다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오. (답안 분량 제한 없음)
<제시문 1>
다음 내용은 우주진이 응집하면서 현재 크기의 원시 지구 행성이 만들어지는 과정을 정리한 것이다.
미행성 충돌 : 태양계보다 큰 원반모양의 우주진이 회전하면서 미행성을 만들고, 현재 지구의 공전 궤도 부근에 있던 미행성들이 충돌하고 합쳐지면서 원시 지구 행성이 탄생했다. 이 때의 원시 지구 행성은 현재 지구 크기의 반도 안된다.
마그마 바다 : 원시 지구 행성은 점점 커져 반지름이 현재 지구의 약 40%정도 되었을 때 수증기를 주성분으로 하는 대기가 원시 지구 행성을 덮게 된다. 그리고 이 수증기는 표면의 열이 밖으로 나가는 것을 막는다. 이 때 운석이 계속 충돌하면서 지표의 온도는 점점 높아지고 암석이 녹기 시작한다. 그래서 지표는 마그마로 덮이게 된다. 이것을 마그마 바다라고 한다.
맨틀과 핵의 분리 : 원시 지구 행성은 마그마 바다가 만들어지기까지 아직 핵, 맨틀, 지각으로 분리되지 않았다. 그러나 마그마 바다가 형성된 후 금속철은 무겁기 때문에 마그마 바다의 밑으로 내려간다. 그래서 마그마 바다의 밑에서 금속철의 층이 만들어지고, 그것은 점점 중심 쪽으로 내려가 금속핵을 만든다. 이 때 원시 지구 행성은 원시 대기, 맨틀, 핵으로 분리된다. 그러나 아직은 지각이 만들어지지 않았다.
원시 지각과 바다의 형성 : 원시 지구 행성의 표면 온도는 암석을 녹일 정도이며, 해수는 존재할 수 없다. 지표면에는 수백기압의 수증기로 이루어진 대기가 있다. 대기의 상층에서는 수증기가 응결해 구름이 되어 비가 내리기도 한다. 그러나 이 비는 지면의 온도가 높기 때문에 지표에 도달할 수 없다. 그 후 지표가 식어 원시 지각이 만들어지면서 비로소 비가 내려 원시 바다가 탄생한다.
원시 대기의 형성 : 그렇지만 지하 수십km에는 아직 마그마 바다가 있다. 이것이 완전히 굳은 때는 44억∼43억 년 전으로 비로소 원시지각이 만들어지고, 원시 대기에서 수증기가 바다를 이루면서 원시 대기의 주성분은 이산화탄소와 일산화탄소로 점점 변화한다.
<제시문 2>
대기와 해양의 진화에서 중요한 요소는 대기 중에 들어 있는 이산화탄소의 양이 변화하는 것이다. 원시 바다가 형성되었을 때, 지구 표면의 이산화탄소, 질소 등은 대기, 바다, 해양저 사이에서 순환하면서 그 양이 변해 현재의 지구와 같은 상태로 진화하게 됐다.
지질 시대 동안 대기의 조성이 변화하는 과정은 2 단계로 설명할 수 있다. 1단계는 약 38억년 전부터 27억년 전 사이에 탄산칼슘이 바다에 침전해 석회암을 만들면서 대기의 이산화탄소양이 급속하게 감소하는 시기이다.
2단계는 약 27억년전부터 바다에서 해조류가 광합성을 시작하면서 산소가 방출되는 때이다. 이 시기에 대기의 이산화탄소는 서서히 감소하게 되었고 바다에는 산소가 증가하면서 해수 중에 용해되어 있던 철분을 산화시키기 시작했다.
<제시문 3>
원시대기에서 산소의 양의 변화는 생물의 기원 및 진화와 밀접한 관계가 있다. 이미 35억년 전에는 박테리아 형태로 생명체가 시작되었다는 증거가 화석으로 발견된다. 이 박테리아는 광합성 작용을 하면서 대기 중의 이산화 탄소를 소모시키며 산소를 발생하기 시작하였다. 그러나 약 15억년 전의 지구 대기에는 산소가 없었다는 것을 알려주는 증거는 많다.
그 한 예는 선캄브리아대의 원생대 지층에서 발견되는 철광층이다. 이 철광층은 철이 산화되어 침전되었으며, 박테리아가 광합성 작용으로 생성한 산소는 이 철을 산화시키는 데 모두 소모됐다.
과학자들은 이 철광층에 들어 있는 철의 양을 계산해 이 때의 산소량이 현대 대기에 포함된 양의 25배 정도로 추정하고 있다. 물 속에 녹아 있는 산소를 철이 소모하는데 35억 년 전부터 약 20억 년이 걸렸으며, 약 15억 년 전부터 대기 중에 산소가 들어가기 시작해 생물계는 큰 변화를 가져오게 되었다.
<제시문 4>
경제학자 존 메이너드 케인스는 ‘확률에 관한 논문’에서 ‘불충분한 이성의 원리’를 ‘중립의 원리’라고 이름 붙였다. 중립의 원리를 간단하게 설명하자면, 참인지 거짓인지 판단하기 어려운 일에 대해 각각의 경우에 똑같은 확률을 부여하는 것을 말한다.
지구의 탄생이후 지구에 생명체가 생겨날 가능성에 대해서도 중립의 원리를 적용해 볼 수 있다. 문제를 간단히 하기 위해 지구에 생명체가 존재할 가능성을 결정하는 요인을 다음 3가지로 한정해 보자.
① 지구는 태양으로부터 적절한 거리에 있어서 생명체가 살기에 적당한 온도를 유지해야 한다.
② 지구에 물이 존재해야 한다.
③ 지구에 산소가 존재해야 한다.
각경우에 대해 중립의 원리 적용된다면 지구가 적정한 온도를 유지할 확률은 ½, 물이 존재할 확률은 ½, 산소가 존재할 확률은 ½이며, 3가지를 모두 만족하여 생명체가 존재할 확률은 ½×½×½=⅛이 된다. 3가지중 하나라도 만족하지 않으면 생명체가 존재하지않게 되며 그 확률은 7×(½×½×½)=⅞ 이 된다.
논제
논제 1 : 제시문 1에서 제시된 원시 지구의 형성 과정에 관한 다음 물음에 대해 설명하시오.
① 미행성들이 서로 충돌하는 이유는?
② 운석이 계속 충돌하면서 지표의 온도가 점점 높아지는 이유는?
③ 이산화탄소가 감소하는 1단계 과정이 바다가 만들어진 43억년 전이 아니라 시간이 더 지난 38억년 전부터 시작되는 이유는?
논제 2: 제시문 2의 이산화탄소가 감소하는 1단계 과정이 시작되는 시기와 제시문 3의 광합성을 하는 원시 박테리아가 처음 생겨난 시기는 거의 일치한다. 이 시기가 일치하는 이유에 대해 추론하시오.
논제 3: 제시문 4에 제시된, 지구상에서 생명체가 존재할 확률을 구하는 과정의 오류에 대해 논술하시오
<출제의도>
제시문은 지구과학1의 지구 환경의 변화 단원과 수학1의 확률 단원에서 발췌했다. 논제 1은 원시 지구의 형성과 관련된 물리, 화학적 원리를 이해하는지 알아보는 문제로 물리1의 만유인력, 충돌 단원 및 화학1의 물, 공기 단원의 학습이 요구된다. 논제 2는 이산화탄소의 감소와 광합성 박테리아의 출현의 인과관계를 추론하는 문제로 온실효과의 감소가 지구 대기 환경에 미치는 영향을 이해하는지 파악하고자 출제했다. 과학의 물질대사, 환경 단원, 화학1의 기체 단원과 연관되어 있다. 논제 3은 조건부 확률의 개념을 묻는 문제로 수학적 개념의 적용 능력을 파악하고자 출제했다.
<예시 답안>
논제 1
① 미행성들간에 작용하는 만유인력에 의해 미행성들은 서로 가까워져 충돌하게 된다. 미행성 두 개의 충돌을 생각해보면, 만유인력은 두 물체의 질량의 곱에 비례하고, 거리의 제곱에 반비례하며, 만유인력이 작용하는 두 미행성은 질량의 대소 여부에 상관없이 작용 반작용의 원리에 의해 같은 크기의 인력이 작용한다. 작용하는 인력의 크기는 같지만 질량이 작은 미행성은 가속도가 크고, 질량이 큰 미행성은 가속도가 작아 질량이 작은 미행성이 질량이 큰 미행성쪽으로 더 많이 이동해 충돌이 일어난다. 그 결과 질량이 큰 덩어리가 만들어지게 되면, 다른 미행성도 인력에 의해 큰 덩어리 쪽으로 이동해와 점점 큰 덩어리를 형성하여 원시지구가 형성된다.
② 원시지구와 미행성의 충돌은 미행성의 충돌 후 미행성이 지구와 결합하는 것으로 볼 수 있으므로 이는 완전 비탄성 충돌이다. 완전 비탄성 충돌에서는 충돌 전후의 운동에너지의 합이 보존되지 않고 감소하는데, 이 때 감소한 에너지가 열에너지 형태로 전환되어 원시 지구의 온도를 증가시킨다.
③이산화탄소가 감소하는 1단계 과정은 탄산칼슘이 바다에 침전하여 석회암을 만들면서 대기의 이산화탄소양이 급속하게 감소하는 시기이다. 바닷물에 녹은 이산화탄소에 의해 생성된 탄산 이온과 칼슘이온이 결합하여 탄산칼슘이 형성되므로, 이 과정에 의해 다량의 이산화탄소가 탄산칼슘형태로 침전되기 위해서는 바닷물 속에 다량의 칼슘이온이 존재해야 한다. 초기에 생성된 바닷물은 그 기원이 원시대기의 수증기이므로 칼슘이온이 많지 않았다.
지각변동에 의해 대규모의 융기가 일어나 육지가 생성된 후 육지가 풍화 침식되면 육지를 이루는 지각성분에 포함된 칼슘이온이 하천수에 녹아 바닷물에 흘러 들어오게 되어 바닷물의 칼슘이온이 증가한다. 따라서, 이산화탄소가 감소하는 1단계 과정은 바다가 만들어진 43억년 전이 아니라 시간이 더 지난 38억년 전부터(대륙이 생성되어 칼슘이온이 바다로 공급된 이후) 시작된다.
논제 2
대기에 다량으로 존재하는 이산화탄소는 온실효과를 일으켜 지구의 평균기온을 높이고 이로 인해 바닷물의 수증기가 다량으로 증발해 지구 대기는 구름으로 가득해 태양빛이 지구로 들어올 수 없었을 것이다. 이산화탄소가 탄산칼슘의 형태로 바다에 침전하게 되고 이로 인해 대기중의 이산화탄소가 줄어들면 온실효과가 감소되어 지구의 평균 기온이 내려가고 대기중의 수증기량도 감소하여 구름이 줄어 들게 된다. 그 결과 비로소 태양빛이 지구 표면에 비치게 되어 광합성을 하는 원시 박테리아의 출현이 가능해진 것이다.
논제 3
지구가 적정한 온도를 유지할 확률이 , 물이 존재할 확률이 , 산소가 존재할 확률이 일 때, 3가지를 모두 만족하여 생명체가 존재할 확률을 으로 계산하려면, 지구가 적정한 온도를 유지하는 것, 물이 존재하는 것, 산소가 존재하는 것이 모두 독립적이어야 한다. 즉 세 가지 모두가 독립사건이어야 하며, 이 경우에만 세 사건 모두 일어날 확률을 각 사건의 확률의 곱으로 나타낼 수 있다. 하지만 지구가 적정한 온도를 유지하는 것, 물이 존재하는 것, 산소가 존재하는 것은 서로 독립적인 사건？아니며 서로 연관성이 있다. 지구의 적정온도와 물의 존재, 산소의 존재는 서로 상호 영향을 주므로, 독립적인 사건으로 취급할 수 없다. 독립이 아닌 사건을 독립인 사건으로 취급하여 확률을 계산한 것이 제시문 4의 내용이 가지는 오류이다.
조현ㆍ서울 최강학원 강사
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