분연주
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1. 개요
분연주는 폭발적인 화산 활동 시 마그마 내 휘발성 물질이 화산재와 테프라로 분산되면서 형성되는 기둥 형태이다. 분연주는 화산 가스의 팽창과 부력에 의해 수십 킬로미터 상공까지 상승하며, 가스 추력, 대류 추력, 우산 영역으로 구성된다. 분연주의 높이는 질량 분화율과 온도 차이에 비례하며, 붕괴 시 화산쇄설류를, 항공기 운항 시 엔진 고장 등의 위험을 초래할 수 있다. 분연주는 기후에 영향을 미치며, 화산재 자문 센터에서 감시한다.
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| 분연주 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 화산 폭발 시 방출되는 뜨거운 재와 화산 가스의 구름 |
| 높이 | 최대 40km |
| 관련 용어 | 백색 분연: 수증기 위주 유색 분연: 화산재, 화산암괴, 화산탄 포함 |
| 특성 | |
| 구성 요소 | 화산재 화산 가스 |
| 온도 | 고온 |
| 영향 | |
| 항공 | 항공 교통에 위험 초래 가능 |
| 기후 | 단기적 기후 변화 유발 가능 |
| 참고 자료 | |
| 참고 문헌 | 鈴木雄介 (2012). "火山噴火様式の多様性とその成因". 火山. 57 (6): 953-967. doi:10.18940/kazan.57.6_953 |
| 관련 링크 | 일본 지질 학회: 아이슬란드 화산 폭발과 분연 국토 교통성 홋카이도 개발국: 분연이란? 기상청: 분연・분기에 관한 용어 |
2. 형성
분연주는 폭발적인 화산 활동 시, 상승하는 마그마 내의 높은 농도의 휘발성 물질이 미세한 화산재와 더 굵은 테프라로 분산되면서 형성된다. 화산재와 테프라는 초당 수백 미터의 속도로 분출되며, 거대한 대류 기류에 의해 수 킬로미터 높이까지 빠르게 상승할 수 있다.
분연주는 개별적인 폭발에 의해 일시적으로 만들어지거나, 지속적인 분출 또는 간격을 둔 개별 폭발에 의해 장기간 유지될 수 있다. 화산 내부에서 마그마가 상승하면서 압력이 낮아져 녹아 없어지지 않은 화산 가스가 팽창하여 화구로부터 분출한다.[5] 분출 후에는 관성뿐만 아니라 자체 열로 대기 중의 공기를 가열시켜 부력을 얻어 계속 상승한다.[5] 불카노식 분화의 경우 연기가 수 킬로미터 상공까지, 플리니식 분화의 경우에는 수십 킬로미터 상공까지 상승하기도 한다.
고도가 높아짐에 따라 연기의 상승 속도와 밀도는 작아진다. 최고 고도에 도달한 연기는 수평 방향으로 퍼져나간다.[5]
2. 1. 구조
분연주는 크게 가스 추력 영역, 대류 추력 영역, 우산 영역으로 구분된다.[1]- '''가스 추력 영역:''' 분화구에서 막 분출된 가스의 압력에 의해 물질이 위로 밀려 올라가는 영역이다.
- '''대류 추력 영역:''' 가스 추력 영역에서 섞인 주변 공기가 가열되어 팽창하고 밀도가 감소하여 상승하는 영역이다.
- '''우산 영역:''' 분출된 물질과 주변의 차가운 공기의 밀도가 같아져 대류를 통해 위로 상승하지 않고 운동량에 의해서만 상승하는 영역이다.
2. 1. 1. 가스 추력 영역
분화구에서 막 분출된 가스의 압력에 의해 물질이 위로 밀려 올라가는 영역이다.[1] 가스는 위쪽의 암석 압력이 표면에 가까워짐에 따라 급격히 감소하기 때문에 팽창한다. 이 영역을 ''가스 추력 영역''이라고 하며, 일반적으로 분출구 위로 1~2km까지만 도달한다.2. 1. 2. 대류 추력 영역
가스 추력 영역에서 섞인 주변 공기는 가열된다. 가열된 공기는 팽창하여 밀도가 감소하고 상승한다. 상승하는 공기는 분출로부터 모든 고체 및 액체 물질을 운반한다.[1]2. 1. 3. 우산 영역
분출된 물질과 주변의 차가운 공기는 밀도가 같아져, 분출물이 더 이상 대류를 통해 위로 상승하지 않고 오직 위쪽으로의 운동량에 의해서만 상승하는 영역이다. 이 영역은 일반적으로 기둥이 옆으로 퍼지는 것으로 나타난다. 우산 영역의 바닥은 분출 물질과 주변의 차가운 공기의 밀도가 같고, 꼭대기는 운동량이 물질을 위로 운반하는 최대 높이로 표시된다. 이 영역에서는 속도가 매우 낮거나 무시할 수 있기 때문에 성층권 바람에 의해 종종 왜곡된다.[1]3. 높이
분화 기둥은 주변 공기보다 밀도가 높아지는 고도에 도달하면 상승을 멈춘다. 분화 기둥이 도달할 수 있는 높이는 여러 요인에 의해 결정된다.
내적 요인으로는 분화구의 직경, 마그마의 가스 함량, 그리고 분출 속도 등이 있다. 외적 요인도 중요한데, 바람이 때때로 기둥의 높이를 제한하며, 국지적인 열 온도 구배도 역할을 한다. 대류권의 대기 온도는 일반적으로 킬로미터 당 6,000K씩 감소하지만, 이 구배의 작은 변화가 최종 기둥 높이에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이론적으로, 달성 가능한 최대 기둥 높이는 약 55km로 생각된다. 실제로는 약 2km에서 45km 범위의 기둥 높이가 관찰된다.
20km 이상의 높이를 가진 분화 기둥은 대류권계면을 뚫고 입자들을 성층권으로 주입한다. 대류권의 화산재와 에어로졸은 강수에 의해 빠르게 제거되지만, 기상 시스템이 없는 상태에서 성층권으로 주입된 물질은 훨씬 더 느리게 확산된다. 상당량의 성층권 주입은 전 지구적 영향을 미칠 수 있다. 피나투보 산이 1991년에 분화한 후, 지구 온도는 0.5°C만큼 하락했다. 가장 큰 분화는 온도가 수 도까지 하락하는 원인이 되며, 알려진 일부 대량 멸종의 원인일 수 있다고 생각된다.
분화 기둥 높이는 분화 강도를 측정하는 유용한 방법인데, 특정 대기 온도에서 기둥 높이가 질량 분화율의 네제곱근에 비례하기 때문이다. 따라서, 비슷한 조건에서 기둥 높이를 두 배로 늘리려면 초당 16배 많은 물질을 분출해야 한다. 관찰되지 않은 분화의 기둥 높이는 파편의 ''최대'' 거리를 매핑하여 추정할 수 있는데, 기둥이 높을수록 특정 질량(따라서 크기)의 분출 물질이 더 멀리 운반될 수 있다.
화산 분연이 성층권에 도달하면, 분연이 에어로졸이 되어 지표면에 도달하는 일사량을 감소시키기 때문에 기후에 영향을 미친다. 예를 들어, 덴메이 대기근은 1783년에 아사마 산 등 세계 각지에서 발생한 화산 폭발의 영향을 받은 것으로 여겨진다.
3. 1. 분연주 높이 공식
분화 기둥의 대략적인 최대 높이는 다음 공식으로 계산할 수 있다.:H = k(MΔT)1/4
여기서,
- k는 대기 조건과 같은 다양한 속성에 따라 달라지는 상수이다.
- M은 질량 분화율이다.
- ΔT는 분출하는 마그마와 주변 대기의 온도 차이다.
4. 위험성
분연주는 기둥 붕괴와 항공기 운항에 심각한 위험을 초래한다.
분화 기둥이 밀도가 너무 높아 대류 기류로 지탱하기 어려워지면 중력에 의해 붕괴될 수 있다. 이 경우 화산쇄설류나 서지가 발생하여 화산 경사면을 따라 빠른 속도로 이동하며 큰 피해를 입힌다.[3]
분연주는 항공기 엔진 고장, 조종석 창문 손상, 연료 오염 등을 유발하여 항공 안전에 심각한 위협이 된다. 1982년 갈룽궁 산 분화, 1989년 레다우트 산 분화, 1991년 피나투보 산 분화 당시 항공기들이 분연주로 인해 심각한 손상을 입거나 엔진이 정지되는 사고가 발생했다.[3]
분연주는 기상 레이더에 잘 보이지 않고 구름이나 밤에 가려질 수 있어 탐지가 어렵다.[3] 이러한 위험 때문에 전 세계에는 9개의 화산재 자문 센터 네트워크가 분연주를 지속적으로 감시하고 있다.[4]
4. 1. 분연주 붕괴
분화 기둥이 밀도가 높은 물질로 너무 많이 채워져 대류 기류로 지탱하기 어려워질 수 있다. 예를 들어 마그마 분출 속도가 빨라져 충분한 공기를 끌어올릴 수 없을 정도로 증가하거나, 층상 마그마굄의 하부에서 밀도가 높은 마그마가 갑자기 유입되면서 마그마 밀도가 급증하는 경우가 이에 해당한다.이러한 현상이 발생하면, 대류 추력 영역의 바닥에 도달한 물질은 더 이상 대류에 의해 적절하게 지지되지 못하고 중력에 의해 떨어진다. 이때 화산쇄설류 또는 서지를 형성하여 화산 경사면을 따라 이상의 속도로 이동할 수 있다. 기둥 붕괴는 기둥을 형성하는 분화에서 가장 흔하고 위험한 화산 위험 중 하나이다.
4. 2. 항공기
분연주는 항공기 엔진 고장, 조종석 창문 손상, 연료 오염 등을 유발하여 항공 안전에 심각한 위협을 초래한다. 1982년 여객기가 갈룽궁 산에서 분출된 분연주 상층부로 비행하면서 화산재로 인해 두 대의 항공기가 모두 심각한 손상을 입었다.[3] 특히 화산재는 엔진을 멈추게 하고, 조종석 창문을 샌드 블래스팅하여 불투명하게 만들며, 연료를 오염시킨다. 가스 터빈 엔진 내부 온도는 화산재를 녹일 만큼 높아, 연소실에서 녹은 화산재가 터빈 블레이드 등 하류 부품에 유리 코팅을 형성하여 엔진 손상을 일으킨다.[3]영국항공 9편의 경우, 항공기는 4개의 엔진 모두에서 동력을 상실했고, 19일 후 싱가포르 항공 747의 4개의 엔진 중 3개가 고장났다. 두 경우 모두 엔진을 성공적으로 재시동했지만, 항공기는 자카르타에 비상 착륙해야 했다.[3]
1989년 알래스카의 레다우트 산 분화로 발생한 분연주는 항공기에 유사한 손상을 입혔다. 1991년 피나투보 산 분화 이후, 항공기는 분연주를 피해 우회했지만, 동남아시아 넓은 지역에 흩어진 미세한 화산재는 화산에서 1000km 떨어진 곳까지 16대의 항공기에 손상을 입혔다.[3]
분연주는 일반적으로 기상 레이더에 보이지 않으며, 구름이나 밤에 가려질 수 있다.[3] 이러한 위험 때문에 전 세계에는 위성, 지상 보고, 조종사 보고, 기상 모델을 사용하여 분연주를 지속적으로 감시하는 9개의 화산재 자문 센터 네트워크가 있다.[4] 화산재는 항공기 엔진을 정지시킬 수 있어 항공기 운항에 영향을 미친다.[5]
5. 영향
화산 분연이 성층권에 도달하면, 에어로졸이 되어 지표면에 도달하는 일사량을 감소시켜 기후에 영향을 미친다.[2] 예를 들어, 1783년 아사마 산 등 세계 각지에서 발생한 화산 폭발은 덴메이 대기근의 원인 중 하나로 여겨진다.[2]
5. 1. 기후에 대한 영향
화산 분연이 성층권에 도달하면, 분연이 에어로졸이 되어 지표면에 도달하는 일사량을 감소시키기 때문에 기후에 영향을 미친다.[2] 예를 들어, 1783년 아사마 산 등 세계 각지에서 발생한 화산 폭발은 덴메이 대기근의 원인 중 하나로 여겨진다.[2]6. 분화의 메커니즘
화산 내부에서 마그마가 상승하면 압력이 낮아져 녹아 없어지지 않은 화산 가스가 팽창하여 화구로부터 분출하게 된다.[5] 분출된 물질은 계속 상승하는데, 이 과정에서 관성뿐만 아니라 자체 열로 주변 공기를 가열하여 부력을 얻는다.[5] 불카노식 분화의 경우 연기가 수 킬로미터 상공까지, 플리니식 분화의 경우에는 수십 킬로미터 상공까지 상승하는 경우가 있다.
또한, 고도가 상승함에 따라 연기의 상승 속도와 밀도는 작아진다. 최고 도달 고도에 이른 연기는 수평 방향으로 퍼져나간다.[5]
참조
[1]
웹사이트
How volcanoes work – The eruption model (QuickTime movie)
https://web.archive.[...]
2007-06-30
[2]
웹사이트
Bulletin of the Global Volcanism Network; volume 15 number 4 (April 1990)
http://volcano.si.ed[...]
Smithsonian Institution
1990
[3]
간행물
Visualization of Volcanic ash clouds
1995-07
[4]
웹사이트
Keeping aircraft clear of volcanic ash - Darwin Volcanic Ash Advisory Center
http://www.bom.gov.a[...]
2007-06-30
[5]
웹사이트
アイスランド火山噴火と噴煙
http://www.geosociet[...]
日本地質学会
2020-12-10
[6]
웹사이트
噴煙とは？
https://www.hkd.mlit[...]
国土交通省北海道開発局 室蘭開発建設部
2020-12-10
[7]
웹사이트
噴煙・噴気に関する用語
https://www.data.jma[...]
気象庁
2020-12-10
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