인간은 어디까지 올라갈 수 있는가

세계의 지붕 히말라야 산계(山系)를 오르는 등반자는 반드시 중턱의 고지에서 수주일 걸려서 몸을 순응시킨다. 산꼭대기를 목표로 할 때는 반드시 산소를 가지고 간다. 그것은 말할 것도 없이 높이와 더불어 기압이 낮아져 공기가 희박해지기 때문이다.

지표면에서의 기압이란 1제곱센티미터의 단면적에서, 해발 0미터에서 대기의 상한까지 통한 공기 기둥의 무게였다. 따라서 예컨대 해발 3,000미터, 6,000미터라는 높은 산의 정상에서의 기압은 이 공기의 기둥이 산의 높이만큼 짧아지는 셈이므로 산꼭대기의 기압은 지표면의 기압보다 낮아진다. 즉 기압은 높이 올라감에 따라 낮아진다. 높은 산의 정상에서 밥을 잘 지을 수 없는 것은 이 때문이며 고도가 낮은 곳에서는 물이 100℃에서 끓지만 높은 산에서는 기압이 낮기 때문에 물이 90℃, 80℃라는 100℃보다 낮은 온도에서 끓어 버리기 때문이다. 물의 끓는점과 기압과의 관계는 <그림 1-7>과 같다.

<그림1-7> 물의 끓는점과 높이의 관계

기압은 지면 부근에서는 약 10미터 높아질 때마다 1헥토파스칼씩 낮아진다. 예컨대 도쿄 타워(높이 332미터)의 꼭대기에서는 아래의 기압보다도 대략 33헥토파스칼쯤 낮고, 후지산 꼭대기(3,776미터)에서는 지상의 시즈오카 시의 기압이 1012헥토파스칼 정도일 때는 그보다 372헥토파스칼 낮은 약 640헥토파스칼 정도의 기압이 된다. 그러면 거듭 높은 곳의 기압을 살펴보기로 하자.
예컨대 도쿄의 지상의 기압이 대략 1015헥토파스칼일 때 그 상공 9,000미터에서 관찰된 기압의 값을 살펴보면 약 300헥토파스칼로 되어 있고, 31,000미터에서는 약 10헥토파스칼로 되어 있다. 각각 지상보다도 715헥토파스칼, 1005헥토파스칼 기압이 낮다.

그런데 여기서 조금 이상한 일이 일어나고 있음을 알아차렸을 것이다. 즉 도쿄 타워나 후지산 등에서는 약 10미터 높아짐에 따라 1핵토 파스칼씩 기압이 낮아져 있을 것인데, 고도 9,000미터나 31,000미터에 그 비율을 적용하여 계산해 보면 계산이 맞지않는다. 각각의 고도의 기압의 값에 맞도록 하기 위해서는 9,000미터일 때는 약 13미터 올라갈 때마다 1헥토파스칼, 31,000미터일 때는 약 31미터 올라갈 때마다 1헥토파스칼 낮아진다는 비율이 되지 않으면 안 된다. 이것은 어떻게 된 일일까?

만일 공기 기둥의 위에서 아래까지 공기의 밀도가 일정하면 고도의 변화에 따른 기압의 변화는 어느 높이에서도 일정해야 할 것이다. 따라서 기압 변화의 비율이 일정하지 않다는 것은 아래쪽의 공기가 위쪽에 있는 공기의 무게에 짓눌려 하층일수록 공기의 농도(밀도)가 짙고 위로 갈수록 열어지고 있다는 증거이다. 이리하여 지면 가까이에서는 10미터 올라갈 때마다 1헥토파스칼씩 낮아지지만 고도가 높아짐에 따라 그 비율이 차츰 바뀌어서 60미터, 800미터 올라갈 때마다 1헥토파스칼씩 기압이 내려간다는 식으로 된다. 즉 1기압은 어느 고도까지는 고도가 높아짐에 따라 급격히 쭉쭉 낮아지고 그 다음은 변화의 비율이 완만해진다. 예를 들어 지상의 기압이 1,000헥토파스칼이라 하면 12,000미터의 고도에서 기압은 200헥토파스칼로 내려가서 지상의 기압의 5분의 1로 감소해 버린다.사람이 높은 곳에 오르면 숨 쉬기가 힘들어지는 것은 기압만의 문제는 아니다. 높은 곳이 지상보다 공기가 엷기 때문이다. 가령 공기의 농도가 위나 아래나 같다면 높은 곳은(그 곳보다 위에 있는 공기의 기둥은 작으므로) 기압은 낮아지지만 숨쉬기 힘들지는 않을 것이다.

그러면 현실적으로는 공기의 농도(밀도)와 높이와는 어떠한 관계에 있는 것일까?

공기의 밀도는 기압에 비례하고 절대 온도에 반비례한다는 관계로 되어 있다. 앞에서 언급한 것처럼 높이가 높아질수록 기압은 내려가고 공기의 밀도도 감소된다. 그러나 나중에 상세히 언급하겠지만, 온도도 높이가 증가함에 따라 낮아져서 밀도가 감소되는 것을 보충하게 된다. 그러나 실제로는 온도가 내려가는 비율은 기압이 감소하는 것보다 훨씬 작으므로 밀도는 높이에 따라 계속 작아진다. 그 상태를 나타낸 것이 <표 1-4>이다.

인간에게 정복된 지구의 지붕 히말라야의 에베레스트 산의 높이는 약 8,800미터, 기압은 대략 300헥토파스칼, 공기의 밀도는 작아서 공기 1세제곱미터는 약 460그램밖에 안되고 기압이나 밀도도 지상의 약 3분의 1이다. 그 때문에 정상에 오르려면 산소 봄베가 필요하다. 그러면 충분한 산소가 있어 위험이 없다면 인간은 어디까지라도 등반하여 갈 수 있는가 하면 그렇지는 않다. 인간이 기밀실(氣密室)이나 기밀복(氣密服) 방한복을 이용하지 않고 등반할 수 있는 한도는 약 12킬로미터라고 한다. 그 이상 높은 15킬로미터가 되면 기압은 120헥토파스칼로 내려가서 공기 그 자체가 폐 속으로 들어갈 수 없게 된다. 그리고 거듭 고도가 올라가 18킬로미터 정도 되면 <표 1-4>에서 추측할 수 있는 것처럼 혈액이 인간의 체온인 36℃에서 끓기 시작한다.