기획·칼럼

북극곰의 털은 흰색이 아니다?

[과학기술 넘나들기][과학기술 바로알기] 동물의 광학적 특성들(1)

갈수록 심각해지는 지구온난화 문제를 거론할 때마다, 상징적으로 등장하는 동물 중 하나가 바로 북극곰(Polar Bear)이다. 북극곰은 얼음으로 뒤덮인 해안가에서 물범 등을 사냥하면서 살아가는데, 겨울철에도 북극 지방의 기온이 높이 치솟는 경우가 많아지면서 먹잇감을 구하기 어려워진 북극곰이 위기에 처했다는 뉴스와 다큐멘터리 등을 자주 접하곤 한다. 과거에 고가의 모피를 노린 사냥꾼들에 의해 한때 멸종위기에 처했던 북극곰이, 이제는 지구온난화로 인하여 다시 한번 인간들 때문에 생존에 큰 위기를 맞은 셈이다.

지구온난화로 위기를 맞은 북극곰 ⓒ GNU Free Documentation License

북극곰은 곰과 동물 중에서 몸집이 가장 크며, 학명인 Ursus maritimus는 라틴어로 ‘바다 위의 곰’이라는 뜻이다. 그린란드, 알래스카 등 북극 지방에서 서식하는 북극곰은 극한의 추위를 견디기 위한 신체 조건을 지니고 있는데, 대표적인 것이 바로 ‘털’이다.

북극곰은 얼핏 보면 털 색깔이 흰색처럼 보이는데, 눈과 얼음으로 뒤덮인 북극 지방에서 먹잇감을 사냥하면서 생존하려면 당연한 일일 것이다. 육중한 몸을 유지하고 추위를 버티려면 많은 칼로리를 섭취해야만 하는데, 만약 북극곰이 불곰 등 다른 곰처럼 갈색이나 검은색이라면 눈에 띄기 쉬워서 사냥이 대단히 어려울 것이기 때문이다.

그런데 털 색깔이 햇빛을 가장 잘 반사하는 흰색이라면 더 춥지 않을까? 생각할 수도 있겠지만, 여기에는 놀라운 비밀이 숨어 있다. 즉 엄밀히 말해서 북극곰의 털은 흰색이 아니라 투명하며, 털 아래 북극곰의 피부 색깔은 검은색이라는 사실이다.

북극곰의 피부가 검은색인 것은, 당연히 햇빛을 더 잘 흡수하여 열을 유지하는 데에 도움이 되기 때문이다. 그리고 얼핏 흰색으로 보이는 북극곰의 털을 한 올씩 살펴보면 투명한데, 이는 광섬유(Optical fiber)와 비슷한 역할을 하여 햇빛을 피부 쪽으로 잘 전달한다. 즉 속이 비어있는 투명한 북극곰의 털은 전반사를 통하여 빛을 손실 없이 전달하는 광섬유의 원리와 동일하다.

사냥을 위한 위장용 흰색과 추위를 견디기 위한 피부와 털 색깔을 동시에 만족해야 한다는 것은 어려운 딜레마인 셈인데, 북극곰은 오랜 진화의 과정을 통하여 ‘검은 피부와 광섬유 기능의 투명한 털’이라는 묘책을 찾은 것이다. 또한 두꺼운 지방층을 감싸고 있는 피부 위로는 짧은 털이 촘촘히 나 있고, 바깥쪽으로는 방수 기능이 있는 뻣뻣하고 긴 털이 있는 구조여서 단열성이 매우 우수하다. 체온 손실이 거의 없는 북극곰은 적외선 카메라로 촬영을 해도 열 감지가 잘 안 되어 포착하기 힘들 정도라고 한다.

유리잔 손잡이부분에서 광섬유처럼 전반사가 일어나는 모습 ⓒ Keerthi

북극곰의 털과 유사한 광섬유의 원리는 빛의 전반사를 이용한 것이다. 즉 광섬유 매질의 내부에서 외부로 나가려는 빛은 특정의 입사각을 넘으면 밖으로 굴절되어 나갈 수 없는데, 광섬유 내부 매질과 외부 매질의 굴절률 차이에서 비롯되는 현상이다. 굴절률이 다른 두 매질 사이를 지나는 빛은 스넬의 법칙(Snell’s law)을 만족해야 하므로, 전반사가 일어나는 조건은 쉽게 유도될 수 있다.

오늘날 대용량 장거리 광통신에 널리 이용되는 광섬유의 원리, 즉 광도파로(Optical waveguide) 자체는 1840년대에 물리학자들에 의해 처음 제시되었고 실험적으로도 이후 확인이 되었다. 물론 오랫동안 실용적인 기술로 활용되기를 기대하기는 어려웠는데, 1960년대 이후 강력한 광원으로서 레이저가 개발되고 유리로 된 섬유를 이용한 레이저 광통신이 제안되면서 급속한 발전의 전기를 맞게 되었다.

광섬유를 이용한 광통신은 구리선을 이용한 기존의 유선통신에 비해 훨씬 많은 양의 데이터를 빠른 속도로 매우 먼 거리까지 전송할 수 있다. 전기 신호를 빛으로 변환하여 통신함으로써 전자기적 간섭 없이 신호를 전달할 수 있으며, 중간의 데이터 손실도 매우 적다. 광섬유는 유리 또는 플라스틱으로 만들어지는데, 광섬유를 이용한 광통신이 없었더라면 오늘날과 같은 초고속 인터넷의 시대도 불가능했을 것이다.

오늘날 널리 응용되는 광섬유 ⓒ GNU Free Documentation License

광섬유의 실용화 연구를 통하여 정보통신 혁명에 크게 기여한 중국계 과학자 찰스 가오(Charles Kun Kao)는 이 공로로 2009년도 노벨 물리학상을 받은 바 있다. 광섬유는 광통신뿐 아니라 광섬유 현미경이나 센서, 광섬유 레이저 등으로도 응용되며, 채광이나 빛을 이용한 광섬유 장식으로도 활용되고 있다.

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