2018년 평창동계올림픽 개막식에서 근육질 몸매를 자랑했던 통가선수단의 기수를 기억하시나요? 이때 섬나라 통가의 기수는 평창의 추위에도 상반신을 벗고 통가의 전통의상을 입고 등장해 화제가 되었습니다. 그런데 최근에 이 나라에서 큰 화산 폭발로 일어났다고 합니다. 이번 1월 15일에 발생한 폭발의 규모는 천 년에 한 번 있을 것 같은 규모라고 평가했는데요.
이번 폭발로 통가섬은 화산재로 뒤덮여 전력 공급이 중단되고 통신도 끊겼다고 합니다. 게다가 이 화산의 충격파로 인해 세계 각지에서 쓰나미가 발생했습니다. 통가에서 1만 킬로미터 이상 떨어진 페루에도 쓰나미가 몰려와 2명이 익사하는 사고가 발생했습니다. 그럼 여기서 나오는 충격파는 무엇일까요?
통가 화산폭발 위성사진 ⓒ Tonga Meteorological Services 충격파 충격파란 파동의 전파 속도보다 파동을 발생시키는 ‘파도의 속도’가 더 빠를 때 그 파동을 충격파라고 한다. 쉽게 말해 내가 만든 파도보다 내 자신이 더 빨리 움직일 때 발생하는 파도를 말합니다.
예를 들어 소방차가 가만히 정지해 있는 상태에서 사이렌을 울리면 어떻게 될까요? 소방차를 중심으로 사이렌 소리가 퍼지는데, 이 소리도 하나의 파도이기 때문에 파도가 전파되고 있다고 표현할 수 있습니다. 대신 파동을 만들어내는 파원은 정지된 상태입니다. 그럼 소방차가 앞으로 움직이면서 사이렌을 울리면 어떻게 되는 것일까요? 이때는 파동뿐만 아니라 파동을 만드는 파원도 이동한 상태입니다.
물체의 속도에 따른 음파의 형태(a) 정지, (b) 물체의 이동 속도보다 소리의 속도가 빠를 때, (c) 물체의 이동 속도와 소리의 속도가 같을 때, ⓒ Pearson Prentice Hall에서는 움직이고 있는 이 소방차는 충격파를 만들 수 있을까요? 이럴 때는 속도를 비교하시면 됩니다. 아까 설명했을 때 충격파는 파동의 전파 속도보다 파원의 이동 속도가 빠를 때 발생한다고 했는데요. 소방차에서 예를 들면 소리는 파동이기 때문에 소리의 속도보다 소리를 만드는 소방차의 속도가 빠르면 충격파가 발생합니다. 소리 속도는 대략 초속 340m 정도 되는데요. 소방차가 초속 340m보다 빠르면 충격파가 생성되지만 소방차의 이동 속도가 그리 빠르지 않기 때문에 충격파를 만들어낼 수는 없는 것입니다.
그렇다면 소리보다 빠른 물체는 충격파를 만들어낼 수 있을까요? 맞습니다. 예를 들어 소리보다 빠르게 초음속으로 움직이는 제트기는 충격파를 만들어 냅니다. 제트기가 날 때 속도를 높여 매우 빨라지고 음속과 같은 속도가 되며, 그 이후에는 음속을 돌파하여 소리는 제트기의 속도를 따라가지 못합니다. 이렇게 전파되는 소리의 속도보다 소리를 만들어내는 자신의 속도가 더 빠를 때 만들어지는 파동을 충격파라고 합니다.
물체의 속도가 소리의 속도보다 빠를 때 ⓒ 네이버 지식백과 이런 충격파는 파원이 앞서기 때문에 음파가 뒤로 밀리는 형태를 하고 있는데. 그 모양은 원뿔 같고, 이것을 마하의 원뿔이라고 표현합니다. 마하가 음속 이상의 운동을 처음 기술한 사람이기 때문에 이런 이름이 붙었습니다. 이렇게 충격파 형태인 마하의 원뿔을 보면 눌린 음파가 원뿔형으로 서로 겹쳐집니다. 다시 말해 제트기가 초음속으로 이동하는 동안 발생한 소리가 한 지점에 합쳐져 버리는 것입니다. 그래서 아주 큰 소리를 냅니다. 이처럼 제트기가 초음속을 돌파해 충격파를 발생하는 소리를 ‘소닉붐’이라고 합니다.
원추형의 충격파 ⓒ 위키미디어 충격파도 일반파와 마찬가지로 에너지를 운반하고 매체를 통해 전달되기 때문에 단순히 큰 소리만 내는 것이 아니라 유리창을 깨고 심할 때는 건축물에 손상을 주기도 합니다. 이처럼 충격파는 갑작스럽고 매질의 압력, 온도, 밀도에 불연속적인 변화를 일으키는 것이 특징입니다. 쉽게 생각하면 충격파는 소리의 속도보다 빠르게 움직일 때 발생하기 때문에 빠르게 움직이는 물체가 공기를 압축시키게 되고 이로 인해 압력과 온도, 밀도와 같은 물리적 특성이 급변하게 되는 것입니다.
아까 충격파는 유체 안에서 소리보다 빨리 움직이면 발생한다고 했는데요. 따라서 초음속으로 움직이는 제트기뿐만 아니라 소리보다 빠르게 움직이는 물체에서도 충격파가 발생합니다. 예를 들면 총에서 발사되는 총알도 소리보다 빠르게 움직이기 때문에 충격파가 발생하고 이와 함께 큰 소리가 발생하는 것입니다. 다른 예로 채찍을 휘두르면 ‘찰칵’ 하고 강한 소리가 들립니다. 이것도 채찍 끝이 초음속으로 움직여서 충격파가 발생한 것이고, 이로 인해 강한 소리가 발생한 것입니다.
초음속으로 움직이는 총알에서 생기는 충격파 ⓒ NASA 에너지 방출로 생성된 충격파, 지금까지 설명한 충격파는 일반적인 형태로 만들어지는 방식인데 다른 방식에서도 충격파가 만들어집니다. 그 중에서 화산 폭발과 관련된 충격파를 알아보도록 하겠습니다.
충격파의 특징은 급격한 변화입니다. 예를 들어 초음속으로 움직이는 물체가 지나갈 때 한 지점에서의 압력 변화를 시간과 함께 그래프로 표현했을 때 충격파가 지나갈 때 압력이 급격히 상승하는데 그 기울기가 수직으로 가깝게 증가합니다. 이는 초음속으로 이동하는 물체에 의해 생긴 압력 전선이 주변 공기를 빠르게 밀어내기 때문입니다. 이와 같이 충격파는 유체가 가지고 있는 속성에 대해 급격한 변화를 가져옵니다. 즉, 단기간에 급격한 변화를 가져오면 충격파를 만들 수 있다는 것입니다.
초음속으로 물체가 통과할 때 압력의 변화 ⓒ 위키미디어이기 때문에 초음속으로 움직이는 물체가 아니더라도 마이크로초에 해당하는 짧은 시간에 에너지가 갑자기 방출되면 충격파를 생성할 수 있습니다. 예를 들어 불꽃놀이를 할 때에도 불꽃이 갑자기 폭발하여 에너지가 순식간에 방출되어 주변이 팽창합니다. 이때 들을 수 있는 폭발음도 충격파의 한 예입니다.
여기서 재미있는 것은 이 에너지 방출이 폭죽처럼 큰 에너지를 가지고 있지 않아도 됩니다. 단시간에 에너지가 급격히 방출되는 것만으로도 충격파가 발생하기 때문입니다. 우리가 일상적으로 볼 수 있는 예로는 풍선이 있습니다. 풍선을 불면 어느 순간 크기가 커집니다. 크게 부풀어 오른 풍선이 갑자기 터지면 펑 하고 큰 소리가 납니다. 이 상황 또한 짧은 순간에 풍선 속 공기가 밖으로 방출되면서 충격파가 발생해 큰 소리를 내게 되는 것입니다.
풍선이 폭발할 때 생기는 충격파의 기상 쓰나미라고 하면 이번 통가에서 발생한 화산 폭발로 돌아가 보면 이번 폭발은 이례적으로 기존의 폭발과는 다른 모습을 보이고 있습니다. 통가 화산 폭발 당시 폭발음은 미국 알래스카까지 전해질 정도였지만 전문가들은 기후변화를 초래할 정도로 역대 최대 규모까지는 아니라고 평가했습니다. 그럼에도 불구하고 환태평양의 많은 지역에서는 쓰나미가 발생할 정도로 영향이 컸는데요. 그럼 통가 화산 폭발은 어떻게 해일을 만들어 낸 것일까요?
우선 일반 쓰나미가 어떻게 만들어지는지 알아보도록 합시다. 보통 쓰나미의 80% 정도의 대부분은 지각 운동에 의해 지진이 발생했을 때 해수 전체가 위아래로 흔들려 쓰나미가 발생합니다. 판자가 흔들리면서 바닷물을 움직이는 거죠. 그 외에 10% 정도는 화산 폭발이 일어나면 산사태처럼 지형의 변화가 일어나고 이로 인해 바닷물이 빨려 들어가 바닷물이 흔들리고 이것이 연쇄적으로 작용하여 쓰나미로 이어집니다. 그러나 이번 통가 화산 폭발은 지진이 발생하지 않았으며 쓰나미가 발생할 정도의 대규모 지형 변형은 발생하지 않은 것으로 분석하고 있습니다. 그럼 어떻게 해서 쓰나미가 발생하게 된 것일까요?
일반적으로 발생하는 쓰나미의 발생 과정 ⓒ 금성출판사의 몇몇 전문가들은 이번 쓰나미가 대기에 전파된 충격파에 의해 발생한 기상 쓰나미라고 설명하고 있다. 그럼 기상 해일은 무엇일까요? 지진에 의해 쓰나미가 발생하는 쓰나미와 달리 기상 쓰나미는 기상 상태 변화에 의해 쓰나미가 발생하는 것을 말합니다. 좀 더 자세히 말하자면, 기상 해일은 급격한 기압 변화에 의해 발생합니다. 공기의 밀도가 낮은 저기압은 바닷물을 위로 들어올리는 힘이 있습니다. 간단하게 태풍을 생각하면 됩니다. 태풍도 저기압이기 때문에 물체를 끌어당기는 힘이 있습니다. 이러한 태풍이 이동하고 한 지점을 지나면 순식간에 대기압이 급변하여 돌아옵니다. 이 현상을 기압점프라고 부릅니다. 이러한 태풍이 이동하는 속도와 파도의 속도가 같아지면 서로 ‘공명’하여 큰 진폭을 가진 쓰나미가 되는 것을 기상 쓰나미라고 합니다.
이번 화산 폭발 이후 발생한 기상 해일은 기존처럼 태풍이 아닌 ‘충격파’가 그 역할을 대신한 것으로 분석하고 있습니다. 이번 통가 화산은 마그마에 가스 함량이 많아 해저 화산의 정상과 해수면의 거리가 가까웠다고 합니다. 그래서 화산과 해수면 사이의 바닷물을 순식간에 증발시키고 그로 인해 폭발이 대기에 그대로 전달된 것으로 분석하고 있습니다. 이 폭발로 인해 충격파가 발생하여 대기로 전파되고 대기로 전달된 충격파와 바다파의 속도가 같아져 공명하게 되었으며 이로 인해 쓰나미가 발생한 것으로 분석하고 있습니다.
통가 화산폭발의 충격파로 인해 발생한 기상해일ⓒ kbs 이런 분석이 신빙성이 있었던 이유는 이번에 통가 화산폭발로 쓰나미가 관측되는 동시에 여러 나라에서 기압 변화가 관측됐기 때문입니다. 이 당시 한반도에서도 기압 1.8hPa의 순간 변동이 관측됐고 제주도에서는 해수면이 15cm 정도 상승하는 변화가 포착됐기 때문에 기압 변화가 쓰나미 발생의 원인이 됐을 것으로 추측할 수 있습니다. 이런 기상 해일은 기존의 쓰나미와 달리 대기로 전파되는 충격파에 의해 발생하기 때문에 우리나라도 기압 변화의 영향이 있었던 것입니다. 앞으로 발생할 쓰나미도 이런 원리로 발생하면 한국도 쓰나미의 피해를 입을 수 있습니다. 그렇기 때문에 이와 관련된 많은 분석이 필요해 보입니다.