5월의 작은 선인장

참고 : 우주선과 번개의 이야기 #1

두 개의 전극 사이에 방전이 발생하는 것은 압력에 따라 달라지는데, 일반적인 1기압의 실험실 환경에서는 1cm의 방전이 일어나는데 약 3만V의 전압이 필요하다. (최근 TV에 방송된 것들 중에 번개의 전압이 3,7000V라는 이야기가 있었는데....-_-) 번개가 내리치는 높이가 1km 이상인 것을 생각하면 최소한 10억V의 전압이 형성되어야 번개가 내리친다는 것을 알 수 있다. 하지만 진짜 그럴까?

또 번개는 어떤 경로에 의해서 번개가 치는 이온화의 길이 형성되는 것일까? 번개는 매우 구불구불한 경로를 갖는 경우가 많지만, 그 경로는 신기하게도 직선들의 총합으로 보인다. (물론 공기 중에서 실험을 하면 번개와 비슷한 경향을 보인다. 하지만 번개는 대규모이고, 일반 실험실에서는 소규모라는 차이가 있다.) 더군다나 일반적인 피뢰침이나 금속물질들이 주변에 있음에도 불구하고 우회하여 발생하는 경우도 있는 것을 보면 번개가 최적의 경로를 형성하지는 않음을  알 수 있다.
이런 현상과 우주선이 관련되어 있지 않을까? 일단 구름과 지면 사이, 혹은 구름과 구름 사이에 수억V 이상의 큰 전압이 형성된 상황에서 중간에 전하를 갖는 우주선이 지나가며 공기를 아주 조금이라도 이온화시킨다면, 이 이온화된 통로는 쉽게 사라지지 않고 번개가 형성되는 매우 요긴한 통로가 될 것이다. 번개가 형성되기 수 초 전부터 이온화된 통로가 발생한다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다. (그래서 번개가 떨어질 곳에 있는 사람들은 번개가 떨어짐을 미리 알 수 있다고 한다.) 이 통로의 형성은 분명 무작위로 형성된다고만 보기는 힘들므로....

우주선과 번개의 관계는 간단한 실험으로 쉽게 확인할 수 있지 않을까 생각한다. 아주 높은 산꼭대기와 암반으로 둘러싸인 지하 깊은 갱도에서 똑같은 유리구 방전관에 똑같은 압력과 주변 환경을 형성시켜주면서 압력을 조절해서 최초로 방전이 일어나는 전압을 측정하면 우주선이 영향이 있으면 높은 산꼭대기에 설치한 방전관에서 방전되는 최소 전압이 더 낮게 나타날 것이고, 상관없으면 두 방전관에서 결과가 똑같이 나타나게 될 것이다.

우주선이 하는 일 중에서 마지막으로 하고 싶은 말은 우리 몸에 대한 것이다.

우주선은 우주로부터 지구의 대기 상층에 도착한 에너지가 큰 소립자들이 대기권의 원자핵과 부딪혀 만들어진 (2차) 소립자들이다. 이 소립자들 대부분은 전기를 띄고 있으며, 또한 에너지가 무척이나 높기 때문에 움직이는 경로에 있는 물질들을 이온화 시킨다.
일반적으로 이온화된 원자들은 빠른 시간 안에 재결합하여 중성의 일반적인 물질로 되돌아오지만, 이 원자가 다른 분자 내부에서 화학결합 상태를 띄던 것이라면 다시 원래대로 되돌아가지 않는다. 이럴 경우 속해있던 분자들은 쪼개져 다른 분자들로 변하게 된다.

일반적으로 우리 몸을 우주선이 통과할 경우에는 파괴된 세포가 방어기작을 발동하여 스스로 치유되거나 세포가 생존해 있지 못할 경우에는 면역기능에 의해서 세포가 사멸하게 된다. 그런데 가끔 아주 이상한 현상들이 발생하게 되는데, 세포가 사멸되거나 치유되지 못하는 변화가 중요한 분자에서 발생하는 것이다. 더군다나 아주 특별한 경우에는 이들 세포들은 무한증식을 시도하는 형태로 바뀌기도 한다. - 우리는 이런 세포에 대해 이미 알고 있다. 암이다. 즉 우주선은 DNA에도 영향을 미쳐서 돌연변이를 유발하는 한 요소로 작용한다.
암을 유발하는 원인은 여러 가지가 있지만, 그 모든 원인을 제거하지 못하는 이유가 여기에 있다. 우주선도 암의 원인이 될 수 있는 것이다. 또한 원자력 물질들과 관련된 직업을 갖는 사람들에게 암의 발생빈도가 높은 것도 비슷한 이유다. 초기의 방사성/방사능 연구를 주도했던 대다수의 과학자들이 암으로 사망한 것을 안다면 무시할 수 없는 원인이 될 수 있음을 알 수 있을 것이다. - 불확정성의 원리를 발견한 하이젠베르크만이 오랜 시간 장수할 수 있었다. 정말 확률이란 것은....^^;

지구상의 방사성 물질들은 태양의 활동과도 큰 관련이 있다. 최근 신생대-그것도 후기-에 생물의 분화와 진화가 급격히 일어나고 있는데, 이런 변화의 원인이 우주선일 가능성이 있다는 것은 언젠가 꼭 연구하여 해결해야 할 과제가 아닐까 싶다.

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우주선이 저지르는 여러 가지 이야기들

우주선은 그 근원이 명확치 않은 매우 큰 에너지를 갖고 우주를 떠돌아다니는 입자들을 이야기한다.
그 에너지의 단위가 우리의 상상을 초월하기도 하고, 때로는 아직 인간이 입자가속기로도 만들지 못하는 에너지를 갖고 있는 것이 있을 것이라고 생각되기도 한다.

우주선은 과학자들이 추측하기로는 매우 먼 곳에서 날아오는 입자들로서, 별들의 초신성 폭발과 같은 현상이 발생할 때 큰 에너지가 갖게 되는 것이 아닌가 생각된다. 태양계는 비교적 최근 주변에서 발생한 폭발로 인해 만들어진 성운의 안쪽에 존재한다는 연구가 얼마 전에 있었다. 다른 말로 하면 태양계에서 아주 먼 별에서 태양을 바라보면 태양계는 행성상 성운의 안쪽에 존재하는 별로 보일 것이란다. 하지만 우주선은 태양계를 포함하고 있는 성운에 의한 우주선에만 영향을 미치는 것이 아니다. 우주 어디선가에서 발생한 아광속의 입자들이 성운을 뚫고서 태양계에 영향을 미치는 것이다. (태양계를 포함한 성운에서 발생한 우주선들이 충분히 큰 속도를 갖는다면 이미 지구를 훨씬 지나 있을 것이다.)
이런 우주선은 태양에서 오는 입자들(태양풍)보다 훨씬 높은 에너지를 갖고 있다.

매우 높은 에너지를 갖는 입자인 우주선이 지구에 도달하면 지구의 대기권중 열권과 중간권(수십~수백 km 상공의 대기들)에 분포하는 원자들과 충돌하여 여러 가지 소립자들을 발생시킨다.
그 중 대표적인 것이 뮤온으로, 뮤온은 가장 최초로 발견된 우주선의 이차 입자들 중 한 종류들이다. 뮤온은 속도와 수명을 고려할 때 지상에서는 관측이 이뤄지지 못해야 정상이었는데, 지상의 안개상자에서 빈번히 관측됨으로서 학자들 사이에서 빈번한 논란을 발생시킨 입자다. (나중에 상대론적 시간지연의 증거로 인식되기도 했다.)
또한 앤더슨은 안개상자를 분석하다가 전자의 반물질인 반전자(양전자)를 발견하기도 했다. 이 발견은 디랙의 방정식(슈뢰딩거의 파동방정식과 아인슈타인의 상대성이론을 고려하여 만들어진 원자 내에서 전자의 상태를 분석하는 방정식)을 통해서 계산된 결과에 나타난 반물질에 대한 결정적인 증거가 되기도 했다.
가장 최근에는 우주선의 이차입자로서 발생한 뉴트리노(중성미자)와 실험실에서 발생한 뉴트리노, 태양으로부터 날아온 뉴트리노를 분석하여 3종류의 뉴트리노(전자적 뉴트리노, 뮤온적 뉴트리노, 타우적 뉴트리노)는 서로 공명한다는 사실이 발견되기도 했다.

우주선에 포함되는 입자들은 뉴트리노나 중성자와 같이 전하를 띄지 않는 경우도 많지만 전자나 뮤온같이 전하를 갖는 경우가 많다. 그리고 지금도 여러분들의 몸속을 끊임없이 통과하고 있다. 이러한 입자들은 여러분의 몸속을 통과하면서 여러분들 몸의 구성원들 - DNA, RNA 등등 - 을 끊임없이 교란한다. 물론 이러한 원인은 일종의 돌연변이를 일으키게 하는 한 원인이 되기도 하고, 각종 질병을 발생시키는 이유가 되기도 한다. (천체의 관측결과와 생명체의 진화 사이의 연구를 해 보는 것도 재미있는 연구거리일 것이라고 생각한다.)

우라늄을 정제해서 자발적 연쇄적 핵분열의 임계질량보다 양을 적게 모아놓을 때 발생하는 자연적인 핵분열은 우라늄을 가열한다. 그래서 우라늄 금속덩어리나 우라늄광은 주변의 온도보다 항상 그 온도가 높다. 그런데 이 우라늄을 높은 고도의 장소 혹은 우주로 갖고 나간다면 어떻게 될까? 일반적인 지상에서보다 높은 고도에서 우주선의 양이 더 많고, 우주선에 포함된 중성자의 개수도 높은 고도나 우주에서 훨씬 더 많으므로 지상에서보다 더 뜨거워질 것이다. 원자폭탄이나 원자력발전소나 원자력 인공위성을 제작할 때는 우주선의 영향을 충분히 고려해야 한다.

인공위성을 만들 때 전자부품은 저온과 방사능에 노출돼도 안정적으로 작동하는 부품들을 사용한다. 우주에서의 인공위성의 온도는 -100~300℃ 정도의 범위에서 변한다. 지상의 0~100℃ 변화폭보다 훨씬 더 넓으므로 모든 부품은 넓은 온도변화에서도 작동하도록 만들어야 하기 때문이다. 또한 우주에는 우주선들이 훨씬 많은데, 이 우주선들이 반도체 부품을 통과할 때는 반도체에 예기치 않은 이온화를 형성시키고, 이 이온화는 예기치 않은 전류를 형성시킨다. 일반적인 전자제품에 사용되는 전자부품들은 그래서 우주로 나가면 거의 제대로 작동하지 않는다.

또한 우주선은 허블 우주망원경과 같은 우주로 올라간 광학기기에도 영향을 미치게 된다. 우주선이 망원경의 렌즈나 거울을 통과할 때 렌즈나 거울에 아주 미세한 구멍을 만든다. 이 구멍은 당연히 빛을 산란시킬 테고, 구멍이 적을 때는 상관없지만, 점점 많아지면서 서서히 성능이 떨어지게 될 것이다. (하지만 허블 우주망원경은 10년이 훨씬 더 지난 오늘날까지 잘 작동했다. 아마 그 영향은 매우 작은 것 같다. - 최근 허블 우주망원경의 폐기를 결정했다.) 또한 촬영용 ccd에 우주선이 부딪히면 예기치 못한 큰 전류를 형성하게 된다. 이 전류는 이미지에 노이즈로 작용하게 될 것이다. 물론 허블 망원경의 이미지를 처리하는 프로그램에서 이 노이즈를 적당히 걸러주는 알고리즘을 포함하고 있을 것이므로 우리가 보는 이미지에는 당연히 그 노이즈는 나타나지 않게 된다.

전하를 갖는 우주선은 물질 속을 통과할 때 물질들을 변화시킨다. 고체 물질들과 충돌할 때는 고체의 저항으로 에너지를 모두 잃고 멈출 때까지 고체의 결정을 교란시켜 눈에 안 보이는 구멍을 만든다. (이는 광학현미경으로 봐도 잘 안 보일 정도로 작은 구멍이다.) 액체나 기체 속을 지날 경우에도 순간적으로 분자들을 이온화 시킨다. 이온화된 분자들은 순식간에 다시 결합해서 중성의 상태로 돌아가지만, 이러한 현상이 우리에게 미치는 영향은 분명히 우리 일상생활에 무언가 영향을 미칠 것이라는 생각을 할 수 있게 한다.

우주선에 의해서 대기에는 수시로 많은 이온화된 길이 형성되는데, 이로부터 유추할 수 있는 것은 우주선과 번개의 관계이다.

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차례
1. 무중력 상태의 촛불은 무슨 모양?
2. 무중력 상태에서의 화재위험
3. 촛불을 커다란 통 속에 고정시키고 떨어트리면 어떻게 될까요?



우리가 생활하는 지구에서 우리가 당연하다고 생각하는 대부분의 현상들은 중력이 있다는 기본조건이 있을 때에 만족하는 현상입니다. 인간은 태어나자마자 중력에 대한 감각을 본능적으로 갖고 있어서 중력을 당연시 하기 때문입니다.[각주:1]

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미국과 소련이 유인우주선을 처음 발사하던 1960년대에 두 나라의 과학자들에게 가장 중요한 관심거리중 하나는 우주에서도 불이 탈 수 있는가 하는 문제였습니다. 아마도 초기의 우주 과학자들에게 무중력 상태에서의 촛불 문제는 상당히 골칫거리였나 봅니다. 최초로 유인 우주선이 우주로 발사됐을 때 첫 번째로 실험한 것이 우주에서의 촛불 관찰이었다고 합니다. 우주에서 화재가 발생했을 때 어떤 문제가 발생할지 알 수 없었기 때문에 이를 대비하기 위해서였답니다.

지구에서는 중력이 있습니다. 따라서 따뜻한 공기는 가벼워져서 위쪽으로 올라가고, 그 공간을 주변 공기가 메우게 됩니다. 이것을 우리는 대류라고 부르고 있죠..^^

촛불을 자세히 살펴보면 촛불의 하부에서는 파란색 불꽃을 볼 수 있는데 이 부분은 많은 양의 산소가 공급되므로 고온의 완전연소가 일어나서 불꽃이 파란색이 되는 것이며, 여기서 발생하는 열이 하부의 초를 녹이는데 사용됩니다.
초불에 의해서 뜨거워진 공기는 가벼워져서 위쪽으로 상승하기 때문에 불꽃이 위쪽으로 길게 늘어나게 되고, 아래쪽에서 이미 한번 연소하여 산소가 없는 공기가 섞여서 지나가기 때문에 산소가 충분하지 않아서 탄소 원자가 모두 이산화탄소가 되지 못하고 불완전연소 하여 붉게 발광하게 됩니다.

이제 중력이 없다고 생각해 보자구요……. "일단 중력이 없으면 대류는 생각할 수가 없다."

무중력 상태에서는 공기가 열을 받아서 팽창을 하더라도 주변 공기로부터의 부력이 생겨나지 않습니다. 부력은 기본적으로 중력에 기인한 힘이기 때문입니다. 따라서 무중력 상태에서는 지구상에서 나타나는 불꽃에 의한 대류가 나타나지는 않습니다.

어떠한 에너지원에 의해서 촛불이 불붙었을 때 그 촛불에 의해서 이미 타버린 뜨거워진 공기는 중력이 없어서 다른 곳으로 이동하지 못하고 그 자리에 머물게 됩니다.[각주:2]

따라서 촛불이 타면 탈수록 주변의 산소는 고갈되고 이산화탄소가 증가해서 점차로 초는 연소가 힘들어집니다. 하지만 이 상태가 계속되어 초불이 꺼지는 것은 아니고, 점차 촛불이 줄어들다가^[각주:3] 어느 정도의 크기가 되면 더 이상 줄어들지 않고, 크기를 유지하면서 안정된 불꽃을 유지하게 됩니다. 불꽃이 꺼지지 않고 일정크기를 유지하게 되는 이유는 공기 내부에서 일어나는 확산작용 때문입니다. 확산작용은 공기분자가 열운동의 움직임에 의해서 흩어지는 현상을 말하는데, 발생한 이산화탄소는 대류 없이도 공기분자의 열운동에 의해서 어느 정도 주변으로 확산되고, 산소가 어느 정도 불꽃으로 확산되어 공급됩니다.
이때 촛불의 모양은 심지방향을 제외한 방향이 둥근 구 모양을 하게 되는데 확산은 촛불 주변에서 방향에 상관없이 매우 균일하게 일어나기 때문입니다.^[각주:4]

위 사진의 왼쪽은 중력이 있는 지구에서의 촛불의 사진이며, 오른쪽은 무중력에서의 촛불의 사진입니다.

무중력에서 촛불이 파란 이유는 지구상에서처럼 대류에 의해 급격하고 강제적으로 공기가 이동하지 못하고 확산에 의해 서서히 이동하여 모든 탄소원자가 온도가 높아지면 대부분 연소하기 때문입니다. (마치 지구상에서의 촛불의 하부만 있다고 생각해도 될 듯 합니다. 지구상에서 촛불의 위쪽이 붉은 것은 글 첫머리에서도 언급했듯이 기화된 초가 연소를 모두 하기 전에 뜨거워져서 위로 이동하기 때문에 연소하지 못한 탄소원자가 뜨거워져 빛을 내기 때문입니다.)

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헐리웃에서 만든 SF영화 <아마겟돈>에서 주인공들이 도착한 우주정거장에 화재가 발생해서 탈출하는 장면이 나옵니다. 그 장면을 보면 정말 무섭죠? 이 단락에서는 이와 같은 부분에 대해서 말씀드려볼까 합니다.

첫 번째 단락에서 말씀드렸듯이 공기의 대류가 존재하지 않는 점은 불꽃의 입장에서 새로운 산소의 공급과 발생한 이산화탄소의 배출이라는 측면에서 매우 불리합니다. 그렇지만 확산이라는 매우 느리게 공기분자들이 움직이는 현상에 의해서 불꽃이 꺼지지는 않고 매우 조그맣게 유지됩니다.

이처럼 대류가 없는 환경은 화재의 위험성을 낮출 것으로 생각되는데 실제로는 화재의 위험을 더 높이는 원인으로 작용됩니다. 그 이유들을 살펴보겠습니다.

① 열의 집적
일단 지구상의 공기의 대류는 산소를 공급하고 이산화탄소를 배출하여 불이 활발히 타는 면에서는 유리하지만 발생한 열이 다른 곳으로 퍼지는 면에서는 불리하게 작용합니다. 불꽃이 생긴 후에는 유리하지만 불이 붙기 전에는 불리한 것입니다. 대류가 없는 무중력 환경에서는 조금씩 발생하는 열이라고 하더라도 주변으로 잘 흩어지지 않으므로 열이 계속 쌓이게 됩니다. 이렇게 쌓인 열은 당연히 화재를 불러올 수 있습니다.

② 전선의 열 발산문제 1
우주선에 수북이 쌓여있는 전자제품 속의 전선에서 발생하는 열들은 쉽게 집적됩니다. 지구상에서는 대류에 의해서 공기 중으로 퍼지겠지만 우주에서는 공기가 대류하지 않아서 계속해서 스스로를 달굴 뿐입니다. 물론 복사와 전도에 의해서, 그리고 확산에 의해서 약간의 열은 퍼집니다.
만약 우주선에서 전선을 너무 길게 늘어트려 놔두면 전선에서 발생하는 매우 작은 열도 시간이 지나면서 차곡차곡 쌓여서 전선의 피복에 불이 붙을 수도 있게 됩니다.

③ 전선의 열 발산문제 2
'②'번 상황보다 더 위험한 부분이 있으니 우주선의 공기가 존재하지 않는 부분에서의 전선입니다. 공기가 존재하지 않는 부분에서는 전도 이외에는 열이 퍼지는 방법이 존재하지 않기 때문에 피복에 불이 붙지 않는다 하더라도 고온에 의해 피복이 녹아 문제가 생기기 아주 쉽습니다.

'②'번과 '③'번에 의한 화재를 예방하기 위해서는 최대한 전선들을 금속판에 붙여서 금속판이 열을 분산시킬 수 있도록 만들어야 합니다. 기왕이면 전선 피복도 열전도율이 높은 소재로 만들면 좋겠죠. ^^

④ 유독가스의 집적
무중력에서는 대류가 일어나지 않기 때문에  한 번 불이 붙은 뒤에는 그 불에서 발생한 이산화탄소를 비롯한 유독가스가 한 곳에 머물러 있습니다. 집적된 유독가스들은 잘 보이지도 않으므로 사람이 화재를 쉽게 알아챌 수도 없고, 발생한 많은 가스가 한순간에 우주선 전체에 퍼질 수 있으므로 큰 위험을 자아내게 합니다. 더군다나 공기가 원활히 공급되지 않기 때문에 지상에서 연소할 때보다 더 많은 유독가스가 발생하기도 합니다.

⑤ 가연성 물질의 비연소 노출
지구상에서는 강한 불꽃 때문에 초가 연소할 때 촛불 속의 기화된 초가 밖으로 노출되는 일은 거의 없습니다. 초등학교 때 실험에 의한 경험을 잠시 들춰보면 유리관 같은 것으로 촛불 내부의 기화된 물질을 열로부터 보호해 주면 밖으로 노출될 수는 있습니다.
무중력 상태에서라면 이야기가 좀 달라지는데, 촛불의 심지에서 발생하는 기화된 물질은 대부분 연소하지만 일부는 연소하지 않고 밖으로 방출되어 발생지점 부근에 남아있게 됩니다.
만약 조건이 충족된다면 이 기화된 물질은 폭발을 일으킬 수 있습니다.

전반적으로 무중력 하에서는 화재의 위험이 지구상에서보다 높은 것 같고, 위험성도 훨씬 높은 것 같습니다. 더군다나 우주선에서 불이 나면 피할 곳도 없으니까요…… 심리적으로는 더욱더 부담되겠죠?

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일반적으로 낙하하는 물체는 떨어지는 동안 무중력 상태가 된다고 합니다. 이는 아인슈타인의 떨어지는 엘리베이터의 유명한 사고실험으로 알려져 있습니다. 그렇다면 촛불을 켜서 커다란 통 속에 고정시키고 떨어트리면 위의 사진에서처럼 파랗고 둥근 모습으로 타는 것을 보게 될까요?

이 문제를 생각하기에 앞서서 일단 문제를 풀기 위한 가정을 두겠습니다.
1. 낙하거리가 충분하다.
2. 떨어지는 통은 전혀 회전이나 진동을 하지 않는다.
낙하거리가 충분해야 하는 이유는 변화가 끝까지 일어나게 하기 위한 조건이며, 회전이나 진동을 하지 않아야 하는 조건은 확산 이외의 방법으로 촛불에 쉽게 산소가 공급되지 않기 위한 조건입니다.

우선 초가 지구상에서 타고 있었으므로 대류에 의해서 밝은 빛을 내면서 타고 있었을 것입니다. 그러나 낙하와 동시에 갑자기 무중력으로 바뀌면 대류가 순식간에 없어지고, 확산에 의해서만 연소하는 불꽃으로 재빨리 바뀌어야 합니다.
대류로 인해서 많은 산소의 공급으로 많은 산소를 소모하면서 크게 타오르던 불꽃은 갑자기 산소의 공급이 줄어들므로 주변의 산소를 순식간에 모두 소모하게 됩니다. 그러므로 순간적으로 불꽃은 산소가 부족하게 되고, 촛불은 꺼지게 됩니다.

물론 낙하를 시작한 뒤에 회전이나 진동을 하고 있었다면 산소 공급이 조금씩이라도 되므로 불이 안 꺼질 수도 있습니다. 또한 중력이 지구보다 작은 달 같은 천체이거나 압력과 기온이 많이 다른 조건에서는 중력 하에서의 대류와 확산의 비중이 다를 것이기 때문에 안 꺼질 수도 있습니다.^[각주:5]

예전에 TV에서 실험하는 다큐멘터리를 본 적이 있는데, 사람 키 높이에서는 꺼지지 않더군요. 이는 떨어진 높이가 충분하지 않았고, 회전이나 진동이 남아있었기 때문입니다. 만약 여러분이 실험했을 때 꺼진다면 떨어질 때 받는 충격 때문일 가능성이 높습니다.

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이 이외에도 무중력이라는 환경은 우리가 미처 깨닫지 못한 위험을 우리에게 줄 수 있습니다. 우리 인류는 태어나면서 본능적으로 중력에 대해 인지하고 조절하는 능력을 갖고 있습니다. 따라서 무중력 상황이 되면 본능적인 대처가 불가능해지고, 오로지 인지적이고 경험적인 반응에 의해서 활동해야 하기 때문에 더 큰 위험이 발생할 수 있습니다.

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