비행기를 타면 왜 귀가 아플까?

아시아나2006.10.10
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비행기를 타면 왜 귀가 아플까?


비행기는 높은 하늘을 날아서 우리가 원하는 목적지로 이동합니다. 그런데 공항에서 비행기가 땅을 박차고 올라 하늘로 올라갈 때나 목적지인 공항으로 내려갈 때 귀가 아프거나 멍멍해지는 느낌을 받는 경우가 있습니다. 그럴 때면 어른들은 노래를 부르거나 침을 삼키거나, 사탕을 먹으면 된다고 말씀해 주십니다. 왜 비행기를 타고 하늘 높이 날아올라갈 때 이런 현상이 벌어지는 것일까요? 무엇이 변하길래 이런 일이 벌어지는지 먼저 하늘 높이 올라갈 때 비행기 주위의 공기의 변화에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

공기의 무게란 무엇일까? - 기압의 발견


이탈리아 토스카나 공화국의 왕정 수학자였던 토리첼리는 당시의 광산 채굴업자들로부터 10m 이상의 깊이에서는 물을 끌어 올릴 수 없는 현상에 대한 질문에 해답을 얻기위해 몇 가지 실험을 하게 됩니다.


토리첼리는 공기가 무게를 가진 물질이고 이 공기가 물을 내리 누르고 있기 때문에 10m 이상으로는 물을 자연적으로 끌어올릴 수 없는 것이라고 생각했습니다. 무엇인가가 아래로 내리 누르고 있기 때문에 이런 현상이 벌어졌을 것이라는 생각을 했고, 그것이 바로 공기라 생각 했던 것입니다.


그러나 당시엔 10m 물기둥을 담을 수 있는 용기를 만들 수 없었고, 고민 끝에 물보다 무거운 수은이라면 같은 실험을 해도 물보다 짧은 용기를 가지고도 할 수 있을 것이라는 결론을 내렸습니다 .(토리첼리의 실험, 1643년). 유리관에 수은을 가득 채우고 큰 그릇에 거꾸로 넣었을 때 수은은 유리관에서 쏟아져 내리다가 76cm 높이가 되는 지점에서 더 이상 내려가는 것을 멈추었습니다. 즉 76cm 높이만큼의 유리관 속 수은의 무게가 공기의 무게와 같기 때문에 평형을 이루어서 더 이상 흘러 내려가지 않았던 것이고 결국 공기란 무게를 가진 물질이라는 기존의 생각을 증명해 낸 것입니다.


76cm 높이의 수은 기둥의 무게는 10m 높이의 물 기둥이 밑면을 내리 누르는 힘과 흡사합니다. 즉 10m 이상 깊이의 우물물을 퍼 올리지 못했던 이유는 공기가 내리 누르고 있었기 때문이었습니다. 이것이 바로 토리첼리에 의해 발견된 공기가 누르는 힘, 즉 공기의 무게인 기압의 존재였습니다. 이 이야기를 바꿔 생각하면, 현재 우리는 10m 깊이 정도의 물속과 같은 환경에서 살고 있는 셈이란 뜻입니다.


기압이란 항상 같을까? - 기압과 고도


1684년 프랑스의 물리학자 파스칼 (Blaise Pascal)은 토리첼리 실험 원리를 응용한 수은 기압계를 가지고 산에 올라가면서 측정해본 결과 산 아래에서 보다 산 위에서 수은기둥의 높이가 낮아지는 것을 확인했습니다. 높은 곳으로 올라갈수록 기압이 낮아진다는 것을 발견한 실험이었습니다.


지구의 중력에 의해 무거운 것이 아래로 가라 앉는 것은 자연스런 현상입니다. 따라서 무게를 가지고 있는 공기도 지구 중심을 기준으로 가까운 곳에는 많고 상대적으로 멀어질수록 적어지는 것입니다.
기압의 뜻은 지구를 둘러싸고 있는 공기가 그것과 닿아있는 면적에 끼치는 힘입니다. 쉽게 말해 공기가 누르는 무게입니다. 따라서 산 아래와 같이 지구 중심부와 가까워서 공기의 양의 상대적으로 많은 곳은 그 무게가 크고 결국 누르는 힘이 크기 때문에 수은 기둥을 누르는 힘이 산 위에서 보다 커지게 되어 수은 기둥의 높이가 산 위와 아래 사이의 차이를 만들게 되는 것입니다.

 

높은 곳 = 공기 희박 = 공기 무게 가볍다 = 기압이 낮다
낮은 곳 = 공기 풍부 = 공기 무게 무겁다 = 기압이 높다

 

귀가 멍멍해 지는 이유 - 유스타키오관 (이관, 耳管)


비행기를 타고 지상에서 하늘로 올라갈 때면 이런 공기의 특성에 의해 급격한 기압의 변화를 겪게 됩니다. 상대적으로 기압이 높았던 곳에서 낮은 곳으로 굉장히 빠른 속력으로 날아 오르는 것입니다. 이런 기압의 변화에 적응하기 위하여 우리 몸은 반응을 하기 시작합니다.


기압 변화에 반응하는 신체 기관 중 이관 혹은 유스타키오관이라는 기관이 있습니다. 이탈리아의 해부학자 B. 유스타키오 (Bartolommeo Eustachio, 1524~1574)가 발견한 이 기관은 귀와 목 사이에 위치하고 있습니다. 이것은 관 이라는 단어에서 알 수 있듯 가느다란 관으로 되어 있어서 귀 안쪽의 기압과 몸 주위의 공기압을 동일하게 맞추어 주는 역할을 합니다.


즉 비행기를 타고 하늘로 날아 오를 때처럼 몸 주위의 기압이 짧은 시간 동안 급격하게 떨어질 때 우리 몸 내부의 기압은 상대적으로 몸 주위의 공기압 보다 높고, 그 때문에 멍해지는 느낌을 받게 되는 것입니다. 유스타키오관에는 얇은 막이 있어 몸 내부와 외부 사이의 압력이 적절하게 변화하여 동일하게 되도록 유지해줍니다. 그런데 급격한 기압 차이가 발생할 때 이 막이 신체를 보호하기 위해 기압을 동일하도록 하지 않게 할 경우 우리는 멍하거나 묵직한 통증을 느끼게 됩니다.


이 얇은 막은 평상시에는 닫혀 있다가, 몸 안쪽과 바깥쪽의 기압이 변화할 때 저절로 열리거나, 이 이외에 하품을 하거나 침을 삼킬 때면 열리는 특징을 가지고 있습니다. 그래서 하품을 하고 노래를 하는 것처럼 턱을 크게 움직이거나, 침을 삼키고 사탕을 먹는 등 삼키는 행위를 하게 되면 자연스레 기관이 열리게 되고, 몸 내부와 외부의 공기 압력의 차이가 해소되면서 느끼던 통증이 사라지는 것입니다.

 

고도의 측정 - 기압 고도계


앞서 살펴 봤듯이 기압은 높낮이 즉 고도에 따라 달라지는 성질을 가지고 있습니다.
이것을 거꾸로 생각해 보면 산 위에 올라갔을 때 측정한 공기의 압력, 즉 기압으로 그 산의 높이를 알아낼 수 있다는 것을 생각해 볼 수 있습니다. 이 원리를 이용해 고도를 알아내는 장치를 기압 고도계라고 부릅니다. 기압 고도계는 오늘날 비행기에서도 적용하여 고도 측정에 사용합니다.


기압 고도계의 안쪽에는 공기 주머니가 있습니다. 이 공기 주머니는 아코디언처럼 생겨서, 크기가 커졌다 줄어들었다 할 수 있습니다. 따라서 높은 산이나 하늘 높이 올라가서 공기의 압력이 낮아지면 이 공기 주머니는 누르는 힘이 약해져서 자연스레 부풉니다. 반대로 낮은 곳으로 내려오면 그에 따라 공기가 누르는 힘이 커져서 이 공기 주머니도 찌그러집니다. 바로 이 공기 주머니의 크기가 바뀌는 것에 착안해서 만든 것이 비행기 내부에 장착되어 있는 기압 고도계의 원리입니다.


높은 곳 = 기압이 낮다 = 공기 무게 가볍다 = 공기 주머니가 부푼다.
   낮은 곳 = 기압이 높다 = 공기 무게 무겁다 = 공기 주머니가 줄어든다.


고도가 달라진다?


비행기는 하늘의 길을 따라 비행을 합니다. 하늘의 길은 눈에 보이지 않기 때문에 서로 다른 비행기가 반드시 이 보이지 않는 길을 따라 비행해야만 다른 비행기와 부딪치거나 하는 큰 문제를 막을 수 있습니다. 따라서 비행기는 하늘을 날고 있을 때 자신의 높이를 정확히 알고 있어야 합니다. 그때 사용하는 것이 앞서 살펴본 기압 고도계의 수치입니다.


그러나 여기서 우리가 주의해야 할 점이 있습니다. 공기는 온도에 따라 그 밀도가 변하고 바람에 의해서 바뀌며 날씨에 따라 변화합니다. 그런 이유로 동일한 위치에서 기압을 젤 경우에도 항상 다르며, 따라서 기압을 바탕으로 측정하는 고도도 항상 달라집니다.


즉 오늘 우리가 하늘을 날면서 고도를 측정했을 때 오늘은 40 이라고 했을 때, 내일은 50이 될 수도 있고 30이 될 수도 있는 것입니다. 이런 여러 가지 문제를 없애기 위하여 기준을 통일 시키는 작업이 필요하게 됩니다.


고도를 통일하는 방법


비행기가 고도를 통일시키는 방법에 대해서 알아보겠습니다. 공항 고도를 맞추는 방식에는 두 가지 방법이 있습니다. 만약 현재 비행기가 고도가 1000 인 공항에서 출발을 준비하고 있다면, 먼저 바다 수면(해수면, Sea Level)을 0으로 맞추어서 그때 그때 공항의 고도를 얻어내는 방법입니다. 이런 보정 방식을 국제적인 규약으로 진고도 보정방식(QNH Correction)이라고 합니다. 아래 그림 중 맨 위의 진고도 부분을 보면 공항 고도가 그대로 오른쪽의 고도계에 표시된 것을 확인할 수 있습니다.


두 번째 방식은 현재 비행기가 자리잡고 있는 공항의 고도를 무조건 0으로 맞추는 방식입니다. 이것을 절대고도 보정방식 (GFE Correction)이라고 부릅니다. 아래 두 번째 그림처럼 해수면을 기준으로 공항의 고도가 1000임에도 불구하고 고도계가 0을 가리키고 있는 것이 바로 그 이유입니다. 이상하다고 생각이 될 수도 있지만 모든 비행기가 전부 이렇게 한다면, 다 함께 같은 기준을 가지고 있는 것이기 때문에 가능한 방식입니다.


이러 보정 방식 중 어떤 것을 선택하여 위치를 파악할 것인지는 공항에서 선택하여 도착하고 출발하려는 비행기에게 알려줍니다. 비행기들은 이렇게 지시 받은 기준을 바탕으로 자신의 위치를 약속함으로써 안전을 꾀할 수 있습니다.


 

그리고 관제상의 이유로 특정 고도 이상으로 비행할 때(약 14,000ft 이상)는 앞서 배운 공기의 압력, 즉 기압을 기준으로 한, 압력고도 보정방식(QNE Correction)을 기준으로 고도계를 보정합니다. 공항으로부터 상당히 떨어져 있는 높은 고도이기 때문에 기준을 제시하기가 애매하고, 날씨나 바람 등 요소가 기압 수치에 상대적으로 영향을 덜 주는, 높은 곳에서의 비행이기 때문에 이 방식을 택하는 것입니다. 공기의 기압은 상황에 따라 조금씩 달라지기 때문에 기준을 선정해서 국제적으로 이것을 표준 대기압으로 정하여 맞추어 사용합니다.


위의 세가지 방식은 모두 일반적인 기압고도계를 사용하는 방식입니다. 기압 고도계 방식은 기체 주변에 흐르는 공기의 움직임 등의 영향을 받아서 실제와 다른 오차가 생길 수 있습니다. 그래서 이 오차를 줄이기 위하여 비행기 내부의 컴퓨터(ADC, Air Data Computer)가 수정을 해 주도록 되어 있습니다.


비행기에는 기압고도계 방식 이외에도 보다 정밀한 측정을 위하여 전파를 쏘아서 반사되어 오는데 걸리는 시간차이를 이용하여 고도를 직접적으로 계산하는 전파 고도계 (RA, Radio Altimeter)가 장착되어있습니다. 그러나 이 전파가 도달하는 거리에 한계가 있어 이륙과 착륙시 처럼 지상과 상대적으로 가까워져 있는 경우에 한하여 사용하고, 나머지 상황에서는 앞서 살펴본 기압고도계와 그 보정 방식들을 혼용하여 사용합니다.


마치며…
오늘 우리는 기압이란 무엇이며, 기압이 가진 특성에 대해 배워봤습니다. 더불어 비행기를 탔을 때 왜 귀가 아팠던 것이고, 어떻게 하면 이 문제를 해결할 수 있는지에 대해서도 알아보았습니다. 더 낳아가 공기의 무게인 기압을 이용해 비행기가 어떻게 고도를 측정하는가 하는 아주 중요한 문제도 배워봤습니다. 조금 어려울 수 있었지만, 차분히 다시 살펴보면서 우리가 살고 있는 이 지구상의 공기의 특성을 다시 한번 생각해 보고, 안전한 비행을 위해 비행기는 어떻게 하고 있는가에 대한 부분도 생각해 볼 수 있는 기회였기 바랍니다.

 

COPYRIGHT BY 아시아나항공 운항기술팀

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