왜 고온다습으로 사람이 죽을 위험이 높아질까?

Very hot sunshine of july. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Very_hot_sunshine_of_july._Chaud_soleil_de_canicule_de_juillet_-_panoramio.jpg

최근에는 지구온난화로 인해 많은 지역에서 열사병의 위험이 높아지고 있고 2021년 6월 하순부터 캐나다와 미국을 강타한 폭염으로 수백 명이 사망하는 사태가 발생했습니다. 열사병 등으로 사망할 위험에는 고온뿐만 아니라 높은 습도도 크게 관계하고 있는데, 고온다습의 환경이 인간의 생존을 위협하는 메커니즘에 대해 텍사스A&M대학의 기상과학자인 앤드류 데스라 교수가 설명합니다.

첫째, 인간의 체온은 항상 섭씨 36~37도 정도로 유지하고 있으며 이 온도보다 너무 높아서도 너무 낮아서도 안 됩니다. 동시에 인간의 신진대사 기능은 약 100W(초당 1줄)의 에너지를 생성하고 있어 36~37도의 체온을 유지하면서 100W의 열에너지를 주변환경에 계속해서 방출해야 합니다.

체온을 유지하는 방법은 물질의 온도변화를 수반하는 '현열전달'과 물질의 상태변화를 수반하는 '잠열전달'이라는 2가지가 있습니다. 현열전달은 주위의 공기와 몸의 온도구배를 이용한 방열이 이루어지고 있으며, 기온이 체온보다 낮은 경우 체내의 열이 공기로 방출됩니다. 기온이 섭씨 24도~27도라면 몸에서 공기로 방출되는 열에너지가 100W 정도로 유지되기 때문에 이 범위의 온도는 일반적으로 생활하기 쾌적합니다.

만약 기온이 섭씨 24도보다 훨씬 낮은 경우 몸에서 방출되는 열에너지가 많아지기 때문에 사람들은 옷을 껴입는 등 피부에 닿는 공기의 온도를 조절할 수 있습니다. 그러나 걱정되는 것은 기온이 섭씨 27도를 훨씬 초과한 경우입니다. 기온이 섭씨 30도 정도로 상승하면 일반적 기류만으로는 몸에서 충분한 열을 방출할 수 없습니다. 이 문제를 해결하는 방법 중 하나가 선풍기 등을 사용하는 것입니다. 선풍기 등의 바람으로 기류가 만들어져 피부 표면의 공기의 흐름이 증가하면 온도구배가 낮아도 100W의 열에너지를 방출할 수 있다고 데스라 씨는 설명합니다.

다른 방법으로는 '땀'을 들 수 있습니다. 땀은 액체에서 기체가 되는 증발이 일어날 때 '잠열전달'로 대량의 열을 빼앗아갑니다. 1g의 땀이 증발할 때 빼앗기는 열에너지는 2250줄로, 초당 0.04g(분당 2.6g)의 땀이 증발하면 100W의 열에너지를 방출할 수 있습니다.

땀이 증발할 때의 잠열전달이 있어 기온이 36도를 넘을 정도로 높아 현열전달이 불가능하게 된 경우라도 몸에서 열에너지를 방출할 수 있습니다. 따라서 애리조나주의 피닉스처럼 건조한 지역에서 기온이 48도를 넘어도 어떻게든 인간이 생존할 수 있습니다. 물론 48도의 기온은 인간에게 가혹한 것입니다.

그럼 '기온이 섭씨 36.7도에 습도가 100%'이라는 상황에 대해 생각해 보겠습니다. 기온이 섭씨 36.7도의 경우 체온과의 온도구배가 없기 때문에 현열전달은 일어나지 않고, 습도가 100%이라고 땀이 증발하지 않기 때문에 잠열전달 역시 일어나지 않습니다.

그렇게 되면 몸이 열에너지를 방출하는 수단이 더 이상 없어서 열에너지는 그대로 체내에 머물게 되고 점차 체온이 상승합니다.

이 상황이 계속되면 체온이 너무 상승하게 되어서 사망에 이른다고 데스라 씨는 경고합니다. 따라서 폭염으로 인해 사망할 위험은 기온상승뿐만 아니라 습도의 상승도 함께 고려해야 합니다. 열에너지를 방출하지 못하고 사망하는 위험을 검토하는 데 도움이 되는 것이 '습구흑구온도(WBGT)'입니다.

습구흑구온도는 폭염 속에서의 활동위험을 판단하기 위해 미해병대가 개발한 지표로 더위지수라고도 불립니다. 다음의 이미지는 일본생기상학회가 발표한 '일상생활에서의 열사병 예방지침 ver.3'을 바탕으로 한 상대습도 및 온도에서 간이적으로 더위지수를 구하는 그래프입니다. 더위지수가 '31'을 초과하면 '위험'인데 고온다습한 한국은 여름에 '위험' 영역에 돌입하는 경우가 흔합니다.

WBGT check table. https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:WBGT_check_table_01-ja.svg

데스라 씨는 '(더위지수) 20 후반의 값이 되는 것은 좋지 않습니다. 값이 체온에 가까운 35정도가 되면 살아남기 어려워지고 그 이상이 되면 사망할 것"이라며 기후변화로 향후 여름철 더위지수가 30을 넘는 지역이 늘어날 것이라며 그러한 지역이 과연 '거주 가능한 곳'인지를 고려할 필요가 있다고 주장합니다.