[과학을읽다]불꽃놀이 '불꽃'에 숨은 과학

화려한 불꽃놀이의 불꽃 속에는 어떤 과학이 숨어 있을까요. [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]가을은 결실의 계절이자 축제의 계절입니다. 한해의 결실을 축하하기 위한 축제가 단풍과 어울리는 10월이면 절정을 맞이 합니다.

축제하면 가장 먼저 떠오르는 것이 '불꽃놀이'입니다. 불꽃놀이는 화약이나 숯 등을 이용해 불꽃을 만들며 노는 놀이였는데 중국에서 1000여 년전에 발명됐다고 합니다. 우리나라에서는 1373년 최무선이 화약 제조법을 발명한 이후 나라에서 화약을 다루는 기술을 가르치기 위해 놀이 겸 행사로 불꽃놀이가 매년 열렸다는 기록이 있습니다.

불꽃놀이에 사용하는 폭죽을 '연화(煙火)'라고 합니다. 대부분의 불꽃놀이는 발사관을 이용해서 이 연화를 하늘을 향해 쏘아 올리고, 연화가 일정한 높이에 도달한 뒤 화약이 폭발하면서 아름다운 불꽃들을 쏟아내는 것이지요.

불꽃은 금속의 연소반응과 불꽃반응 원리로 만들어집니다. 각 금속들이 화약과 함께 연소하면서 산소와 결합하는데 이 때 금속에 따라 서로 다른 색깔의 빛을 지닌 불꽃을 내는 것입니다.

알루미늄(AI)은 은색(백색), 나트륨(Na)은 노란색, 스트론튬(Sr)은 붉은색, 구리(Cu)는 파란색, 바륨(Ba)은 녹색으로 연소합니다. 보라색는 붉은색과 푸른색을 합치면 되는 것처럼 스트론튬(Sr)과 구리(Cu)를 함께 연소시키면 되는 것이지요.

불꽃놀이는 연화를 일정한 방향과 각도로 쏘아 올리는 '발사포'와 일정 시간과 높이까지 '불꽃별'의 폭발을 지연시켜 주는 '도화선', 흑색화약과 별을 하나로 모아서 하늘로 쏘아 올리는 화공품인 '꽃불류', 마지막에 연소되면서 아름답게 하늘을 수놓는 불꽃이 되는 '불꽃별'로 구성됩니다. 핵심은 발사포에서 쏘아 올릴 연화 속에 활화약과 함께 차곡차곡 채워진 불꽃별입니다. 불꽃별에 어떤 화학제를 넣으냐에 따라 불꽃의 모양과 색이 결정되지요.

이렇게 연화가 완성되면 불꽃놀이의 목적에 맞는 프로그램을 만듭니다. 요즘 불꽃놀이는 축제의 하일라이트인 만큼 공연처럼 즐길 수 있는 것도 이 때문입니다. 컴퓨터 프로그램, 전기 점화장치 등을 이용해서 불꽃의 발사시간과 터지는 시간을 미세하게 조절해 하나의 '작품'을 완성하는 것이지요.

그렇다면, 직경 수십미터에 달하는 불꽃을 만들어 내는 화약을 터뜨리는데 주변에 피해가 가지는 않을까요? 불꽃놀이는 화약이 연소되면서 발생하는 추진력을 이용합니다. 고체 상태인 화약이 기체 상태로 바뀌면서 발생하는 엄청난 부피의 증가를 이용한 것이지요. 사방 수십미터로 불꽃이 순간적으로 퍼져나가는 것은 이 때문입니다.

불꽃놀이에 사용되는 화약은 '흑색화약'입니다. 흑색화약은 질산칼륨, 황, 숯으로 이뤄져 있는데 폭발 속도가 음속과 비슷한 초당 300m 정도입니다. 이는 음속의 10배 이상인 폭탄에 사용되는 폭약의 폭발 속도에 비해 한참이나 느린 것입니다. 따라서 흑색화약으로 인한 충격파는 거의 발생하지 않으므로 연화가 폭발할 때는 폭탄과 같은 커다란 폭음이 발생하지는 않습니다.

화려한 불꽃놀이는 과학적 원리와 치밀한 계산에 따라 프로그램된 것입니다.[사진=유튜브 화면캡처]

만약 불꽃놀이에 사용하는 화약이 포탄에 사용되는 폭발작약과 같은 종류라면 초속 3500m 이상의 폭발 속도 때문에 커다란 충격파가 발생해 주변 건물의 유리창은 남아나지 않겠지요. 그래도 화약이 터지는 만큼 어느 정도의 큰 소음은 불가피합니다. 그래서 대규모 불꽃놀이를 할 때는 강 한가운데 바지선이나 커다란 광장의 한 가운데 발사포를 설치한다고 합니다.

불꽃놀이는 보기에는 화려하지만 문제점도 적지 않습니다. 폭죽이 연소하면서 오존이 발생하기도 하고, 녹색 불꽃을 만들기 위해 사용되는 바륨(Ba)이 눈과 함께 떨어져 인체에 유입되면 천식을 일으킬 수도 있다고 합니다. 불꽃놀이에 사용된 다양한 금속가루들이 인체에 좋은 영향을 주지 않는다는 것이지요. 밤하늘을 화려하게 수놓는 불꽃에 더 가까이 가려고 하기보다는 어느 정도 거리를 두고 감상하는 것이 더 좋습니다.

바닷가에서 소규모 불꽃놀이를 할 수 있는 완구용 폭죽의 경우도 주의해야 합니다. 폭죽에 사용되는 화약이 폭약에 비해 연소 속도가 느리지만 폭발력은 강합니다. 손에 잡고 터트리거나 사람을 향해 발사하면 매우 위험합니다.

축제 때의 화려한 불꽃놀이는 과학적 원리와 치밀한 계산에 따른 프로그램의 결과입니다. 시중에서 폭죽을 대량 구매해 축제 때의 불꽃놀이를 흉내 내려 해서는 안됩니다. 화려한 구경보다 안전이 우선입니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr