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지난 1월 남태평양 국가 통가에서 해저화산인 훙가 통가-훙가 하파이(이하 통가 화산)가 폭발했다. 통가의 수도 누쿠알로파에서 86㎞ 떨어진 섬에서 8분 동안 대규모 분화가 발생했다. 분화 직후 쓰나미가 발생해 1만㎞나 떨어진 남미 대륙에도 피해를 입히고, 통신이 마비되는 등의 사태가 벌어졌다. 인공위성 이미지를 활용한 정밀 분석 결과, 통가 화산의 여파가 우주에까지 닿은 것으로 확인됐다.

통가 화산 기둥, 유성이 타버리는 고도까지 올랐다

영국 옥스퍼드대 연구진은 통가 화산이 폭발했을 때 발생한 화산 기둥이 성층권을 넘어 중간권에 속하는 높이는 57㎞까지 치솟았다고 분석한 결과를 지난 3일 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 발표했다. 중간권은 지구 위 3번째 대기층으로, 대부분의 유성이나 운석이 분해되고 타버리는 고도다.

지금까지는 화산 기둥 높이를 적외선 기반 온도 분석을 통해 측정해왔다. 대류권(지구 대기의 가장 낮은 층)에서는 고도가 높을수록 온도가 감소한다는 점에 착안한 방식이다. 하지만 대류권 위의 성층권(약 10~50㎞)에서는 대기 온도가 고도에 따라 증가한다. 성층권에 있는 오존층이 태양의 자외선을 흡수하기 때문이다. 그 위의 중간권(약 50~80㎞)에서는 다시 고도가 높아짐에 따라 대기 온도가 하락한다.

이러한 이유로 화산 기둥의 높이가 대류권을 넘어설 경우 정확한 높이 측정이 어려웠다. 연구진은 이 한계를 극복하기 위해 ‘시차효과’를 활용했다. 물체가 한 곳에 놓여 있어도 오른쪽 눈만 뜨고 봤을 때와 왼쪽 눈만 뜨고 봤을 때는 서로 다른 위치처럼 보인다. 이처럼 동일한 물체를 다른 각도에서 바라봤을 때 고정된 배경에 맺히는 물체의 겉보기 위치가 다른 것을 시차효과라고 한다. 두 눈 사이의 거리와 겉보기 위치 변화를 측정하면 물체까지의 거리를 계산할 수 있다.

연구진은 서로 다른 위치에서 통가 화산의 분화 장면을 포착한 3개의 정지궤도 위성 이미지를 활용했다. 시차효과를 고려하여 궤적을 계산했더니, 통가 화산의 폭발로 인한 화산 기둥이 30분 만에 고도 57㎞까지 도달했음을 확인했다. 종전 역대 기록인 1991년 필리핀 피나투보 화산의 40㎞ 높이 화산 기둥보다 훨씬 높았다. 인류가 관측을 시작한 이후 화산 폭발을 통해 성층권을 뚫고 중간권까지 지표면에서 물질을 전달한 첫 번째 사례다.

교신저자인 사이먼 프라우드 영국 옥스퍼드대 교수는 “불과 10년 전만 해도 위성 기술의 한계로 이런 연구가 가능할 것이라고는 상상도 못했다”며 “우리 연구진은 여러 위성이 포착한 이미지의 시차를 활용해 향후 화산 폭발 시 화산 기둥의 높이를 자동으로 계산하는 시스템을 구축하려고 한다”고 말했다. 이 시스템이 구축되면 화산 물질이 방출된 대기의 다양한 높이 측정도 가능해진다. 향후 성층권의 대기 연구나 항공 안전 확보에도 도움을 줄 수 있다.

온난화 효과 부른 최초의 화산 폭발

대규모 화산 폭발은 지구 기온에도 영향을 미친다. 일반적으로는 지구 기온을 떨어뜨리는 냉각 효과가 있다. 대기로 분출된 화산재 입자와 가스가 햇빛을 차단하기 때문이다. 일례로, 1991년 필리핀 피나투보 화산 폭발은 지구 기온을 0.5℃가량 떨어뜨리는 위력을 발휘했다.

그런데 통가 화산 폭발에서는 이례적 현상이 나타났다. 미국 국립대기연구센터(NCAR) 연구진은 지난 9월 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 통가 화산 폭발이 단기적 온난화를 유발했다고 분석한 연구결과를 발표했다. 인류의 관측 이래 온난화 효과를 부른 최초의 화산 폭발인 셈이다.

통가 화산 폭발 과정에서 적어도 50Tg(테라그램‧1Tg은 1조g) 수증기가 성층권으로 유입됐다. 미국 항공우주국(NASA)의 분석에 따르면, 폭발 당시 분출된 수증기량은 올림픽 규격 수영장 5만 8,000개를 채울 수 있는 규모다. 이로 인해 성층권 수증기의 양이 5% 이상 늘어났을 것으로 분석된다.

햇빛 차단 효과를 보이는 화산재와 달리 성층권에 유입된 수증기는 열을 가둬 지표면의 기온을 올리는 역할을 한다. 화산재는 2~3년이면 성층권에서 떨어지지만, 수증기는 5~10년 동안 성층권에 머물며 지속적인 영향을 줄 수 있다.

홀게르 보멜 박사는 “급증한 수증기가 온실가스와 같은 역할을 해 지금까지 연구돼온 대형 화산폭발 때와는 다른 대기 반응을 유발한 것으로 보인다”며 “수증기의 온실 효과는 일시적이기 때문에 기후변화를 눈에 띄게 악화시킬 정도는 아니다”라고 말했다.