“비내음은 빗방울과 지표면이 만드는 물알갱이 때문”

샴페인 거품 솟듯이, 빗방울서 솟는 거품과 에어로졸(물알갱이) 관찰

지표면 에어로졸 메커니즘 시각화, '지표면 유래 질병' 연구에도 유용


 +  논문저자 일문일답: MIT 정영수 박사



른 땅에 빗방울이 흩뿌리고, 대지 위에는 독특한 비내음이 퍼진다. 비내음은 오래 전에 독특한 현상으로 과학계에도 정식 보고됐으며, 1964년 과학저널 <네이처>에 실린 논문에선 이런 비내음에다 ‘페트리코(petrichor)’라는 이름까지 붙었다. “주된 물질의 다양한 특성을 고려해, 우리는 독특해 보이는 이 내음을 ‘페트리코’라고 부를 것을 제안한다. 이 용어는 암석이나 돌에서 유래하는 '이코(ichor)' 즉 '은은한 향(tenuous essece)'으로 여겨질 수 있기 때문이다.” 비냄새 ‘페트리코’는 특정 식물의 오일과 암석 광물 성분 등이 어울린 것이라는 해석도 보고됐으나, 비내음이 어떻게 생겨나는지 그 경로가 분명하게 제시된 적은 없다고 한다.


이런 독특한 비내음 현상에 미국 매사추세츠공대(MIT) 기계공학과의 정영수 연구원(박사후연구원)이 주목했다. 그는 한겨레 과학웹진 사이언스온에 보낸 편지에서 비 내리는 날의 비내음 현상에 대해 관심을 갖게 된 동기를 이렇게 말했다.


“비가 온 뒤 나는 흙냄새인 페트리코는 지표면 물질이 대기를 통해 인간에게 전달된다는 것을 보여주는 아주 흥미로운 예입니다. 하지만 아직 전달 경로에 대해 명확한 해답은 알려지지 않았습니다. 만약 이 질문의 답을 찾는다면 지표면의 물질 또는 미생물이 대기 중으로 확산하는 조건과 경로를 이해할 수 있을 것입니다. 예를 들어 대기 중에 포함된 지표 물질의 발생 지점과 경로를 이해할 수 있으며 흙을 기반으로 전달되는 병원균의 오염 지역과 전염 위험 지역을 파악할 수 있을 것입니다.”


이 대학 기계공학과의 컬런 뷰이(Cullen R. Buie) 조교수와 정영수 연구원은 공동저자로 최근 과학저널 <네이처 커뮤니케이션스>에 빗방울이 떨어질 때 일어나는 현상을 세밀하게 관찰해, 비냄새가 마른 땅 위에 비가 내릴 때 일어나는 수많은 버블에서 비롯한다는 사실을 밝혀 논문으로 발표했다(뉴욕타임스의 과학 뉴스에도 보도됐다).

00YSJ_airosol.jpg » 빗방울이 다공성 표면에 떨어지면 납작해지는 동시에 그 안에는 무수한 공기방울이 생성되며, 이어 공기방울은 솟구쳐 올라 물방울 표면에서 터지면서 많은 물알갱이(에어로졸)를 발산한다. 출처/ MIT news

연구진은 빗방울이 땅에 떨어지는 순간의 다양한 미시적 현상을 이해하기 위해, 빗방울이 다양한 속도로 다양한 성질의 표면에 떨어지는 상황을 재현하는 실험장치를 설계해 갖추었다. 실험에는 물기를 빨아들이는 정도와 특성이 다른 16가지 자연 흙과 12가지 인공 흙(입자) 시료를 사용했다. 미시 세계에서 빠르게 일어나는 상황을 관찰하기 위해 초고속 카메라 설비를 갖추었다. 빗방울에서 거품이 터져 생기는 미세한 방울, 즉 에어로졸(airosol)을 좀 더 쉽게 관찰하고자 흙에는 염료를 섞었다. 이런 실험 장치에서 관찰한 마른 땅에 떨어지는 빗방울과 거품이 터지며 공기중에 방출되는 에어로졸은 이전에 보고되지 않았던 흥미로운 현상이었다.


“빗방울이 표면에 부딪히면 납작해진다. 동시에 작디작은 거품(버블)들이 표면에서 위쪽으로 솟아오른다. 버블이 빗방울 표면에서 터질 때 에어로졸이 공기중으로 발산한다. 빗방울 속도와 표면 성질에 따라 다르게 ‘맹렬한 에어로졸(frenzied aerosols)’의 구름이 퍼지는 것으로 보인다.”(MIT 뉴스)


샴페인 유리잔에서 수많은 거품이 아래에서 위로 솟아올라 표면에서 터지는 모양을 볼 수 있듯이, 땅에 떨어진 순간에 빗방울 안에서는 많은 거품이 생성돼 위로 솟아올라 곧이어 터지며 작디작은 에어로졸 입자는 빗방울 표면을 벗어나 대기중으로 날아올랐다.


이들의 실험 결과와 해석에 따르면, 마른 땅에 비가 내릴 때 나는 독특한 비냄새 ‘페트리코’는 이렇게 흙에 있던 냄새 성분이 빗방울의 거품에 실려, 빗방울을 관통하며 상승해, 결국에 대기중으로 터져 나와 퍼지는 에어로졸이 사람 코에 다다르면서 생겨나는 것으로 풀이된다.


그러나 정 연구원은 이번 연구의 목적이 비냄새의 비밀을 밝히는 게 아니며, 사실 비냄새가 빗방울의 에어로졸 현상만으로 다 설명되는 것도 아니라는 점을 강조했다.


“빗방울에 의해 지표면에서 생기는 에어로졸이 비냄새를 설명하는 단 하나의 원인이라고 단정할 수는 없습니다. 비 올 때 흙냄새를 다른 방법으로 설명하는 분들도 계시지요. 자연현상을 설명하는 여러 이론을 두고서 절대적으로 이것이 맞다 아니다 하고 이야기할 수는 없을 것 같습니다. 페트리코는 이번 연구의 주제가 아니라 에어로졸을 통한 지표 물질의 이동을 보여주는 한 예로 사용되었습니다.”


비냄새의 유래에 관한 설명은 이번 연구 결과가 보여주는 흥미로운 부산물이며, 연구진이 직접 주목하는 바는 빗방울에 의해 지표면에서 일어나는 에어로졸 생성을 처음으로 직접 관찰했다는 점이라고 한다. 지금까지 대기중에 있는 에어로졸은 대체로 바다 표면에서 거품이 터지면서 발생하는 것으로 설명됐으며, 지표면에 빗방울이 떨어질 때에 미세 거품에 의해 에어로졸이 발생하는 메커니즘은 직접 관찰된 적 없다는 것이다.


00YSJ2.jpg » 정영수 연구원. 사진제공/ 정영수 올 때 지표면에서 에어로졸이 발생한다는 건 어떤 의미가 있을까?


“지표면에 존재하는 미생물이나 물질이 어떻게 먼 곳으로 이동하는지, 또는 지표면에서 멀리 떨어진 아주 높은 고도의 대기중에서 지표면 미생물들이 왜 발견되는지를 설명하기는 쉽지 않았습니다. 하지만 빗방울을 통해 에어로졸이 발생하고 거기에 흙 속의 물질과 미생물이 포함되어 있다면 그 이유가 쉽게 설명될 수 있습니다. 여기서 한 걸음 더 나아가면, 지표면 에어로졸을 자연에서 인간으로 전염되는 질병의 한 경로로 생각해 볼 수 있습니다.”


하지만 이번 연구에서 미생물이 빗방울 에어로졸에 담겨 대기중에 퍼진다는 사실이 직접 관찰된 건 아니다. 실험에서는 시료 흙에 섞인 염료가 에어로졸에도 담겨서 퍼지는 현상이 관찰됨으로써, 빗방울이 마른 땅에 떨어질 때 흙 속의 냄새 성분과 더불어 바이러스나 박테리아도 함께 에어로졸에 실려 대기중으로 퍼질 수 있다는 가설을 간접적으로 뒷받침해준 셈이다. 에어로졸은 대기중에서 길면 몇 달 동안 떠 있으면서 바람을 타고 멀리 퍼질 수 있다.


“이번 연구에서 미생물이 어떠한 과정을 거쳐 지표면에서 작은 에어로졸로 옮겨가 포함되는지는 직접 밝히지는 않았습니다. 하지만 이를 밝히는 것은 매우 중요합니다. 예를 들어 흙을 기반으로 인간에게 전염되는 질병을 방지하기 위해서는 어떻게 지표 미생물이 에어로졸 방울 속에 들어가는지 이해해야 합니다. 이를 위해 현재 이런 지표면 미생물이 어떻게 에어로졸을 통해 대기로 확산되는지에 관해 연구를 진행하고 있습니다. 여러 의미 있는 결과를 얻고 있으며 조만간 논문을 통해 그 결과를 보여드리려고 합니다.”


환경과 보건에 기여할 수 있는 더 중요한 후속 연구를 기대해야 하겠지만, 일단은 이번 연구에서 마른 땅에 비 내리는 날에 독특한 비냄새가 생기는 경로 중 하나가 제시된 셈이다. 비냄새를 빚어내는 요인이야 여러가지이겠지만 그 중 하나는 빗방울과 흙이 빚어내는 작디작은 에어로졸에서 비롯하는 것일 수 있다는 것이다 (거기에 미생물도 담겨 있으리라는 점이 꺼림칙하지만…). 이런 복잡한 해석과 분석에 앞서, 빗방울이 떨어지는 순간에, 마치 샴페인 유리잔에서 거품이 일며 솟아올라 표면에서 터지듯이 빗방울 안과 밖에서 일어나는 모습을 초고속 카메라 영상으로 세밀하게 관찰하는 것만으로도 무척 흥미롭다.


  ■ 논문 초록

에어로졸은 환경과 인간 건강에 중요한 영향을 끼치기 때문에 연구 대상이 되어 왔다. 지금까지 에어로졸이 환경에 확산하는 주요한 메커니즘으로는 바람에 날리는 먼지, 그리고 바닷물 거품의 분무 현상에서 생긴 바다 소금으로 설명되었다. 이번 연구에서 우리는 다양한 토양 특성을 지닌 습윤성·다공성 표면들에 빗방울이 부딛힐 때 일어나는 에어로졸 생성을 연구했다. 우리는 빗방울이 다공성 표면에 영향을 줄 때 에어로졸을 방출할 수 있으며 이런 에어로졸이 다공성 매질의 성분을 환경에 전달할 수 있음을 보여준다. 흙과 인공입자를 포함해 다양한 다공성 매질에 대해 행한 실험들은, 표면 속성과 충돌 조건에 관해 안다면 격렬한 에어로졸 생성이 언제 일어나는지를 예측할 수도 있음을 보여준다. 이번 연구는 빗방울과 다공성 매질이 연관된 새로운 현상에 초점을 맞춰 이것이 환경 내 에어로졸 생성에 관한 연구에 도움을 줄 수 있음을 보여준다.



일문일답/ 공동 교신저자 정영수 박사

다음은 이 논문의 공동 교신저자인 정영수 박사가 사이언스온의 질문에 대한 답으로 보내준 이메일 내용이다. 조금 다듬어 이곳에 저자 일문일답으로 싣는다.
 
[1] 페트리코(petrichor)에 대하여
 비가 온 뒤 나는 흙냄새인 페트리코는 지표면 물질이 대기를 통해 인간에게 전달된다는 것을 보여주는 아주 흥미로운 예입니다. 하지만 아직 전달 경로에 대해 명확한 해답은 알려지지 않았습니다. 만약 이 질문의 답을 찾는다면 지표면의 물질 또는 미생물이 대기 중으로 확산하는 조건과 경로를 이해할 수 있을 것입니다. 예를 들어 대기 중에 포함된 지표 물질의 발생 지점과 경로를 이해할 수 있으며 흙을 기반으로 전달되는 병원균의 오염 지역과 전염 위험 지역을 파악할 수 있을 것입니다.
 오랜 동안 마른 땅 위에 비가 내릴 때 나는 냄새인 페트리코는 이번 연구에서 이야기하는 ‘빗방울이 마른 땅에 떨어질 때 에어로졸(aerosol)이 발생한다’는 결과와 잘 일치합니다. 에어로졸 속에 냄새의 원인인 흙 속의 물질이 포함되어 바람을 통해  빠르고 멀리 인간의 코로 전달될 수 있으니까요. 하지만 빗방울에 의해 지표면에서 발생하는 에어로졸이 비 냄새를 설명하는 단 하나의 원인이라고 단정 지을 수는 없습니다. 비 올 때 흙냄새를 다른 방법으로 설명하는 분들도 계시지요. 자연현상을 설명하는 여러 이론을 절대적으로 맞다 아니다라고 이야기할 수는 없을 것 같습니다. 페트리코는 이번 연구의 직접적인 주제가 아니며 에어로졸을 통한 지표 물질 이동의 한 예로 사용되었는데 아마도 일반인의 흥미와 관심을 위해 다른 기사들에서 강조하여 표현한 것으로 생각됩니다.
 
[2] 이번 연구의 의미
 빗물을 통한 지표면 에어로졸 발생은 지금까지 잘 설명되지 않고 있던 지표 물질과 미생물의 대기 확산을 설명할 수 있는 매우 중요한 단서입니다. 이번 연구의 가장 큰 의미는 빗방울이 지표면에 떨어질 때 작은 물방울인 에어로졸이 발생하는 것을 시각적으로 보이고, 어떠한 강수 특성과 토질에서 에어로졸이 발생하는지 밝힌 데 있습니다. 또한, 에어로졸 발생 과정에 지표면 물질이 포함되어 발산된다는 결과도 중요한 결과라고 볼 수 있습니다. 공학적으로는 어떻게 표면을 만들었을 때 에어로졸을 발생시킬 수 있는지 보인 점입니다.
 지금까지 대기에 존재하는 에어로졸의 발생 원인으로는 바다 표면에서 거품(whitecaps)이 터지면서 발생하는 에어로졸이 대표적인 것으로 알려져 있습니다. 이런 에어로졸에 포함된 소금 성분 등이 대기 환경에 영향을 주는 것으로 여겨지고 있지요. 또한 지금까지 빗방울이 지표면에 충돌하여 공기 방울을 형성하여 미세한 물방울 에어로졸이 발생하는 현상은 알고 있었지만 보고되지 않았습니다. 에어로졸의 사이즈가 매우 작고 발생 속도가 매우 빠르기 때문에 기기의 도움 없이 사람의 눈으로는 볼 수 없기 때문입니다. 또한, 에어로졸이 발생하는 토양의 종류가 다르고 빗방울의 낙하 속도에 따라 발생 여부가 나뉘기 때문에 관찰에 세심한 주의가 필요하기 때문입니다. 따라서 지표면에 존재하는 미생물이나 물질이 어떻게 먼 곳으로 이동하는지, 또는 지표면에서 멀리 떨어진 아주 높은 대기중에서 지표면 미생물이 왜 발견되는지를 설명하기는 쉽지 않았습니다. 하지만, 빗방울을 통해 에어로졸이 발생하고, 그 속에 흙 속의 물질과 미생물이 포함되어 있다면 이런 현상의 이유는 쉽게 설명될 수 있습니다. 여기서 한 걸음 더 나아가면, 자연에서 인간으로 전염되는 질병의 한 경로로 생각해 볼 수 있습니다.
 
[3] 연구의 한계와 후속 연구
 이 연구에서는 미생물이 어떠한 과정을 거쳐 지표면에서 작은 에어로졸로 옮겨가 담기는지는 밝혀지지 않았습니다. 하지만 이를 밝히는 것은 매우 중요합니다. 예를 들어 흙을 기반으로 인간에게 전염되는 질병을 방지하기 위해서는 에어로졸이 발생할 때 어떻게 지표 미생물이 에어로졸 방울에 들어가는지 이해해야 합니다. 이를 위해 현재 이러한 지표면 미생물이 어떻게 에어로졸을 통해 대기로 확산되는지에 대하여 연구하고 있습니다. 여러 의미 있는 결과를 얻고 있으며 조만간 논문을 통해 그 결과를 보여드리려고 합니다.
 또한, 공학적 측면에서 에어로졸에 포함된 물질을 분리하고 분석하는 방법에 대하여 연구 중입니다. 이러한 연구를 통해 빗방울을 통해 발생하는 에어로졸의 특성을 정확하게 이해할 수 있고 그 속에 포함된 물질을 효과적으로 분석할 수 있게 됩니다. 일련의 연구를 통해 에어로졸이 대기 환경과 인간에 미치는 영향을 밝힐 수 있게 되고 더 나아가 자연에서 인간으로 감염되는 질병 경로에 대해 이해할 수 있을 것으로 생각됩니다. 궁극적으로 점점 증가하는, 자연에서 인간으로 전파되는 질병의 억제 방법에 대하여 답할 수 있을 것입니다.
 
[4] 실험 과정
[물음= 빗물이 떨어지는 16가지 다양한 지면, 그리고 비가 떨어지는 높이(강하 속도와 강도)를 달리해서 빗물이 다양한 조건에서 떨어지는 것을 모사하고서 이를 초고속 촬영했습니다. 그 결과에서 구멍이 많은 표면에선 비가 떨어질 때 작은 거품이 생성되어 터진다는 것이 관찰됐다고 합니다. 논문은 이것이 일종의 분무기로서, 에어로졸을 생성하고, 그 에어로졸에 흙속의 미생물이 포함되어 있을 가능성이 있다고 보았습니다. 이런 내용이 맞는지요?]
 예, 요약해 주신 내용이 맞습니다. 덧붙여 이야기하자면 16종의 흙 이외에 흙을 모사한 5가지 상업용 다공성 필름과 자체 제작한 7가지 다공성 표면을 에어로졸 발생 연구에 사용하였습니다. 준비된 표면 위에서 총 600회 넘는 빗방울 실험을 통해 어떠한 조건에서 에어로졸이 발생하는지 파악하였습니다. 이를 통해 흙 이외에 공학적으로 만든 표면에도 에어로졸을 발생시킬 수 있으며 그 방법을 제시하였습니다. 에어로졸은 여러 가지 종류가 있지만, 여기에서는 마이크로 단위의 작은 물방울을 의미합니다.
 요약하자면 빗방울이 마른 땅에 떨어질 때 빗방울과 땅 표면 사이에 공기방울이 생성되고 그 공기방울이 빗방울 표면에 접촉하여 터지면서 미세한 물방울이 솟아오르게 됩니다. 더욱 흥미로운 것은 이러한 과정에서 흙의 작은 입자나 물질 등이 포함되어 발산된다는 사실입니다. 따라서 흙에 사는 미생물이나 바이러스 등도 또한 이런 에어로졸을 통해 흙에서 대기로 이동할 수 있겠지요. 에어로졸은 바람을 통해 생각보다 훨씬 더 오래 공기 중에 존재하고 이동하게 됩니다. 심지어 며칠 또는 몇 달 동안 공기 중에 떠 있을 수 있으니까요. 이런 에어로졸의 특성을 이해하면 왜 비가 오기 전 또는 온 뒤에 흙냄새를 맡을 수 있는지 설명할 수 있습니다. 에어로졸은 빗방울보다 훨씬 작아서 바람을 통행 훨씬 빨리 이동할 수 있고 훨씬 더 오래 대기 중에 떠다닐 수 있으니까요.
 
[5] 빗물 또는 액체가 떨어질 때의 거동을 연구하는 이유
[빗물 또는 액체가 떨어질 때의 거동을 관찰하는 연구가 꽤 있는데요, 이런 빗물/액체의 강하가 연구자들한테 관심대상이 되는 이유는 무얼까요?]
 액체 방울 충돌 실험은 액체의 신비로운 동적 변형 과정을 수학적으로 표현하고 이해할  수 있는 굉장히 효과적인 방법입니다. 물방울이 다양한 표면에 충돌하는 연구가 끊임없이 많이 진행되고 있습니다. 근래에 들어서는 마이크로 나노공학에 힘입어 그동안 볼 수 없었던 여러 기능성 표면이 개발됨에 따라 더욱 액체 충돌 실험이 다양하게 진행되고 있습니다.
 물리학적으로 보면 물방울 충돌은 물방울이 가진 운동에너지가 물방울의 표면장력 에너지로 변환되는 과정으로 볼 수 있습니다. 출동하는 표면의 특성, 예를 들면 표면 거칠기와 표면 에너지에 따라 에너지 변환과정이 어떻게 바뀌는지를 물방울 충돌 실험을 통해 효과적으로 관찰할 수 있습니다. 왜냐하면, 물방울은 정확한 부피와 질량을 알 수 있고 낙하 속도를 파악하기 쉽기 때문입니다. 충돌 과정 중 물방울 형태의 변화도 시각적으로 파악하기 쉽습니다.
 결과적으로 물방울 충돌 과정을 수학적인 관계식으로 표현하기 매우 효과적입니다. 그것을 통해 우리는 유체와 표면의 고유 성질이 어떻게 물방울의 동적 거동에 영향을 주는지 이해할 수 있습니다. 이러한 정보는 공학적으로는 액체와 상호 작용하는 기기의 설계에 응용될 수 있고 자연 속에서 유체의 동적 특성을 이해할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 비가 올 때 비행기의 날개 표면을 어떻게 만들어야 연료가 적게 드는지, 얼마나 비가 세게 오면 나비가 날지 못하는지? 이런 질문에 답하기 위해서는 애체 방울 출동 실험이 필요합니다.
 물론 물방울 충돌이 시각적으로 주는 아름다움도 무시할 수 없는 매력이기도 합니다.
 
[5] 연구자 자신을 소개해주시면
 저는 연세대학교에서 기계공학 전공으로 졸업하였습니다. 서울대학교에서 김윤영 교수님의 지도로 컴퓨터 해석 기반 최적 설계에 대한 연구로 석사 학위를 받았습니다. 그뒤 삼성종합기술원에서 3년여 동안 휴대용 연료전지를 개발하였습니다. MIT에서 “전기장을 이용한 다차원 구조 표면 개발 방법 (Electric Field Based Fabrication Methods for Multi-scale Structured Surfaces)”이란 제목의 학위 논문으로 박사 학위를 받았습니다. 현재 MIT에서 박사 후 연구원으로 지표면에서 대기로 에어로졸을 통한 미생물 이동 과정에 대하여 연구 중입니다. 또한, 전기장과 나노 물질을 이용한 다양한 기능성 재료 개발도 하고 있습니다.

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr     

@한겨레 과학웹진 사이언스온     




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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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