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[비센의 재미있는 과학 이야기] 잉글리쉬 베이 밤하늘을 수놓은 불꽃놀이

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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일18-08-09 09:36 조회655회 댓글0건

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올해로 28회를 맞이하는 혼다 불꽃놀이 축제가 지난 7월 28일부터 8월 4일까지 잉글리쉬 베이의 밤하늘을 아름답게 수놓았습니다. 특히나 이번 해에는 마지막 피날레를 대한민국 팀이 너무나도 멋진 퍼포먼스로 장식했으며 많은 지역언론들은 한국팀의 공연에 대한 찬사를 보내고 있습니다. 이번 공연의 테마인 ‘사랑’을 불꽃놀이로 보여주기 위해서 대한민국팀은 크고 작은 붉은 하트 모양의 불꽃들을 하늘에 터트려 보는 이들을 사로잡았습니다. 하늘 높이 올라가 다양한 색깔의 불꽃들을 터트리는 것 만으로도 신기한 일인데, 원하는 모양들을 마음대로 만들어 내기도 하니 재미있으면서도 그 원리가 무엇인지 궁금해지게 됩니다.

 

이렇게 멋진 불꽃놀이의 기본 원리는 폭발물에 대한 화학적 성질들입니다. 그중에서도 가장 기본적인 화학물질은 바로 빠른 폭발을 일으키는 흑색화약(black powder)입니다. 흑색화약은 75%의 질산칼륨(potasium nitrate, KNO3), 15%정도의 숯(charcoal, C), 그리고 10%정도의 황(sulfur, S)로 이루어져 있습니다. 잘 섞여있는 흑색화학 고체가루에 발화가 시작되면 질산칼륨으로부터 다량의 산소가 배출되고, 황을 촉매로 하여 산소와 숯이 빠른 연소작용을 일으키며, 이에 발생되는 기체들에 의해 부피가 급작스럽게 팽창하며 폭발이 일어나게 되는 원리입니다. 이렇게 폭발하는 화약이 형형색색의 아름다운 불꽃을 만들게 하기 위해서 여러가지 금속원소들을 첨가합니다. 금속원소들 내부의 전자들이 폭발때 생겨나는 에너지를 흡수하면 들뜬 상태로 올라갔다가 다시 안정상태로 내려오면서 흡수했던 에너지를 밖으로 배출하는데, 이때 배출하는 에너지의 파장이 가시광선과 비슷하여 여러가지 색의 빛을 방출하게 됩니다. 그리고 방출되는 빛의 색깔은 원소들의 고유 에너지 준위에 의해서 결정되기 때문에 각각의 원소들은 정해진 색깔의 빛을 낼 수 있습니다. 예를 들어 스트론튬(Sr) 원소는 붉은 빛을 방출하고, 나트륨(Na)은 오렌지색, 그리고 구리(Cu) 원소는 녹색의 빛을 방출할 수 있습니다. 또한 이러한 원소들을 적절히 섞으면 혼합된 색을 나타낼 수도 있는데, 보라색 빛의 불꽃은 붉은 색을 내는 스트론튬과 녹색을 낼 수 있는 구리 원소를 섞어서 만들어 내곤 합니다. 

 

이렇게 예쁜 색깔을 나타내는 불꽃이 하늘에서 원하는 모양을 만들어 낼 수 있게 만들기 위해 연화(aerial shell)이라는 도구를 사용합니다. 정전기에 의해 실수로 발화하는 일을 방지하기 위해 연화들은 대부분 종이로 만들어져 있습니다. 작은 것은 주먹만한 공처럼 생긴 것으로부터 커다란 것은 농구공만한 크기의 연화도 있습니다. 이 연화 안에는 폭발력을 만들어 내기 위한 활약(burst charge)과 정해진 색을 띄는 불꽃을 만들어 내기 위한 성(star)으로 채워져 있습니다. 성이란 흑색화약에 금속원소들을 골고루 입혀 폭발시 정해진 색깔을 낼 수 있게 만들어진 폭약 알갱이로 일반적으로 작은 구슬정도 크기의 덩어리로 만들어져 있습니다. 이러한 성을 정해진 위치에 정교하게 위치시키고 그 주변을 활약으로 채워 둔 후 이 연화가 하늘에서 폭발하게 만들면 하늘에 아름다운 색을 띈 멋진 형상을 만들어 낼 수 있게 됩니다. 마지막으로 이렇게 만들어진 연화들을 발사체에 고정하여 하늘로 쏘아올린 후 정해진 순간에 폭발하도록 설정함으로써 멋진 퍼포먼스를 만들어 낼 수 있게 됩니다. 예를 들어 동그란 공모양의 맨 바깥쪽을 구리원소들이 입혀진 작은 ‘성’ 알갱이들로 한겹을 둘러싸고 안쪽을 활약으로 채우면, 폭발시 녹색의 국화모양의 불꽃이 전방향으로 퍼져나가는 모양을 만들어 낼 수 있습니다. 만약 그 안쪽에 스트론튬원소를 발라둔 ‘성’알갱이들로 한겹을 더 싸고 활약을 채운다면, 커다란 녹색 국화모양 안쪽에 작은 붉은 국화모양이 만들어지는 모습을 연출할 수 있습니다. 한겹을 고르게 ‘성’으로 채우는 대신 정해진 모양대로 ‘성’을 나열하고 고정해 둔다면 웃는 얼굴모습, 또는 이번 대한민국팀이 만들었던 하트 모양의 불꽃들도 만들어 낼 수 있게 됩니다. 조금 상상하시기 어려운 분들을 위해 예를 들어보자면, 수박과 같은 생긴 폭탄의 내부에 수박씨가 일정한 모양을 갖고 박혀있다면 수박모양의 폭탄이 터지면서 전방향으로 퍼져나가는 수박씨의 모습을 보는 것이 우리가 보는 불꽃놀이의 모양이 되는 것과 같습니다. 

 

불꽃놀이는 시각적인 효과를 극대화하기 위해서 테마를 갖는 음악을 배경으로 깔기도 하고, 또 폭죽이 터지는 소리를 증폭하여 더 극적인 효과를 만들어 내기도 합니다. 이렇게 폭발음을 증폭시키기 위해 폭죽에 함께 넣는 첨가물을 살루트(salute)라고 하는데, 티타늄(titanium)과 급속산화제(rapid oxidizing agent) 등을 혼합하여 만듭니다. 이 첨가물은 폭발이 순간적으로 일어나도록 도움으로써 폭발음이 한순간에 응집될 수 있게 하며, 하늘 높이 올라간 연화가 ‘펑'하는 커다란 소리와 함께 꽃모양으로 터져나가는 모습을 극적으로 연출하는 데에 도움을 줍니다. 연화가 일정 높이까지 올라가는 동안 휘파람소리를 내기도 하는데, 이는 연화의 한부분에 일부러 구멍을 뚫어서 피리를 부는 효과와 같은 원리로 소리가 나도록 만든 것입니다. 알루미늄 가루를 섞어서 지직거리며 작은 불꽃들이 타들어가듯이 타오르는 효과를 만드는 것도 불꽃놀이에서 흔히 접할 수 있는 효과입니다. 

 

독일의 철학자 아도르노(Theodor W. Adorno,1903-1969)는 ‘불꽃’을 완성의 순간에 보는 이의 앞에서 사라지는 예술의 가장 완전한 형태라고 말했습니다. 하지만, 불꽃놀이의 아름다움은 치밀하고 완벽한 계산을 통해 만들어낼 수 있는 과학적 산물이라고도 볼 수 있습니다. 폭발을 시켜 화약을 소진해야 불꽃을 만들 수 있는 특성때문에 리허설조차 할 수 없는, 그렇기에 완벽한 수학적 계산에 의해 디자인된 순서대로 조작되어야만 전체의 완성된 퍼포먼스를 만들어 낼 수 있는 불꽃놀이는 수학과 과학이 논리적으로 만들어 낼 수 있는 아름다움을 보여주는 결정체가 아닐까 생각합니다. 


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