1. 백두산 화산 폭발하면

백두산 꼭대기 천지 칼데라 호수에는 약 20억t의 물이 담겨 있다. 그리고 그 지하 약 10km 지점에는 화산 가스를 가득 품은 점성이 큰 규장질 마그마 방이 존재한다. 온도가 1000℃가 넘는 마그마가 폭발하면서 수온이 7℃가량 되는 천지의 물과 만나면 마그마는 급랭하면서 산산조각난다. 마그마에 들어있던 화산 가스까지 튀어나오면서 마그마는 더욱 폭발적으로 분출하게 된다. 팝콘과 같이 튀겨진 가벼운 화산재 덩어리인 부석이 화산체 주변에 쌓인다.

한편 이보다 더 작게 부서진 파편은 화산재 구름을 형성한다. 수증기와 함께 분화구 상부 대기 상층에 기둥 모양으로 솟구친다. 화산재 구름은 계절풍(대기권 내에서)과 제트기류(성층권 내에서)를 따라 이동하다가 화산체에서 멀어짐에 따라 점차 낙하해 쌓일 것이다. 이것을 ‘강하 화산재’라고 부른다.

백두산은 편서풍 지역에 위치하므로 백두산의 동쪽 즉 북한의 양강도, 함경남도, 함경북도 지역에 강하 화산재가 비처럼 내리게 된다. 분화된 화산재의 양이 매우 많은 경우, 일본을 지나 태평양에도 떨어질 수 있다.

이것이 끝이 아니다. 화산재의 일부는 분화구의 벽을 넘어 끓어 넘치거나 분연주가 붕괴되며 쏟아진다. 화산의 사면을 따라 시속 40~120km의 속도로 빠르게 흘러내리는 화산재를 ‘화쇄류(火碎流)’라 한다. 온도가 500℃ 안팎인 고온의 화쇄류는 예부터 가장 많은 인명 피해를 가져오는 원인이었다. 화쇄류의 영향 범위를 예측해서 인적, 물적 피해를 최소화하는 연구가 중요한 이유다.

백두산에서 폭발적인 분화가 일어나 분연주가 붕괴되고, 이것으로부터 화쇄류가 흐른다고 가정해 보자. 이때 화쇄류가 도달할 수 있는 거리는 매우 다양하다. 화산체 원뿔의 반경과 높이, 화쇄류의 부피, 분화지속시간, 화산체의 항복응력(힘을 견디지 못하고 작은 힘에도 모양이 무너지기 시작하는 응력) 등이 다양하게 영향을 미친다.

필자는 고밀도의 등온 화산성 흐름을 수치 시뮬레이션하는 ‘볼크플로우(VolcFlow)’ 프로그램을 이용해, 화쇄류가 칼데라 상부에서 중력에 의해 붕괴하면서 원뿔의 사면을 타고 흘러내리는 상황을 시뮬레이션했다. 화산폭발지수를 3에서 7까지 다양하게 가정하고 화산폭발지수에 따라 화쇄류의 부피를 정했다(예를 들어 화산폭발지수가 6일 때는 109m³).

또 암석의 파괴가 이뤄지는 항복응력을 5000Pa, 10000Pa, 15000Pa로 다양화했다. 분화가 지속되는 시간도 화산폭발지수가 4, 5일 때는 6시간, 화산폭발지수가 6과 7일 때는 12시간으로 잡았다.

설정된 45개의 시나리오를 수치 시뮬레이션한 결과, 화산폭발지수가 5인 경우, 화쇄류는 천지 칼데라 내부를 채우고 외륜산의 가장 낮은 곳인 북쪽 승차하 계곡 방향과 북동쪽, 서쪽 및 남서쪽의 계곡으로 흘러넘쳤다. 이 때 분화구 중심으로부터 화쇄류가 최대로 도달하는 거리는 14.4km였다.

한편 폭발력이 이것보다 10배 큰 화산폭발지수 6의 경우, 화쇄류는 칼데라 외륜산을 넘어 전방위로 확산됐다. 분화구 중심으로부터 화쇄류가 최대로 도달하는 거리는 18.6km였다.

1000년 전 밀레니엄 분화와 유사한, 화산폭발지수가 7인 시나리오에서는 화쇄류가 최대 23.4km까지 퍼져나갔다.

화산 폭발의 규모가 크면 강하 화산재에 의한 피해도 어마어마하다. 강하 화산재는 지면에 1mm 이상만 쌓여도 도로 교통을 마비시킨다. 우선 시야 확보가 힘들다. 자동차 헤드라이트도 떨어지는 화산재를 관통하지 못한다. 도로가 미끄러워지면서 조종 장치와 제동 장치가 약화되고, 공기 중의 화산재가 여과기를 통해 엔진으로 들어가 작동을 멈출 수도 있다. 그밖에 젖은 화산재가 송전선에 누전을 일으켜 전력 공급이 중단되거나, 화산재가 인체로 들어가 규폐증 등 호흡기 질환을 일으킬 위험도 있다.

그런데 백두산 폭발 시 이런 강하 화산재가 남한까지 내려올 수 있다는 사실이 연구를 통해 밝혀졌다. 강하 화산재가 남한 지역에 낙하·퇴적되는 경우를 우리는 ‘최악의 시나리오’라고 부른다. 필자는 최근 5년간의 실시간 기상정보를 바탕으로 백두산의 화산재 구름이 바람을 타고 확산되는 시나리오를 시뮬레이션 했다. 그 결과 화산폭발지수가 1000년 전과 같거나(화산폭발지수 7), 심지어 그것의 10분의 1(화산폭발지수 6), 100분의 1(화산폭발지수 5)인 경우에도 화산재가 남한까지 내려오는 것을 확인했다.

강하 화산재가 남한으로 내려와 피해를 발생시킬 수 있는 날짜는 봄철이 겨울철보다 더 많았다. 백두산이 북서풍이 부는 겨울철에 남한까지 피해를 줄 가능성이 높다는 기존 예측이 맞지 않음을 알 수 있다. 2010년 중에서는 5월이 가장 많았고, 7월, 6월, 9월, 8월 순이었다. 2014년 중에서는 6월이 가장 많고 7월, 4월, 5월, 12월 순으로 나타났다.

이런 결과는 역사기록에 남아있는 1000년 동안의 백두산 화산 활동 기록과도 일치한다. 분화 기록을 분석해보면 백두산의 폭발적 분화 사건 40건 중에서 10건이 4월에 일어났고 5월(6건), 6월(6건), 3월(5건), 2월(4건), 10월(4건), 1월(2건), 11월(2건), 12월(1건) 순으로 빈도수가 많았다. 현재 최근 10년 동안의 자료를 토대로 추가 검증을 하고 있다.

백두산 분화의 규모나 범위 등을 예측하는 시뮬레이션은 방재대응책을 세우는 데 큰 도움을 준다. 화쇄류가 빠른 속도로 흘러내리는 영역을 알면, 많은 사람들이 계곡 바닥에서 더 높은 지형 위로 대피하도록 알려줄 수 있다. 또 강하 화산재 방향을 파악하면 사람들에게 이 방향과 직각이 되는 방향으로 피해 짙은 화산재 기둥으로부터 벗어나도록 조언할 수 있다.

이런 시뮬레이션 연구를 위해서는 예지 연구가 뒷받침돼야 한다. 마그마가 움직이기 직전, 화산의 불안정(volcanic unrest)의 징후를 포착해 마그마의 속도, 양 등을 예측하는 것이다. 실제로 백두산은 다양한 전조현상을 보이고 있다. 2002~2005년에는 백두산 천지 지하에 마그마가 관입하면서 화산성 지진이 급증했고 지표면에 비정상적인 변형이 발생했다. 백두산 산사면의 수직 높이도 2009년까지 최대 10cm가 증가했다. 백두산 북파 이도백하 상류계곡에 위치한 주롱온천의 수온이 1991년 67~69℃였던 것이 최근에는 72~83℃까지 상승했다. 온천수에서 공기방울(기포) 형태로 나오는 화산가스를 채집해, 포함된 헬륨의 동위원소비를 분석한 결과, 이 헬륨이 맨틀에서 유래된 것이라는 결과도 보고됐다. 이는 지하 마그마 방으로부터 지표로 지열이 계속해 전달되고 있다는 것을 의미한다.

화산 분화의 전조를 파악하기 위해 백두산 지역에서는 마그마의 거동을 파악하는 화산성 지진 관측, 지표변위(정밀 GPS관측), 경사계, 중력계, 화산가스, 온천수성분 변화 등에 대한 연구를 하고 있다. 이들 값이 급변하면 화산 분화로 연결될 수 있다는 가능성을 염두에 둔 연구다. 중국은 국가지진국 지질연구소의 활화산연구센터와 길림성지진국의 장백산화산관측소, 북한은 백두산화산 연구소를 통해 백두산의 분화 전조현상을 연구하고 있다.

우리나라도 화산재해를 사전에 파악하고 피해를 예방하기 위한 연구의 핵심기술인 ‘화산폭발 감시 및 폭발 잠재성 평가 기술’을 기상청 주도로 개발하고 있다. 화산재 확산 시 피해규모를 예측하고 추정하는 기술은 국민안전처(전 소방방재청)에서 맡았다. 2018년까지 백두산은 물론 동북아시아 지역의 화산 분화에 대비한 화산재해 대응시스템을 구축할 계획이다.

개뛰는수밖에..

터지면 터지는거고 터지면 우리다 그냥 죽는거지

마음의 준비 ㄱㄱ