충돌 분화구

목적

• 소행성/혜성의 충돌이 지구 표면에 어떤 영향을 미치는지 배운다.
• 충돌 분화구의 크기를 조사한다.
• 충돌 분화구의 크기는 충격을 가하는 물체의 질량에 의해서 결정된다는 것을 이해한다.
• 충돌 분화구의 크기는 충격을 가하는 물체의 충격 속력에 의해서 결정됨을 이해한다.

학습 목표

• 충돌 분화구는 어떤 모양을 하고 있는지 보여주고 그 이유에 대해서 설명한다.
• 모래 위에 떨어지는 돌이 가볍고 무거운지에 따라서 ‘작은 충돌 분화구’의 크기가 어떻게 변하는지 보여주고 그 이유에 대해서 설명한다.
• 모래 속에서 ‘작은 충돌 분화구’의 크기는 돌을 떨어뜨리는 높이에 따라 어떻게 변하는지 보여주고 그 이유에 대해서 설명한다.

평가

학생들이 충돌 분화구의 형성에 대해서 증명하고 설명할 수 있도록 하여라. 또 충돌하는 물체의 질량과 떨어지는 높이에 의해서 충돌 분화구의 크기가 어떻게 변하는지를 예측하도록 하여라.

준비물

• 적어도 30cm 넓이에 10cm 깊이인 플라스틱 쟁반이나 바구니
• 적어도 10cm 깊이로 용기를 채울 수 있는 모래
• 돌의 개수는 조별로 3개(약 20g, 100g, 200g 무게)이다.
• 80g짜리 돌 하나
• 저울
• 거리 측정을 위한 자
• 그래프용지
• 미터 단위 자
• 30cm 자
• 자를 고정시킬 스탠드 (혹은 자를 용기와 수직으로 붙이기 위한 테이프)
• 프로젝터/스크린

배경지식

매일 우주로부터 수백, 수천 개의 물체들이 지구와, 좀 더 정확하게는 지구의 대기층과 충돌한다. 거의 모든 물체들은 너무 작아서 우리는 물체의 영향을 느낄 수 없다. 물체들은 상층 공기에서 간단하게 모두 다 타버린다. – 이러한 현상은 별똥별이라고 알려진 빛으로 보여진다.

하지만 가끔씩 대기층에서 완전히 전소되기에는 너무 큰 물체는 타고 남은 일부가 지구 표면에 떨어진다. 심지어 드물게는 이 물체들이 우리에게 영향을 미친다. 일부 사람들은 http://news.nationalgeographic.com/news/2013/02/130220-russiameteorite-ann-hodges-science-space-hit 의 예처럼 작은 운석들에 부딪힌 적이 있다. 하지만 직접적인 이유로 사망한 적은 없는 것으로 알려져 있다. 1992년에는 미국의 동쪽 해안으로 떨어지고 있던 운석 Peekskill이 근처 자동차로 떨어져 차체가 큰 피해를 입었다. (http://apod.nasa.gov/apod/ap061119.html)

매우 드물지만 거대한 운석이 충돌 분화구를 만들기에 충분한 속력을 가지고 지구에 충돌할 수 있다. 충돌 분화구는 운석의 크기와 속력에 대한 많은 정보를 알려주고 운석 충돌은 지구에 많은 영향을 끼칠 것이다. 예를 들어 1908년 러시아에서 발생한 퉁구스카강 사건은 산림 2000 제곱킬로미터를 부수었다 – 이 사건의 주 원인은 운석에 의한 거대한 폭발이었다.

퉁구스카강 사건 사진 중 하나

운석이라는 큰 범주에서 이 정도는 상대적으로 작은 영향에 속한다. 충돌 분화구들은 과거에 설명하지 못했던 많은 시간대의 변화가 운석 때문이었음을 증명하기 때문에 지구의 역사에서 발생했던 사건의 연대표를 구성할 때도 활용할 수 있다.

공룡의 멸종은 멕시코의 Yucatan Peninsula 아래의 Chicxulub 분화구를 형성한 거대한 운석의 충돌 때문이다. 충돌 분화구에 있는 광물들은 과거 공룡 화석들과 동시대에 형성된 것이다. 직경 180km, 깊이 20km의 충돌 분화구를 만든 큰 충격은 전 지구적인 쓰나미, 지진, 화산 폭발을 촉발했다. 방출되는 먼지와 기체들은 태양 빛을 막았고 전 세계를 소빙하기로 접어들게 하였다.

지구에는 날씨변화가 있는 활발한 대기층을 가지고 있기 때문에 이러한 충돌 분화구들은 풍화 작용에 의해서 쉽게 유실된다. 지질 활동 역시 충돌 분화구들을 숨기는데, 예를 들면 지표면이 용암에 의해서 덮여지는 것이다. 대기층이나 지질학적인 활동이 없는 태양계 천체들은 지구보다 뚜렷한 충돌 분화구들이 많이 남아 있다. 천체에 대기가 없다면 우주의 작은 물체들은 타지 않거나 천천히 떨어지기 때문에 작은 충돌 분화구들이 더 많이 만들어진다.

달의 표면에 있는 충돌 분화구들

이 사진에서처럼 달의 충돌 분화구들이 반대쪽 면에서 더 많이 보인다.(주석: 우리가 볼 수 있는 달의 면보다 반대쪽에서 충돌 분화구들이 좀 더 뚜렷하게 많이 보인다. 이는 지구 쪽을 향하는 달의 면에서 화산 활동이 상대적으로 많기 때문에 새롭게 분출된 용암에 의해 커다란 충돌 분화구들이 많이 덮여졌을 것이라고 예상된다.)

‘운석’이라는 용어는 우주에 있는 어떤 물체라도 지구상에 떨어진다면 그 이름을 붙인다. 소행성과 혜성은 지구에 떨어져 운석이 될 수 있고 만약 이들이 지구 표면에 떨어진다면 충돌 분화구를 형성할 수도 있다. 소행성은 돌과 금속으로 구성되고 대부분은 화성과 목성사이에서 태양을 공전하고 있다. 혜성은 얼음과 함께 돌 조각들로 구성되고 혜성들은 거의 타원 궤도로 돌고 있으며 해왕성 밖에서 태양을 향해서 날아오다가 다시 돌아간다.

Chicxulub 분화구 형성 애니메이션(출처 – University of Arizona, Space Imagery Center)

충돌 분화구는 지구에 충돌하는 물체가 거대한 충격파를 만들면서 그 에너지를 지구에 전달하여 형성된다. 충돌 분화구의 형성은 세 단계로 나눌 수 있다.

• 압축단계 – 운석과 지구 사이의 초기 에너지가 변하는 단계이다. 운석이 처음에 지구와 충돌할 때 운석이 닿는 땅은 압축되고 앞쪽을 향하고 있는 면은 뒤로 움직이게 되어 엄청난 압력에 의해서 운석 전체는 압축된다.
• 발굴단계 – 에너지는 암석들을 대기 중으로 수마일 증발시키면서 운석과 운석이 닿은 땅의 일부를 (녹이거나 끓여서) 증발시킨다. 충격을 받은 지역 주변에 녹거나 단단한 암석 덩어리는 충격파에 의해서 수백 마일 퍼져나간다. 멀리 내뿜어진 물질은 분출물이라고 부르고 많은 물질은 전형적인 고리 모양으로 충돌 분화구 주변을 구성한다.
• 마지막 수정단계 – 일부 분출물은 충돌 분화구로 떨어지고 부분적으로 해당 충돌 분화구를 메운다.

충격파의 압력은 충돌 분화구 주변의 암석 구조를 바꿀 수 있다. 극심한 열은 인근에 있는 암석, 모래, 토양을 녹이는데 이는 ‘충격 유리’를 만들 수 있다. 충격 유리란 녹은 물질이 빠르게 식으면서 만들어지는 어두운 색의 유리이다.

좀 더 큰 충격은 Chicxulub 분화구와 같은 좀 더 복잡한 형태의 충돌 분화구를 만든다(위의 애니메이션 참고). 충격파는 다시 반등할 수 있고 이는 분화구 내의 융기와 다른 복잡한 무늬를 만들어 낸다. 시간이 지나면서 풍화 작용은 분화구의 모양을 좀 더 변화시킬 것이다.

전체 활동 설명

소개

학생들에게 달에 있는 충돌 분화구 사진을 보여주고 충돌 분화구가 무엇인지와 충돌 분화구를 형성하는 것이 무엇인지 물어본다.

수업에서 유성/운석에 대해서 논의하고 학생들에게 별똥별을 본적 있는지 물어본다. 학생들에게 별똥별의 기원이 혜성과 소행성임을 알려준다. 학생들에게 1954년에 Peekskil 유성이 자동차에 손상을 입히고 Ann Hodges에게 지속적인 장애를 입게 한 사진들을 보여준다. 이 예시의 운석은 아주 작은 크기이지만 운석이 클수록 더 큰 피해를 야기할 수 있음에 대해서 설명한다. 학생들에게 퉁구스카강 사건에 대한 사진을 보여주고 상대적으로 작은 충격에 의해 발생한 엄청나게 큰 피해에 대해서 설명한다. Chicxulub 충돌 분화구와 공룡 멸종에 대해서 토론한다.

학생들에게 Arizona의 운석 충돌 분화구 영상을 보여준다.

https://www.youtube.com/watch?v=odGrgsLkfUQ

만약 학생들이 이해할 수 있다면 학생들에게 충돌 분화구 형성의 세 가지 단계에 대해서 이야기 해주어라: 압축, 발굴, 마지막 단계. 그렇지 않다면 운석 아래쪽 충격이 물질들을 밀어내기 때문에 충돌 분화구가 형성됨을 설명한다.

충돌 분화구의 크기에 영향을 미치는 요인과 그 요인이 가진 영향이 무엇인지 학생들의 생각을 묻는다.

실험 1 – 질량

첫 번째 실험에서 학생들은 운석의 질량이 충돌 분화구의 크기에 어떤 영향을 미치는지 알 수 있을 것이다. 학생들은 다음의 과정을 진행해야 한다.

1) 용기의 깊이가 약 10cm 정도 되도록 모래를 채운다.

2) 모래의 표면을 평평하게 다진다.

3) 용기 옆에 스탠드를 사용해서 미터 단위 자를 수직으로 고정시키거나 혹은 용기 옆에 수직으로 붙인다.

4) 저울로 돌들의 무게를 정확하게 잰다.

5) 첫 번째 돌을 30cm 높이에서 떨어뜨린다.

6) 충돌 분화구에 영향을 끼치지 않도록 모래 속에서 해당 돌을 조심스레 빼낸다.

7) 충돌 분화구의 지름을 재고 이를 기록한다.

8) 다시 모래를 평평하게 다진다.

9) 이와 같은 과정을 다른 돌을 이용해서 5 ~ 8회 진행한다.

10) X축에 돌의 질량, Y축에 충돌 분화구의 크기에 대한 그래프를 그린다.

수업 난이도에 따라 초기 준비 과정(용기에 모래를 채우는 것 등)은 수업 시작에 앞서 선생님이 미리 해두어야 할 수도 있다. 만약 학생들의 수준이 적절하다면 자료를 다시 측정하거나 평균을 내거나 그래프에 오차 범위를 나타낸다. 만약 학생들의 수준이 그래프를 작성하는 것에 어려움이 있다면 돌이 클수록 더 큰 충돌 분화구를 만든다는 단순한 상관관계를 파악하게 하는 것도 가능하다.

실험 2 – 떨어뜨리는 높이

학생들은 떨어뜨리는 높이가 어떻게 충돌 분화구의 크기에 영향을 주는지에 대해서 조사할 것이다. 떨어뜨리는 높이가 충격 속력과 관련이 있다는 것을 강조하면서 더 높은 곳에서 돌을 떨어뜨린다. 이러한 실험으로부터 학생들은 더 빠르게 움직이는 운석의 영향을 알 게 될 것이다. 학생들은 다음의 과정을 진행한다.

1) 모래를 편평하게 다진다.

2) 가장 작은(20g) 돌을 10cm 높이에서 떨어뜨린다.

3) 돌을 조심스럽게 빼내고 충돌 분화구의 지름을 측정한다.

4) 떨어뜨리는 높이를 늘리면서 위의 과정을 반복한다(10cm씩 늘려 1m까지 높이지만 이 조건은 바뀔 수 있다.).

5) X축에 떨어뜨리는 높이, Y축에 충돌 분화구의 크기에 대한 그래프를 그린다.

학생들의 이해도에 따라 자료를 다시 측정하거나 그래프에 오차 범위를 나타내는 활동을 한다. 만약 학생들이 등가속도 운동(SUVAT 방정식) 방정식을 이해한다면 충돌 분화구의 크기에 대한 물체의 속력과의 상관관계를 나타내는 활동도 할 수 있다.

결과 사용하기

실험 1에서 학생들이 돌을 떨어뜨린 것과 동일한 높이에서 약 80g의 돌을 떨어뜨리고 충돌 분화구의 크기를 측정한다. 학생들은 이 돌의 질량을 알아내는데 자신의 그래프를 사용한다. – 이 활동은 경쟁 문제로 바꿀 수 있다.

결론

학생들은 어떻게 충돌 분화구가 지구에 충돌하는 소행성에 의해 만들어지는지와 이것이 가져오는 영향에 대해서 배운다. 학생들은 최근 운석 충돌의 예시를 보고 상대적으로 작은 운석이 가져오는 영향에 대해서 학습한다. 학생들은 충돌 분화구의 크기가 충돌 물체의 질량과 속력에 영향을 받는다는 것을 학습한다.