고도대뇌부종의 원인과 우주로켓이 없는 이유

이미지 출처: 조선비즈 기사 캡쳐

 

고산등반가들 대부분의 뇌가 손상되었다는 연구결과가 있습니다. 해발 6900미터 이상을 등반했던 21명 중에 단 한 명을 제외하고 20명의 뇌가 모두 손상되었으며(손상되지 않은 1명조차도 고산병 증상은 있었음), 4800미터의 경우에도 7명 중 2명의 뇌가 손상되었다는 결과가 나왔습니다.

 

뉴스기사 링크

https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2010/05/28/2010052801534.html

[Why] [이인식의 멋진 과학] 고산 등반가의 뇌

 

Nicolás Fayed의 논문 링크

https://www.amjmed.com/article/S0002-9343(05)00674-1/fulltext

 

높은 산에 오르면 고산병에 걸리게 되는데, 두통과 어지러움, 붕 뜬 느낌, 소화불량, 구토, 식욕부진, 콧구멍 건조, 코피, 판단력 저하, 빠른 맥박 등 여러 증상이 나타나기도 하고 심하면 뇌부종이나 폐부종으로 이어져서 사망에 이를 수도 있습니다. 호흡곤란이 지속되고 마른기침이나 각혈, 의식저하와 기면증상이 나타나면 폐부종과 뇌부종을 의심해야 합니다.

 

고산병으로 인한 대뇌부종은 심한 두통을 동반하는데 진통제를 먹어도 증세가 완화되지 않는 특징이 있습니다. 또한 방향감각과 균형감각이 떨어져서 비틀거리게 되고 더 진행되면 걸을 수도 없게 됩니다. 기억력과 판단력도 떨어지게 되며 사람이나 장소를 알아보지도 못하게 됩니다. 뇌에 손상을 입은 사람들에게서 생기는 메스꺼움과 구토증상이 있으며 시신경 부종이 동반되어 시야가 흐려지거나 실명할 수도 있습니다. 자꾸 졸음이 오는 기면증상과 의식저하 증상이 있으면 뇌부종이 심각한 상태라는 증거입니다. 여기서 더 진행되면 실신하게 되어 혼수상태에 빠질 수 있으며 사망할 수도 있습니다.

 

뇌부종으로 통칭되는 고산병의 대표적인 증상은 뇌가 팽창하는 것입니다. 전문용어로는 고도대뇌부종(高所大腦浮腫, High-altitude cerebral edema, HACE)이라고 합니다. 과학에서는 그 원인을 두고 고도가 높은 곳에서의 산소부족으로 뇌 조직에 체액이 과도하게 축적되어 뇌가 부어오르는 증상이라고 설명합니다.

 

그러나 산소통을 매고 높은 산에 올랐던 사람들도 모조리 뇌가 팽창된 것을 보면 저는 산소부족이 원인이라고 생각하지 않습니다. 뇌가 팽창하는 원인은 밀도의 차이 때문입니다. 지표면의 밀도와 고도가 높은 곳의 밀도는 큰 차이가 있습니다. 모든 물체는 자기 고유의 밀도 공간에 있으려고 하는 성질이 있습니다. 자기가 속해 있던 밀도 공간에서 벗어나면 다시 자기의 밀도 공간으로 돌아가려고 합니다.

 

고산병이 생기는 원인도 인간이 자신이 속해 있는 고유의 밀도공간에서 벗어났기 때문입니다. 그래서 인간이 견딜 수 있는 높이 보다 조금이라도 더 높게 올라가면 인체의 모든 조직들이 제대로 기능하지 못해서 다리가 무겁게 느껴지고 숨쉬기가 불편해지고 머리가 맑지 않은 느낌이 들게 되는 겁니다.

 

우리의 몸을 구성하고 있는 피, 수분, 근육, 피부 등은 모두 비슷한 밀도를 가지고 있습니다. 해발고도가 낮은 곳에서는 인체의 모든 조직들이 아무런 문제없이 기능합니다. 그러나 높은 산에 올라가면 인체에서 가장 약한 조직인 뇌부터 부풀어 오르게 됩니다.

 

헬륨 풍선을 예로 들어 보겠습니다. 헬륨은 밀도가 가장 낮은 물질 중의 하나입니다. 굉장히 높은 곳까지 올라갑니다. 특수 제작된 기상 관측용 헬륨풍선의 경우에는 지상 30킬로미터 이상까지도 가능하다고 합니다만, 그 이상 올라가면 풍선이 터집니다. 헬륨 자체는 그 이상까지 올라가려고 하지만 헬륨을 담고 있는 풍선은 자기 고유 밀도에서 벗어났기 때문에 풍선이 견딜 수 있을 만큼의 시간이 지나면 풍선이 팽창해서 결국 찢어지게 됩니다. 그럼 헬륨이 모두 빠져나가고 풍선껍데기만 남게 되어 지상으로 추락하게 되는 것이죠.

 

풍선이 팽창하는 것과 뇌의 표피가 팽창하게 되는 것은 같은 원리입니다. 아직까지도 잘 이해가 안 되신다면, 팽창의 반대인 수축의 경우를 예로 들어 보겠습니다. 지상으로부터 높은 곳이 밀도가 낮다면 지하 또는 해저는 밀도가 높습니다. 이 세상에서 가장 깊은 바다는 태평양의 마리아나 해구인데 최대 수심이 약 1만 미터라고 합니다. 인간이 잠수정을 타고 내려간 최대의 깊이이기도 합니다 (그런데 저는 인간이 실제로 1만미터를 내려갔다는 게 사실인지도 의심스럽습니다. 그걸 누가 증명하겠습니까?). 수심 1만 미터면 손톱만한 공간에 사방에서 1톤 트럭의 수압을 견뎌야 합니다. 사람 머리 위에 점보제트기 약 50대를 올려놓은 것과 비슷하다고 보면 된다고 하네요.

 

그러나 사실 이는 수압 때문이 아니라 밀도 때문입니다. 만약 인간이 잠수정을 타고 3만 미터의 해저로 내려갔다면 아마도 잠수정은 찌그러질 것이라 생각하는 사람들이 많을 겁니다. 그러나 찌그러지기 이전에 거기까지 내려가지도 못할 겁니다. 왜냐하면 밀도가 낮은 물체가 밀도가 높은 공간을 통과하는 것이 불가능하기 때문입니다.

 

계란으로 바위치기라는 비유의 말을 아실 겁니다. 바위의 밀도가 계란 보다 월등히 높기 때문에 계란으로 아무리 바위를 쳐 봐야 바위는 깨지지 않고 계란만 깨지게 되어 있습니다. 마찬가지로 인간이 만든 어떤 물체도 지하 3만 미터 이상을 뚫을 수가 없습니다. 그만큼 단단한 곳이기 때문입니다. 제가 3만 미터라고 말씀드리긴 했습니다만, 인간이 뚫을 수 없는 정확한 깊이는 저도 잘 모릅니다. 인간이 그렇게 깊은 곳은 아직 뚫어본 적이 없기 때문입니다.

 

지금까지 인간이 땅을 파내려간 최대 깊이는 고작해야 약 12000 미터 정도라고 합니다. 러시아가 콜라반도에서 드릴을 사용해서 시추공을 만들었다고 하는데, 약 12000 미터 부근에서 중단했다고 합니다. 너무 온도가 높아서 중단했다는 썰과 예산 부족으로 프로젝트가 중단되었다는 썰이 있습니다만, 저는 개인적으로 너무 단단해서 인간이 만든 기계로는 뚫을 수가 없었기 때문이었을 것이라 추측합니다.

 

인간이 만든 물체가 지하 깊은 곳을 통과하지 못하는 것과 마찬가지로 인간이 만든 물체는 지상 높은 곳도 통과하지 못 합니다. 아까 말씀드렸던 헬륨 풍선을 다시 설명해 드리겠습니다. 풍선 속의 헬륨은 더 높은 곳까지 올라가려고 합니다. 그러나 풍선껍데기는 풍선이 견딜 수 있는 최대한의 높이까지만 견딜 수 있습니다. 헬륨이 올라가려는 힘과 풍선이 견딜 수 있는 재질의 힘이 서로 겨루기를 할 때 풍선껍데기는 드디어 한계를 느끼면서 부풀어 오르게 됩니다. 그러면서 찢어지게 되는 것이죠.

 

이 현상을 좀 더 쉽게 설명해 드리겠습니다. 밀도가 낮은 공간에는 밀도가 높은 물체가 들어갈 수 없습니다만, 어떤 마법사의 도움으로 지상 50킬로미터 위에 쇳조각을 하나 올려놓았다고 칩시다. 그리고 마법의 힘으로 절대로 아래로 떨어지지 않게 했다고 칩시다. 그 이후에 쇳조각은 어떻게 되었을까요? 지상 50킬로미터는 헬륨과 같은 매우 낮은 밀도의 물질들만 있는 곳입니다. 따라서 쇳조각은 풍선처럼 부풀어 올라서 더 이상 쪼개질 수 없는 가장 작은 단위인 원자로 분해되고 말 겁니다. 가장 밀도가 낮은 단위로 변신해야만 그곳에 있을 수 있거나 혹은 그 위로 올라갈 수 있기 때문입니다.

 

이제 앞에서 설명해 드린 뇌가 부풀어 오른다는 뜻을 이해하실 수 있을 겁니다. 이제 독자님께서는 밀도에 대한 기초지식을 습득하신 겁니다. 그렇다면 한 걸음 더 나아가서 우주 로켓이 왜 거짓말인지, 그리고 달착륙이 왜 거짓말인지에 대해서도 이해하실 수 있을 겁니다.

 

이미지 출처: Pixabay

 

헬륨과 산소는 지상에서 가장 낮은 곳에서부터 가장 높은 곳까지 모두 존재합니다. 그러나 지상의 높이에 따라서 농도는 서로 정 반대입니다. 헬륨은 낮은 곳에서 농도가 낮고 높은 곳에서 농도가 높지만, 산소는 낮은 곳에서 농도가 높고 높은 곳에서 농도가 낮습니다. 이는 헬륨과 산소의 밀도 차이 때문입니다.

 

로켓이 추진하려면 우선 연료를 연소시켜야 합니다. 연료를 태우려면 산화제 역할을 하는 산소가 있어야 합니다. 그런데 지상 30킬로미터 정도만 해도 산소가 거의 없어서 연료를 연소시킬 수가 없습니다. 따라서 40킬로미터 이상은 불가능하다고 봐야 합니다. 우주 로켓을 옹호하는 분들은 액체 산소통이니 고체 산소통이니 하면서 변호를 하고 있습니다만, 로켓이 올라갈 때 뒤로 분출되는 불꽃의 크기를 감안하면 지구 밖까지는 아마도 산소통 수십 개는 필요할 겁니다.

 

산소통을 달았다고 해도 여전히 앞으로 나아갈 수 없는 것은 마찬가지입니다. 로켓은 연료를 태우면서 고압의 가스를 뒤로 강하게 분출해야 합니다. 가스를 뒤로 강하게 분출해야 하는 이유는 밀도가 높은 공기를 밀면서 앞으로 나아가야 하기 때문입니다. 그런데 지상 40킬로미터 이상의 하늘은 공기가 거의 없습니다. 따라서 로켓이 앞으로 나아갈 수 없습니다.

 

이게 무슨 소리인지 쉽게 비유를 들어 설명해 드리겠습니다. 인간이 걸어갈 수 있는 이유는 땅이 있기 때문입니다. 발로 땅을 밟고 밀면서 그에 대한 반작용의 힘으로 앞으로 나아가는 것이죠. 만약 땅이 없다면 인간은 걸어갈 수 없습니다. 허공에서 아무리 발을 구른다고 해도 절대로 앞으로 나아갈 수 없습니다. 마찬가지로 로켓도 공기가 있어야 공기를 뒤로 밀면서 앞으로 나아갈 수 있는 겁니다.

 

인간이 만든 비행기는 보통 지상 10킬로미터에서 15킬로미터 정도에서 날아다닌다고 합니다. 무인 정찰기는 20킬로미터까지도 올라갈 수 있다고 합니다만, 지상 40킬로미터를 날아가는 비행기는 없습니다. 왜냐하면 산소가 거의 없고 공기가 거의 없기 때문입니다. 허구한 날 거짓말만 하는 나사에서는 지상 40킬로 이상에서도 날아다니는 비행기가 있다고 구라를 치긴 합니다만, 이걸 믿는 사람들은 순진한 사람들입니다.

 

만약 이 모든 것이 가능하다고 해도 여전히 인간은 우주로 나갈 수 없습니다. 우주 자체가 없기 때문이기도 합니다만, 앞서 말씀드렸다시피 밀도의 차이 때문입니다. 앞의 경우와 마찬가지로 이번에도 마법사의 도움을 좀 받아야 하겠습니다. 어떤 강력한 마법사가 로켓을 지상 50킬로미터 이상의 공간에 올려놓았다고 칩시다. 그리고 절대로 떨어지지 않게 해 놓았다고 칩시다. 그 이후로 로켓의 운명은 어떻게 되었을까요? 로켓의 껍데기를 비롯한 모든 쇳덩어리들은 주변의 밀도에 맞추기 위해서 스스로 부풀어 올라서 가장 밀도가 낮은 단위의 원소들로 모두 분해되었을 겁니다.

 

 

 

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