하늘을 날아가려면 비행기나 헬리콥터, 기구를 타면 됩니다. 부모님들과 비행기 타본 분들 많을거예요. 비행기는 엔진의 힘으로 앞쪽으로 빠르게 전진하면 커다란 날개에 맞바람이 부딪치면서 양력이라는 힘을 얻게되서 날 수 있는거죠.

위에 비행기는 무지무지 커다란 4개의 터보팬엔진이 앞쪽의 공기를 빨아들이면서 뒷쪽으로 엄청 빠르게 내뿜는 힘으로 전진합니다. 그리고 빠르게 전진하면 그만큼 맞바람이 쎄지겠죠? 그 맞바람이 날개에 부딪치면 위쪽으로 뜨는 힘이 생기는데 그 힘으로 하늘로 올라가게 됩니다. (저 엔진 뒷쪽에 사람이나 차가 서있으면 날라갑니다. 진짜임!!)

하지만 비행기는 우주를 날지 못해요. 왜 그럴까요? 높은 하늘을 날 수 있는 비행기가 왜 더 높은 우주를 날지 못할까?

 

바로 위 그림처럼 땅에서 10~20km 높이까지만 공기가 풍부하고, 그 이상의 높이에는 공기가 별로 없기 때문이죠. 비행기는 반드시 날개에 맞바람이 부딪쳐서 양력이란 힘을 얻어야 뜰 수 있습니다. 그런데 15~20km 높이쯤 되면 아무리 제트비행기라도 거의 날 수가 없어요. 공기가 부족해서 제트엔진이 내뿜는 바람도 부족해서 엔진이 꺼지고, 날개에 양력을 얻기도 힘들죠.

그렇지만 20km 이상의 높이에서 공기가 아예 없는건 또 아니랍니다. 30km 정도의 높이가 되면 거의 진공이나 마찬가지로 공기가 엄청 희박하지만, 아주 미세한 공기가 100km가 넘는 높이까지 주욱 펼쳐지게 되요. 높을수록 더 공기가 적습니다.

사람은 맨몸으로 20km 높이 이상까지 올라가면 대기권의 압력이 너무 낮아져서 피가 끓어서 죽게 됩니다!! 아주 높은 곳에 올라갈땐 꼭 보호복으로 몸을 감싸야만 해요. 마치 우주복처럼 생긴 여압복이란걸 입어야 합니다.

 

[ 얼마전에 기구타고 37km 높이의 성층권에서 스카이다이빙한 아저씨가 입었던 여압복 ]

그리고 에베레스트산처럼 아주 높은 산에 등산하려면 역시 공기가 부족해서 숨쉬기가 힘들어집니다. 그래서 7km 높이가 넘는 산에 올라가는 등산가들은 숨이 가빠져서 호흡이 힘들어질때 산소호흡기를 쓰기도 합니다.

 

우리가 사는 지구는 지표면에서 아주 가까운 곳에만 공기가 충분해서 우리가 숨쉬고, 비행기가 날 수도 있습니다. 하지만 땅에서 조금만 높이 올라가면 공기가 아주 희박해서 숨도 못쉬고, 더 올라가면 피가 끓어서 죽게 됩니다. 몸이 펑~터져서 죽진 않아요.

우주에는 공기가 없습니다. 그럼 30km 이상의 높이에선 공기가 거의 없는 진공에 가깝다고 하니까 여기서부터 우주라고 부르면 될까요? 그건 또 아닙니다. 사람들이 숨쉬거나 비행기가 날기엔 공기가 거의 없는거지만, 우주선이 날아다니거나 할때는 공기가 또 너무 풍부한 높이입니다. 우주선은 총알보다 10배 이상 빠른 속도로 날아가죠. 너무 빨라서 공기가 아주 희박해도 대기마찰이 생겨서 우주선 표면이 강철을 녹일 수 있는 온도보다 더 뜨거워집니다. 차를 타고 창문을 열어 손을 내밀어보면 빨리 달릴 수록 손바닥에 압력이 느껴지죠? 그 압력이 너무 커지면 뜨거운 열을 발생시킬 수 있습니다.

우주선은 어떻게 지구로 안떨어지고 우주를 날 수 있을까?

우주선이나 인공위성은 땅에서 300km 이상 높은 곳을 날면서 지구로 떨어지지 않고 고도를 유지하고 있습니다. 엔진을 켜놓은 것도 아니고, 그냥 그대로 있는데 어떻게 지구 중력에 끌려서 떨어지지 않고 있을까요?

 

지표면에서 공을 던지면 위 그림처럼 앞쪽으로 똑바로 날아가는게 아니라, 차차 지구중력에 끌려서 공은 땅으로 떨어집니다. 하지만 그냥 바로 밑으로 떨어지지 않고, 앞으로 날아가는 힘과 땅으로 떨어지려는 힘이 합쳐져서 포물선으로 떨어지죠.

공을 던진 힘은 일정해서 같은 속도로 공이 앞으로 날아가도록 하지만, 중력은 계속 작용해서 가속도를 내므로 아래로 떨어지는 속도는 계속 증가합니다.

 

만약 공을 수평선 방향으로 아주 빠르게 던지면 어떻게 될까요? 위 그림을 보면 지구는 둥글기에 어느정도 속도 이상으로 공을 던지면 중력에 의해 밑으로 떨어지면서 포물선으로 날아가는데 그 포물선이 지표면의 위로 형성이 되서 지구를 한바퀴 돌 수도 있습니다. 진짜로 그렇습니다! 내가 던진 공이 내 뒷통수로 날아올 수도 있다는 뜻이죠.

만약 1초에 8km를 수평으로 날아가는 공이라면, 1초 뒤에는 중력때문에 5미터 아랫쪽으로 떨어집니다. 포물선으로 날아가는거죠. 그런데 지구는 둥글기 때문에 8km를 수평으로 날아가면 사실은 5미터 더 높은곳으로 올라가는 셈이 됩니다. 결국 초속 8km으로 수평선을 향해 던진 야구공은 1초뒤에 5미터 높이가 높아지지만, 중력 때문에 5미터 높이가 떨어져서 서로 합하면 같은 높이에 위치하게 됩니다. 이것이 우주선과 인공위성이 우주를 날아다니는 원리입니다.

"인공위성은 지구중력에 끌려서 떨어지는 만큼, 지구가 둥글기 때문에 빠른 속도로 전진하면 고도가 높아져서 같은 고도에 머물게 된다."

총을 쏴봅시다. 총을 수평선을 향해서 쏘면 굉장히 빠르게 총알이 날아갑니다. 하지만 총알의 속도는 초속 1km가 채 안됩니다. 아까 위에서 말했듯, 초속 8km는 되어야 간신히 중력을 이기고 고도를 유지할 수 있습니다. 1km 날아가고서 총알의 높이는 중력 때문에 5미터 아래로 떨어지게 됩니다. 하지만 지구가 둥글기 때문에 수평으로 날아가도 총알의 높이가 상승해도 속도가 부족해서 효과는 고작 50cm 뿐입니다. 합하면 1초뒤에 총알은 4.5미터 아래로 떨어지고, 결국 땅에 떨어집니다.

이것 뿐만이 아니라, 총알은 암만 유선형으로 생겼어도 공기의 저항 때문에 속도가 금새 줄어들게 됩니다. 계속 초속 1km로 날아가도 떨어질 판인데, 속도 역시 금방 줄어드니까 더 빨리 떨어지고 멀리 못갑니다. 모든 물체는 공기가 풍부한 대기권에서는 빨리 날아갈 수록 공기와 마찰이 쎄기 때문에 열이 발생하고 압력을 크게 받아서 속도가 금새 줄어듭니다.

이번에는 군대에서 쓰이는 미사일을 쏴봅시다. 미사일은 처음엔 총알 속도보다 느리지만, 날아가면서 계속 연소하여 추진력을 얻기에 가속을 할 수 있습니다. 처음엔 느려도 차차 빨라져서 결국 초속 8km에 도달할 수 있을지도 모릅니다.

총은 발사할때 화약이 터지면서 한번에 힘을 줘서 총알을 빠르게 앞으로 밀어냅니다. 반면에 미사일은 쏘고 난뒤에 계속 연소하면서 가속까지 할 수 있죠. 총이나 대포와 달리 미사일은 스스로 가속을 할 수 있습니다. 그게 차이점이죠. 총알은 처음 쏠때 속도 보다 더 빨라질 수 없지만, 미사일은 쏘고난 뒤에 연소하는 동안 계속 속도가 빨라집니다.

하지만 저런 미사일은 연료를 그다지 많이 탑재하지 못합니다. 미사일은 고작 10초 남짓한 시간만 연소해서 그동안만 가속할 수 있습니다. 기껏해야 초속 1~2km 정도까지 속도를 낼 수 있습니다. 수평으로 쏴서 계속 같은 고도를 유지할 수 있는 초속 8km에 아직 많이 부족하고, 게다가 여전히 대기권에서 풍부한 공기 때문에 저항이 심해서 속도를 100% 다 내지도 못합니다.

총이나 미사일 모두 초속 8km의 속도를 내지도 못하고, 쏘는 장소가 지표면인 경우가 대부분이라서 빠른 속도 때문에 공기의 저항을 심하게 받아서 금새 감속되어 제대로 속도를 내지도 못합니다. 우주에서 쏜다면 공기저항이 없어서 최대속도를 유지할 수 있지만, 그래도 인공위성이나 우주선이 되기 위한 초속 8km에는 한참 부족합니다.

 

위에서 설명했던 공이 지구로 떨어지지 않고 계속 같은 고도를 날아다니는 우주선의 원리... 그것을 위해서는 두가지 조건이 필요하다는 것을 이제 어느정도 감 잡으셨죠? 바로 초속 8km의 엄청 빠른 속도와, 공기의 저항이 없어야 한다는 겁니다.

"우주선과 인공위성은 속도가 초속 8km 이상, 그리고 공기가 전혀 없는 곳에서 날아야 한다!"

우리 인류는 그래서 우주로 날아갈 수 있는 특별한 로켓을 만들기 시작했습니다. 미사일처럼 몇초만 연소하는게 아니라, 몇분 이상 연소할 수 있고, 연료를 엄청 잔뜩 탑재해서 무겁고 커다란 초특대형 미사일인 셈이죠. 그것을 우주 로켓이라고 합니다. 처음 이륙할때는 천천히 속도를 내지만 차츰 높이 올라가서 공기가 거의 없는 수십km 높이에 도달할 즈음에는 속도를 맹렬하게 내서 마지막에는 우주까지 올라가서 초속 8km에 가까운 속도까지 냅니다.

우주공간에는 공기가 없습니다. 그럼 만약 우주에서 총이나 미사일을 쏘면 공기 저항으로 인해서 속도가 줄어드는 일은 없겠죠? 맞습니다!! 우주선이나 인공위성이 우주를 날아야 하는 이유가 바로 이것이죠. 대기권에서는 암만 빨리 날아도 공기마찰만 더 쎄지므로 마찰열과 압력 때문에 이렇게 되고 맙니다.

 

위 그림은 인공위성이 아주 높은 300km 이상의 고도를 날다가 고도가 낮아져서 100km 이하로 내려오면 생기는 일입니다. 20~30km 고도만 올라가도 사람은 숨을 쉴 수도 없고, 거의 진공에 가까워서 대기가 희박하므로 빨리 날아도 대기마찰이 별로 없을것 같지만, 인공위성은 초속 8km에 가까운 속도로 날고 있으므로 그 엄청난 속도 때문에 매우 희박한 대기에 부딪쳐도 저렇게 엄청난 압력과 마찰열 때문에 불꽃이 나면서 강철도 녹일 정도의 온도에 불타면서 분해가 됩니다.

사실 초속 8km 속력이란게 얼마나 무섭냐면... 만약 비행기가 바로 우리 머리위에서 저런 속도로 날아가면 주변은 폭발하고 맙니다. 집들은 산산이 부서지고, 건물들의 유리창은 모두 깨지고, 운석이 지구에 충돌하면 핵폭탄과 비슷한 폭발이 일어나듯 작은 마을이 사라질 수도 있습니다.

가끔 하늘에서 전투기가 빠르게 날면서 "쾅~~" 하는 폭음과 함께 창문이 흔들리는걸 느꼈을겁니다. 그때 전투기는 고작 초속 0.3km의 속도로 몇km 이상의 고도를 날고 있는겁니다. 전투기가 초속 0.3km의 속도로 우리 머리 바로 위를 날아가면 건물의 유리창은 모두 깨집니다. 그 정도로 속도는 무서운건데, 인공위성은 무려 초속 8km 입니다.

우주는 몇km 고도부터 우주라고 부르나?

이제 우주는 어느 고도부터 우주라고 부르는지 알아봅시다. 흔히 지표면에서 100km 이상의 고도를 우주라고 칭합니다. 그런데 이건 국제우주기구에서 그냥 상징적으로 정한거예요. 100km 고도에서도 아주 미세하지만 대기권이 있어서 대기마찰로 우주선이나 인공위성이 100km 고도로 날면 몇일도 못되서 지구로 추락합니다.

200km 고도를 날면 어찌될까요? 여기도 안전하지 못합니다. 1~2주일간 지구를 빙빙 돌다가 결국 추락합니다. 대기권은 갑자기 사라지는게 아니라 아주 높은곳까지 서서히 줄어들면서 펼쳐져 있기 때문이죠. 물론 이 정도 대기라면 거의 진공이라고 하겠지만 우주선과 인공위성이 초속 8km로 날아가는것을 감안하면 아주 엷은 대기도 대기마찰이 꽤 크다는거죠.

진짜 우주선이나 인공위성은 보통 300km 이상을 날고 있습니다. 300km 이상의 고도에서는 대기가 정말 정말 거의 희박하지면 그래도 여기에서도 몇달, 1년 정도면 조금씩 지구로 추락할 우려가 있어서 위험합니다.

우주정거장은 거의 400km 가까운 높이를 날고 있어요. 여기도 조금 위험합니다. 가끔씩 다른 우주선이 가서 위로 밀어붙여서 고도가 조금씩 떨어지는걸 막아주죠.

600km 고도를 돌고 있는 우리나라 인공위성이 몇개 있습니다. 얘네들은 4~5년은 지구를 돌다가 결국 아주 아주 아주 아주 극히 희박한 대기마찰로 지구로 추락할 운명입니다.

1,000km 높이쯤 되면 거의 수백년 가량 지구로 추락 안할 수 있을겁니다.

우주로켓 쏘는 아저씨들은 가장 낮은 우주공간의 경계선을 200~300km 고도 정도로 보고 있습니다. 하지만 아까도 말했듯 상징적인 의미로 우주는 100km 이상의 높이 입니다. 100km로 인공위성이 돌면 몇일내로 지구로 떨어지지만 뭐 그렇습니다.

정확히 말하면, "우주선, 인공위성은 지구를 200km 이상의 고도에서 초속 7.8km 정도로 돌고 있습니다."

저런 속도와 고도를 모두 만족할때, 진정한 우주선이나 인공위성이라고 부릅니다. 둘 중에서 하나만 부족해도 금새 지구로 추락하기에 우주에 완벽히 진입한게 아니라 그냥 우주맛만 보는거라고 하죠.