진국 진입의 길목에 있으므로 향후 대기과학·지구시스템과학·해양학·천문학 분야의 수요가 크게 요구될 것이다. 따라서 졸업 후의 국내외 진학은 다른 학문영역보다 전망이 밝다.
7. 취업은 어떻게 이뤄지나요?
지구환경과학분야는 삶의 질에 대한 관심이 높아짐에 따라 급속하게 발전하고 있으며, 경제·사회의 발전과 함께 국가 기관, 연구소, 기업체, 방송국 등 다양한 분야에서 전문인력을 요구하고 있다. 졸업 후 국내와 국외의 대학원에 진학하고 학계로도 진출하며 정부, 기업체, 연구기관뿐 아니라 특히 대기업에서 이 분야의 연구인력 확보에 노력하고 있다.
좀더 구체적으로 알아보면 정부 기관으로는 과학기술부, 환경부, 통상산업부, 해양수산부, 보건복지부, 기상청이 있다. 연구기관에는 기상연구소, 한국과학기술원, 해양연구소, 환경개발원, 국립환경연구원, 한국지질자원연구원, 한국해양연구원, 한국원자력연구원, 한국원자력안전기술연구원, 기초과학지원연구원, 한국천문연구원, 한국항공우주연구원, 한국과학기술정보연구원, 자연사박물관, 국립수산과학원, 국립해양조사원, 해양경찰청, 한국건설기술연구원, 한국해양수산개발원, 한국전자통신연구원, 표준과학연구원, 한국정보과학기술원, 전파연구소, 국방과학연구소, 국립지리원, 국립천문대 등이 있다.
산업체로는 현대, 삼성, 대우, LG 등 종합상사, 현대건설, 한국전력, 한국전력기술, 한화에너지 등과 같은 대기업이 있다. 한국석유개발공사, 한국수자원공사, 농업기반공사, 광업진흥공사, 가스공사, 토지개발공사, 한국전력공사 등 공기업도 있다. 공중파 및 케이블 TV 방송국, 신문사의 기상센터, 과학부, 산업부 등 언론계에서 기자로 활동할 수 있다. 이 외에도 수백개의 각종 컨설팅 회사가 있다.
현재 지구환경에 대한 관심이 커지면서 환경 보존 기술관련 벤처 기업이 증가하는 추세이며, 지구환경 변화가 기업의 이익에 직결됨에 따라 많은 대기업에서도 지구환경과학관련 부설 연구소를 운용하면서 큰 관심을 보이고 있다. 지구환경과학분야 졸업생들은 졸업 후 바로 이들 기관에 취업할 수 있다. 국내에서 석사·박사 학위를 취득한 학생들은 국외의 주요 대학교와 연구소에서 연구원 등의 연구경력을 쌓고 국외에 남거나 우리나라로 돌아와 관련연구기관들에 취업한다.
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