한라산은 미래에 언젠가는 다시 폭발하게 될 활화산이라는 주장이 제기돼 주목된다.

제주도 서귀포시 안덕면 서광리 출신 전기통신 기술사(1980)로 일본 동경대 전자과(1990), 전남대 전기과(1984)에서 공학박사를 각각 받고 미국 미네소타 주립대서 포스트닥(1985) 과정을 밟은 이문호 교수는 ”한라산은 역사적 문헌 및 연대측정 등으로 활화산이라 할 수 있어 안전하다고 할 수 없다“며 ”한라산 폭발 속도에 대한 연구는 미래의 한라산 폭발에 대비해서 유익한 정보가 될 것“이라고 강조했다.

본지는 창간 14주년을 맞아 현재 제주문화의 원형(原型)과 정낭(錠木) 관련 이동통신 DNA코드를 연구하고 있는 이문호 교수의 제주관련 논문 3편을 긴급 입수하여 연구내용을 전문 게재하기로 했다. (편집자주)

 

 

자연 지능 제어에 의한 제주도의 화산 폭발 속도와 튜물러스

요 약

본 논문은 제주도의 화산이 폭발 시에 얼마만한 속도로 폭발했으며, 폭발 후에 생기는 튜물러스와 한라산 중턱에서 폭발된 현무암이 바다까지 밀려온 결과를 보고한다.

현무암 지하 마그마가 약 절대온도 1000K로 지상의 중성대를 뚫고 1950m 상공에서 절대온도 1200K로 폭발하면서 나올 때의 속도에 대해 분석했다.

부력(浮力)에 의한 화염 기둥의 열기류인 Plume 화산 폭발로 인한 주변의 공기보다 연소가스의 밀도가 작아져 부력이 발생하고 상승 기류가 형성된다.

화염 기둥은 연속, 간헐, 부력 화염 영역으로 분류된다. 한라산(1950m) 화염 기둥의 속도는 상승한 최고점에서 낙하함으로 위치에너지가 운동에너지로 변환되어 유체흐름에 의해 이 두 식을 같게 놓아 풀면 화산 폭발 속도 87.5m/s를 얻었다. 이때 마그마의 밀도는 온도에 반비례한다. 거문오름(456m)은 폭발 속도는 42.6m/s로 계산했다.

 

Ⅰ. 서 론

자연 지능 제어는 지구가 23.5∘ 기울어진 채 태양 주위를 365일을 주기로 공전(자연 지능 제어 변수)함에 따라 태양으로 받는 빛의 양과 시간이 달라진다.

그 결과, 4계절(봄・여름・가을・겨울)이 나타나듯, 본 연구에서는 밀도는 온도에 반비례한다는 점에 착안하여, 화산 plume의 지하온도(1000K)와 공중에서 폭발 속도(1200K)가 일정하다는 가정하에, 화산체 높이로 화산체의 폭발 속도를 구할 수 있음을 증명하였다.

이때, 밀도는 자연 지능 제어 요소로서 온도를 제어하는 역할을 수행하고, 위치에너지가 운동에너지로 전환될 때, 폭발 속도가 자연 지능 제어 변수이다.

한라산 해발 1400고지 이상 선작지왓 일대에 있는 용암돌탑(튜물러스, 돌 빵)은 용암상승작용 현상 때문이다[1].

 

제주도 세계유산본부 안웅산 박사는 한라산 지질 조사를[1] 통해 한라산 남서부 선작지왓 일대 분포하는 다수의 용암돌탑들이 용암상승작용으로 만들어진 튜물러스 및 이와 관련된 독특한 화산지형임을 확인했다고 2020년 10월 6일 밝혔다.

용암상승작용은 용암이 흘러갈 때 먼저 식은 용암의 표층이 그 아래를 흘러가는 용암에 의해 밀려 올라가는 현상이며, 튜물러스는 용암상승작용에 의해 봉분 형태로 솟아오른 독특한 화산지형을 이르는 용어다.

조사에 따르면 선작지왓 일대에는 약 140여 곳에 용암상승 작용에 의한 튜물러스 및 그와 관련된 지형(붕괴된 튜물러스)들이 분포한 것으로 나타났다. 이들 지형들은 주변에 비해 평균 5m 이상 높고 최고 15m까지 솟아 있기도 하며, 이 중 30여 곳은 탑궤와 같이 전형적인 용암돌탑의 형태를 갖는다.

흔히 튜물러스와 같이 용암상승작용에 의한 지형은 점성이 낮은 현무암질 용암에서 관찰되거나, 흘러가던 용암이 완만한 지형을 만나 흐름이 원활하지 못할 경우 형성되는데, 해안가인 월정리 용암돌탑도 마찬가지. 또한 용암류 앞쪽의 전진 속도가 늦어짐으로 인해 뒤에서 밀려오는 용암에 의해 그 표면이 부분적으로 밀려올라가는 것이다.

이 때문에 지금까지 튜물러스들은 제주도 월정리 해안의 완만한 지대에 주로 분포해 왔다. 반면 선작지왓 일대의 튜물러스 및 그와 관련된 지형들은 해발고도 1400m에서 1700m에 걸친 한라산 고지대에 분포하는 독특한 사례로서, 이 지대는 그 경사가 약 8~9도로 해안지대에 비해 상대적으로 지형경사가 급한데도 불구하고 튜물러스가 형성된 것으로 확인됐다.

연구진의 설명에 따르면, 이런 독특한 현상은 선작지왓 일대의 용암이 저지대 해안의 용암에 비해 상대적으로 점성(粘性)이 컸기 때문이다. 한라산 고지대의 용암들은 대체로 저지대의 용암들에 비해 상대적으로 더 큰 점성을 가지기 때문에 고지대에서 지형경사가 더 큼에도 불구하고 용암은 잘 흘러가지 못하고 밀려올라가는 용암상승작용을 겪게 된 것이다. 점성의 자연지능제어에 의한 융기다.

본 논문은 1장 서론에 이어 2장 제주 화산분출의 역사, 3장 한라산과 오름의 화산 폭발 속도, 4장 실험 및 결과, 5장 결론으로 되어있다. 화산 폭발 속도는 지금까지 연구된 바 없다.

 

Ⅱ. 제주 화산분출의 역사

제주 화산분출에 대한 여러 학자들의 의견을 요약하면 다음과 같다[2].

1) 제주도 세계유산본부 한라산연구부 안웅산 박사: 2016년 2월 방사성탄소연대측정과 광여기루미네선스 연대측정을 시행해 화산체인 송악산은 최소 3천800년 전 이후, 비양도는 최소 4천500년 전 이전, 일출봉은 6천∼7천년 전 이후에 분출했다는 결과를 얻어냈다.

2) 2019년 4월 지질학회지, 고기원·전용문·박준범·박원배·문수형·문덕철: 제주도 화산활동에 관한 역사 기록의 이해[3]에서는 각기 다른 화산분출은 1002년과 1007년에 일어났을 것으로 주장했다. 1002년 6월 발생한 화산은 중산간 지역에서 틈 분화가 일어나 네군데서 용암이 흘러나온 것으로 해석했다.

 

또한, 고려사(高麗史, 1449∼1451년) 중 천문현상을 다룬 오행지(五行志)는 제주에서 일어난 과거 화산분출 모습을 “고려 목종 5년(1002년) 6월, 탐라(제주)의 산에 4개의 구멍이 열려 붉은 물이 솟아 나오더니 5일이 지나서야 그쳤고 그 물은 모두 와석(瓦石, 기와돌)이 됐다. 목종 10년(1007년), 탐라에 서산(瑞山)이 바다 가운데서 솟아났다.“라고 기록하고 있다.

 

 

지질학에서는 1만년 이내 화산활동 기록이 있는 화산을 활화산으로 분류한다. 제주도의 경우 고려사를 비롯해 세종실록지리지, 동국여지승람 등 역사서에 천 년 전 화산활동이 직접 목격됐을 것으로 추정되는 기록이 있어 세계화산백과사전에는 제주가 활화산으로 분류 표기돼 있다. 이처럼 제주 화산분출에 대한 여러 의견이 있으나 한라산이 활화산이라는 데는 의견을 같이한다. 미래에 화산활동이 일어날 수 있는 가능성이 있어 안전하다고 할 수 없다.

 

Ⅲ. 한라산과 오름의 화산 폭발 속도

부력에 의한 화염 기둥의 열기류가 화산이다. 화산 폭발로 인한 온도상승으로 인해 주변의 공기보다 연소가스의 밀도가 작아져 부력이 발생하여 상승 기류가 형성된다. 부력은 중력의 반대 힘으로 화재로 인한 고온의 가스가 주변의 공기보다 무거우면 아래로 가라앉고, 주변의 공기보다 가벼우면 상승한다. 화산 플럼의 구조는 연속화염영역, 간헐화염영역, 부력플럼영역으로 분류할 수 있고, 화산 플럼 생성 과정은 다음 순서도와 같다.

 

1. 한라산 화산 플럼의 폭발 속도

화산의 폭발속도도 마그마 유체의 폭발이다[4]. 따라서 위치에너지와 운동에너지를 대등하게 간주하고 풀 수 있다. 비슷한 Analogy로 가솔린 화재 플럼 속도를 구하는 것을 생각할 수 있다[5][6][7].

 

1) 단위체적당 상대적 위치에너지(Relative Potential Energy Per Unit Volume)

① 연소가스와 주변공기와의 밀도차에 의한 차압을 발생시키고 부력을 발생시킨다.

② 상대적 위치에너지

(1)

ρa: 공기의 밀도, ρ: 마그마의 밀도, g: 중력가속도,

z:두 지점 사이의 수직 높이

 

2) 단위체적에 대한 운동에너지

① 부력으로 인해 속도가 생기며 뉴튼의 제2 운동법칙(F=ma)에 따라 F=mg와 관계된다.

 

② 운동에너지

(2)

v: 플럼의 속도(m/s), γ: 마그마의 비중량(kgf/m3),

ρ: 마그마의 밀도(kg/m3)

 

3) 플럼의 폭발 속도

① 상대적 부력의 위치에너지가 운동에너지로 변환되므로 위치에너지를 속도에너지와 같게 놓을 수 있다.

② 플럼의 폭발 속도

ⓐ 상대적 위치에너지=(ρa-ρ)gz, (3)

단위체적에 대한 운동에너지=ρv2/2 (4)

화산 폭발	∙물적조건:연소범위
	∙에너지조건:열적에너지원
↓
열방출률에 의해 연소생성물의 온도상승	∙이상기체상태방정식에서
↓
연소가스의 밀도 감소	∙주변공기와 밀도차 발생
	∙밀페공간은 부피 및 압력 증가
↓
연소가스의 부력흐름 발생	∙단위 체적당 상대적 위치에너지 발생
↓
연소가스의 상승	∙단위 체적에 대한 운동에너지 발생
↓
주변공기의 인입(entrainment)	∙화산플럼이 상승하므로 동압이 발생
	∙주변보다 압력이 낮아져 화염으로 공기가 유입됨
↓
플럼내 와류 발생	∙유압공기상승→차가운 끝부분이 내려옴→와류에 의한 난류효과→소용돌이→화염높이에 영향을 줌

ⓑ 이들 에너지가 같다고 하면 플럼의 속도

(5)

(온도는 밀도에 반비례 T/Ta=ρa/ρ)

v: 플럼의 폭발 속도[m/s]

z: 플럼의 이동 높이[m]

ρa: 공기의 밀도[kg/m3]

ρ: 마그마의 밀도[kg/m3]

 

4) 한라산 화산 폭발

① 플럼의 온도 1200K, 지하온도 1000K, 중력가속도 9.8m/s2, 이동 지점 한라산 1950m에서의 플럼폭발속도

(6)

② 조천 거문오름 456m의 경우

(7)

③ 서광 남송이 오름 339m의 경우

(8)

 

한라산 화산 폭발속도는 87.4[m/s], 거문 오름의 폭발 속도는 42.27[m/s], 남송이 오름은 36.45[m/s]이다. 한라산의 화산 폭발온도는 마그마의 밀도에 반비례한다. 제주도내 368개의 오름도 대개 15∼45[m/s]의 화산 폭발속도를 갖는다. 반면에 한라산의 폭발속도는 87.43 [m/s]이다.

 

 

 

Ⅳ. 실험 및 결과

다음 표는 제주 지역 368개 가운데 100개의 오름의 화산 폭발 속도를 계산해서 표시한다.

*실험방법: 해발고도는 바다의 평균수면을 기준으로 계산한 어느 지점의 높이를 말하며, 표고라고도 한다. 바다의 평균수면은 일정하지 않고, 지속적으로 변하므로, 변화하는 해수면의 높이를 장기간 연속적으로 측정해 얻은 평균치인 수준원점을 기준으로 한 높이를 의미한다. 반면에, 비고는 평지에서의 높이를 의미한다. 본 논문에서는 화산폭발속도를 해발고도를 이용하여 계산하였다.

Ⅴ. 결 론

자연 지능 제어에 의한 한라산 화산 폭발과 튜물러스에 대한 연구를 하였다. 한라산 폭발시 지하 마그마는 약 1000K이고, 지상에 폭발시는 1200K로 추정한 것은 현무암의 점도 특성에 의한 것이다. 연구에 착안 사항은 공간 폭발 직전은 위치에너지이고, 폭발하는 순간부터는 운동에너지로 전환된다는 점이다.

현무암의 밀도가 온도에 반비례하는 것은 자연 지능 제어의 기술이다. 화산 폭발 속도가 15.77(도두봉)-87.43(한라산), 103.71(백두산)[m/s]가 되는 것은 현무암 점도 특성 때문이다. 튜물러스는 화산 마그마 액체가 한라산 위 공간으로 흘러나오면서 산화에 의해 현무암으로 변신하여 효모에 의해 부풀려지는 빵처럼 융기되었다.

한라산은 역사적 문헌 및 연대측정 등으로 활화산이라 할 수 있어 안전하다고 할 수 없다. 한라산 폭발 속도에 대한 연구는 미래의 한라산 폭발에 대비해서 유익한 정보가 될 것이다.

 

 

이문호 교수에 대하여 

 

이문호 교수는 캐나다 Concordia대학, 호주 울릉공- RMIT대학, 독일 뮌헨,하노버-아흔대학 등에서 연구교수를 지냈고 1970년대는 제주 남양 MBC 송신소장을 역임했으며 세계최초 Jacket 행렬을 발견한 학자로 지난 1980년부터 전북대 전자공학부 교수, 초빙교수로 재직 중이다.