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이웃집과학자

물과 용암이 만나면 어떻게 될까

By 이웃집과학자

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용암과 물이 만나면 어떻게 될까요? 이 질문에 대한 답을 원했던 용감한 과학자들이 있습니다. 용암에 물이 닿아 격렬한 화산폭발로 이어지는 현상은 자연에서 흔히 발생합니다. 하지만 이에 대해 아직 제대로 밝혀지지 않은 점이 많다고 합니다. 연구팀은 용암 안에 물이 들어갔을 때 발생하는 물리적인 과정을 밝히기 위해 이 실험을 진행했습니다.

물과 용암이 만났을 때.

출처Douglas Levere / University at Buffalo

연구팀은 용융된 암석 약 37.8L에 해당하는 통에 물을 주입했다고 하는데요. 용암과 물이 만나면 어떻게 되는지 한 번 감상해보시죠.

뉴욕 버팔로대학교(University at Buffalo)에서 진행한 이 실험은 장기 프로젝트의 일환이라고 하는데요. 그 첫 번째 연구 결과가 지난 12월 10일 <Geophysical Research (JGR): Solid Earth>에 게재됐습니다.


이번 연구에서 연구팀은 용암과 물이 맞닿을 때 폭발하는 장면을 보여줬는데요. 용암에 물이 닿자, 약 30.5cm 솟구쳤습니다. 이전에 독일 과학자들도 비슷한 실험을 진행한 적이 있었는데요. 당시 실험에서 용암의 양은 이보다 적은 커피잔 하나에 들어갈 만큼의 양이었습니다. 당시 실험에서도 용암 안에 물이 들어가자 폭발을 일으켰습니다.


용암 만들어 보자.

출처Douglas Levere / University at Buffalo

이번에 게재된 연구에 따르면 용암을 담은 용기가 높을수록, 그리고 물을 빨리 주입할수록 더 크고 강렬한 반응이 일어났다고 합니다. 연구팀은 총 12번의 실험을 진행했는데요. 물 주입 속도는 1.8m/s에서부터 9.1m/s까지의 범위에서 진행됐습니다. 용암은 높이 20.3~45.7cm 범위의 절연처리 된 강철통에 넣었다고 합니다.


연구팀은 용암을 만들어내기 위해 현무암을 용광로에 집어넣었는데요. 현무암을 4시간 동안 가열한 후 약 1,315℃에 이르렀을 때, 용광로에 넣고 물을 주입했습니다. 이후 드라이브 해머(hammer drives)가 용융된 암석과 물을 섞어 폭발을 촉진시킵니다.


부어 부어~

출처Douglas Levere / University at Buffalo

이번 연구의 장기 프로젝트가 잘 진행된다면 결과적으로 과학자들은 얼음, 호수, 해양, 지하수 근처 화산이 그 주변에 거주하는 사람들에게 미칠 수 있는 위험에 대해 평가할 수 있을 것으로 보입니다. 물이 용암이나 마그마에 닿을 때 어떤 영향을 미치는지에 관한 요인을 모두 밝혀내기 위해서는 수년 간의 연구가 더 필요하다고 하는데요. 그래서 화산폭발과 관련한 기본적인 프로세스를 이해하는 것이 매우 중요하다고 합니다.

하와이 킬라우에아 화산폭발

출처Wikimedia Commons

자연에서 실제로 발생하는 화산폭발에서 물의 존재는 화산 활동을 더욱 격하게 만들기도 하는데요. 하와이의 킬라우에아 화산폭발과 아이슬란드의 에이야퍄들라이외퀴들(Eyjafjallajökull) 화산폭발이 그러했습니다.

라이덴프로스트(Leidenfrost) 효과.

출처Wikimedia Commons

라이덴프로스트 효과란 어떤 액체가 그 액체의 끓는 점보다 훨씬 더 뜨거운 부분과 접촉할 경우 액체가 끓으면서 증기로 이뤄진 단열막을 만들어 내는 현상입니다.

용암이 들어있는 통의 길이가 높고, 그곳에 물을 빠르게 분사하게 될 경우 용암보다 3배나 가벼운 물이 빠르게 위로 올라오면서 용암과 더 빠르게 섞이게 된다고 하는데요. 이때 증기로 이뤄진 단열막이 불안정해질 수 있다고 합니다. 그러면서 물의 부피가 급격히 팽창하게 되면서 용암에 힘을 가하게 되는데요. 이 때문에 격렬한 폭발이 일어날 수 있다고 설명합니다.


반면, 물이 느린 속도로 용암과 접촉할 경우에는 증기로 이뤄진 단열막이 유지되기 때문에 폭발이 일어나기 전에 증기로 날아가버립니다. 혹은 용암의 표면에 닿아있기 때문에 폭발로 이어지지 않는 것이라고 하는데요. 어서 이 장기 프로젝트가 끝나 과학자들이 화산의 물리적 특성에 대해 속속들이 알아냈으면 좋겠습니다.


##참고자료##

  • Ingo Sonder et al, Meter‐Scale Experiments on Magma‐Water Interaction, Journal of Geophysical Research: Solid Earth (2018). DOI: 10.1029/2018JB015682  


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