물의 순환 | 인류 과학보다 3천 년 앞선 성경의 수문학

물의 순환(The Water Cycle)은 지구에 존재하는 물의 이동을 과학적으로 정의한 것이다. 지구상의 물은 액체, 기체, 고체의 형태로 끊임없이 움직이며 기후 시스템에 직접적인 영향을 미친다. 물의 순환은 지구 탄생 이래 수십억 년 동안 지속되어 왔다. 물의 이동 경로와 지구 생태계에 미치는 영향은 매우 복잡하지만 단순하게는 증발, 응축, 강수로 설명할 수 있다. 약 3500년 전에 기록된 구약성경 욥기에는 물의 순환 과정이 생생하게 소개되어 있다.

물의 순환

수문학으로 증명된 물의 순환 과정

수문학(水文學, Hydrology)은 지구물리학의 한 분야로, 물의 순환을 중심 개념으로 물의 기원, 분포, 물리적∙화학적 성질 등을 연구하는 학문이다. 수리학(水理學), 수형학(水形學)이라고도 한다. 수문학적 연구를 통해 물의 순환 과정이 완전하게 정립된 것은 17세기였다.

물은 지구상의 모든 생명체가 생명 활동을 하는 데 직접적으로 관여한다. 물이 존재하지 않는다면 지구는 생명체가 없는 죽은 별이 되었을 것이다. 단, 물이 액체 상태를 유지하고 존재하려면 매우 까다로운 환경을 갖춰야 한다. 태양과의 적당한 거리, 대기의 적당한 온실 효과 등이 필요하다.

지구에 존재하는 물의 96.5%는 액체 형태로 지표면의 70% 정도를 차지하는 바다에 있다. 1.7%는 호수, 하천, 토양 등에, 1.7%는 극지방이나 빙원에 빙하, 빙설 등 고체 상태로, 0.01%는 대기권에 기체 상태로 존재한다. 대기 수분의 90%는 바다와 호수, 하천이 제공한 것이고, 나머지 10%가량의 수분은 식물에서 증산된 것이다.

지구에 존재하는 물의 양은 장구한 세월에 걸쳐 놀라우리만큼 평형을 이루고 있다. 지상에 있는 물 분자가 태양열에 의해 증발해 대기권에 머물며 응축되어 지상에 다시 내리기를 끊임없이 반복하고 있기 때문이다. 물이 펼치는 반복적인 증발, 응축, 강수 현상을 수문학적으로 ‘물의 순환’이라 부른다. ‘물의 순환’은 지표면에 있는 물이 대기로 이동했다가 되돌아오는 현상뿐 아니라 표면 아래로 이동하는 물의 순례, 혹은 식물이 광합성을 통해 땀을 흘리는 것처럼 증산해 대기로 방출하는 현상을 일컫기도 한다.

대표적인 물의 순환 메커니즘은 다음과 같이 이루어진다. 지표면에 있는 액체 상태의 물이 태양 에너지에 의해 증발해 기체 상태의 수증기로 변하면 대기권으로 이동하게 된다. 대기 중의 상승기류는 수증기를 더 위쪽으로 운반하는데, 수증기가 차가운 공기를 만나면 응축되어 구름방울로 변할 가능성이 높아진다. 구름방울은 자라서 난운, 즉 비구름을 형성해 비, 눈, 진눈깨비, 우박 등의 액체와 고체 상태로 지상에 쏟아진다.

지상에 쏟아진 물은 수년 동안 강이나 호수, 바다에 고여 있거나 육지를 가로질러 이동하기도 하고, 토양과 암석에 흡수되어 지하수가 되기도 한다. 일부는 다시 대기 중으로 증발하는데, 하루에 증발되는 물의 양은 수백만 톤에 이른다. 태양 에너지로 구동되는 이 거대한 시스템을 통해 하늘과 바다와 땅은 서로서로 지속적이고 반복적으로 수분을 교환하고 있는 것이다.

어느 과학자는 물의 순환에 대해 이렇게 말했다. “물과 관련해 지구는 폐쇄된 구조이기 때문에 물이 더해지거나 제거되지 않는다. 단지 변형되고 이동하고 순환할 뿐이다.” 그의 말대로 지구에 존재하는 물은 태곳적부터 끊임없는 여행을 하며 바다의 수면이 높아지지 않도록 ― 기후변화라는 불청객이 찾아오기 전까지 ― 균형을 유지해왔다. 지금 태평양에 일렁이는 바닷물과 한강에 흐르는 물, 오늘 우리가 마시는 물 한 잔은 이미 수백 년 전, 수천 년 전에 존재했던 셈이다.

물의 순환 과정을 정립한 과학자들

피에르 페로(Pierre Perrault)

프랑스의 아마추어 수문학자인 피에르 페로(1611~1680)는 직업상 과학자는 아니었으나 변호사, 행정관, 작가 등으로 활동하며 1674년 수문학에 관한 획기적인 저서 『De l’origine des Fontaines(샘의 기원에 관하여)』를 발표했다.

피에르 페로는 프랑스 동부에 있는 도시 디종의 북서쪽 수원지와 센강에서 샘의 기원에 대해 연구하며 강수량과 유출량을 정량했다. 센강의 물은 영국 해협으로 흘러 들어가는데, 연구 결과 센강의 연간 유출량이 원류에 내린 연간 강수량의 6분의 1에 불과하다는 것을 알아냈다. 증발과 강우만으로 샘과 하천에 1년 내내 물이 흐르는 환경이 조성된다는 것과 물이 순환한다는 사실을 증명한 것이다. 이 같은 페로의 업적은 지구과학 분야에서 최초로 정량적 연구가 적용된 사례였다.

에듬 마리오트(Edme Mariotte)

에듬 마리오트(1620~1684)는 프랑스의 물리학자로 생마르탱수본 수도원의 부원장이자 프랑스 과학아카데미 창립 멤버로 활동했다. 마리오트는 1676년 기체역학 분야에서 기체의 부피가 압력에 반비례한다는 것을 발표했다. 이 이론은 1660년 영국의 화학자이자 물리학자 로버트 보일(Robert Boyle)이 발견한 ‘보일의 법칙’과 동일한 것이지만 보일과 별개로 이룬 것이기 때문에 유럽에서는 ‘보일마리오트의 법칙’이라고도 하고, 프랑스에서는 ‘마리오트의 법칙’이라 부른다.

마리오트는 1686년 디종의 연간 총 강수량을 측정했다. 이것은 피에르 페로의 추정치와 거의 일치했고, 강과 하천과 토양에 충분한 물을 제공한다는 것을 입증한 연구였다. 그는 또 프랑스 북서부를 관통하는 센강의 유속을 실측해 몽마르트르 샘의 연간 유출량이 연간 강수량의 약 4분의 1에 불과하다는 것을 알아냄으로써 물의 순환 과정을 밝혀냈다.

마리오트의 이 연구에 관한 논문은 사후 1700년 파리에서 『물과 기타 액체의 움직임에 관한 논문(Traité du mouvement des eaux et des autres corps liquids)』이라는 제목으로 출판되었다.

에드먼드 핼리(Edmond Halley)

영국의 옥스포드대학교 교수이자 왕립천문학자로 활동한 에드먼드 핼리(1656~1742)는 천문학뿐 아니라 기상학, 지구물리학, 수학 등 다양한 분야에서 큰 업적을 남겼다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton)의 명저 『자연철학의 수학적 원리(Philosophiae naturalis principia mathematica)』, 일명 『프린키피아(Principia)』가 출판되기까지는 핼리의 영향이 컸다고 전해진다.

핼리는 1676년 아버지의 재정적 지원과 더불어 동인도 회사 소개로 당시 영국의 왕 찰스 2세의 지원을 받아 항해를 떠나 아프리카 서쪽에 위치한 영국령 섬 세인트헬레나에서 천문현상을 관측하기 시작했다. 이 연구를 토대로 발표한 『남반구의 별 목록(Catalogus Stellarum Austrailium)』은 남반구의 별에 관한 최초의 정밀 기록으로 알려져 있다.

그는 1682년에 직접 관찰한 혜성의 궤도를 계산한 끝에 출현 주기를 알아내며 이전에도 관측됐던 혜성이라는 결론을 도출해내고 1758년에 이 혜성을 다시 볼 수 있을 것이라 예언(?)했다. 실제로 그가 사망한 지 17년 후인 1758년 이 혜성이 관측되었고, 사람들은 이 천체를 ‘핼리혜성’이라 부르고 있다.

핼리는 또다시 항해를 떠난 세인트헬레나 섬에서 무역풍과 몬순 등 기상에 대해서도 연구했다. 이때 태양에너지에 의한 가열이 공기를 이동시키고 강수가 증발하여 순환함으로써 평형을 유지하고 있음을 알아냈다. 핼리의 물의 순환 이론은 기상 자료와 함께 1686년 논문을 통해 발표되었다.

성경에 기록된 물의 순환 과정

구약성경에는 물의 순환 과정에 대해 여러 차례 설명되어 있다. 그중 지금으로부터 약 3500년 전 기록된 욥기 36장에는 물의 순환 과정이 가장 정확하고 상세하게 설명되어 있다. 욥이 자녀를 모두 잃고 온몸에 퍼진 악창으로 고통에 몸부림칠 때 그의 젊은 친구 엘리후가 찾아와 욥에게 하나님을 향한 믿음을 저버리지 말고 하나님의 위대하신 능력을 찬양해야 한다고 변론하는 과정에서 한 말이었다.

그(하나님)가 물을 가늘게 이끌어 올리신즉 그것이 안개 되어 비를 이루고 그것이 공중에서 내려 사람 위에 쏟아지느니라

(욥기 36:27~28)

“물을 가늘게 이끌어 올린다”는 것은 지상의 물이 수증기로 변해 증발되는 현상을, “그것이 안개 되어 비를 이룬다”는 것은 수증기가 응결되어 비구름을 형성하는 것을, “그것이 공중에서 내려 사람 위에 쏟아진다”는 것은 대기권에 있는 구름에서 비가 내리는 강수 현상을 설명한 것이다.

구약성경에는 엘리후가 람 족속 부스 사람 바라겔의 아들이라는 것, 욥과 욥의 세 친구 엘리바스, 빌닷, 소발보다 나이가 젊다는 것 말고는 그에 관한 정보가 거의 없어서 그의 직업이나 어떤 일을 하는 인물이었는지 알 수 없다. 확실한 것은 그가 3500년 전 당시 창조주 하나님을 믿었던 인물로, 과학보다 무려 3000년가량을 앞서서 물의 순환 과정을 알고 있었다는 것이다.

이는 천지를 창조하신 하나님의 섭리와 만물 속에 하나님이 부여하신 법칙들을 깨달은 사람이 아니고서는 알 수 없는 것으로, 성경의 권위를 높여줄 뿐만 아니라 사실성을 방증하는 대목이라 할 수 있다.

성경에는 욥기 36장 외에도 물의 순환과 강수 현상이 일어나는 원리에 대해 많은 구절에 걸쳐 언급되어 있다.

구름 속에 물을 채우시고, 물이 구름 밑으로 터져 나오지 못하게 막고 계시는 분이 바로 하나님이시다.

(새번역, 욥기 26:8)

구름이 어떻게 하늘에 떠 있는지를 아십니까? 하나님의 이 놀라운 솜씨를 알기라도 하십니까?

(새번역, 욥기 37:16)

쏟아진 폭우가 시내가 되어서 흐르도록 개울을 낸 이가 누구냐? 천둥과 번개가 가는 길을 낸 이가 누구냐? 사람이 없는 땅, 인기척이 없는 광야에 비를 내리는 이가 누구냐? 메마른 거친 땅을 적시며, 굳은 땅에서 풀이 돋아나게 하는 이가 누구냐? 비에게 아버지가 있느냐? 누가 이슬 방울을 낳기라도 하였느냐?

(새번역, 욥기 38:25~28)

안개를 땅끝에서 일으키시며 비를 위하여 번개를 만드시며 바람을 그 곳간에서 내시는도다

(시편 135:7)

모든 강물이 바다로 흘러가도, 바다는 넘치지 않는다. 강물은 나온 곳으로 되돌아가, 거기에서 다시 흘러내린다.

(새번역, 전도서 1:6~7)

구름에 비가 가득하면 땅에 쏟아지며

(전도서 11:3)

그 전을 하늘에 세우시며 그 궁창의 기초를 땅에 두시며 바다 물을 불러 지면에 쏟으시는 자니 그 이름은 여호와시니라

(아모스 9:6)

수천 년 전 성경에 기록된 물의 순환 과정에 대한 사실 여부는 17세기 피에르 페로, 에듬 마리오트, 에드먼드 핼리와 같은 과학자들의 연구가 이루어지기 전까지 증명할 수 없었다. 특히 물이 공중으로 올라가서 구름이 된다는 것은 수천 년간 인간의 상식으로는 이해하기 어려웠을 것이다. 실제 인류사를 돌아보면 가뭄이나 폭우, 폭설 등 기상재해의 원인이 임금의 부덕함 때문이라고 여겼던 시절도 있었다.

많은 사람들이 성경과 과학은 완전히 다른 분야이며 서로 대립하고 배치된다고 생각한다. 그러나 과학이 발전할수록 성경에 기록된 과학적 원리와 이치들이 하나씩 하나씩 증명되고 있다. 성경은 누군가 지어낸 소설 같은 이야기가 아니라 창조주 하나님의 존재를 밝히는 등불과 같다. 과학은 그 등불에 기름 한 방울을 떨어뜨린 것이다.

[관련 영상] 성경과 사실적 사건

[참고 자료]
1. 미국 국립해양대기청(NOAA)
2. ‘10 interesting things about water’, NASA’s Jet Propulsion Laboratory
3. 미국 지질조사국(USGS)
4. 《H2O: 지구를 색칠하는 투명한 액체》, 필립 볼, 살림
5. 《성경에 있는 과학적 사실들 제2권》, 레이 컴포트, 예찬사
6. 사이언스올 과학백과사전
7. ‘What is the hydrologic cycle?’, Dummies
8. 미국 항공우주국(NASA)
9. 브리태니커 백과사전
10. History of Hydrology Wiki
11. 천문학백과, 한국천문학회
12. 시사상식사전, pmg 지식엔진연구소, 박문각