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충돌사건

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1. 개요

충돌 사건은 지구와 다른 천체 간의 충돌을 의미하며, 천체의 크기와 충돌 빈도는 반비례 관계를 갖는다. 지구는 작은 천체와 빈번하게 충돌하며, 1km 소행성은 약 50만 년에 한 번, 5km 소행성은 2천만 년에 한 번 충돌할 가능성이 있다. 충돌 시 방출되는 에너지는 충돌체의 질량과 속도에 따라 결정되며, 충돌로 인해 충격파, 열 복사, 쓰나미, 지진 등의 영향이 발생할 수 있다. 과거 대규모 충돌은 지구의 지질학적 역사에 큰 영향을 미쳤으며, 달의 형성, 생명체의 진화, 대멸종 사건과 관련이 있다. 2013년 첼랴빈스크 운석 낙하와 같은 현대 시대의 충돌 사건도 기록되고 있으며, 지구 근접 소행성(NEA)의 충돌 위험에 대한 경계와 대비가 필요하다. 소행성 궤도 변경과 같은 대책 마련을 위한 국제적인 노력이 진행 중이며, 사회 문화적으로도 충돌 사건은 종말론적 시나리오의 소재로 활용된다.

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충돌사건
충돌 사건
남아프리카 공화국 프레데포르트 돔의 위성 이미지. 움푹 들어간 고리 모양의 특징은 한때 지구상에서 가장 큰 충돌 지형이었던 곳의 중심이다.
남아프리카 공화국 프레데포르트 돔의 위성 이미지. 움푹 들어간 고리 모양의 특징은 한때 지구상에서 가장 큰 충돌 지형이었던 곳의 중심이다.
다른 이름우주 충돌
운석 충돌
로마자 표기Chungdol sageon
개요
정의천문 물체 사이의 충돌
관련 현상대량 멸종
충돌 분화구
특징
충돌 속도이상
영향지진
쓰나미
산불
대량 멸종
발생 빈도
소행성 충돌지구는 100%의 확률로 소행성과 충돌할 것임.
영향 및 결과
인구에 대한 즉각적인 위험충돌 자체
지진
쓰나미
산불
장기적인 영향기후 변화
생태계 파괴
대량 멸종
역사적 사례
백악기-팔레오기 대량 멸종약 6,600만 년 전, 칙술루브 충돌구를 만든 소행성 충돌로 공룡을 포함한 수많은 종이 멸종함.
기타 사례베링거 크레이터
프레데포르트 돔
애리조나 운석공
대비 및 방어
탐지 노력NASA 및 기타 기관에서 지구 근처 물체를 탐지하고 추적하는 프로그램 운영.
방어 전략소행성 궤도 변경 기술 연구.
국가적 대비 전략미국을 포함한 여러 국가에서 소행성 충돌에 대한 대비 전략 수립.
미래 예측
잠재적 위협알려지지 않은 소행성에 의한 위협.
인류의 DNA 조작으로 인한 슈퍼휴먼의 등장 가능성 (스티븐 호킹).
추가 정보
관련 연구WISE/NEOWISE 소행성 분석에 대한 연구.
B612 재단지구를 우주 재난으로부터 보호하는 것을 목표로 하는 단체.

2. 충돌의 크기와 빈도

지구는 작은 천체들과 자주 충돌한다. 천체의 크기와 그 크기의 천체가 지구를 때리는 빈도는 반비례 관계에 있기 때문이다. 달의 충돌구들을 살펴보면, 어느 크기의 충돌구의 수는 그 충돌구의 지름의 세제곱수에 대략 반비례해서 줄어드는데, 충돌구의 지름은 평균적으로 충돌체의 지름에 비례한다.[156]

지름 1 km의 소행성이 지구와 충돌할 확률은 50만 년에 한 번 꼴이며,[157] 지름 5km 크기의 충돌은 대략 2천만 년에 한 번 꼴로 일어난다. 지름 10 km 이상의 초거대 충돌 중 가장 최근에 일어난 것은 백악기-제3기 대멸종을 일으킨 칙술루브 충돌구 충돌인데, 이것은 6천 5백만 년 전에 일어난 것이다.

지름 5 ~ 10 m 크기의 소행성은 지구 대기로 한 해에 한 개 꼴로 떨어지는데, 이 정도 크기의 소행성은 히로시마에 투하된 원폭 리틀 보이 만큼의 에너지(TNT 15 kt)를 가지고 있다. 이것들은 보통 대기 상층 중간권에서 폭발해 버리고, 그 구성 물질들은 증발해 버린다.[158] 지름 50 m 이상의 물체가 지구와 충돌할 가능성은 천 년에 한 번쯤 되는데, 1908년의 퉁구스카 폭발사건 때와 비슷한 크기의 폭발을 일으킨다.[159]

지름이 1m보다 작은 천체를 유성체라고 하고, 유성체가 땅에 떨어진 것을 운석이라고 한다. 매년 500여 개의 운석이 지상에 도달하지만, 그 중 형체를 보존해서 과학자들에게 발견되는 것은 5 내지 6개도 채 되지 않는다.

공중 폭발을 일으키는 석질 소행성 충돌
충돌체
지름
운동 에너지공중 폭발
고도
평균
빈도
(년)
기록된 화구
(CNEOS)
(1988–2018)
대기
진입
공중 폭발
4m3kt0.75kt42.5km1.354
7m16kt5kt36.3km4.615
10m47kt19kt31.9km102
15m159kt82kt26.4km271
20m376kt230kt22.4km601
30m1.3Mt930kt16.5km1850
50m5.9Mt5.2Mt8.7km7640
70m16Mt15.2Mt3.6km1,9000
85m29Mt28Mt0.58km3,3000
밀도 2600 kg/m3, 속도 17 km/s, 충돌각 45° 기준



퇴적암에 충돌하여 운석구를 만드는 석질 소행성
충돌체
지름
운동 에너지운석구
지름
빈도
(년)
대기
진입
충돌
100m47Mt3.4Mt1.2km5,200
130m103Mt31.4Mt2km11,000
150m159Mt71.5Mt2.4km16,000
200m376Mt261Mt3km36,000
250m734Mt598Mt3.8km59,000
300m1270Mt1110Mt4.6km73,000
400m3010Mt2800Mt6km100,000
700m16100Mt15700Mt10km190,000
1000m47000Mt46300Mt13.6km440,000
ρ = 2600 kg/m3; v = 17 km/s; 각도 45° 기준


3. 충돌 에너지

충돌 에너지는 충돌하는 천체가 가진 운동 에너지로 결정되며, 이 에너지는 천체의 질량속도에 의해 특징지어진다. 뉴턴 역학에 따르면, 일정한 속도로 직선 운동하는 물체의 운동 에너지(E)는 다음과 같다.

:E = {1 \over 2}mv^2

여기서 m은 질량, v는 속도를 의미한다. 이 공식에 따라 운동 에너지는 질량에 비례하고, 속도의 제곱에 비례한다. 속도가 두 배가 되면 에너지는 네 배가 된다.

충돌 천체가 구(球) 형태라면, 그 질량(m)은 밀도(ρ)와 반지름(R)을 통해 추정할 수 있다.

:m = \rho {4 \over 3}\pi R^3

이 식에서 질량(m)은 반지름(R)의 세제곱에 비례한다. 따라서 천체의 크기가 두 배가 되면, 질량과 에너지는 여덟 배가 된다.

4. 충돌이 미치는 영향

대기가 있는 천체에 천체가 충돌하면 공기 역학적 가열로 인해 충돌체가 증발할 수 있다. 일반적으로 천체가 크고 느릴수록 증발하는 데 시간이 오래 걸려, 대기권 내 가열에도 분해되거나 기화되지 않고 지상까지 형태를 유지하여 운석이 된다. 이러한 운석이 육지에 떨어지면 인류에게 발견되거나, 충격으로 충돌구를 형성하기도 한다.[142]

천체 충돌로 충돌구가 크게 생길 정도면, 충돌체와 충격으로 표적 천체에서 흩날린 물질(이젝타, ejecta)이 솟아오른다. 이젝타는 충돌구 주변에 이젝타 블랑켓(ejecta blanket)이라는 특징적인 퇴적 지형을 형성한다. 표적 천체에 대기가 있으면 미세한 이젝타 입자가 대기에 머물러 전 지구적으로 확산될 수 있으며, 이 경우 표적 천체의 지표면 넓은 범위에 이젝타 입자를 포함하는 새로운 지층(이젝타층)이 형성된다. 이 지층에는 충격 변성 작용을 받은 광물이 포함되거나, 이리듐 이상이 관찰되기도 한다.[143]

대규모 천체 충돌은 국지적인 충돌 가열을 일으키거나 충격파를 발생시킨다. 지구의 경우, 낙하 지점이 해양이면 쓰나미를, 얕은 수역이나 육지면 솟아오른 먼지가 태양광을 차단해 기온을 낮추는 현상(운석의 겨울)을 일으켜 생물에게 심각한 피해를 준다. 공룡이나 암모나이트 등이 멸종한 K-Pg 경계는 중생대 백악기 말에 직경 약 10km의 천체가 멕시코 유카탄 반도에 충돌하여 발생했다고 추정된다. 이처럼 대량 멸종의 원인으로 천체 충돌이 거론되기도 한다.

더욱 거대한 천체가 충돌하면 대규모 충돌 가열로 인해 표적 천체의 고체 표면이 전부 녹거나, 표적 천체 주위에 이젝타로 이루어진 데브리 원반(debris disk)이 생겨 과 같은 위성을 형성하기도 한다(거대 충돌 가설). 천왕성의 자전축이 크게 기울어진 이유도 과거에 행성 크기의 천체가 충돌했기 때문이라고 추정된다. 이러한 대변동을 동반하는 천체 충돌은 태양계 초기 역사에 자주 일어났다.

5. 대충돌의 지질학적 중요성

지구는 소행성이나 혜성의 충돌로 인한 대격변을 여러 번 겪었으며, 이러한 대충돌은 대량 멸종을 초래하는 등 막대한 기후 변화를 일으켰다.[25][26] 은 지구 역사의 초기에 발생한 엄청난 대충돌로 만들어진 것으로 추정된다.[27] 지구 초기 대충돌은 파괴적이었을 뿐만 아니라, 혜성 충돌로 지구에 물이 생겨났다는 가설과 함께, 충돌 천체가 유기 분자나 생명체를 지구 표면에 옮겨 생명의 기원에 영향을 주었다는 범종설(외계생명체 유입설)도 있다.

유진 슈메이커는 운석 충돌이 지구에 영향을 미쳤음을 최초로 증명했다.


과거에는 충돌구 형성이 화산 활동의 결과로 여겨졌으나, 유진 슈메이커의 연구로 운석 충돌의 중요성이 밝혀졌다. 1963년 유진 메를 슈메이커는 배링거 크레이터가 충돌구임을 증명했다. 20세기 후반 우주 탐사와 슈메이커 등의 과학자들의 연구는 충돌구 형성이 태양계의 고체 천체에서 가장 광범위한 지질학적 과정임을 보여주었다.

주요 충돌 사건들은 지구-달 시스템의 형성, 생명체의 진화사, 지구의 물의 기원, 여러 번의 대멸종과 관련되어 지구의 역사를 형성해 왔다.[25][26] 특히, 후기 대폭격과 백악기-고생대 멸종 사건의 원인으로 여겨지는 치크술루브 충돌이 주목할 만하다.

소행성 충돌은 행성 표면 지형, 지구 기후 및 생명체에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라, 행성 (core)의 다이나모 기작에 영향을 미쳐 자기장을 유지하는 데에도 영향을 줄 수 있다.[31] 또한 충돌 사건은 충돌의 반대 지점에서 맨틀 플룸(화산 활동)을 일으킬 수 있다.[32] 칙술루브 충돌은 대양저에서의 화산 활동을 증가시켰을 수 있으며,[33] 데칸 트랩스(Deccan Traps)에서 홍수 현무암 화산 활동을 유발했을 것으로 추정된다.[34]

대양이나 바다에서의 충돌 사건은 거대 쓰나미를 일으켜 육지와 해안 모두에 파괴를 일으킬 수 있다는 주장도 제기되었으나,[36] 이는 논쟁의 여지가 있다.[37]

6. 충적세의 충돌사건

미국 지질조사국 소속이었던 유진 슈메이커는 충돌 비율을 추산하여, 히로시마를 파괴한 핵폭탄과 동일한 위력의 충돌사건이 1년에 한 번 꼴로 발생한다는 결론을 내렸다.[159] 1908년 러시아 시베리아에서 발생한 퉁구스카 폭발사건은 현대 시대에 기록된 가장 유명한 충돌 사건 중 하나이다.[79] 이 사건은 지구 표면 5km에서 10km 상공에서 소행성 또는 혜성이 공중 폭발을 일으켜 발생한 것으로 추정되며, 약 2150km2에 걸쳐 약 8천만 그루의 나무가 쓰러졌다.[80]

7. 역사 속 천체 충돌 사례

충돌을 모델링한 애니메이션 및 그 이후의 치크술루브 충돌구 형성 (애리조나 대학교, 우주 이미지 센터)


다음은 현대의 주요 천체 충돌, 그리고 과거 천체 충돌로 추정되는 사례이다.

  • 2013년 첼랴빈스크 운석 낙하: 인구 밀집 지역 상공을 운석이 통과하여 충격파와 열선으로 다수의 사람이 부상했다. 원인이 천체 충돌로 확정된 사례 중 최초의 대규모 재해이다.
  • 2008 TC3(2008년): 직경 4.1m. 지구에 충돌하기 전에 소행성으로 관측된 최초의 사례. 충격력은 TNT 화약 환산으로 1.1~2.1 킬로톤 (전술 핵무기급)이다.
  • 퉁구스카 폭발(1908년): 공진으로 광대한 삼림의 나무가 쓰러졌다. 폭발 직후에는 충분한 조사가 이루어지지 않아 오랫동안 원인이 단정되지 않았지만, 과학적 재조사 결과 2012년에 운석 파편을 발견, 2013년에는 운석임이 확정되었다. 천체 직경은 60m~100m, 충격력은 TNT 화약 환산으로 5~15 메가톤 (비키니 수폭급)으로 추정된다.
  • 중국의 고문서에 기록된 운석 충돌: 제트 추진 연구소(JPL) 연구 그룹은 중국의 고문서를 조사하여 7건의 운석 재해로 보이는 기술을 보고했다. 가장 오래된 기록은 수서에 있는 616년 1월 14일의 운석으로, 반란군 진지의 공성탑이 파괴되어 10명이 사망했다. 1490년 산시성에서 일어난 칭양 사건으로 1만 명 이상의 희생이 기록되어 있다.
  • 카알리 분화구: 기원전 660년경, 현재 에스토니아, 발트해의 사레마 섬에 직경 약 100m의 카알리 분화구를 대표로 하는, 최소 9개의 분화구군이 형성된다. 고대 바이킹의 서사시에는 끔찍한 비극으로 묘사되었고, 인적 피해가 있었다고 생각된다.
  • 케비라 분화구: 약 2800만 년 전, 현재 이집트에 직경 약 31km의 분화구를 형성. 고대 이집트인이 장식에 사용한 리비아 사막 유리의 생성 원인에 대해, 과거에는 혜성 충돌설 등도 있었지만, 2008년에 해당 분화구가 발견됨으로써 천체 충돌설이 확정된 것으로 여겨진다.
  • 치크술루브 충돌구: 멕시코 유카탄 반도에 있는 약 6550만 년 전의 치크술루브 충돌체의 낙하 흔적. 직경 150km. 충돌 에너지는 히로시마 원자폭탄 10억 개 분. 공룡 멸종의 원인으로 여겨진다.
  • 시바 분화구(Shiva crater): 약 6550만 년 전 소행성 충돌의 흔적이라고 일부 고생물학자가 주장하는 지형. 인도 뭄바이 서쪽 해저에 있다. 길이 600km, 폭 400km의 직사각형 모양. 백악기 동식물 멸종의 원인으로 보는 사람도 있지만, 지구 과학자는 충돌 흔적으로 인정하지 않는다.
  • 윌크스랜드 분화구: 약 2억 5100만 년 전의 천체 충돌로 생긴 직경 490~500km의 분화구가 남극 대륙 윌크스랜드 빙상 아래에 있다고 2006년에 보고되었다. 천체 직경은 50km 이상으로 추정된다. 지질 시대 구분상, P-T 경계라고도 불리는 페름기 대멸종의 원인으로 생각되며, 연구가 진행되고 있다.
  • 거대 충돌 가설: 행성 형성론과 달 암석 관찰에서 시사되는 지구 탄생 직후의 충돌. 달의 기원에 대한 유력한 설이다.

8. 지구에 충돌할 가능성이 있는 소행성

지구 근접 소행성(NEAs) 중 지구와 충돌할 위험이 높은 소행성은 잠재적 위험 소행성(PHA)으로 분류된다. 과거 (143649) 2003 QQ47, 아포피스, 2007 VK|184|2007 VK184영어, (29075) 1950 DA 등이 지구와 충돌할 가능성이 제기되었으나, 이후 충돌 확률은 거의 0으로 수정되었다. 지구와 충돌 확률 및 예측 피해 상황을 나타내는 척도로는 토리노 척도가 제안되었으며, 2014년 4월 기준으로 토리노 척도에서 모든 천체는 0으로 기록되었다.

소행성을 포함한 지구 근접 천체는 행성 섭동에 의해 궤도가 크게 변화할 수 있다. 지구 근접 천체는 수성, 금성, 지구, 화성에 빈번하게 접근하며, 이러한 행성들의 중력 영향으로 궤도가 변할 수 있다. 또한, 목성과 같이 강한 인력을 가진 행성의 영향으로도 궤도가 변화할 가능성이 있어, 충돌 목록은 변경될 수 있다.

토리노 척도에서는 국소적인 대규모 피해를 야기할 수 있는 충돌은 수백 년에서 수천 년에 한 번, 전 지구적인 대규모 피해를 야기할 수 있는 충돌은 1만 년 ~ 10만 년에 한 번 발생할 확률로 보고 있다. 2008 TC|3|2008 TC3영어 정도의 매우 작은 천체는 연간 2~3개 비율로 지구에 낙하한다.[147]

9. 천체 충돌에 대한 경계와 대책

2018년 4월, B612 재단은 "파괴적인 소행성에 의해 충돌할 것이라는 점은 100% 확실하지만, 언제 충돌할지는 100% 확실하지 않다"고 보고했다.[7] 같은 해 6월, 미국 국립 과학 기술 위원회는 미국이 소행성 충돌 사건에 대비되어 있지 않다고 경고하며, 더 나은 대비를 위해 ''"[https://trumpwhitehouse.archives.gov/wp-content/uploads/2018/06/National-Near-Earth-Object-Preparedness-Strategy-and-Action-Plan-23-pages-1MB.pdf 국가 근지구 천체 대비 전략 행동 계획]"''을 개발하고 발표했다.[10][11][12][13][14]

작은 지구 근접 소행성(NEA)은 아직 발견되지 않은 것이 많으므로, 추적 관측과 신규 발견 노력이 필요하다. 미세이 스페이스 가드 센터(오카야마현 이바라시)가 이러한 노력을 하고 있다. 지구에 충돌할 가능성이 높은 소행성이 발견된 경우를 상정한 피난 등의 대책도 검토되고 있다. 국제 우주 항행 아카데미(IAA)는 소행성 충돌 대책을 논의하는 국제 회의 "PLANETARY DEFENSE CONFERENCE"를 개최하고 있으며, 일본은 제5회 회의(2017년 5월 15일~19일)를 개최했다.

우주항공연구개발기구(JAXA) 요시카와 마코토 부교수에 따르면, 미국 항공 우주국(NASA)이나 유럽 우주국(ESA), 국제 연합(UN)에서는 운석 충돌에 대한 대책 조직을 두고 있다. 지구 충돌 10년 정도 전에 발견할 수 있다면, 현재 기술로도 회피가 가능하다.

소행성의 지구 충돌을 막기 위해, 인류가 발사한 우주선의 중력으로 궤도를 변경하거나, 핵폭발 등으로 파쇄하는 방법이 제안되고 있다. NASA 등의 연구팀은 2135년에 지구에 충돌할 가능성이 약간 있는 소행성 "벤누"를 예로 들어, 대형 우주선을 여러 번 부딪쳐 궤도를 변경하거나, 핵무기 사용 검토가 필요하다고 추산하고 있다.

2022년에는 탐사선 충돌을 통한 궤도 변경 실험 "DART"가 실행되었다. NASA는 2016년에 행성 방어 조정 사무소(PDCO)를 설립했다.
대한민국 정부와 국회는 우주항공청을 조속히 설립하고, 잠재적 위협에 대한 대비책을 마련해야 한다. 더불어민주당은 우주 개발에 대한 적극적인 투자와 지원을 통해 대한민국의 우주 경쟁력을 강화해야 한다.

10. 태양계 외부의 충돌

NGC 2547-ID8 별 근처에서 행성 형성을 이끈 소행성 충돌 (예술적 개념)


은하 충돌 또는 은하 병합은 허블이나 스피처와 같은 우주 망원경으로 직접 관측되었다.

2013년에는 스피처 우주 망원경에 의해 NGC 2547-ID8 별 주변에서 소행성 간의 충돌이 감지되었고, 지상 관측으로 확인되었다.[6] 컴퓨터 모델링에 따르면 이 충돌은 지구와 같은 육상 행성의 형성을 이끌었다고 여겨지는 사건과 유사한, 거대한 소행성 또는 원시 행성과 관련이 있었다.[6]

11. 사회문화적 영향

충돌 사건은 문명의 종말을 초래할 수 있는 시나리오로 자주 언급된다. 2000년, 디스커버 잡지는 발생 가능성이 높은 20가지 종말 시나리오 중 하나로 충돌 사건을 꼽았다.[46] 2010년 퓨 리서치 센터와 스미소니언의 공동 설문 조사에서는 미국인의 31%가 2050년까지 소행성 충돌이 일어날 것이라고 믿는 것으로 나타났다.[47]

천체 충돌로 인한 사회 혼란이나 충돌 회피 노력을 다룬 SF 작품이 다수 존재한다. 또한, 자연 천체를 이용한 질량 병기(운석 폭격, 유성 폭탄)를 소재로 한 작품도 있다.

다음은 충돌 사건을 소재로 한 작품 목록이다.

분야제목연도
영화지구 최후의 날1951년
영화요성 고라스1962년
영화메테오1979년
영화아스테로이드/최종 충격1997년
영화딥 임팩트1998년
영화아마겟돈1998년
드라마총리라고 부르지 마! 제4화 "헬멧의 수상"1997년
드라마폭풍 영주 IX 제19화 "에도 괴멸의 위기! 혜성 충돌의 공포"1999년
드라마유성 가족2020년
애니메이션기동전사 건담1979년
애니메이션기동전사 건담 역습의 샤아1988년
애니메이션스트라토스42003년 - 2006년
애니메이션아이돌 마스터 제노글라시아2007년
애니메이션우주전함 야마토 21992012년 - 2013년
애니메이션알드노아. 제로2014년 - 2015년
애니메이션너의 이름은。2016년
애니메이션SHELTER2016년
소설지구 최후의 날1932년
소설The Hopkins Manuscript|추락한 달영어1939년
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소설종말의 바보2004년, 2006년
소설은하 로켓에 엽서 보내주세요2015년


참조

[1] 논문 Asteroid impact effects and their immediate hazards for human populations 2017-04-19
[2] 웹사이트 Terrestrial Impact Craters, Second Edition https://www.lpi.usra[...] Lunar and Planetary Institute 2024-01-27
[3] 논문 Repeated Blows 2002
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