[반도체로 피아노 만들기] Maximize를 위한 minimize

겨울 한파를 몰고 오는 라니냐

올겨울에도 작년과 마찬가지로 동태평양 적도 지역 바닷물 온도가 평상시보다 낮아지는 ‘라니냐’가 발생할 가능성이 매우 크다. 기상청에 따르면 10월 10~16일 태평양 ‘엘니뇨·라니냐 감시구역’ 해수면 온도는 25.9도로 평년보다 0.8도 낮다. 엘니뇨·라니냐 감시구역 해수면 온도가 평년보다 0.5도 낮은 상황이 5개월 이상 지속되면 라니냐가 시작됐다고 본다. 라니냐가 발생한 해에 우리나라는 겨울에 더 추워지는 경향이 있다.

출처 - 기후정보포털

라니냐가 발생하면 동에서 서로 부는 무역풍이 강해지면서 동태평양은 따뜻한 해수층이 얇아지면서 수온이 평소보다 낮아지고, 반대로 서태평양은 따뜻한 해수층이 두꺼워지고 수온이 상승한다. 수온의 영향으로 서태평양에서 대류 활동이 증가해 상승기류가 발달하면서 중국~몽골 부근엔 대기의 하강 운동이 활발해져 찬 대륙 고기압이 세력을 강화하고 우리나라 동쪽 북태평양에선 저기압이 강화된다. 한반도 북동쪽에 저기압이 자리를 잡으면 우리나라엔 북풍이 불어 들어오게 된다. 이 북풍이 차가우므로 추위가 가중된다.

물론 라니냐가 발생한다고 겨울이 꼭 더 추워지는 건 아니다. 겨울 기온을 결정하는 요인이 워낙 다양하기 때문이다. 대표적으로 2016년은 라니냐가 발생했지만 2000년 이후 겨울 기온으로는 4번째로 높았다.

 

남미의 해안가에서 발생하는 국소적인 기상 현상이 세계 곳곳의 기온과 기후에 광범위한 영향을 준다는 면에서 라니냐는 지구 온난화로 인한 이상 기후를 연상시킨다. 그러나 라니냐는 2~7년 주기로 발생함으로써 적도와 극지방 에너지 불균형을 해소하는 자연스러운 기상 현상이다.

소리로 듣는 지구 온난화

지구 온난화로 인한 기후 변화는 인류 생존을 위협하는 문제다. 세계 각국이 탄소중립에 속도를 내는 것은 지구 온난화를 막기 위해서다. 최근에 발간된 유엔 기후 보고서에 따르면 2010~2019년 북극 그린란드 빙상의 유실 속도는 1992~1999년보다 6배 빨라졌다. 

북극 빙하는 태양빛을 반사해 지구의 온도를 조절하는 역할을 하는데 이 역시 소실 속도가 빨라지고 있다. 올여름 기준 북극 빙하 면적은 인공위성으로 관측을 시작한 1979년과 비교할 때 60% 미만으로 줄어들었다.

 

지구 온난화는 소리로도 목격할 수 있다. 빙하가 녹으면서 풍랑 등이 일어나 주변 소음이 급증했다는 설명이다. 극지연구소는 2017년 북극 동시베리아해에 수중음향 관측장비를 설치하고 1년간 바닷속 소리를 측정했다. 분석 결과 온도가 가장 높은 여름철 북극해 수중 소음이 연평균 수치보다 16데시벨 높은 것으로 나타났다.

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Maximize를 위한 Minimize

‘지구 온난화의 원인이 무엇인가’라는 질문은 의외로 많은 논쟁을 생산해왔다. 현재의 기후위기가 인간이 일으킨 문제라는 결론을 내리기 위해서는 두 가지 인과관계를 밝혀내야 한다. 첫 번째는 이산화탄소로 대변되는 온실가스가 지구 온도 상승의 주범이라는 것이고, 두 번째는 대기 중 증가한 이산화탄소가 인간 활동의 결과물이라는 것이다. 이 인과관계를 어떻게 밝혀낼 수 있을까? ‘실험을 해보면 되지’라고 쉽게 생각할 수도 있겠지만, 범지구적 규모의 100년짜리 인위적 기후 실험 따위는 존재하지 않는다. 게다가 너무나도 다양한 요인이 복잡하게 얽히고설켜있는 결과가 '지구 온난화'이기에 원인을 쉽게 찾을 수도 없고, 명확하게 규정할 수도 없다.

 

중요한 건 지구 연평균 기온 상승 기울기가 산업화 이후로 가팔라졌다는 사실이고, 그만큼 지구의 안전 임계 온도에 도달하기 일보 직전이라는 현실이다. 지구 온난화를 일으키는 정확한 요인을 알아내는데만 시간을 소비하기엔 사치스러울 지경에 이르렀다. 당장 세계 각국은 '지구 온난화'라는 눈앞의 불을 끄기 위해 탄소 배출량을 줄이기 위한 소화 작업을 논의하고 있다. 이는 문제를 최소화하여 효과를 극대화할 방법의 일환이다. 이처럼 Maximize(극대화)를 위한 Minimize(최소화) 전략이 어느 분야에서 어떻게 활용되고 있는지 여러분의 상상력을 동원하여 찾아보도록 하자.

반도체

'Maximize를 위한 minimize' 전략을 활용한 아이템으로 반도체를 꼽을 수 있지 않을까?

손톱만한 칩에 새겨진 미세한 회로에 흐르는 전류의 흐름을 정류 작용으로 원활하게 조절함으로써 다양한 기능을 조그마한 공간에 욱여넣는 게 수월해졌다. 이로 인해 탄생한 반도체 덕분에 우리는 과거에 누리지 못했던 문화적, 기술적 혜택을 스마트폰과 PC 및 인터넷 등으로 누리고 있다고 해도 과언이 아니다.

즉 반도체는 활용 가치를 Maximize 하기 위해 다양한 기능을 작은 칩으로 minimize 한 아이템인 셈이다.

방 하나를 차지할 정도로 커다란 피아노 역시 반도체를 활용하면 충분히 minimize 할 수 있다.

이번 시간에는 반도체를 활용하여 전자 피아노를 만들어볼 것이다.

 

키움 영재 활동

①피아노의 음색을 소리의 진동수와 관련지어 서술하시오.

 

 

 

②소리의 발생 원인을 스피커의 작동 원리와 관련지어 서술하시오.

 

 

 

 

③전류의 세기는 어떤 장치에 의해서 조절될지 생각해보고, 이를 종합하여 전자 피아노의 작동 원리를 서술하시오.

 

 

 

 

 

망원경

멀고 먼 미지의 대상을 자세히 보기 위해서는 망원경이 필요하다. 망원경에 설치된 렌즈는 시야를 좁힘으로써(minimize) 대상을 확대하여(Maximize) 볼 수 있다. 그로 인해 우리는 우주의 장구한 이야기를 조금이나마 가늠할 수 있게 되었다. 밤하늘의 별을 본다는 것은 우주의 역사를 보는 것과 같다. 우리가 보는 밤하늘의 달은 지금의 달이 아니다. 1.3초 전의 달이다. 우리가 보는 태양은 8분 전의 태양이다. 태양계의 가장자리라고 하는 오르트 구름대는 1년 전의 모습, 지구에서 가장 가까운 별, 프록시마 센타우리는 4년 전의 모습, 북극성은 400년 전의 모습, 안드로메다 은하는 250만 년 전의 모습이다. 빛의 속도가 유한하기에 망원경으로 보는 모든 우주는 모두 과거에 머물러 있다.

과거는 지나간 것이고, 영원히 다시 볼 수 없다. 과거는 돌이킬 수 없는 사건이다. 하지만 정말 그럴까? 과거는 정말 이 우주에서 아주 사라져 버리는 걸까? 그렇다면 현재는? 현재는 볼 수 있을까? 하늘에 새 한 마리가 날아가고 있다. 그것을 바라보는 우리는 지금 과거를 보는 걸까, 현재를 보고 있는 걸까? 

 

나와 1미터 떨어진 거리에 있는 새를 보고 있다고 하자. 내가 보는 것은 지금의 새가 아니다. 내가 보고 있는 새는 10억 분의 3초 전 새 모습이다. 빛은 1초에 30만 km를 가는 유한한 속력으로 이동하기 때문이다. 내가 듣는 새소리는 더 과거의 것이다. 소리가 1초에 340미터를 가니, 새소리는 대략 0.003초 전의 소리다. 내가 보고 듣는 새와 소리가 지금의 것이라고 생각하는 건 착각이다. 10억 분의 3초, 0.003초, 이런 시간은 너무나 짧아서 그냥 현재라고 우겨도 된다는 생각은 오만함이라고 밤하늘의 별이 가르쳐준다.

천문학자들이 과거를 보기 위해 고심하는 것은 우주의 역사를 알기 위함이지만, 그렇다고 해서 그들이 단순히 과거를 아는 것에 머물지 않는다. 역사를 공부하는 이유와 같다. 과거를 아는 것을 넘어 현재 우리가 어떻게 살아야 하는지, 미래는 어떻게 전개될 것인지에 대한 지혜를 얻기 위함이다. 

 

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과거를 돌아보며 미래를 앞서보다

미래는 만들어지지도 않았고, 현재는 눈 깜짝할 사이에 지나가 버린다. 남는 것은 과거뿐이다. 과거는 돌아서서 바꿀 수 있는 것도 아니다. 그러니 과거는 돌처럼 단단하고 별처럼 변하지 않는다. 과거가 없다면 우리의 인생은 얼마나 덧없을까? 존재하지도 않는 미래나 눈 깜짝할 사이에 지나가고 마는 현재가 아니라 영원히 남는 과거가 있다는 것이 얼마나 다행인가? 현재는 사라지지만 과거는 저 밤하늘의 별처럼 영원히 남는다.

 

살아온 내 과거는 앞으로 살아갈 미래에 비하면 minimize된 인생과 같다. 어떻게 펼쳐질지 모를 여러분의 Maximize될 미래로 나아가기 위한 지혜를 minimize된 과거를 거울 삼아 얻길 바란다.

 

 

 

「참고자료 및 문헌」

각종 이미지 출처 - 구글

과학과 수많은 논란들 - 최형순의 과학의 창

북극 빙하를 지켜라 - 한국경제

숨은 과학 - 김병민

우주를 만지다 - 권재술