지구는 살아있는 행성입니다. 그 증거 중 하나가 바로 화산입니다. 화산은 지구 내부의 뜨거운 마그마가 지표로 분출되는 현상으로, 때로는 장관을 이루고 때로는 엄청난 재앙을 가져옵니다. 2010년 아이슬란드 에이야프얄라요쿨 화산의 폭발은 유럽 전역의 항공 교통을 마비시켰고, 79년 베수비오 화산의 폭발은 폼페이 도시를 순식간에 화산재 속에 묻어버렸습니다. 하지만 모든 화산이 폭발적이지는 않습니다. 하와이의 화산들은 조용히 용암을 흘려보내며, 관광객들이 안전하게 관찰할 수 있을 정도입니다. 이러한 차이는 무엇 때문일까요. 이 글에서는 화산이 어떻게 만들어지는지, 화산 폭발의 종류는 무엇이 결정하는지, 그리고 화산이 인류와 지구 환경에 어떤 영향을 미치는지 상세히 알아보겠습니다.
화산이 만들어지는 지질학적 배경
화산의 근본 원인은 지구 내부의 열입니다. 지구 중심부의 온도는 약 5000~6000도에 달하며, 맨틀의 온도도 1000~3000도입니다. 이렇게 뜨거운 내부와 차가운 지표 사이의 온도 차이가 지구 내부의 대류를 일으키고, 이것이 판 구조 운동을 유발합니다. 화산은 주로 세 가지 지질학적 환경에서 발생합니다. 첫째는 발산형 경계입니다. 두 개의 판이 서로 멀어지는 곳으로, 대표적인 예가 대서양 중앙 해령입니다. 판이 갈라지면서 맨틀의 압력이 낮아지고, 이로 인해 맨틀 물질이 부분 용융되어 마그마가 생성됩니다. 이 마그마는 현무암질로 점성이 낮아 조용하게 분출되며, 해저에 새로운 해양 지각을 만듭니다. 아이슬란드는 대서양 중앙 해령이 해수면 위로 노출된 드문 경우입니다. 둘째는 수렴형 경계입니다. 한 판이 다른 판 아래로 섭입하는 곳으로, 환태평양 조산대가 대표적입니다. 섭입하는 판은 지하 깊이 들어가면서 고온 고압 상태가 되고, 판에 포함된 물이 빠져나와 주변 맨틀의 녹는점을 낮춥니다. 이렇게 생성된 마그마는 안산암질이나 유문암질로 점성이 높고 휘발성 성분이 많아 폭발적으로 분출됩니다. 일본, 인도네시아, 남미 서해안의 화산들이 이런 유형입니다. 셋째는 열점입니다. 판의 경계와 무관하게 맨틀 깊은 곳에서 올라오는 뜨거운 플룸이 만드는 화산입니다. 하와이 제도가 대표적인 예로, 태평양 판이 열점 위를 이동하면서 일련의 화산섬들을 만들었습니다. 열점 화산은 현무암질 마그마를 분출하며 상대적으로 온순합니다. 마그마의 생성 과정은 복잡합니다. 맨틀은 고체이지만, 특정 조건에서 부분적으로 녹을 수 있습니다. 압력이 낮아지거나, 물이 첨가되거나, 온도가 올라가면 암석의 녹는점이 변하여 용융이 시작됩니다. 용융된 부분은 주변 고체보다 밀도가 낮아 부력으로 상승합니다. 상승하는 마그마는 지각의 약한 부분을 뚫고 올라오거나, 지각 내부의 마그마 챔버에 모입니다. 마그마 챔버는 지하 수 킬로미터에서 수십 킬로미터 깊이에 위치하며, 여기서 마그마는 식고 결정화되거나 더 상승하여 분출됩니다.
화산 폭발 양식을 결정하는 요인
마그마의 점성과 휘발성 성분
화산 폭발이 조용할지 격렬할지를 결정하는 가장 중요한 요소는 마그마의 점성입니다. 점성은 유체의 끈적거리는 정도를 나타내는데, 점성이 낮으면 물처럼 잘 흐르고 점성이 높으면 꿀처럼 잘 흐르지 않습니다. 마그마의 점성은 주로 실리카 함량에 의해 결정됩니다. 실리카가 적은 현무암질 마그마는 점성이 낮아 쉽게 흐르고, 실리카가 많은 유문암질 마그마는 점성이 높아 잘 흐르지 않습니다. 현무암질 마그마의 실리카 함량은 약 50퍼센트이고, 안산암질은 60퍼센트, 유문암질은 70퍼센트 이상입니다. 점성이 낮은 마그마는 가스가 쉽게 빠져나갈 수 있어 조용하게 흘러나옵니다. 하와이 화산에서 볼 수 있는 용암 분수나 용암 흐름이 이런 경우입니다. 용암은 시속 몇 킬로미터의 속도로 흘러내려 주변을 덮지만, 사람들이 대피할 시간은 충분합니다. 점성이 높은 마그마는 가스가 갇혀 있다가 압력이 임계점에 도달하면 폭발적으로 분출됩니다. 마치 흔들린 탄산음료 병을 열 때처럼, 갑자기 압력이 해제되면 용해되어 있던 가스가 급격히 팽창하면서 마그마를 산산조각 냅니다. 화산재, 부석, 화산탄이 하늘 높이 치솟고, 화쇄류가 산사면을 따라 시속 수백 킬로미터의 속도로 내려옵니다. 휘발성 성분, 주로 수증기의 양도 중요합니다. 마그마에 물이 많이 포함되어 있으면 폭발 위험이 높아집니다. 섭입대 화산이 폭발적인 이유 중 하나는 섭입하는 판에서 물이 공급되기 때문입니다. 물은 마그마의 점성을 낮추기도 하지만, 압력이 낮아지면 급격히 기화하면서 폭발을 일으킵니다. 마그마가 지하수나 바닷물과 만나면 수증기 폭발이 발생합니다. 뜨거운 마그마가 물과 접촉하면 물이 순식간에 끓으면서 부피가 1700배 팽창하고, 이것이 엄청난 폭발력을 만듭니다. 화산섬이나 빙하로 덮인 화산에서 이런 폭발이 자주 일어납니다.
화산 폭발의 분류 체계
화산학자들은 화산 폭발을 여러 유형으로 분류합니다. 가장 온순한 것은 하와이식 분출입니다. 점성이 매우 낮은 현무암질 용암이 조용히 흘러나오며, 용암 분수가 솟아오르기도 합니다. 용암은 넓게 퍼지면서 순상화산을 만듭니다. 순상화산은 경사가 완만한 방패 모양의 화산으로, 하와이의 마우나로아가 대표적입니다. 하와이식 분출은 예측 가능하고 위험성이 낮아 관광 자원이 되기도 합니다. 스트롬볼리식 분출은 조금 더 격렬합니다. 주기적으로 작은 폭발이 일어나면서 화산탄과 용암 조각을 공중으로 던집니다. 이탈리아의 스트롬볼리 화산이 이름의 유래로, 거의 연속적으로 분출하여 지중해의 등대라 불립니다. 폭발은 몇 분마다 한 번씩 일어나지만 규모가 작아 산 아래 마을은 안전합니다. 불카노식 분출은 더욱 폭발적입니다. 점성이 높은 마그마가 화구를 막고 있다가 압력이 축적되면 폭발적으로 분출됩니다. 화산재 기둥이 수 킬로미터 높이까지 솟아오르고, 화산탄이 사방으로 튀어나갑니다. 이탈리아 불카노 화산의 이름을 따왔으며, 로마 신화의 불의 신 불카누스의 대장간이 있다고 여겨졌던 곳입니다. 플리니식 분출은 가장 격렬하고 파괴적입니다. 대량의 마그마가 폭발적으로 분출되면서 화산재 기둥이 성층권까지, 즉 20~30킬로미터 높이까지 치솟습니다. 분출 기둥이 무너지면서 화쇄류가 발생하여 주변을 초토화시킵니다. 로마 시대의 학자 플리니우스가 베수비오 화산의 폭발을 기록한 데서 이름이 유래했습니다. 79년 베수비오 화산의 폭발, 1980년 세인트헬렌스 화산 폭발, 1991년 피나투보 화산 폭발이 플리니식입니다. 가장 극단적인 것은 초화산 폭발입니다. 지하의 거대한 마그마 챔버가 폭발하면서 칼데라라는 거대한 함몰 분지를 만듭니다. 미국 옐로스톤, 인도네시아 토바 호수, 뉴질랜드 타우포 호수가 과거 초화산 폭발로 만들어진 칼데라입니다. 토바 화산은 약 7만 4천 년 전 폭발하여 지구를 화산 겨울에 빠뜨렸고, 인류가 멸종 위기에 처했다는 가설도 있습니다. 다행히 초화산 폭발은 수만 년 또는 수십만 년에 한 번 정도로 매우 드뭅니다.
화산이 인류와 환경에 미치는 영향
화산은 파괴와 창조의 양면성을 가집니다. 파괴적 측면부터 보면, 화산 폭발은 직접적인 인명 피해를 일으킵니다. 용암 흐름은 느리지만 막을 수 없으며, 지나간 자리의 모든 것을 태우고 묻어버립니다. 화쇄류는 더욱 치명적입니다. 섭씨 수백 도의 뜨거운 화산재와 가스가 시속 수백 킬로미터로 산사면을 내려오는데, 그 앞에서는 어떤 것도 살아남을 수 없습니다. 폼페이를 파괴한 것도 화쇄류였습니다. 화산 이류도 위험합니다. 화산 폭발로 빙하가 녹거나 화산호가 범람하면 엄청난 양의 물과 화산 물질이 섞여 계곡을 따라 내려옵니다. 1985년 콜롬비아 네바도 델 루이스 화산의 소규모 폭발은 빙하를 녹여 거대한 화산 이류를 만들었고, 이것이 아래 마을을 덮쳐 2만 명 이상이 사망했습니다. 화산재도 심각한 문제입니다. 화산재는 가볍고 날카로운 유리 조각으로 이루어져 있어 호흡기를 손상시킵니다. 두껍게 쌓인 화산재는 지붕을 무너뜨리고, 농작물을 덮어 농업에 피해를 줍니다. 화산재는 수천 킬로미터 떨어진 곳까지 날아가 항공기 엔진에 들어가면 엔진을 정지시킬 수 있어 매우 위험합니다. 대규모 화산 폭발은 기후에도 영향을 미칩니다. 성층권까지 올라간 화산재와 이산화황은 태양빛을 차단하여 지구를 냉각시킵니다. 1815년 인도네시아 탐보라 화산의 폭발은 이듬해를 여름 없는 해로 만들어 전 세계적인 흉작과 기근을 일으켰습니다. 1991년 피나투보 화산 폭발은 지구 평균 기온을 0.5도 낮췄습니다. 하지만 화산은 긍정적인 면도 있습니다. 화산재는 비옥한 토양을 만듭니다. 화산재에는 식물 성장에 필요한 미네랄이 풍부하여, 화산 지역은 시간이 지나면 비옥한 농경지가 됩니다. 인도네시아 자바 섬이 세계에서 인구 밀도가 가장 높은 지역 중 하나인 이유도 화산 토양의 비옥함 때문입니다. 화산은 지열 에너지를 제공합니다. 아이슬란드는 전력의 상당 부분을 지열 발전으로 얻으며, 온천 관광도 중요한 산업입니다. 화산 지역은 독특한 생태계와 경관을 만들어 관광 자원이 됩니다. 화산은 또한 지구의 대기를 만드는 데 기여했습니다. 지구 초기에 화산 활동으로 방출된 가스들이 원시 대기를 형성했고, 이것이 바다와 생명 탄생의 기반이 되었습니다. 오늘날에도 화산은 이산화탄소를 대기로 방출하여 지구의 탄소 순환에 참여합니다. 화산 예측과 대비는 계속 발전하고 있습니다. 지진계, GPS, 위성 관측으로 화산의 미세한 변화를 감지하고, 컴퓨터 모델로 분출 양상을 예측합니다. 화산 위험 지도를 만들어 대피 계획을 수립하고, 조기 경보 시스템으로 인명 피해를 줄입니다. 하지만 화산은 여전히 예측하기 어려운 자연 현상이며, 인류는 화산과 함께 살아가는 방법을 계속 배워나가고 있습니다.