방사성 탄소 연대 측정법의 허와 실

인간이 과학을 비약적으로 발전시키면서 수치에 민감해지게 된지가 300년쯤 되어간다. 그 이전에는 대략적인 개론 수준의 과학만 존재하던 시기였으나 르네상스 시대를 전후하여 정밀관측을 통한 수치과학으로 발전하기 시작한 것이다.

과학이 발전하면서 가장 처음 철학으로부터 분화한 학문이 <지질학>이다. 그러나 지질학에서 나타나는 연대의 정확한 척도가 없었던 18C~19C에 『성경』과 지질학 사이의 연대의 비교라는 놀라운(?) 연구가 진행되었고, 가장 먼저 출발한 과학이 어느덧 뒤진 과학의 한 분야로 위치를 바꾸게 된다. 그 후 물리학의 발전으로 점차 지질학의 연대가 수치화됨에 따라서 옛 지질시대의 지층들이 성경과 연결됐을 것이라는 헛된 믿음의 미련을 버리고 현재의 지질학으로 발전하는 계기가 되었다. 현재 지질학에서 가장 흔히 사용하는 연대측정법은 우라늄(반감기 45억 년) 등과 같은 매우 오랜 반감기를 갖는 방사성원소의 비율을 측정하는 방법이다.

반면 별로 오래되지 않은 과거를 연구하거나 인류의 기원을 연구하는 학문에 있어서는 우라늄과 같은 긴 반감기를 갖는 방사성원소를 이용한 연대측정법은 오차가 커질 수밖에 없다. 시간이 수백~수만 년밖에 흐르지 않았기 때문에 우라늄이 분열하여 생긴 성분이 별로 없어 실험에서 허용할 수 있는 오차의 한계 내에서 측정하기가 무척 힘들기 때문이다. 그래서 개발된 것이 방사성 탄소 연대 측정법이다.


방사성 탄소 연대 측정법이란?
우주에는 소립자들이 매우 빠른 속도로 여행하고 있는데 우리는 이러한 소립자를 우주선(cosmic ray, 宇宙線)이라 부른다. 우주선이 지구에 도착하는 양은 우리가 상상하는 것보다 상당히 많다. 그리고 이런 소립자는 지구 대기의 상층부에서 다른 공기분자와 충돌하여 2차 입자를 만들어내게 된다. 2차 입자는 전자, 반전자, 뮤온, 중성미자 등의 입자가 포함되는데, 우리가 주목할 2차 입자는 중성자이다. 중성자는 전하가 없고, 질량이 양성자와 거의 같은 입자이며, 홀로 존재할 때는 반감기가 10.8분에 불과한 입자로 대략 10.8분이 지나면 절반이 β붕괴를 하여 양성자, 전자, 반중성미자로 분열한다. 당연히 우주선은 거의 지표에 도달하지 못한다.

지구의 대기는 약 80%의 질소와 20%의 산소로 이뤄져 있다.[footnote]최근 이산화탄소의 증가현상이 나타나고 있지만 그 양이 지난 50여 년간 0.1%에서 0.3%로 늘어났을 뿐이다. 수증기의 양은 지역에 따라서, 시간에 따라서 매우 많이 변하면서 일기를 바꾸지만 우리가 살펴보려는 것은 일기가 아니다.[/footnote]
지구 대기권 상층부에서 생겨난 중성자는 지구 대기권 내에서 질소와 반응하여 양성자를 하나 내보내고 탄소로 변화한다.

714N + 01n → 614C + 11p


이렇게 질소가 변한 탄소는 대략 5700 년의 반감기를 가지며 서서히 질소로 되돌아가게 된다.
일단 대기 중에서 발생한 무거운 탄소는 다른 원소들의 동위원소들과 같이 일반적인 탄소(612C)와 섞이면 화학적으로는 구분이 되지 않는다. 따라서 식물들은 이 탄소를 흡수하여 포도당을 비롯한 모든 영양분을 생산해내며, 이렇게 생산된 양분은 동물의 먹이도 된다.
일반적으로 지구의 생물계 (가이아) 내에서 탄소가 순환하는 시간이 방사성 탄소의 반감기보다 훨씬 짧으므로 살아있는 전체 생물체들이 갖고 있는 탄소는 두 가지 탄소(612C,614C )의 비율이 거의 일정하게 유지하게 된다.[footnote]1년 동안 생성되는 614C의 양은 약 5만 t 정도로 추정된다. 전체 탄소의 양을 생각할 때 매우 미미한 양이라고 할 수 있다.[/footnote]

하지만 생물이 죽어 신진대사가 정지하거나 새로운 탄소의 공급이 정지되는 환경에 처하게 되면 방사성 탄소(614C)의 공급이 끊기지만 방사성 붕괴는 계속 진행되므로 시간이 흐를수록 614C의 비율이 줄어들게 된다.
과학자들은 비교적 최근에 생존했던 각종 생물체, 최근에 형성된 해저나 습지에 퇴적된 퇴적물 등 새로운 탄소가 공급되지 않는 물질을 채취하여 생물체, 퇴적물 등의 생존[생성] 연대를 측정하고 있다. 이 연대측정법을 방사성 탄소 연대 측정법이라고 부르며, 대략 수십~수만 년 사이의 연대측정에 사용되고 있어 인류학에서 매우 유용하게 사용되고 있다.


방사성 탄소 연대 측정법의 오류
수 년 전에 연구한 결과에 의하면 탄소를 이용한 방사성 연대 측정법에서 부정확한 부분이 발견됐다고 한다. 이 부정확한 부분중 대표적인 한 가지는 태양의 변화로부터 야기된다.

태양풍에 포함된 플라즈마 이온들은 우주선에서 포함된 것보다 대체적으로 에너지가 약하다. 그 이유는 아직 명확히 밝혀지지 않았으나 초신성 폭발과 같은 현상이 우주선의 근원이기 때문이라는 설이 유력하다.

태양풍과 지구의 자기장
태양으로부터 오는 태양풍은 에너지가 작기 때문에 지구의 대기권과 직접 충돌하지 못하고 지구의 자기장에 잡히게 되는데, 이렇게 잡힌 태양풍 입자는 지구 자기장을 따라서 운동하다가 결국에는 극지방의 상공에서 지구의 대기를 구성하는 원자들과 부딪히게 된다. 이 때 발생하는 현상이 유명한 오로라 현상이다. 오로라는 강한 자기장과 대기를 갖는 지구나 목성, 토성 등에서 관측된 바 있다.
태양으로부터 오는 태양풍은 에너지가 작아서 614C를 만들 수가 없다. 따라서 614C는 우주선이 많이 와야만 형성된다.

접형도 - 태양 흑점의 변화 (가로축이 년도, 세로축이 흑점이 관측된 태양 위도)

태양의 흑점활동은 약 11 년과 100 년을 주기로 활발해졌다가 약해졌다가를 반복하고 있다.
태양의 흑점이 많아지면 흑점에서 더 강한 빛[footnote]흑점이 많아지면 태양 표면의 온도가 상승하여 햇볕이 강해지므로 곡물 작황이 더 좋아져서 곡식의 가격이 싸진다. 또한 흑점이 없을 때는 지구의 평균기온이 낮아지는 경향을 보인다. 이는 수백년간의 기록과 일치한다.[/footnote]과 많은 태양풍이 발생하는 것으로 알려지고 있다. 그리고 이 태양풍은 태양계 전체를 완전히 뒤덮고 흐르므로 우주선이 태양계 내부로 들어오는 것을 방해한다. 따라서 흑점이 많아지면 지구에 도착하는 우주선의 양이 줄어들게 되고, 우주선의 양이 줄어들면 614C도 훨씬 적게 생성될 수밖에 없다.

중요한 것은 현재까지의 관측결과로는 태양의 11년의 흑점주기는 지구의 탄소의 방사성 동위원소의 구성비율에 크게 영향을 주지 않는다는 것이다. 탄소의 동위원소의 비율은 11년보다 훨씬 더 긴 시간을 두고 평형을 이루고 있는 것이 분명하다. (당연한 것이 614C의 반감기가 5700 년으로 흑점주기 11년보다 많이 길기 때문이다.)

하지만 지금까지 연구한 결과에 의하면 우리가 방사성 탄소 연대 측정법을 사용할 때 큰 오차를 만들 수밖에 없는 천문현상이 과거에 있어왔음이 알려져 있다. 수십 년에 걸쳐서 태양의 흑점이 관측되지 않는 현상(극소기)이 직접 관측되었었기 때문이다.
대표적으로 처음 망원경을 발명하여 처음 토성의 테와 목성의 4대 위성을 발견하고, (서양에서는) 태양의 흑점을 처음 발견한 갈릴레이 갈릴레오에 의해서 흑점이 발견된 직후인 1645년~1715년의 약 70 년간 거의 흑점이 관찰되지 않은 시기[footnote]Maunder 극소기라고 부른다.[/footnote]가 있었음으로 인해서 알려지게 되었다. 이 시기는 유럽의 소빙기에 해당하며, 아직 이러한 현상이 일어나는 이유는 알려지지 않고 있지만, 발생했던 것은 분명하다.[footnote]일부 자료에서는 소빙기 현상이 유럽지역에 국한된 현상이라고 나와있지만, 역사적으로 전 세계에서 냉해 등의 자연재해가 기록되어 있다.[/footnote]

온대림이나 한대림에서 생장하는 나무는 1년에 하나의 나이테를 만든다. 또한 나무는 한 번 성장한 목질부는 신진대사를 하지 않기 때문에 각각의 1년치마다 그 해의 탄소를 저장한다. 따라서 수천 년간 살아온 나무를 나이테별로 얇게 잘라서 탄소의 비율을 측정하면 그 해에 614C 비율이 어떠했는지를 쉽게 알 수 있다.
지금까지의 연구에 의하면 세계 각지의 고목을 분석한 결과 갈릴레이가 발견한 뒤 50년간 태양에 흑점이 매우 적었으며 그에 따라서 탄소 원소의 비율이 지금과 같지 않았음을 말해준다.
나무를 이용한 연구 결과 이런 일은 지난 천 년동안에만 해도 서너차례 발생했음이 알려졌다.


방사성 탄소 연대 측정법의 효용성

방사성 탄소 연대 측정법의 오류는 태양의 흑점 극소기 이외에도 항상 지구의 환경이 동일했는가 등의 취약점이 존재한다. 그래서 그동안 측정되었던 많은 자료들은 재검증을 받아야 했다. 만약 극소기에 만들어진 생물조직이나 지층의 탄소 동위원소의 비를 측정한다면 실제 연대보다 최근으로 결과가 나올 것이다. 하지만 전체적으로 그 범위가 그리 넓지 않고, 비교적 최근인 1만년 정도의 시간동안은 여러가지 방법으로 각각의 연대의 자료가 축적되어 있어서 비교적 정확한 시간의 측정이 가능하다. 1만년 이상의 연대를 측정할 때는 극소기 때문에 나타나는 오차가 측정오차를 넘어서므로 거의 고려하지 않아도 된다.
따라서 방사성 탄소 연대 측정법이 개발됐을 당시보다는 매우 조심스럽기는 하지만 아직도 이 측정법의 효용성이 사라지지는 않고 있다.

ps. 일부 ‘창조과학회’ 같은 단체에서 방사성 탄소 연대 측정법의 불확실성을 이야기하면서 상당히 많은 자료를 부정하려고 하고 있다. 이들의 주장을 읽고 과학적이고, 논리적이라고 생각하는 실수를 저지르시는 분들이 없길 바란다.

참고사이트 :
http://www.nuke.co.kr/energy/scientific/year/index.html
http://kr.blog.yahoo.com/opal2080/2.html
이미지 출처 :
접형도 이미지 출처
태양풍과 지구의 자기장 이미지 출처
흑점주기 그래프 출처

8 thoughts on “방사성 탄소 연대 측정법의 허와 실

    1. 웹의 정보가 너무 빨리 사라지는 것이 항상 문제죠.
      이런 경향에 저도 참여하는 것 같아서 항상 아쉽기도 하구요…
      위의 글은 어디로 간 것일까요? ㅜㅜ

  1. 이런 점을 꼬투리 잡아서 탄소연대측정법을 믿을 수 없다고 개독교들이 짖어대는 건가;

    1. 아주 사소한 것을 이용해 먹는 거죠. 공산당보다 더한 넘들입니다.

  2. 이거가지고만 하는건아니죠;;
    아직사소하지만
    창조론도 점점 과학적사실로 알아내려고 창조회 에서
    과학적인사실도찾아내고 있어요.
    과학은3차원의세계만 증명 할수 있는걸로압니다만…..

  3. 우리는 과학이라는 정보를 너무 맹신하는 경향이 있다.
    과연 과학이라는 것은 진리(veritas)인가???

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