기체 분자의 구조

태양계 행성의 대기는 가벼운 기체 성분의 물질이 만유인력에 의해 행성에 붙잡혀 있으면서 형성된 것이다. 대기를 구성하는 주된 기체 성분은 헬륨, 아르곤, 수소, 질소, 산소, 이산화탄소 등이다. 수많은 원소 중 이처럼 대기를 구성하는 원소가 한정되어 있는 것은 이 원소들이 다른 원소들과는 달리 기체 상태로 존재하기가 쉽기 때문이다. 그 까닭은 원소들의 분자 구조를 확인해 보면 알 수 있다. 먼저 헬륨과 아르곤은 비활성 기체로 다른 물질과 잘 반응하지 않고 안정된 상태를 유지한다. 따라서 이 원소들은 한 개의 원자 상태에서도 쉽게 기체 상태로 존재한다. 한편, 수소, 산소, 질소와 같은 분자들은 전자를 끌어당기고 있는 두 개의 원자핵의 힘이 동등하다. 이 때문에 전자들이 두 원자핵 주변에 균일하게 분포하여 전기적으로 중성을 띠게 되어 무극성 분자가 된다. 따라서 분자들 사이에 서로 끌어당기는 힘이 약해 아주 낮은 온도에서도 기체 상태로 존재한다. 이산화탄소는 탄소 원자 한 개와 산소 원자 두 개로 이루어진 직선형의 구조이다. 같은 원소로 구성되어 있지는 않지만 양쪽에서 전자를 끌어당기는 힘이 균형을 이루면서 전기적으로 중성을 띠게 되어 비교적 낮은 온도에서도 기체 상태로 존재한다. 그러나 물은 산소 원자 한 개와 수소 원자 두 개가 굽은 형태로 존재하여 전기적으로 불균등한 분포를 가지게 되어 수소 결합을 한다. 이 때문에 물 분자 사이에 작용하는 전기적인 힘은 다른 분자보다 커서 상온에서 쉽게 기화하지 못하고 액체 상태로 존재한다. 즉, 분자 간에 끌어당기는 에너지가 큰 물질은 끓는점이 높아 기체 상태가 되기 어렵다. 반면에 끓는점이 낮은 수소, 산소, 질소 등은 다른 물질보다 쉽게 상온에서 기체 상태로 존재한다. 대기를 구성하는 기체 분자들은 모두 빈 공간을 빠르게 움직이고 있으므로 운동 에너지를 가지고 있다. 이 에너지로 나타나는 기체 분자의 운동 속도가 행성의 탈출 속도보다 빠를 때는 기체 분자가 행성의 대기에서 벗어나 우주로 사라지지만, 그렇지 못할 때는 행성의 대기로 남는다. 그렇다면 기체의 운동 속도에 영향을 주는 요인에는 어떤 것이 있을까? 먼저 기체 분자의 분자량이 있다. 분자량은 같은 개수의 분자들이 갖는 질량을 상대적으로 나타낸 것이다. 따라서 분자들의 분자량을 비교하면 기체 분자의 종류에 따라 상대적으로 가볍거나 무거운 것을 알 수 있다. 기체 분자의 운동은 일반적인 물체의 운동과 비슷하다. 물체의 운동에서 같은 양의 에너지를 물체에 가했을 때 물체가 움직이는 속도는 질량이 가벼울수록 크며, 무거울수록 작다. 이와 마찬가지로 기체 분자의 운동에서도 기체 분자의 분자량이 작을수록 속도가 크고, 분자량이 클수록 속도가 작다. 분자량이 가장 작은 수소 분자의 움직임이 가장 빠르다. 이 때문에 수소와 같이 가벼운 원소로 구성된 대기를 갖기 위해서는 행성의 중력이 커야 한다. 기체의 운동 속도에 영향을 주는 또 다른 요인은 기체의 온도이다. 예를 들어 공기를 가득 채운 풍선의 온도를 올려 주면 풍선은 부피가 증가한다. 풍선의 부피가 증가하는 것은 풍선 안의 기체가 밖으로 미는 힘인 압력이 커지기 때문이다. 이것은 풍선 안에 있는 기체 분자의 움직임이 활발해지면서 풍선 안쪽 벽에 더 큰 힘으로, 더 자주 충돌하면서 나타나는 현상이다. 즉, 풍선 안에 있는 기체 분자들의 운동이 더 빨라진 것이다. 이와 같이 기체 분자는 온도가 높을수록 빠르게 움직이며, 온도가 낮을수록 느리게 움직인다. 따라서 기체 분자의 운동 속도는 일반적으로 분자량이 작을수록 크며, 온도는 높을수록 크다. 행성이 어떤 성분의 대기층을 가질 수 있는가 하는 조건은 결국 기체 분자의 분자량, 행성의 표면 온도, 행성의 탈출 속도와 관계가 있다. 행성 대기의 상층부에 존재하는 기체 중 탈출 속도가 큰 원소는 머무르지 않고 우주 공간으로 날아가며, 탈출 속도가 작은 원소만 남아 대기층을 형성한다. 지구형 행성은 목성형 행성보다 크기와 질량이 작고 평균 온도는 높다. 따라서 지구형 행성의 대기에는 탈출 속도가 큰 수소나 헬륨 등은 거의 없으며, 질소, 산소, 이산화탄소 등이 대부분이다. 한편 목성형 행성은 지구형 행성보다 크기와 질량이 크고 평균 온도는 상대적으로 낮다. 따라서 목성형 행성에는 수소와 헬륨 등으로 이루어진 대기층이 존재한다. 태양계의 행성 중 가장 큰 목성은 지구 질량의 약 300배가 넘지만, 태양의 질량과 비교하면 0.1%도 되지 않는다. 이처럼 태양은 태양계 전체 질량의 대부분을 차지하면서 태양계의 모든 천체들에 커다란 영향을 주고 있다. 태양이 각 천체들에 주는 영향 중 가장 대표적인 것은 태양에서 방출하는 태양 복사 에너지이다. 태양은 과거 수십억 년 동안 현재와 같은 양의 태양 복사 에너지를 계속 방출해 왔다. 태양이 이처럼 오랜 시간 동안 태양 복사 에너지를 방출할 수 있었던 것은 태양의 대부분을 구성하는 수소의 핵융합 반응 때문이다. 수소의 핵융합 반응 과정에서 수소 원자 4개는 여러 단계의 반응을 거쳐 헬륨 원자 1개로 만들어지면서 질량이 감소한다. 이때 감소한 질량이 막대한 양의 에너지로 변환되면서 태양 복사 에너지가 생성되는 것이다. 현재 태양에서 방출하는 태양 복사 에너지량은 매초 약 4.10J 정도이다. 태양 복사 에너지 중 지구가 흡수하는 양은 그 중 일부에 불과하지만, 이를 석탄에 비유하면 1분에 약 4억 톤의 석탄을 태울 때 만들어지는 에너지량과 같을 정도로 매우 크다. 지구 상의 모든 생물들은 태양에서 오는 빛과 열을 이용하여 살아간다. 지구의 표면에서 일어나는 날씨 변화, 해류와 대기의 순환, 암석의 풍화 등도 태양 복사 에너지에 의해 일어나는 현상이다. 이와 같이 태양 복사 에너지는 지구 환경의 변화를 일으키는 원동력이 된다. 우리도 생활에 필요한 에너지의 대부분을 태양에 의존한다. 예를 들어 우리가 먹는 음식은 광합성을 통해 식물에 축적된 태양 복사 에너지를 간접적으로 흡수하는 것과 같다. 또 태양 복사 에너지를 이용하면서 살던 생물의 유해 중 일부가 땅속에 묻혀 만들어진 화석 연료를 사용하는 것도 태양 복사 에너지를 이용하는 것이다. 이처럼 태양 복사 에너지는 그림 12와 같이 다양한 형태로 전환되면서 우리 생활에 필요한 에너지를 공급해 준다.