빙하와 빙하 시대


그림 40. 빙하기에 빙하가 최대로 확장한 북반구의 모습	현재 수권의 약 2%인 담수의 대부분은 빙하(glacier)로 존재하며, 현재 육지의 약 10%는 빙하로 덮여 있다. 지난 수백 만년 동안 빙하가 지표의 넓은 지역을 덮고 있었던 때가 여러 차례 있었는데, 북반구의 1/3이상이 빙하에 의해 덮였다 (그림 40). 이러한 지구적인 혹한기 동안에는 중위도 지역까지도 눈과 얼음으로 뒤덮인 엄동의 시대를 맞고 있었다. 이와 같은 혹한의 시대를 빙하기 (Ice Age)라 하는데 빙하기가 우리에게 알려진 것은 불과 백년이 채 되지 않는다.

빙하 작용(Glaciation)
그림 41. 빙하빙의 현미경 사진. 얼음 결정내에 많은 기포가 보인다.	빙하의 형성은 바닷물이 직접 얼어서 만들어지는 것이 아니라, 해수의 증발에 의해 내리는 눈에 기원을 두고 있다. 처음에 내린 눈은 눈송이 사이에 공기가 채워져 비중이 0.06~0.16 정도로 낮지만, 눈이 쌓이게 되면 자체의 무게로 압축되어 공기가 빠져나간다. 계속 눈이 쌓이여 수년이 경과하는 동안 눈은 녹기도 하고 다시 얼기도 하면서, 그리고 재결정 작용 등을 반복하면서 점점 치밀해지는데, 비중이 약 0.5에 이르게 되며, 이때 만년설(firn)이라고 한다. 만년설이 더욱 치밀해져서 비중이 0.8에 이르면 빙하 얼음 (氷河氷, glacial ice)으로 변한다. 이 얼음 내에는 많은 기포들이 들어 있다 (그림 41). 이는 직접 물이 얼어서 된 것이 아니라 눈이 쌓여서 압력을 받아 공기와 함께 압축되면서 얼음으로 변했기 때문이다(물이 동결될 때의 얼음의 비중은 0.917로서 빙하 얼음과 구별되어져야 한다). 이렇게 점점 빙하 얼음이 발달하여 빙하가 형성된다.
그림 42. 빙하작용(상)과 형성된 다양한 빙하지형.	빙하 작용 (glaciation)은 지형학적인 관점에서 두 가지 점이 중요하다. 하나는 빙하가 발달하거나 후퇴시 침식과 퇴적 작용에 의해 생성된 빙하 지형이고, 또 다른 하나는 해수면의 상승 또는 하강 운동에 의해서 해안 및 하곡(河谷) 지형의 발달에 간접적으로 영향을 미친다는 것이다. 현재 남아 있는 빙하 작용의 흔적은 북미 대륙에 60% 정도와 북 유럽에 20% 정도로 집중되어 있으며 나머지는 고산 지대에 흩어져 있다. 우리 나라에서도 백두산과 관모봉의 고산 지대에 빙하 작용의 흔적이 남아 있다. 주로 고산 지대에서 빙하가 계속해서 두껍게 형성되면 빙하의 바닥 쪽에는 압력이 높아지고 녹기 시작하면서 지면과의 접촉부가 미끄러워져 빙하는 낮은 곳으로 흘러내리기 시작한다. 이렇게 흘러내리는 빙하는 이동하면서 침식 작용과 운반작용을 하면서 여러 가지 빙하 지형을 남기고 (그림 42 위), 빙하가 후퇴하면서 운반해온 퇴적물들을 남기면서 다양한 빙하 지형을 만든다 (그림 42 아래). 전자를 빙하의 침식 및 운반작용에 의한 지형이며, 후자를 퇴적 작용에 의한 빙하 지형으로 구분한다.
침식 및 운반 작용
	빙하가 이동하면서 주변 지형을 침식하거나 운반하면서 만드는 지형은 다음과 같다 (그림 43).
그림 43. 빙하의 침식 및 운반 작용의한 빙하 지형.	U자곡(U-valley) : 골짜기를 따라 흘러내리는 빙하의 침식에 의하여 형성된 U자형 계곡. 현곡(shirk) : 빙식곡의 상류쪽 끝에 있는 3면이 절벽으로 된 우묵한 지형. 절형 산릉(arete) : U자의 빙식곡 사이의 예리한 능선. 호른(horn) : 뾰족한 뿔 같은 산꼭대기. 권곡(cirque) : 절형산릉 사이에 둥글게 움푹하게 파인 지형 피요르드(fjord) : 빙하의 침식에 의해 형성된 해안. 빙하호(glacial lake) : 빙하의 무게에 의해 지각이 가라앉거나 빙식 되어 평원이 형성된 후, 빙하가 녹은 물이 채워져 생긴 호수. 미아석 (lost stone) : 빙하에 의하여 운반되어 퇴적된 커다란 돌덩어리로 표이석(drift stone)이라 부르기도 한다 (그림 45). 찰흔(streation) : 빙하에 박힌 암편에 의하여 기반암의 긁힌 자국 (그림 46).
퇴적 작용
	빙하가 후퇴하면서 남긴 퇴적물들이 만드는 지형은 다음과 같다 (그림 44).
그림 44. 빙하의 후퇴함에 따라 퇴적 작용에 의한 빙하 지형.	빙퇴석(moraine) : 빙하에 의해 운반되거나 퇴적된 돌 부스러기. 운반되면서 빙하의 진행방향과 평행하게 퇴적된 것을 측퇴석 (medial moraine), 바닥에 넓게 깔린 것을 저퇴석 (ground moraine), 밀려온 퇴적물들이 빙하가 후퇴하면서 빙하면과 평행하게 일렬로 제방처럼 쌓인 것을 종퇴석 (end moraine)이라 한다. 표력토(till) : 빙하 말단에 쌓이는 마지막 퇴적물. 이는 큰 돌덩어리에서부터 진흙 입자 정도까지 크기가 다른 여러 종류의 돌 부스러기로 되어 있어서 분급(sorting)이 대단히 불량하다. 표력토가 쌓여 만든 비대칭적 언덕을 드럼린 (drumlin)이라 하는데, 빙하가 진행하는 앞쪽은 경사가 가파르고, 뒷쪽은 경사가 완만하여 빙하의 진행 방향을 알 수 있다. 에스커 (esker) : 모래와 자갈로 이루어진 좁은 긴 제방처럼 생긴 언덕. 케임 (kame) : 에스커처럼 모래와 자갈로 이루어진 가파른 언덕. 우각호(kettle) : 종퇴석이나 빙하유수 평원에 움푹패여 만들어진 호수.

빙하학의 선구자
그림 45. 미아석 (lost stone). 미아석은 주변에서 발견되는 것이 아니라 먼 곳으로부터 이동해 온 것이다. 일명 표이석(drift stone)이라고도 함.	유럽의 곳곳에는 빙하들이 남긴 지형으로 뾰쪽한 첨탑 같은 호른, 들판 한가운데서 발견되는 거대한 ‘집 잃은 돌’(lost stone, 미아석 또는 표이석이라고 함) (그림 45), 기반암에 길게 긁힌 찰흔 (그림 46), 점토와 자갈로 된 표력토(drift) 등이 많이 발견된다. 19세기까지 그 당시의 모든 사상이나 과학을 지배했던 근본은 기독교에 뿌리를 둔 종교로서 이와 같은 지질학적 현상에 대해서도 예외는 아니었다. 따라서 미아석이나 표력토 등은 성서에 나오는 노아의 대홍수를 실증하는 것으로 오히려 믿고 있었다. 그러나 집채만한 거대한 미아석이 홍수에 의해 수 km나 이동한다는 것은 불가능하며, 특히 기반암의 긁힌 찰흔을 설명할 수가 없었다. 그러자 대홍수설을 약간 수정한 것으로 1830년, 스코틀랜드의 유명한 지질학자인 라일(C. Ryle)은 빙산설을 주장하였는데, 미아석이 대홍수 때 물 위를 표류하던 빙산의 밑바닥에 얼어붙어 이동하였다는 것으로 제법 그럴듯한 설이었다. 비록 빙산에 의해 표이석이 이동한 것으로 설명하였지만, 대홍수설을 바탕으로 한 성서의 가르침을 크게 벗어 나지는 않았다.
그림 46. 찰흔(glacier striation). 빙하가 이동하면서 바닥에 박힌 암편에 의해 긁혀져 기반암 위에 남겨진 줄무늬. 줄무늬의 방향을 따라가면 빙하가 이동해 온 곳을 추적할 수 있다.	그러나 그 당시 학식이 있다는 유명한 과학자들이나 그들을 따르는 추종자들이 대홍수설을 믿고 지지하는 동안에도, 스위스 알프스의 주민들에게 있어서는 훨씬 이전부터 관찰을 통하여 빙하가 유동할 뿐만 아니라 지나갈 때 땅에 자국을 남기는 것을 잘 알고 있었다. 또한 현재 목축을 하고 있는 푸른 초원에 과거 빙하가 덮쳤다가 빙하가 물러가면서 거대한 표이석을 남겼다는 사실을 그들의 조상들로부터 들어서 알고 있었다. 이와 같이 인간 문명 이전에 큰 빙하기가 있었다는 것을 시사하는 지질학적 흔적들을 해독하고 그 무엇이 그렇게 광범위한 빙하 확대를 초래하게 되었는 가? 라는 어려운 수수께끼에 접근을 시도한 것이 과학자가 아니라 바로 지질학적 현장에서 살면 서 관찰할 수 있었던 일반인에 의한 것이 결코 우연은 아니었다. 스위스 알프스 남부 출신으로 관광 안내원과 영양 사냥을 생업으로 하던 쟝 삐에르 페로댕(J. Perodin)은 1818년 암석에 패인 흔적을 조사한 결과, 그것이 빙하의 무게와 압력에 의해 생긴 것으로 결론을 내렸다. 그후, 패로댕을 만나 그의 이야기에 감동을 받은 스위스 토목 기술자 이그나츠 베네츠(I. Benetz)는 오랜 시간에 걸쳐서 스위스 알프스의 수많은 지역에서 빙하를 조사했다. 그는 1829년 스위스 자연과학협회의 연차 총회에서 알프스의 빙하가 이전에는 유럽의 북쪽을 향해 유럽 평원까지 퍼져 있었다고 주장했지만, 참석자들은 그 사실을 받아들이지 않았다. 단 한 사람만이 그의 생각에 동조했는데, 그는 스위스의 벡스에서 암염 광산을 경영하고 있던 저명한 박물학자 쟝 드 샤르팡티에(J. Sarpindre)였다. 1834년 샤르팡티에는 스위스 자연과학협회에서 베네츠의 주장을 지지하는 지질학적 증거의 존재에 관해 발표했다. 이 자리에 루이스 아가시도 있었으나, 그 역시 당시 사람들의 머리에 가득 차 있던 대홍수설을 지지하고 있었기에 그의 연설에 별다른 인상을 받지 못했다.
그림 47. 미국에서 강연하는 루이스 아가시.	빙하기라는 용어는 스위스 해양 생물학자 루이스 아가시 (L. Agassiz) (그림 47)에 의하여 최초로 제안되 었다. 본래 아가시는 30세의 젊은 나이에 스위스 대학의 촉망받는 교수이자 박물학자로서 어류 화석의 몇 안되는 권위자의 한 사람으로 이미 인정받고 있었다. 개인적으로 박물학의 선배이자 스승인 샤르팡티에의 초청을 받고 그는 1836년 샤르팡티에의 고향인 벡스의 휴양지에서 여름을 보내면서 수십 내지 수백 km나 떨어진 곳에서 운반된 거대한 표이석이 여기저기 흩어져 있는 기이한 지형에 매료되었다. 아가시는 그렇게 거대한 표이석은 아무리 많은 물일지라도 운반하기는 불가능하다는 사실을 눈으로 확인함으로써 지금까지 빙하에 관한 인식을 바꾸게 되었으며, 마치 개종자처럼 열렬하게 빙하 이론을 믿게 되었다. 그는 많은 조사와 연구를 발전시켜 빙하 이론을 주장하게 되었다. 1837년 6월 24일, 아가시는 그 가 회장으로 있는 스위스 자연과학협회에서 강연을 하게 되었는데, “거대한 미아석이 1만8천년전 스위스를 덮고 있던 대 빙하의 전진으로 운반되었다가 빙하가 녹아 없어짐으로 현재의 위치에 있 게 되었다”고 발표하면서 이 지구 규모의 사건을 칼 심퍼가 1년전에 사용한 용어를 채택하여 빙하기 (Eiszeit: Ice Age)라고 불렀다. 후에 ‘누샤텔의 강연’으로 유명해진 그 날의 강연에 대해 청중들은 단지 몰이해로 인한 침묵으로 응하였다. 그후, 아가시는 빙하기에 대한 강한 확신을 갖고 있었기에 보다 자세한 연구를 통해 1840년 “빙하의 연구”(Studies on glaciers)라는 제목의 책에서, 이전에 빙하가 유럽, 아메리카, 아시아의 북방을 전부 덮고 있었다는 사실을 더욱 철저하게 주장하였다. 계속 많은 반대자들의 저항에 부딪혔지만 아가시는 그의 주장에 대한 확신과 끊임없는 노력으로 많은 지질학적 증거를 제시함으로써 마침내 라일을 포함한 많은 과학자들이 그의 주장에 동조하게 된다. 그래서 루이스 아가시는 빙하설의 창시자로 인정받고 1846년 미국으로 건너가 하바드 대학의 동물학 교수로 임명되었다.

빙하기의 원인
	빙하기 동안에는 오늘날은 따뜻하고 푸른 초원 지대인 중위도 지역까지도 눈과 얼음으로 덮여 있 었다. 그리고 이런 빙하기가 전 세계적인 현상이며 과거의 지질 시대에 여러 차례 빙하기와 간빙기가 반복되었다는 것이 아가시를 비롯한 많은 과학자들의 연구 결과 밝혀졌다. 그러나 지구 규모의 빙하기가 왜 반복적으로 일어나는지에 관해서는 여전히 해결되지 않고 있었다. 이 빙하기의 전진과 후퇴에 대해서 20세기에 들어와서 지구밖에서 그 원인을 찾기 시작하였는데, 지구 공전과 자전의 형태에 관련되어 있다는 이론이 수학자와 천문학자들에 의하여 발표되었다. 구유고슬라비아의 수학자인 밀류신 밀랑코비치 (M. Minlancovici)는 1912년과 1941년 사이 그 자신의 생각을 수 차례 수정하고 혼신의 힘을 다한 계산 끝에 ① 공전 궤도의 이심률의 변화, ② 자전축의 경사 효과 및 ③ 세차 운동이 여름의 햇살 강도를 크게 변화시키기 때문에 빙하기의 재현을 충분히 설명할 수 있다고 주장하였다. 밀랑코비치의 이러한 설명 이후, 광범위하게 밝혀진 지질학적 증거는 지구의 기후에 미치는 천체 주기의 영향을 강하게 뒷받침하고 있는 것이다.
이심률의 효과
그림 48. 이심율의 효과. 최대가 대면 빙하기(왼쪽), 최소가 되면 간빙기(오른쪽)가 발달한다.	약 10만년을 주기로 지구의 공전 궤도가 원에 가까운 모양에서 더욱 납작한 타원으로 변하게 된다 (그림 48). 이 주기 동안에 지구와 태양의 거리는 1천8백2십7만 km나 변화한다. 이심률이 최대가 되는 시기에 지구와 태양의 거리가 최대가 되어 겨울은 한달 이상 길어지고 아마도 수 천년 동안은 통상적인 경우와 비교하여 추워진다.
지구 자전축의 경사 효과
그림 49. 자전축의 경사 효과. 자전축의 경사가 최대가 되면 간빙기(위), 최소로 되면 빙하기(하)가 발달한다.	지구 자전축이 공전 궤도면에 수직으로 되어 있지 않고 경사진 채로 공전하므로 여름에는 북반구가 태양을 향하고 겨울에는 남반구가 태양을 향하게 된다. 이 효과가 지구상에 어떤 위치에도 1 년 사이에 온도차가 나타나 4 계절이 생겨난다. 대략 4만 천년을 주기로 하여 그 각도는 21.5^o와 24.5^o사이를 변하는데, 현재는 약 23.5^o이다 (그림 49). 이 기울기가 최소가 되면 여름은 덜 더워져 서늘해지고 겨울은 덜 춥게 된다. 한편, 북극지방에서는 햇빛은 다소 큰 각도로 입사되어 극지방은 계절에 따른 온도차가 적어지게 된다.
세차 운동의 효과
그림 50. 세차 운동. 북반구의 여름이 서늘하면 빙하기, 따뜻하면 간빙기가 된다.	팽이 축이 지면에 경사져 있을 때 팽이가 비틀거리며 도는 현상을 세차 운동이라고 한다. 지구 자전축도 경사져 있기 때문에 지축의 세차 운동으로 북반구에서 받는 태양에너지의 양은 서서히 변한다 (그림 50). 세차 운동의 주기는 2만3천년이므로 1만천오백년 전에는 현재와 달리 자전축이 왼쪽으로 기울어 (그림 50 오른쪽 하단) 현재 수직고도보다 낮은 적도에 수직으로 태양이 비추어 북반구는 서늘한 여름과 반대로 겨울은 온화하여 빙하의 성장에 좋은 조건이 된다. 그러나 현재에는 알다시피 자전축이 오른쪽을 기울어 여름에 북위 23.5를 수직으로 비추게 되고 북반구의 여름이 더워 빙하가 축소되는 조건으로 되어 있다.
	4만 천년, 십만년, 그리고 2만3천년 주기로 일어나는 이 세 가지의 효과가 합쳐지거나 극대화되면 빙하기가 시작된다. 빙하기는 북반구에 있어 추운 겨울에 일어나는 것이 아니라, 서늘한 여름에 시작한다.. 서늘한 여름이 되어 지난 겨울에 쌓인 눈과 얼음이 다 녹지 못하면 눈과 얼음의 성질상 열을 적게 흡수하고 햇빛을 모두 반사하게 되어 주변을 더욱 차게 만든다. 이때 바다로부터 불어오는 습윤한 온대 기단이 대륙의 찬 기단을 만나 상승하게 되고, 모여서 무거워진 구름은 비가 아니라 눈이 되어 하강한다. 계속되는 눈은 주위를 더욱 차게 하고 그 결과 기온이 떨어져 구름이 하강하면서 더 많은 눈이 오게 된다. 점점 눈이 쌓이게 되면서 무게와 압력에 의해 눈은 얼음으로 결정되고 점차 빙하로 성장하게 된다. 이렇게 성장한 빙하는 점점 커지면서 무게가 무거워지고 빙하 바닥은 무게에 의하여 녹기 시작하고 지표를 따라 미끄러져 빙하는 서서히 이동을 하기 시작하며, 그 결과 지구 북반구의 반 이상을 덮어 버리는 빙하기가 시작되는 것이다. 일단 빙하가 발달하게 되면 태양으로부터 받는 지구의 복사량은 줄어들기 때문에 지구의 기온은 점점 낮아지면서 빙하의 성장 조건을 더욱 가속되게 된다. 실제 지구 자전축의 경사 효과, 세차 운동, 및 이심률의 변화중 어느 한가지의 효과만으로도 소빙하기를 가져오기 충분한데, 만약 이 세 가지 효과가 중첩되면 지구의 대부분은 얼음으로 덮이게 될 지도 모른다.