By 아마도 초기 미국의 우주 과학자들에게 있어서 무중력 상태에서의 촛불 문제는 상당히 골칫거리였나봅니다. 최초로 우주선이 우주로 나아간 뒤에 실험한 것이 우주에서의 촛불 관찰이었다고 합니다. 우주에서 화재가 발생하면 치명적이 될 수 있기 때문에 대비하기 위해서였답니다. 우주에서의 화재 위험성은 다른 글에서 다뤄보도록 하겠습니다.
지구에서는 중력이 있습니다. 따라서 따뜻한 공기는 가벼워져서 위쪽으로 올라가고, 그 공간을 주변 공기가 메우게 됩니다. 이것을 우리는 대류라고 부릅니다. 대류는 중력이 있기에 발생하는 현상입니다.
촛불의 하부는 파란색 불꽃입니다. 대류에 의해 흘러든 공기가 처음 불꽃에 접하는 부분이라 원활이 산소가 공급되므로 완전연소가 일어나서 파란 불꽃이 됩니다. 불꽃 하부에서 발생하는 열은 초를 녹이는데도 사용됩니다.
촛불에 의해서 뜨거워진 공기는 팽창하면서 위쪽으로 상승하기 때문에 불꽃이 위쪽으로 길게 늘어납니다. 아래쪽에서 이미 한번 연소한 공기가 지나가기 때문에 산소가 충분하지 않아서 탄소 원자가 모두 이산화탄소가 되지 못하고 불완전연소하여 붉게 발광하게 됩니다.
이제 중력이 없는 우주를 생각해 보자구요….. “일단 중력이 없으면 대류는 생각할 수가 없다.”
촛불에 의해서 이미 타버린 데워진 공기는 중력이 없어서 다른 곳으로 이동하지 못하고 그 자리에 가만히 머뭅니다.
촛불이 타면 탈수록 주변의 산소는 고갈되고 이산화탄소가 증가해서 점차로 초는 연소가 힘들어집니다. 하지만 이 상태가 계속되어 초불이 꺼지느냐 하면 그것은 아니고, 점차 촛불이 줄어들다가(처음에 너무 작게 시작했다면 좀 커지겠죠.) 어느 정도의 크기가 되면 더 이상 줄어들지 않고, 크기를 유지하면서 안정된 불꽃을 유지하게 되는데, 불꽃이 꺼지지 않고 일정크기를 유지하게 되는 이유는 공기 내부에서 일어나는 확산작용 때문입니다. 확산작용은 공기중에서 연기가 흩어지는 것 같은 현상을 말하는데, 발생한 이산화탄소는 대류 없이도 공기의 분자운동에 의해서 어느정도 주변으로 확산되고, 주변 산소가 어느정도 불꽃으로 확산되어 공급되기 때문입니다. (참고 웹사이트 : Nasa 홈페이지 (영문) )
이때 촛불의 모양은 심지를 제외한 모든 방향이 구 모양을 하게 되는데 확산은 촛불 주변에서 방향에 상관없이 매우 균일하게 일어나기 때문입니다. 확산 현상은 공기 온도와 압력에 의해서 달라집니다. 따라서 공기 온도와 압력에 따라서 불꽃의 크기가 바뀝니다.
사진의 왼쪽은 중력이 있는 지구에서의 촛불 사진이며, 오른쪽은 무중력 촛불 사진입니다.
무중력 촛불이 파란 이유는 대류에 의해 급격하고 강제적으로 공기가 이동하지 못하고 확산에 의해 서서히 이동하여 모든 탄소원자가 온도가 높아지면 무조건 연소하기 때문입니다.[footnote]마치 중력에서의 촛불의 하부만 있다고 생각해도 될 듯 합니다. 중력에서 윗쪽이 붉은 것은 글 첫머리에서도 언급했듯이 산소가 모자라 기화된 초가 연소를 채 다 하기 전에 뜨거운 곳으로 이동하기 때문에 연소하지 못한 탄소원자가 뜨거워지기 때문입니다. 그 결과 그으름이 생기게 됩니다.[/footnote]
그러나 실제로 우주선 안에서의 촛불모양은 좀 다를 수 있습니다. 이는 우주선은 항상 불균일하게 가열되고 있으며, 자체진동, 기기 작동에 따른 진동 등으로 심하게 흔들리기 때문입니다.
보충질문
이 문제에 답하기 위해서는 일단 가정이 있어야 하는데 낙하거리가 충분하고, 떨어지는 통은 전혀 회전이나 진동을 하지 않는다고 가정해야 합니다. 회전이나 진동한다는 것 자체가 초에 쉽게 산소를 공급해 줄 수 있는 조건이 될 수 있습니다.
우선 초가 중력하에서 타고 있었으므로 대류에 의해서 활발히 타고 있었을 것입니다.
이것이 낙하와 동시에 갑자기 무중력으로 바뀌는 것이므로 대류가 순간적으로 없어지고, 확산에 의해서만 연소하는 체제로 바뀌어야 합니다.
중력하에서는 많은 산소의 공급으로 많은 산소를 많이 소모하면서 크게 불길이 타오르던 불꽃은 갑자기 산소의 공급이 줄어들므로 주변의 산소를 모두 소모하게 됩니다. 그러므로 순간적으로 주변에는 산소가 부족하게 되고, 따라서 촛불은 꺼지게 됩니다.
물론 무중력으로 바뀌는 순간에 회전이나 진동을 하게 되면 산소 공급이 조금씩이라도 되므로 불이 안 꺼질 수도 있습니다. 또한 중력이 지구보다 작은 천체(달이라던지..)이거나 압력과 기온이 다른 조건에서는 중력 하에서의 대류와 확산의 비중이 틀릴 것이기 때문에 안 꺼질 수도 있습니다.(그건 그 조건에서 실험을 해 봐야 알 수 있는 것이겠죠..^^)
예전에 TV에서 실험하는 다큐멘터리를 본 적이 있는데, 사람 키 높이에서는 꺼지지 않습니다. (꺼진다면 떨어질 때 받는 충격 때문입니다.)
