2021년 12월 20일, 생명체가 서식하지 않는 매우 작은 남태평양 섬의 해저 화산인 훙가 통가-훙가 하파이(Hunga Tonga-Hunga Ha'apai)가 7년간 휴화산 상태를 유지한 뒤 갑자기 활동을 시작했다. 여러 차례 짧은 폭발과 함께 짧게 소리를 내고는 재가 확산됐다. 1만 마일 떨어진 곳에 있는 잉글랜드에서 옥스퍼드대학교 위성 데이터 연구원인 사이먼 프라우드(Simon Proud)는 배치된 일련의 위성을 통해 짧은 순간의 화산 폭발 상황을 관찰했다.
2021년이 지나 2022년으로 향하자 심각한 화산 폭발의 시작으로 추정된 화산의 움직임이 잠잠해지는 듯했다. 그러나 통가 시각 기준 1월 14일 아침, 12마일 높이의 재가 하늘 위로 퍼졌다. 재를 분출한 화산이 불규칙적인 움직임을 보이더니 수백 회의 뇌 방전이 발생해 1초 간격으로 큰 소용돌이를 일으키더니 육지와 해양을 순식간에 뒤엎었다. 이튿날 늦은 오후, 위성이 당시의 커다란 재앙을 담은 사진을 보여주었다.
잉글랜드에서 프라우드 교수가 아침에 일어난 뒤 컴퓨터를 확인했을 때, 프라우드 교수는 물론이고 다른 동료도 단 한 번도 본 적이 없는 긴 화산재의 모습을 볼 수 있었다. 위성이 포착한 거대한 사진에 담긴 모습은 섬에서 22마일 떨어진 곳에서 160마일 길이의 그늘지고 폭풍우가 몰아치는 덮개 모양의 거대한 화산재 기둥의 모습이었다. 화산재 덮개 중심부에는 얇은 일시적 화산 파편이 34마일의 높이에 도달했다. 순항 여객기의 약 5배 높이 수준이었다. 도대체 무슨 사진인가? 프라우드 교수는 사진을 보았을 때를 떠올리며, “데이터를 보고는 그동안 연구한 과거의 사례와는 다르다는 사실을 깨달았다. 비현실적인 일이었다”라고 말했다.
전 세계가 매우 크게 놀랐다. 화산재 구름을 형성한 통가 화산 폭발 파장은 TNT 1,000만 t 상당과 맞먹는 수준이며, 2020년 8월 레바논 수도 베이루트에서 발생한 치명적인 에너지 폭발보다 2만 5,000배 이상 강력한 수준의 위력이다. 통가 화산 폭발은 21세기 최대 규모 화산 폭발로 기록할 수 있다. 그리고, 화산 폭발은 여기서 끝나지 않았다.
옥스퍼드대학교 화산학자인 마이크 캐시디(Mike Cassidy)는 “이후 충격파가 발생했다”라고 말했다. 충격파는 화산폭발로 1시간당 600마일 수준으로 발생해, 지구의 다른 영역에도 그 충격이 급격히 커진 것을 느낄 수 있는 수준이었다. 그 누구도 최근 통가와 같은 사례를 발견한 적이 없다. 20분간 이어진 폭발로 4피트 높이의 쓰나미 파도가 통가 중심 섬의 군도인 통가타푸(Tongatapu)로 쏟아졌다. 강도가 약한 쓰나미가 일본과 남미, 북미 대륙 서부 해안가를 강타했을 시점에 화산재가 이미 통가의 여러 섬을 집어삼켰다. 통가에서는 농업이 사라지고 식수 공급량 오염과 전기 기반 시설 장애, 도로와 활주로 차단 문제가 이어졌다. 통가와 세계 다른 국가를 연결하는 해저 통신 케이블은 마비가 돼, 국제 전화와 인터넷 서비스 모두 접속이 중단됐다. 단 수 주 간 투자해 해결할 수 있는 문제가 아니다.
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다수 화산학자는 통가에서 발생한 화산 폭발을 보고도 믿을 수 없다는 반응을 보였다. 참고 근거로 택한 지표가 무엇이든 결과 자체는 매우 경악할 정도로 끔찍한 폭발이라는 사실은 부인할 수 없다. 갑자기 화산 활동이 잠잠해지면서 세계적으로 화산 폭발 예방책이 시작됐다. 일련의 지질학적 사건이 통가와 같이 심각한 폭발을 일으킨 이유는 무엇일까? 화산 폭발 문제 해결에 필요한 해결책은 무엇일까?
화산 폭발의 일반적인 구조는 널리 알려졌다. 그러나 1월 15일의 재앙과도 같은 폭발은 철저한 조사만으로는 부족하며, 궁극적으로 새로운 설명이 필요하다. 훙가 통가-훙가 하파이섬 폭발 당시 뉴질랜드 오클랜드대학교의 화산학자인 셰인 크로닌(Shane Cronin)은 화산학자이든 아니든 누구나 보편적으로 보인 반응은 다음과 같다. 이럴 수가!
크로닌은 “그러나 사실 12월 30일에 한 차례 매우 충격적인 일이 발생했다”라고 언급했다. 당시 평균 높이의 화산재가 화산에서 분출했다. 크로난은 “당시 화산재 분출이 매우 강력하다는 점에서 주목했다”라고 말했다. 그 이후 또 다른 주요 폭발 현상 이전 거대한 화산 분출 현상이 발생했다. 두 가지 폭발의 우려 모두 비교적 폭발 물질이 적은 편이었으나 다량의 가스가 함께 분출됐다. 그리고 가스가 가득 찬 마그마가 존재한다. 탄산 음료가 가득 찬 병을 갑자기 열 때, 가스가 팽창하면서 순간적으로 폭발하는 것과 같다고 생각할 수 있다. 다시 말해, 두 개의 화산 띠는 마그마 저장고에서 많은 가스가 갇힌 것을 의미하며, 거대한 폭발이 아직 발생하지 않았음을 암시한다. 크로닌은 “전체 상황을 이해하자면, 인류에게 매우 큰 경고사항이다”라고 말했다.
한때 결합된 상태였지만 이제는 분리된 섬인 훙가 통가와 훙가 하파이는 훨씬 더 광범위한 길이 12m에 이르는 가벼운 화산 표면의 일부분이다. 거대한 화산에는 가스가 풍부한 마그마가 포함되었다는 사실이 오래전부터 알려졌다. 크로닌은 최근 발표된 칼데라의 과거 화산을 조사한 연구 논문의 공동 저자이다. 마그마 저장소가 다시 채워지는 데 수백 년이 걸리며, 지난 주말 대규모 폭발과 같은 일은 1,000년에 한 번꼴로 갑작스러운 대규모 폭발이 발생한다. 갑작스럽게 용해 암석 대부분을 비우게 되면서 발생하는 결과이다.
매우 드문 일이기는 하지만, 폭발 자체가 화산탄 때문에 발생하며, 화산탄은 자극이 필요하다. 그런데, 어떠한 자극이 필요할까? 크로닌 연구팀의 관점을 다음과 같이 설명할 수 있다. 시간이 지나면서 유동체가 물과 같은 마그마로 융해돼, 가스 형태로 끓고는 그 위에 존재하는 바위의 압력을 높인다. 화산이 팽창하면서 마그마를 막고 있는 바위에 균열이 발생한다. 결국, 그 위의 해수가 바위의 균열에 스며들고는 마그마를 만난다. 그리고, 화산 폭발 위험이 시작된다.
빠른 속도로 가열된 해수는 가스로 증발한다. 만약, 바다 표면 몇 마일 아래에서 발생했다면, 해양의 막대한 무게가 주변 마그마로의 가스 팽창을 막는다. 그러나 수백 피트 아래에서 발생한다면, 해수가 마그마 폭발을 일으킨다. 매우 강력한 공기 펌프처럼 폭발하면서 용융 암석이 무수히 많은 조각으로 쪼개진다. 그리고, 화산 폭발이 발생한다.
첫 번째 폭발은 마그마와 해수가 만나지 못하도록 막는다. 만약, 마그마와 해수가 만난다면, 더 큰 폭발이 발생하면서 더 많은 마그마가 해수를 만나게 된다. 그와 동시에 거대한 용융 암석을 보관한 영역의 압력이 극도로 줄어들면서 바다로 급격히 분출하게 된다. 브리스톨대학교 화산학자인 샘 미쳴(Sam Mitchell)은 “매우 폭발적인 연쇄 반응이라는 결과로 이어진다. 물과 열, 마그마 모두 충분히 있다”라고 설명했다. 무려 10메가톤 상당의 폭발이 발생할 수 있다.
어찌 됐든 지금까지 설명한 내용은 모두 가설이다. 이를 확인하려면 화학적 요소가 필요하다. 과학계에서 폭발 전과 폭발 도중 생성된 화산재를 모두 수집할 수 있다면, 화산 폭발이 촉발하는 입자의 화학적 특성, 구조적 특성의 차이를 알 수 있을 것이다. 화산재가 곱고 풍부하며 작은 조각 형태라면, 마그마가 해수와 폭발적인 상호작용을 하면서 생성됐다고 볼 수 있다.
화학 반응은 마그마를 압력이 높은 폭발성 물질로 바꾼 요소가 무엇인지 밝혀낼 것이다. 특정 미세한 화산 결정이 널리 퍼지면, 마그마는 수년간 지표면 아래에서 천천히 가스를 제거하면서 압력을 가할 것이다. 그러나 화산 결정 층이 존재한다는 사실은 최근의 마그마가 아래에서 유입돼 다량의 열과 가스, 압력을 더했다는 사실을 시사한다. 폭발의 거대한 화산재 기둥도 과학자에게 중요한 단서가 될 수 있다. 다만, 그 크기를 적절히 계산하는 데 며칠이 걸릴 것이다.
화산재 기둥은 대기의 가장 아래 형성된 층이며, 세계 날씨 대부분을 포함하는 대류권으로 떠오를 것이다. 프라우드는 고도가 높을수록 기온이 하락한다는 점에서 화산재 기둥의 기온이 낮을수록 기동이 높다는 사실을 알 수 있다고 설명했다. 그는 “화산재 기둥이 성층권까지 폭발한다면, 상황이 더 복잡해질 것이다”라고 덧붙였다. 성층권은 고도에 따라 따뜻해지므로 낮은 대기 온도를 사용하면서 화산재의 높이에 문제가 생길 수 있을 것이다.
그 대신 프라우드는 연구팀과 함께 다양한 위성을 사용해 화산재 기둥의 높이를 계산했다. 기둥 덮개를 22마일, 더 높은 대기층인 중간권까지 도달하는 중앙의 가장 높은 영역의 높이를 34마일로 표시했다. 이후 프라우드는 무언가 이상하다고 말했다.
캐시디가 전한 바와 같이 기둥의 높이가 지나치게 높다는 사실은 화산 폭발 수준이 강력하다는 사실을 시사하며, 이를 통해 주요 폭발 활동의 메커니즘을 설명할 수 있다. 프라우드는 “매우 거대한 폭발이라는 의미이다”라고 언급했다. 폭발한 화산재의 속도가 음속과 비슷한 수준이 돼야 프라우드의 계산과 같이 화산재 기둥의 높이가 매우 높은 수준을 기록할 수 있다. 그러나 통가의 폭발 원인 확인이 과학계가 직면한 중요한 수수께끼의 절반을 차지한다. 또 다른 수수께끼는 쓰나미 원인을 밝히는 것이다. 단순히 화산 폭발이 쓰나미 발생 원인이라고 주장할 수는 있으나 쓰나미 원인을 명확히 설명할 수는 없다.
폭발 활동을 통해 매우 빠른 속도로 수면 위에 불안정한 섬을 형성하는 해저 화산은 위험한 쓰나미를 일으킬 위험성이 크다. 최근의 통가 화산 폭발과 쓰나미 발생 수개월 전 관측된 가장 치명적인 화산 쓰나미는 2018년, 인도네시아에서 발생한 아낙크라카타우(Anak Krakatau) 화산 폭발이었다. 당시 화산 폭발로 수백 명이 사망했다. 유성 충돌이나 지진, 화산 등 쓰나미 발생 원인을 떠나 대중을 바다와 먼 곳에서 대피시켜야 한다는 규칙을 똑같이 적용할 수 있다. 그러나 화산이 쓰나미를 일으킬 방법은 다음과 같이 다양하다. 해저 폭발과 마찬가지로 아낙크라타카우 화산 폭발 당시와 같이 화산 측면의 붕괴, 화산 전체 붕괴, 혹은 바다로 쓰러진 화산재 기둥 폭발로 발생한 무수히 많은 화산 잔해 등 쓰나미 발생에 영향을 미치는 요인은 다양하다.
충격파도 쓰나미를 생성할 수 있다. 1월 15일 통가 화산 폭발 당시와 마찬가지로 쓰나미 파도는 태평양 인근 해안가에서 감지할 수 없었으나 카리브해를 포함한 세계 여러 지역에서 감지할 수 있었다. 화산 바위의 움직임은 대륙 장벽에 막혀 쓰나미 파도 생성에 영향을 미치지 않는다. 대신 이 기사가 송출된 시점을 기준으로 지구를 세 차례 이동한 충격파는 공기를 통해서만 이동하지 않는다. 먼 해양과 상호작용하면서 위, 아래로 움직이면서 폭발 지점에서 수천 마일 떨어진 곳에 작은 쓰나미를 일으킨다.
이를 기상해일(meteotsunami)이라고 일컫는다. 과거 감지된 강력한 폭풍 시스템 바로 아래에서 감지된 적이 있지만, 아예 다른 화산 분지에서 화산이 감지된 사례는 이번이 처음이다. 큰 영향을 미치지 않지만, 과학계에서는 현재 충격파에 크게 주목하지 않는다. 대신 통가에서 발생한 심각한 쓰나미의 주된 원인으로 추정되는 화산 자체의 형태 변화에 주목한다.
그런데, 쓰나미가 발생한 정확한 원인은 무엇일까? 측면 붕괴가 원인이라면, 해저 암석 잔해가 벌채 구역에서 한 방향으로 흩어졌을 것이다. 마그마 토대가 분출구에서 빠르게 빠져나간 뒤 화산 전체가 쓰나미 발생 원인이 됐다면, 화산 주변으로 퍼진 고리의 잔해를 예상할 수 있을 것이다. 그리고, 붕괴가 비대칭으로 발생했다면, 한 방향에서 더 심각한 파괴가 발생했을 것이다. 폭발 방향이 특정한 한 방향인가, 혹은 화산 전체 영역인가에 따라 해저 폭발은 앞서 언급한 두 가지 잔해 중 한 가지 형태로 나타날 수 있을 것이다.
미쳴은 쓰나미의 정확한 원인을 밝혀낼 한 가지 방법은 화산 폭발 당시를 직접 보는 것이라고 말한다. 작은 폭발물이나 공기총을 이용해 보트에서 화산까지 음파를 보내면서 암석의 치수와 특성을 확인할 수 있다. 과학계에서는 이를 이용해 화산 폭발 후의 모습을 그리고, 화산 폭발 전과 비교하여 화산 형태 변화 혹은 측면의 새로운 구멍 발생 여부를 확인할 수 있다. 조종사가 원격 제어하거나 인간의 도움 없는 완전 자율주행 잠수 기능을 갖춘 로봇 다이빙 장비도 해저 수색 과정에 활용할 수 있다.
잠수함 조사 과정 이외에도 쓰나미 파도 높이와 태평양 전체에 걸친 쓰나미 파도 도달 시간을 측정하는 부표와 해안 측정기도 중요하다. 데이터 수집 후 컴퓨터 모델과 연결하여 쓰나미 재생성 시도를 할 수 있다. 컴퓨터 모델로 구성한 쓰나미가 해저 잔해 패턴과 일치한 것을 확인한다면, 실제 문제 원인이 된 화산 폭발을 재구성할 수 있다.
사전 조사 위성 데이터가 몇 가지 초기 힌트를 제시한다. 크로닌은 “거대한 칼대라 낙하가 쓰나미 원인이라고 생각하지 않는다”라고 말했다. 훙가 통가 섬과 훙가 하파이섬 모두 화산 폭발 전보다 깊이 가라앉지 않았기 때문이다. 즉, 화산 자체가 완전히 폭발한 것이 아니라는 점을 시사한다. 또한, 해저에 비슷한 폭발 현상 이후 생성된 화산 잔해가 많다. 그러나 최근의 화산 폭발이 아닌 고대 화산 폭발로 생성된 잔해이다. 해상에서 거대한 폭발 현상이 발생했더라도 해저에서 수많은 폭발이 발생했을 가능성을 시사한다. 이때, 대기에 분출된 것만큼 많은 양의 화산 잔해가 해저에도 생성돼, 쓰나미를 일으켰을 것이다. 그러나 현장 조사 전까지 확실한 결론을 내릴 수는 없다. 크로닌은 현재 정확한 쓰나미 발생 원인을 찾아내는 데 각종 의문점만 가득하다고 말한다.
화산 폭발부터 쓰나미까지 최근 통가에서 발생한 화산 폭발 현상에만 각종 답을 찾지 못한 의문 사항이 가득하다. 사실, 지금 당장 확신할 수 있는 부분은 단 두 가지이다. 첫 번째는 이번 화산 폭발이 통가에 비극을 낳았으나 이번 화산 폭발의 치명적인 원인을 찾아낸다면, 미래 통가의 인명 피해를 막을 수 있을 것이다. 두 번째는 화산 폭발로 큰 피해가 발생한 군소 도서 국가인 통가가 단독으로 쓰나미 발생 원인 확인이라는 과학적 목표를 달성할 수 없다는 사실이다.
통가 지질국(Tongan Geological Services) 소속 전문가를 포함한 현지 화산학자는 세계 다른 전문가보다 더 자세한 부분에서 연구 성과를 거둔 통가 인근 화산을 관찰하고 있다. 그러나 통가 지질국의 자금이 부족하다. 미쳴은 “통가 지질국은 대규모 해수 측량과 해저 지진계 배치 모두 불가능한 상황이다”라고 언급했다. 전 세계 과학자가 훙가 통가-훙가 하파이 화산 폭발 문제의 답을 찾기 위해 협력해야 한다. 미쳴은 “만약, 전 세계 과학자가 통가 지질국을 돕는다면, 현지 전문가 대신 연구를 할 것이 아니라 협력해야 한다”라고 덧붙였다. 통가 인구 보호를 위한 일은 세계 다른 지역 인구 수백만 명을 보호하는 일이기도 하다. 지구는 매우 유사한 거대한 화산대로 이루어졌기 때문에 언젠가는 통가와 같은 심각한 화산 폭발이 다시 발생할 수도 있다. 만약, 다른 곳에서 통가와 같은 규모의 화산 폭발이 발생한다면, 통가 화산 폭발 연구 성과 덕분에 조기 위험 경고에 중요한 역할을 할 것이다.
** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
![[사진=Unsplash]](/news/photo/202201/3684_4910_136.jpeg)
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