강 아래 강 Rio Abajo Rio

오랜만에 성재네 식구들은 온 가족이 온천여행을 갔다. 그런데 뜨거운 물이 싫다고 목욕탕 밖에서 서성거리기만 하는 성재한테 아빠는 어서 탕에 들어가자고 재촉했다.

“이구구구~~ 시원하다. 아하~~ 온몸이 사르르 녹는구나. 성재야, 너도 어서 들어와라. 물이 정말 좋단다. 하나도 안 뜨거워.”

성재는 마지 못해 살짝 발을 담그는 듯하더니 냉큼 발을 빼고는 투덜거린다.
“아빠는 거짓말쟁이! 이렇게 뜨거운 물이 어떻게 안 뜨겁다는 거예요! 난 탕에 안 들어갈 거예요!”

한번 마음 정하면 웬만하면 지지 않으려고 하는 성재의 고집을 알기에 아빠는 성재가 좋아하는 과학이야기로 성재를 탕 속으로 유인하기로 마음먹었다.

“성재야, 그건 네가 살짝 물 표면에만 발을 담가서 그래. 이 탕 속 바닥에 있는 물은 정말 뜨겁지 않아. 눈에는 잘 보이지 않지만 사실 물은 뜨거울수록 가볍고 차가울수록 무겁단다. 왜냐하면 물은 뜨거워지면 팽창하고 차가워지면 수축하기 때문이지.”
“아! 맞다. 저도 책에서 본 적이 있어요. 물뿐만 아니라 공기나 쇠도 온도에 따라서 팽창하고 수축한다는 것을 봤었어요. 그래서 철도레일을 보면 중간 중간 끊어 놓잖아요. 이것은 여름에 온도가 올라가서 기찻길이 팽창했을 때 휘어지지 않게 하려고 끊어 놓은 것이지요?”

“그래. 맞단다. 우리 성재 제법인걸. 만약에 기찻길이 끊어져 있지 않으면 온도가 올라감에 따라 레일은 길이가 늘어나야 하는데 늘어날 공간이 없으니 옆으로 휘어버리게 되지. 그러면, 휘어진 철로를 지나는 기차가 탈선돼서 큰 사고가 날 수 있단다. 철만 온도에 따라 늘어나고 줄어드는 게 아니야. 공기도 온도에 따라서 늘어나고 줄어든단다. 하늘에 떠다니는 열기구 알지? 이 기구를 하늘로 올릴 때는 기구풍선에 뜨거운 공기를 집어넣는단다. 그러면, 풍선 안에 있는 뜨거운 공기는 풍선 밖에 있는 차가운 공기보다 더 가볍기 때문에 위로 올라가게 되지. 목욕탕의 물도 마찬가지야. 뜨거운 물과 찬물이 섞이면 뜨거운 물은 가볍기 때문에 위로 올라가고, 차가운 물은 무거워서 아래로 가라앉는 거야.”

“아~ 그렇구나. 모든 물질이 온도에 따라서 늘어나거나 줄어드네요. 재미있는 이야기 감사합니다. 하지만 저도 이미 알고 있던 이야기예요. 그리고 여전히 뜨거운 물은 싫어요. 저 안 들어갈래요.”
“음… 성재야, 그렇다면 우리 내기할까? 사실 아빠가 한 말 중에 거짓말이 하나 있었어. 그 거짓말이 무엇인지 맞추면 탕에 들어오지 않아도 되지만, 못 맞추면 들어오는 거다. 지금부터 1분 동안에 맞추는 거야. 시작!”
“네?! 거짓말이 있었다고요…. 이상하다… 전부 맞는데… 예전에 과학책에서 봤는데….”

“자! 1분 지났어. 아빠가 한 거짓말은 차가운 물이 뜨거운 물보다 무겁다는 거야.”
“아빠, 무슨 말이에요! 좀 전에는 찬물이 무겁다면서요~ 그리고 책에도 차가운 물이….”
“잠깐잠깐, 아빠 말 좀 들어보렴. 응. 일반적으로 물은 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 떨어지면 수축한단다. 그런데 물은 참으로 신기한 성질을 갖고 있어. 온도가 떨어질수록 물은 점점 수축하지만 섭씨 0도일 때까지 계속 수축한 다음에 물이 얼음으로 바뀌는 것이 아니고 섭씨 4도일 때까지는 수축하지만 섭씨 4도보다 차가워지면 다시 부피가 팽창하고 얼음이 된단다. 그러니까, 뜨거운 물이 항상 차가운 물보다 가벼운 것은 아니란다. 예를 들어서, 섭씨 4도의 물이 섭씨 2도의 물보다 더 무거운 것이지.”

“피~ 그게 뭐예요. 그건 아주 특별한 예외잖아요. 일반적으로 물이 차가워질수록 수축해서 차가운 물이 더 무거운 것은 맞잖아요. 엉터리~”
“성재야. 아니란다. 물이 섭씨 4도에서 가장 무거워지고 온도가 더 내려가면 더 팽창한다는 성질은 아주 중요한 성질이고 물이 우리에게 주는 특별한 선물이란다. 성재야~ 김연아 누나 좋아하지? 김연아 누나가 빙판 위에서 멋진 피겨스케이팅을 보여주는 것도 물의 특별한 성질 덕분이란다. 만약에 물이 차가워질수록 무거워지기만 한다면, 겨울일 때 연못에는 점점 차가워지는 물은 아래로 가라앉고 덜 차가운 물이 위로 뜨겠지. 그러면 더욱 추워지면 얼음은 연못 바닥부터 생길 거야. 얼음이 바닥에 있고 그 귀에 물이 있으니 피겨스케이팅은 할 수 없겠지. 그리고 얼음이 물 위에서 얼지 않기 때문에 지난 주말에 아빠랑 같이 했던 얼음을 뚫고 빙어를 잡는 겨울 낚시도 할 수 없단다.”

“아, 그렇구나.”
“지금 우리 인류가 지구 상에 살아 있는 것도 물이 섭씨 4도 이하로 차가워질 때 오히려 더 가벼워져서 물 위로 뜨기 때문이란다. 만약에 섭씨 4도 이하로 차가워질 때 더 무거워져서 물아래로 가라앉는다면, 차가운 바람에 의해서 물 표면의 온도가 떨어지고 차가워진 물은 바닥에 가라앉고 뜨거운 물은 다시 차가운 바람에 의해서 온도가 떨어지는 악순환이 계속 돼서 결국은 연못의 물이 모두 얼어버릴 거야. 겨울철에 얼음이 얼어도 봄이 되면 물고기들이 다시 나타나잖아. 이것은 물고기들이 얼음 밑의 물에서 살아있기 때문인데, 만약에 얼음이 바닥부터 언다면 물고기는 다 죽을 거야. 이와 비슷한 게 지구의 생명체에 적용된단다. 빙하시대 들어봤지? 빙하시대처럼 엄청나게 추웠을 때는 바다 위도 다 얼었을까? 아니란다. 얼음 밑에는 물이 있기 때문에 그곳에서 고대미생물이 살아남아서 빙하기가 끝나도 다시 살아남고 진화를 거듭했던 것인데, 만약에 얼음이 바닥부터 언다면 빙하기에도 지구 전체가 바닷속까지 얼음 덩어리였을 테고 고대미생물이 다 얼어 죽고 현재의 인류로까지 진화하지 못했을 거야.”

“와~ 참 다행이네요.”
“성재야, 그렇다고 이러한 성질이 좋은 점만 있는 것은 아니란다. 이번 겨울에 파이프가 터져서 추위에 고생한 사람들 많다는 얘기 들었지? 겨울철 파이프가 터지는 것도 파이트가 추운 날씨를 못 견디기 때문이 아니고 이 파이프 속을 흐르는 물 때문이란다. 날씨가 급격히 떨어지면 파이프 속에 있던 물이 얼어버리는데. 문제는 물이 얼음으로 바뀌면서 팽창한다는 점이지. 한정된 공간인 파이프 속에서 물이 팽창해서 결국 파이프를 터뜨리게 되는 것이란다. 그래서 파이프 동파를 막기 위해서는 아예 쓰지 않는 파이프의 물은 다 빼버리거나 파이프 주위에 천 등으로 감싸서 따뜻하게 만들어서 얼음이 생기지 않게 하는 거란다. 결국 자연의 성질 하나하나를 얼마나 잘 이용하느냐에 따라서 우리가 행복해질 수도 불행해 질 수도 있는 거란다.”

파이프를 터뜨리는 물의 힘도 놀랍지만, 물의 이러한 성질이 없었다면 지구 생태계가 바뀔 수 있었다니… 성재는 조용히 물속으로 들어갈 수밖에 없었다. 하지만 여전히 물은 뜨거웠다.

‘앗! 뜨거워. 목욕탕 물이 뜨겁지 않다고 한 게 아빠의 거짓말 같은데~’

글 : 유병용 과학칼럼니스트(‘과학으로 만드는 배’ 저자)

재난이나 사고는 예고치 않고 우리에게 찾아온다. 뼈가 부러졌을 때 직접 그 부분을 개봉해 보지 않고 다행히도 엑스레이 촬영으로 부러진 부위를 알 수 있다. 이처럼 터널도 구조물을 공사하지 않고 사전에 붕괴 위험을 파악하여 더 이상 갑작스런 터널 붕괴 사고가 일어나는 것을 방지할 수 있게 되었다.

2004년 영동선 터널 붕괴, 2008년도 성수동 지하철 분당선 지하철 터널 지표 함몰, 2008년 고속철도 금정산 터널 붕괴 사고 등 매년 중대형 터널 붕괴사고는 약 20여 건 정도 발생하고 있으며, 이로 인한 복구비가 연간 평균 1,000억 원에 이르는 것으로 추정되고 있다.

사전에 미리 터널의 붕괴를 인지하고 예방했다면 비용 손실은 물론 인명 피해도 줄일 수 있겠지만 사실 터널 붕괴를 예측하기란 말처럼 그리 쉬운 일이 아니다. 터널 공사 시작 전에 지반조건 변화나, 시공 중에 발생할 수 있는 취약 조건을 미리 설계 단계에서 검토하여 시공에 들어가지만 터널 공사가 시작되면 현재 터널이 어느 정도의 위험도가 있는지 정확하게 판단하기 어렵다. 터널 굴착 시 안전 여부를 판단하기 위해 관련 전문가가 시공을 진행하면서 작업장의 표면 조사와 관찰을 통해 공학적인 판단과 계측 결과를 검토하여 안전성을 판단하긴 하지만 전문가에 따라 평가나 안전 여부의 판단이 각각 다르기 때문에 정확하다고 말하기에는 부족함이 있다.

이와 같은 터널 붕괴 사고를 최소화하기 위하여 한국건설기술연구원은 최신의 인공 신경망 기법을 도입하여 세계 최초로 기존 붕괴사례에 기반을 둔 터널 붕괴 위험도 지수(KTH-index)를 제안하고, 이에 기반으로 둔 터널 시공 위험도 관리 시스템 (THAM system, Tunnel Hazard Management system)을 개발하였다. 인공 신경망(인공지능) 기법은 인간 뇌의 학습 효과와 매우 유사한 것으로 인간은 특정한 문제에 있어 원인과 이에 따른 효과를 이용하여 훈련을 하면 실제 경험하지 않더라도 훈련받은 상황과 유사한 상황이 발생하면 이를 해결하고 예측한다. 인공신경망 기법은 이런 뇌의 학습 작용을 특정 상황에 적용하여 컴퓨터가 특정 문제에 대해 패턴을 추적, 분석하여 기존 유사한 사례를 통해 해석하는 기법을 말한다.

THAM 시스템은 100여 개의 기존 터널 붕괴사례를 데이터베이스로 구축한 뒤 연구원이 개발한 인공지능 자료 분석 시스템을 통해 이 데이터베이스를 학습시켜 만든 시스템이다. 이 인공지능 시스템은 축적된 데이터베이스의 자료를 통해 터널 붕괴의 원인이 되었던 각각의 조건들을 위험도 별로 분류하고 각 진행 상태를 계량적으로 수치화하여 개별적인 조건별로 위험도를 측정할 수 있도록 학습 된다.

이렇게 학습이 된 인공지능시스템은 새로운 터널공사현장에서 발생하는 몇 가지 조건, 인자들에서 측정되는 수치를 기존 데이터베이스에서 학습한 수치와 비교 분석하여 현재 진행하는 터널의 위험도가 얼마나 되는지를 제시하게 된다.

THAM 시스템이 판단하는 주요 분류 항목은 터널의 기하형상, 지질조건, 불연속면 조건, 지하수 조건, 굴착방법, 지보패턴 등 총 6개 항목이다. 각 세부항목은 터널의 단면적과 터널의 심도, 암성강도, 막장풍화도, 불연속면상태, 단층대의 상태, 불연속면의 기하학적 상태, 지하수유입량, 환산지하수위, 강우강도, 굴착방법, 굴착성능, 굴착속도, 표준지보패턴강도 등 총 17개 항목이지만 현재는 강우강도와 굴진속도를 제외한 15개 항목으로 위험도를 측정한다.

각각의 항목을 다시 최소 0등급(양호)에서 최대 10등급(불량)으로 나누고 항목별로 가중치를 곱한 뒤 합산하는 형태로 평가 점수를 주게 되며 평가는 0점에서 100점 사이에 분포하게 된다. 이 점수가 높을수록 붕괴 위험이 높고 점수가 낮을수록 붕괴 확률이 낮음을 의미한다.

THAM 시스템은 대표적으로 한국 수자원공사에서 진행한 울산 대암댐의 보조 터널 공사에 적용되었다. 현장에서는 시공 초기부터 THAM 시스템을 도입하여 아무런 사고 없이 터널을 공사할 수 있었다. 이러한 방식으로 각 터널 공사 현장에서 THAM 시스템을 도입하게 되면 사고가 예방될 뿐만 아니라 효율적 관리를 통해 향후 10년간 약 1,000억 원의 경제적 이득이 예상된다.

아무리 뛰어난 성능을 갖고 있더라도 실제 현장 실무자들이 쉽게 활용할 수 있는 활용성이 확보되지 않으면 가치를 평가받을 수 없다. 하드웨어가 훌륭해도 소프트웨어가 뒷받침해주지 못하면 쓸모없는 것과 같은 맥락이지 않을까.

글 : 신휴성 박사(한국건설기술연구원 지하구조물연구실)

오랜만에 저녁식사를 함께하게 된 대학동창 김소심 군과 이순진 양. 서로 근황이나 직장 얘기가 오고 가다가 분위기가 무르익자 김소심 군이 넌지시 한마디 꺼냈다.

"나 얼마 전에 소개팅을 했는데…."
"어? 정말? 와~ 궁금하다. 말해줘!"
"응. 소개팅했던 여자친구랑 지금 사귀고 있긴 한데… 그 여자친구 마음을 아직 모르겠어. 그녀가 내 마음을 알아줬으면 좋겠는데 말이야."

김소심 군은 이순진 양에게 여자의 심리에 대해서 물어볼 참이었다. 도대체 여자의 마음은 알다가도 모를 존재였다. 자초지종을 들은 이순진 양은 웃으면서 김소심 군에게 조언을 시작했다.

"하하, 소심 군! 네 얘기를 들어 보니까 너는 충분히 여자친구를 좋아하는데 어떻게 표현해야 할지를 모르겠다는 거지? 네가 표현을 안 하는데 어떻게 그녀가 네 마음을 알아봐 주길 바라니~"
"여자는 어떻게 표현해야 좋아하는 거야?"
"글쎄. 딱히 정해진 법은 없지 않을까? 그래도 최근에 페로몬에 대한 재미있는 연구결과가 너한테 도움이 될 것 같다."

"페로몬?"
"그래, 페로몬(pheromone). 페로몬은 이성에게 성적 관심이 있음을 표현하는 화학 물질로 몸에서 분비하는 것으로 알려져 있는데, 과학적으로 감지하기가 어렵고 무의식적 상태에서 자신도 모르게 분비되기 때문에 그 실체를 알기 어려웠지."

"맞아. 나도 페로몬에 대해서 들어본 적은 있어."
"그럼 이해하기가 더 쉽겠다. 미국 라이스 대학 연구진들이 남자의 땀에 페로몬이 있을 것이라는 가설을 세우고, 성적 흥분이 지속되는 동안 겨드랑이에서 분비되는 땀을 솜뭉치에 흡수시켰대. 물론 연구결과의 정확성을 위해 이 남성들에게는 며칠 동안 향수나 탈취제 등의 제품을 사용하지 않도록 했지."

"그래서 어떻게 됐어?"
"실험에 참가한 여성들에게 남성들의 땀이 묻은 솜뭉치를 맡도록 하고 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 뇌 활동을 관찰했더니, 흥미로운 연구결과가 나왔어. 감정이나 냄새, 사회적 반응을 관장하는 우측 안와전두엽과 우측 방추상전두엽이 여성들의 무의식중에서도 활발하게 반응한 거야. 말하자면 남자들이 굳이 행동이나 몸짓, 표정을 여성들에게 표현하지 않아도 남자들이 무의식중에 내뿜는 화학 물질을 통해 여성들이 신호를 받는다는 결론이지."

"아, 그렇다면 나의 그녀도 은연중에 내 마음을 알고 있을 거란 말이네? 다행이다!"
"그래~ 너무 걱정하지 마. 네 마음이 진심이라면 그녀도 알 거야."

저녁식사를 마치고 한껏 마음이 가벼워진 김소심 군과 이순진 양은 간단히 차 한잔 마시러 자리를 옮겼다. 김소심 군은 고민 상담을 해준 이순진 양에게 도움이 되고 싶었다.

"야, 순진아. 넌 저번에 좋아한다는 사람하고는 잘 되어가?"
"뭐, 아직 그대로야. 어떻게 해야 할지 모르겠어."
"네가 먼저 고백해보는 건 어때?"
"고백? 으~ 잘할 수 있을까?"

"사랑은 쟁취하는 거야. 이렇게 해봐. 우선은 너의 마음이 담긴 선물을 전해주고 싶을 때는 그 사람이 평소에 가지고 싶어하던 선물을 주는 게 좋아. 이를테면 발렌타인데이라고 해서 초콜릿 선물을 주는 것보다 그가 원하는 선물을 주는 게 훨씬 효과가 좋은 거지. 캐나다 브리티시컬럼비아대 엘리자베스 던 교수팀은 남성들을 두 그룹으로 나눈 뒤에 한 그룹에게는 원하지 않는 선물을 주고, 다른 한 그룹에게는 평소 원하는 선물을 줬대. 그랬더니 원하는 선물을 받은 그룹은 선물을 준 여성에 대한 호감이 높아진 반면 원하지 않는 선물을 받은 그룹은 여성에 대한 호감이 훨씬 낮아졌어. 이런 걸 보면 그가 평소에 어떤 걸 가지고 싶어하는지 잘 알아두었다가 깜짝 선물을 하는 것도 관심 표현의 방법이지."

"이왕이면 선물 줄 때 예쁘게 보이고 싶은데 남자들은 어떤 스타일 좋아해?"
"그거야 사람마다 다르겠지만, 다른 색깔보다도 빨간색 옷을 입는 게 좋아. 미국 로체스터대 심리학과 앤드루 엘리엇 교수팀은 남성들에게 빨간색, 파란색, 녹색, 회색 옷을 입은 여성의 사진을 보여주고 매력도를 점수로 평가했더니, 빨간색의 매력도가 가장 높았대. 심리학적으로도 빨간색은 열정이나 사랑을 상징하고, 파란색은 냉정이나 침착함을 상징하잖아."

"음… 듣고 보니 일리가 있다. 김소심, 네 덕분에 용기가 생기는 거 같아."
"나도 네 조언 많이 도움이 됐어. 좋은 소식 있길 바란다~"

글 : 이상화 과학칼럼니스트