대입 문제 뽀개기. 2016학년도 연세대학교 지구과학 논술

‘대입 문제 뽀개기’ 시리즈는 카페지기 커피사유가 대입 문제를 푼 것을 그냥 열거하는 포스트 시리즈입니다. 누군가에게 참고가 될 수 있는지는 잘 모르겠지만, 일단 나름의 대답이라도 올리는 거죠!

‘대입 문제 뽀개기’ 시리즈에 활용된 논술 문제의 출처는 매 포스트의 시작에 기입합니다. 참고하시기 바랍니다.

출처

이번 논술 문제는 2016학년도 연세대학교 수시모집 논술 시험 문제 지구과학입니다. 이 문제의 저작권은 연세대학교에 있으며, 이 포스트가 문제가 되는 경우 stevenoh0908@gmail.com으로 연락주시면 즉시 삭제하겠습니다.

문제와 풀이

Q1. 제시문 (가)에서 동-서 방향의 바람 $U$는 기온 $T_{E}$와 $T_{N}$으로부터 유도된 지균풍에 의한 것이며, 취송류 $v$의 세기는 바람 $U$의 세기에 정비례한다고 가정하자. (그림 1)에 주어진 온도, 바람, 해류의 값은 현재 상태의 것이다. 지구 온난화에 의하여 100년 후의 온도가 $T_{E} = 32.0 ℃, T_{N} = 7.0 ℃$로 증가하였을 때, 온도와 지균풍의 관계식을 만들고, 이를 활용하여 온난화에 따른 $U$와 $v$의 변화를 정량적으로 유추하시오. 단, 전향력에서 코리올리 파라미터는 위도에 대하여 일정하고, 대기의 밀도는 수평 방향에 대하여 두 지역의 차가 0인 것으로 가정한다.

대기를 이상 기체라고 가정한다면, 이상 기체에 대한 게이-뤼삭의 법칙에서 지점 $E$와 지점 $N$의 기압을 각각 $P_{E}$, $P_{N}$이라 할 때, 절대 온도에 그 기압이 비례한다고 생각할 수 있다. 두 기체는 온도를 제외하고서는 동일한 상황에 따라서 $P_{E} = \alpha (273.15 + T_{E})$, $P_{N} = \alpha (273.15 + T_{N})$이라 둘 수 있다. 상층의 기압 경도력에 의하여 지균풍인 바람이 분다고 생각할 수 있으므로, 따라서 기압 경도력 $P_{H} = {{1} \over {\rho}} {{\Delta P} \over {\Delta x}} = \beta \Delta P$라 둘 수 있고, 지균풍의 힘의 평형에 의하여 $\beta \Delta P = fU$이므로, 어떤 적절한 상수 $\gamma$에 대하여 $U = \gamma \Delta P = \gamma (P_{E} – P_{N}) = \gamma \alpha (T_{E} – T_{N})$이므로 따라서 다른 적절한 상수 $k$에 대하여 $U = k(T_{E} – T_{N})$이라 주장할 수 있다.

비례 상수 $k$를 구하기 위하여, 초기 조건에 제시되어 있는 $T_{E} = 29.5℃$, $T_{N} = 0.5℃$, $U = 20.0m/s$를 대입하면 $k = {{20.0m/s} \over {29.0℃}} = {{20} \over {29}} m/s℃$이다. 따라서 두 지점의 온도와 지균풍의 풍속 간의 관계식은 $U = {{20.0m/s} \over {29.0℃}} \times (T_{E} – T_{N})$이 된다.

한 편, 취송류의 속력은 문제의 조건에서 지균풍의 풍속 $U$에 비례한다고 하였으므로, 적절한 상수 $m$에 대하여 $v = mU$로 쓸 수 있다. 초기에 공개된 조건 $U = 20.0m/s$와 $v = 0.8m/s$를 사용하면 $m = {{0.8m/s} \over {20.0m/s}} = 0.04$이다. 따라서, $v = (0.04)U$이다.

지구 온난화에 의하여 100년 후에, $T_{E} = 32.0℃$, $T_{N} = 7.0℃$이 되었다면, 이상의 논증에 의하여 $U = {{20.0m/s} \over {29.0℃}} \times (32.0℃ – 7.0℃) \approx 17.2m/s$이며, $v \approx (0.04) \times (17.2m/s) \approx 0.69m/s$가 될 것으로 유추된다.

Q2. 제시문 (나)의 자오면 순환과 연관된 열에너지 수송의 변화 및 메테인의 변화에 근거하여, 영거드라이아스 당시 남반구 대서양 지역의 기후 변화를 유추해볼 수 있다. 위에 제시된 두 가지 변화에 의하여 남반구 대서양 지역에 각각 어떤 기후 변화가 유도될 수 있는지 설명하시오. 단, 남반구 메테인의 변화는 북반구 메테인의 변화와 유사하다고 가정한다.

우선 자오면 순환이 약화된 것은, 해양 순환에 의한 지구 시스템 내의 南-北간 열적 수송이 약화되었다는 점에서, 고위도의 에너지 부족이 심화되는데 영향을 주었을 것으로 생각된다. 즉, 자오면 순환의 약화는 결국 중-고위도 지역에 해당하는 남반구 대서양 지역의 에너지 부족을 심화시켜 기온 하강에 기여하였을 것으로 생각된다.

둘째로 남반구의 메테인 변화의 경우, 북반구의 메테인 변화와 유사하다고 가정하고 있다. 따라서 북반구와 마찬가지로 이 기간 남반구의 메테인 농도도 하락했을 것으로 추정할 수 있다. 메테인의 경우, 지구 온실 효과에 기여하는 온실 기체의 일종이기 때문에, 이들의 대기 중 농도가 감소하였다는 사실은 사실상 남반구에 대한 온실 효과의 감소를 지시한다. 따라서 이 또한 남반구 대서양 지역의 기온 하강에 기여하였을 것으로 생각된다.

이상의 두 가지 변화에 대한 기후 영향을 분석해보면, 두 변화 모두 남반구 대서양 지역의 기온 하강을 유발하는 것으로 생각된다. 즉, 두 변화는 남반구 대서양 지역에도 북반구와 유사하게 기온 하강을 유발하여, 한랭 기후 등을 유도하였을 것으로 생각할 수 있다.

Q3. 제시문 (다)에 언급된 지층의 발견과 관련하여, 다이아몬드 입자를 함유한 층의 형성 원인은 무엇이며, 이후 어떤 과정을 통하여 영거드라이아스가 발생했는지 설명하시오. 자오면 순환의 변화와도 연계하여 설명하시오.

고온-고압 조건에서 형성되는 다이아몬드가 괴상으로 발견된 것이 아니라, 알갱이 형태로 작게 넓은 지역에 분포할 수 있는 상황은 지표 부근에 강한 압력과 온도가 순간적으로 작용하는 경우가 사실상 유일하다. 또한 나무 등의 식생이 불에 탄 채로 발견되었다는 정보도 고려하여보면, 이것이 지시하는 것은 외권에서 유입된 운석의 충돌이라 생각할 수 밖에 없다. 실제로 중생대 말 약 6천 5백만년 전 즈음에 일어난 백악기 대멸종의 원인으로 K-T 경계층의 이리듐 함량비를 근거로 하여 운석 충돌설이 학계에서 지지되고 있기도 하다. 따라서 이들 층의 형성 원인은 운석 충돌일 것이며, 운석 충돌로 인해 유발된 지각 변동으로 인한 화산재 방출이나, 일어난 먼지 등이 대기 중으로 확산되면서 대기의 알베도를 증가시켰을 것이며, 이는 지표로 하여금 태양입사복사선속밀도의 흡수량을 감소시킴으로써 전지구적 기온 하락에 기여하였을 것이고, 이것이 영거드라이아스로 이어진 것이라 생각할 수 있다.

운석의 충돌로 발생한 먼지나 화산재 등은 대기의 알베도를 증가시켜, 저위도와 고위도 사이의 온도차를 감소시키는데 기여하였을 것으로도 추정된다. 이는 결과적으로 (가)의 모형에서, 바람에 세기와 이와 증감의 경향이 일치하는 취송류 등의 세기를 감소시킴으로써, 자오면 순환의 세기도 감소시켜 열적 순환을 저해함으로써 영거드라이아스를 유발하였을 것으로도 추정된다.

Q4. 제시문 (라)의 내용을 바탕으로 약 40억년 전의 화성이 현재의 모습으로 변하게 된 과정을 설명하고, 또한 현재의 화성을 지구와 비슷한 지표 환경을 가진 행성으로 바꾸고 유지하기 위해서는 어떤 변화들이 주어져야 할 지 설명하시오. 단, 현재 화성의 핵은 고체 상태의 순수한 철로 이루어져 있으며, 이러한 화성의 핵을 일시적으로 액체 상태로 전환시킬 충분한 열원이 공급된다고 가정한다.

약 40억년 전의 화성의 지표에는 화산 활동이 활발하고, 바다가 형성되어 있었으며, 이산화탄소를 주 성분으로 하는 화성의 대기가 충분히 두껍게 유지되고 있었을 것으로 추정된다고 제시문 (라)에서 지시하고 있다. 이 때 화성은 두꺼운 이산화탄소 대기로 인하여 일어난 큰 규모의 온실 효과로 인하여, 저-고위도의 온도차가 감소하였을 것으로 추정된다. 이 경우 문제 2에서 의논한 바와 같이, 당시 화성의 해양에 의한 열적 수송이 감소하여, 결과적으로는 극지방의 기온은 하강, 빙하를 형성시키고 알베도를 증가시키면서 결과적으로는 전 화성적인 이른바 ‘영거드라이아스’를 가져왔을 것으로 생각된다. 현재의 화성을 지구와 비슷한 지표 환경을 가진 행성으로 바꾸기 위해서는 우선 화성의 극지방에 매장되어 있는 이산화탄소와 얼음을 가열하여 대기 조성과 해양 환경을 조성할 필요가 있다. 우선 화성의 자체적인 열적 순환을 위하여 화성의 핵을 액체 상태로 전환시키고, 극지방의 고체 상태의 이산화탄소와 얼음 빙하를 가열하여 온실 효과를 일으켜 평균 기온을 15도 안밖으로 유지하면 될 듯 하다.