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수증기 분화

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목차

1. 개요

수증기 폭발은 물과 고온 물질의 급격한 상호 작용으로 발생하는 폭발 현상으로, 표면 접촉형과 전체 반응형으로 분류된다. 표면 접촉형은 뜨거운 물질이 물과 만나 얇은 수증기 막이 형성된 후 붕괴되면서 발생하며, 전체 반응형은 밀폐된 공간에서 물이 급격히 기화·팽창하며 일어난다. 화산 활동의 한 유형으로, 마그마 대신 수증기, 화산재 등을 분출하는 현상을 보이며, 원자로 노심 용융, 황산과 물의 혼합, 조리 중 기름 화재 등 다양한 상황에서 발생할 수 있다.

2. 분류

수증기 폭발은 뜨겁게 달궈진 프라이팬에 물방울을 떨어뜨렸을 때 격렬하게 튀어 오르는 현상과 같다. 물은 가열되어 수증기가 되면 부피가 약 1700배 증가하기 때문에, 다량의 물과 고온의 열원이 접촉하면 물이 순간적으로 증발하여 부피가 커지면서 폭발이 일어난다. 수증기 폭발은 크게 표면 접촉형과 전체 반응형으로 분류된다.[8]

2. 1. 표면 접촉형 수증기 폭발

물 속에 금속 용융체와 같은 뜨거운 미립 물질이 떨어지면, 그 주위에 얇은 수증기 막이 형성된다. 이 상태를 "조 혼합"이라고 부르며, 이 얇은 막은 잠시 안정적으로 존재하지만, 어떤 원인에 의해 불안정해져 충격파와 함께 파괴된다. 이 파괴 현상을 표면 접촉형 수증기 폭발이라고 부른다.[8] 원자로에서 노심 용융이 발생했을 때 냉각수 속에 고온 물질이 떨어지면, 이 유형의 수증기 폭발이 발생할 가능성이 있다.

화산에서의 수증기 분화의 개략도. 대수층에 마그마가 관입하여 발생하는 수증기 분화.

2. 2. 전체 반응형 수증기 폭발

밀폐된 공간 안에 있는 물이 열에 의해 급격하게 기화·팽창하면서, 주변 물질을 파쇄하며 발생하는 폭발이다. 예를 들어, 지각 내와 같은 밀폐된 공간에 대수층이 있을 때, 마그마가 관입하여 대량의 수증기가 급격히 발생하면 이러한 유형의 수증기 폭발이 일어날 수 있다.[9] 이때 마그마도 함께 방출되는 경우를 특히 '''마그마 수증기 폭발'''이라고 하며, 콕스테일 제트(닭 꼬리 모양의 예각적이고 직선적인 연기)라고 불리는 특징적인 분연 형태가 나타난다.[9]

3. 화산 활동

수증기 폭발은 크게 표면 접촉형과 전체 반응형으로 분류된다.[8]

; 표면 접촉형

: 물속에 금속 용융체와 같은 뜨거운 미립 물질이 떨어지면, 그 주위에 얇은 수증기 막이 형성된다. 이 상태를 "조 혼합"이라고 부르며, 이 얇은 막은 잠시 안정적으로 존재하지만, 어떤 원인에 의해 불안정해져 충격파와 함께 파괴된다. 이 파괴 현상을 표면 접촉형 수증기 폭발이라고 부른다. 원자로에서 노심 용융이 발생했을 때 냉각수 속에 고온 물질이 떨어지면, 이 유형의 수증기 폭발이 발생할 가능성이 있다.

; 전체 반응형

: 밀폐 공간 내의 물이 열에 의해 급격하게 기화·팽창함으로써, 밀폐하고 있던 물질이 한꺼번에 파쇄되어 일어나는 유형의 수증기 폭발을 말한다.

; 기타


  • 원자로의 노심 용융: 많은 원자로에서 연료 피복관에 사용되는 지르칼로이는 1,400℃에서 용융되기 시작하며, 그 용융체가 냉각수 중에 낙하하면 수증기 폭발을 일으킨다. 또한, 지르코늄은 물과 900℃ 이상에서 격렬하게 반응하여 수소를 발생시킨다. 발생한 수소와 대기 중의 산소가 반응하면 수소 폭발로 이어진다.[11]
  • 황산에 물: 황산에 물을 가하면 막대한 용해열로 인해 물이 튀어 올라, 비말을 뒤집어 쓸 위험이 있다. 안전하게 혼합하려면 물에 황산을 서서히 넣고, 항상 수온을 감시해야 한다.
  • 조리: 기름에 점화되었을 때, 불을 끄려고 물을 부으면 수증기 폭발로 기름이 튄다. 따라서, 화상을 입거나 화재가 확대될 위험이 있다.

3. 1. 수증기 분화

일부 화산학자들은 수증기 폭발이 폭발적이지 않은 화산재 분출 정도의 분화도 포함하므로, '수증기 분화'라는 용어를 제안하기도 한다.[10]

3. 2. 마그마 수증기 분화

마그마 수증기 분화는 마그마가 수증기 폭발에 관여하는 경우를 말한다. 지각 내와 같이 밀폐된 공간에 대수층이 있고, 그곳에 마그마가 관입하면 대량의 수증기가 급격히 발생하여 이러한 유형의 수증기 폭발이 일어난다. 이때 마그마도 함께 방출되며, 콕스테일 제트(닭 꼬리 모양의 예각적이고 직선적인 연기)라고 불리는 특징적인 분연 형태가 나타난다.[9]

해저 화산의 분화에 따른 수증기 폭발 모식도. 고온의 마그마가 해수와 접촉하여 대량의 수증기가 발생, 대폭발을 일으킨다. 이때의 분연은 특징적인 형태 때문에 "닭의 꼬리 깃털"로 표현된다.


예를 들어, 해저 화산이 성장하여 수압의 영향을 덜 받는 해면 가까운 위치에 이르면, 고온의 마그마와 해수가 반응하여 엄청난 수증기가 발생하면서 수증기 폭발을 일으킨다. 대량의 수증기를 포함한 분연은 그 형태 때문에 "닭의 꼬리 깃털"에 비유된다. 1973년 니시노시마 신섬의 분화가 이러한 사례에 해당한다.[9]

다음은 마그마 수증기 분화의 예시이다.

화산명국가발생 년도
크라카토아인도네시아1883년
리터 섬파푸아뉴기니1888년
탈 화산필리핀1965년, 1977년, 2020년


3. 3. 주요 사례


  • 쿰브레 비에하 - 2021 라 팔마 화산 폭발에서 새로운 분화구는 일반적으로 수증기 분화로 시작되었으며, 곧 같은 위치에 새로운 균열 분화구가 열리는 현상이 뒤따랐다.
  • 크라카토아 – 인도네시아, 1883년 (1883년 크라카토아 분화 참조) – 화산섬의 대부분을 파괴하고 기록된 역사상 가장 큰 소리를 낸 이 분화는 수증기 마그마 분화였던 것으로 추정된다.
  • 리터 섬 – 파푸아뉴기니, 1888년 (1888년 리터 섬 분화와 쓰나미 참조) – 인류 역사상 화산 원뿔의 가장 큰 측면 확산으로 이어졌다.
  • 킬라우에아 – 하와이, 미국 – 이 화산은 수증기 분화의 오랜 기록을 가지고 있다. 1924년 수증기 분화는 8톤으로 추정되는 바위를 1km 떨어진 곳까지 날려 보냈다.
  • 수르트세이 – 아이슬란드, 1963–65
  • 탈 화산 – 필리핀, 1965년, 1977년, 2020년
  • 온타케산 – 일본, 2014년 (2014년 온타케산 분화 참조)
  • 마욘 화산 – 필리핀, 2013년
  • 와카아리/화이트 섬 – 뉴질랜드, 2019년 (2019년 와카아리/화이트 섬 분화 참조)
  • 불루산 산 – 필리핀, 2022년


일본에서의 유명한 수증기 폭발은 1888년 아이즈반다이산 분화나 1973년 니시노시마 신섬 분화이다. 전자의 경우, 반다이산 산체 내부에서 수증기 폭발이 일어나 산체 붕괴와 함께 암설류가 발생하여 477명의 사망자를 내고, 나가세강과 그 지류가 막히면서 히바라 호, 오노가와 호, 아키모토 호, 고시키누마를 비롯해 크고 작은 다양한 호수가 형성되었다. 후자의 경우 해저 화산이 성장하여 수압의 영향을 덜 받는 해면 가까운 위치에 이르면서, 고온의 마그마와 해수가 반응하여 엄청난 수증기가 발생, 수증기 폭발을 일으켰다. 대량의 수증기를 포함한 분연은 그 형태 때문에 "닭의 꼬리 깃털"에 비유된다.

4. 산업 및 기타 분야

수증기 분화는 산업 현장이나 일상 생활에서도 발생할 수 있다.


  • 원자로 노심 용융 과정에서 연료 피복관으로 사용되는 지르칼로이가 고온에서 냉각수와 반응하여 수증기 폭발을 일으킬 수 있다.
  • 황산을 물과 혼합할 때 발생하는 용해열로 인해 물이 튀어 오를 수 있으므로, 물에 황산을 천천히 넣고 수온을 감시하며 안전하게 혼합해야 한다.
  • 조리 중 기름에 불이 붙었을 때 물을 부으면 수증기 폭발이 일어나 화상을 입거나 화재가 커질 수 있다.[11]

4. 1. 원자로 노심 용융

많은 원자로에서 연료 피복관으로 사용되는 지르칼로이는 1400°C에서 용융되기 시작하며, 그 용융체가 냉각수 중에 낙하하면 수증기 폭발을 일으킨다. 또한, 지르코늄은 900°C 이상에서 물과 격렬하게 반응하여 수소를 발생시킨다. 발생한 수소와 대기 중의 산소가 반응하면 수소 폭발로 이어진다.[11]

4. 2. 황산과 물의 혼합

황산에 물을 가하면 막대한 용해열로 인해 물이 튀어 올라, 비말을 뒤집어 쓸 위험이 있다.[11] 안전하게 혼합하려면 물에 황산을 서서히 넣고, 항상 수온을 감시해야 한다.

4. 3. 조리 중 기름 화재

기름에 불이 붙었을 때 물을 부으면 수증기 폭발이 일어나 기름이 튀면서 화상을 입거나 화재가 커질 위험이 있다.[11]

참조

[1] 간행물 Volcanic Hazards in the Hawaiian Islands USGS Professional Paper 1350 1987
[2] 웹사이트 VHP Photo Glossary: Phreatic eruption http://volcanoes.usg[...] U.S. Geological Survey 2010-11-13
[3] 논문 An example of health hazard: People killed by gas during a phreatic eruption: Diëng plateau (Java, Indonesia), February 20th 1979 1982
[4] 논문 Precursory activity of the 161 ka Kos Plateau Tuff eruption, Aegean Sea (Greece) 2010
[5] 서적 Krakatau 1883: The Volcanic Eruption and its Effects Smithsonian Institution Press, Washington 1983
[6] 논문 Ritter Island Volcano—lateral collapse and the tsunami of 1888 2003
[7] 웹사이트 Phreatic Eruptions http://hvo.wr.usgs.g[...] US Geological Survey 1994-05-06
[8] 논문 Magma-water interactions in subaqueous and emergent basaltic 2005
[9] 웹사이트 有珠火山における過去の噴火の推移の例 https://staff.aist.g[...] 産業技術総合研究所 2018-02-10
[10] 웹사이트 防災メモ 噴火の定義と規模 https://www.data.jma[...] 気象庁
[11] 웹사이트 水-ジルコニウム反応 - ATOMICA - https://atomica.jaea[...] 2019-08-16


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