미국 옐로스톤 국립공원에는 관광객들이 시계를 보며 기다리는 특별한 장소가 있습니다. 평평한 땅 위에서 별다른 기척이 없다가, 정해진 때가 되면 뜨거운 물과 수증기가 하늘 높이 치솟아 오르기 때문입니다. 몇 분 동안 이어진 물기둥은 언제 그랬냐는 듯 사라지고, 한 시간 남짓 지나면 다시 솟구칩니다. 땅이 일정한 박자로 숨을 내쉬는 듯한 이 자연 분수가 바로 ‘간헐천(Geyser)’입니다.

간헐천이란 쉽게 말해 ‘땅속에서 데워진 지하수가 일정한 간격을 두고 수증기와 함께 세차게 뿜어져 나오는 온천’을 의미합니다. 늘 물이 고여 있거나 조용히 흘러나오는 보통 온천과 달리, 쉬었다 뿜기를 되풀이한다는 점이 가장 큰 특징입니다.

본 자료에서는 간헐천이라는 이름의 유래와 생기는 조건부터 물이 뿜어져 나오는 원리, 세계의 대표적인 간헐천, 그리고 간헐천이 쉽게 사라지는 이유와 숨은 가치까지 차례로 살펴보겠습니다.

땅속 압력솥, 간헐천의 비밀

이름의 유래와 생기는 조건

영어 단어 가이저(Geyser)는 아이슬란드 남서부에 있는 간헐천 ‘게이시르(Geysir)’의 이름에서 왔습니다. 아이슬란드어로 ‘뿜어내는 것’이라는 뜻으로, 이 단어가 18세기 후반 영어에 들어오면서 같은 현상을 부르는 일반 명사가 되었습니다.

간헐천은 화산 지대라면 어디에나 있을 것 같지만, 실제로는 지구에서 손꼽을 만큼 드문 지형입니다. 다음 세 가지 조건이 한꺼번에 맞아떨어져야 하기 때문입니다.

• 열(Heat): 땅속 얕은 곳에 마그마가 있어 주변 암석을 뜨겁게 달궈 주어야 합니다.
• 물(Water): 빗물이나 눈 녹은 물이 땅속 깊이 스며들어 꾸준히 채워져야 합니다. 보통 약 2,000m 깊이까지 내려가 뜨거운 암석과 만납니다.
• 배관(Plumbing System): 물을 모아 두는 저장 공간과 지표로 이어지는 좁은 통로가 알맞은 모양으로 갖춰져야 합니다.

특히 세 번째 조건이 까다롭습니다. 암반이 무르면 분출할 때마다 통로가 깎여 나가 간헐천이 금세 망가지기 때문입니다. 그래서 온천과 진흙 웅덩이, 증기 구멍이 많은 화산 지대에서도 정작 물을 뿜는 간헐천은 드물게 나타납니다.

물이 하늘로 솟구치는 원리

간헐천의 작동 방식은 부엌의 압력솥과 닮았습니다. 대략 다음 세 단계를 거치며 한 번의 분출이 이루어집니다.

(1) 물이 채워지며 뜨거워진다
지하수가 저장 공간과 통로를 채우는 동안 아래쪽 물은 뜨거운 암석에 데워집니다. 통로가 좁아서 물이 위아래로 섞이며 식는 대류가 잘 일어나지 않습니다.

(2) 위쪽 물이 뚜껑 역할을 한다
위에 쌓인 물기둥의 무게가 아래쪽 물을 누릅니다. 압력이 높으면 끓는점도 올라가므로, 바닥의 물은 100℃를 훌쩍 넘어도 끓지 못하고 액체 상태로 버팁니다. 이런 물을 과열수라고 합니다.

(3) 압력이 풀리며 한꺼번에 끓는다
마침내 바닥에서 기포가 생겨 올라가면 입구로 물이 조금 넘쳐흐릅니다. 물기둥이 가벼워져 압력이 떨어지는 순간, 과열수가 한꺼번에 수증기로 바뀌며 부피가 크게 늘어나고, 물과 증기가 입구 밖으로 세차게 뿜어져 나옵니다.

분출이 끝나면 남은 물이 끓는점 아래로 식고, 다시 지하수가 스며들어 같은 과정이 처음부터 되풀이됩니다. 한편 간헐천 입구 주변에는 흰빛이나 회색빛 돌이 쌓이는데, 뜨거운 물에 녹아 있던 규산이 지표에서 식으며 가라앉아 생긴 규화(Geyserite)입니다.

세계의 대표 간헐천

간헐천은 크게 두 종류로 나눕니다. 물웅덩이에서 여러 번 거칠게 터지듯 뿜어 나오는 분수형 간헐천(Fountain Geyser), 그리고 규화가 쌓여 생긴 원뿔 모양 둔덕에서 가느다란 물줄기가 꾸준히 솟는 원뿔형 간헐천(Cone Geyser)입니다.

옐로스톤 국립공원(Yellowstone National Park)
세계에서 간헐천이 가장 많은 곳으로, 약 300~500개가 모여 있어 지구 전체 간헐천의 절반가량을 차지합니다. 대표 주자인 올드 페이스풀(Old Faithful)은 1870년 탐사대가 이름을 붙인 원뿔형 간헐천으로, 평균 약 92분마다 분출해 ‘믿음직한 노장’이라는 이름을 얻었습니다. 같은 공원의 스팀보트(Steamboat) 간헐천은 지금 활동하는 간헐천 가운데 가장 높아, 큰 분출 때는 물을 90m 넘게 쏘아 올립니다. 다만 분출 간격이 사흘에서 수십 년까지 들쭉날쭉해 언제 터질지 알기 어렵습니다.

아이슬란드(Iceland)
이름의 주인공인 게이시르는 활동기와 휴면기를 오가고 있습니다. 바로 곁의 스트로퀴르(Strokkur)는 몇 분마다 몇 초씩 물을 뿜어 올려, 관광객 누구나 분출 장면을 쉽게 볼 수 있는 명소가 되었습니다.

이 밖에 러시아 캄차카반도, 칠레 엘 타티오, 뉴질랜드 북섬 등도 간헐천이 모인 대표 지역으로 꼽힙니다.

쉽게 사라지는 간헐천과 숨은 가치

간헐천은 오래가는 지형이 아닙니다. 통로에 광물이 쌓여 막히거나, 지진으로 지하 구조가 바뀌면 분출이 멈추기도 합니다. 사람의 손길도 큰 위협입니다. 구경꾼이 던진 돌이나 쓰레기에 입구가 막혀 죽은 간헐천이 적지 않고, 근처에 지열 발전소가 들어서 지하수를 끌어 쓰자 분출을 멈춘 사례도 있습니다.

한편 간헐천은 생명의 한계를 다시 생각하게 만든 곳이기도 합니다. 1960년대까지만 해도 과학자들은 약 73℃가 넘으면 생명이 살 수 없다고 여겼습니다. 하지만 옐로스톤의 뜨거운 물에서 고온을 좋아하는 세균이 잇따라 발견되었고, 그중 하나인 테르무스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)에서 얻은 열에 강한 효소는 유전자 검사에 쓰이는 중합효소 연쇄 반응(PCR)의 핵심 재료가 되었습니다. 간헐천 둘레가 노랑, 주황, 초록으로 물들어 보이는 것도 이런 미생물 덕분입니다.

지구 밖에서도 비슷한 분출이 관측됩니다. 토성의 위성 엔셀라두스 남극 부근에서는 수증기 줄기가, 해왕성의 위성 트리톤에서는 질소가 뿜어져 나오는 모습이 포착되었습니다.

땅속의 열과 물, 그리고 절묘한 배관이 만나야만 태어나는 간헐천은 지구가 살아 움직인다는 사실을 눈앞에서 보여 줍니다. 솟구치는 물기둥 하나에 담긴 압력과 끓는점의 과학을 떠올려 보는 일, 그것이 살아 있는 지구를 읽어 내는 과학의 첫걸음입니다.