비행기를 타면 방사선을 더 쬔다고요? — 하늘에서 얇아지는 담요 이야기

기내식 먹다가 이 얘기를 들으면 괜히 불안해지죠

"비행기 타면 방사선 더 맞는다던데?" 누군가 이런 말을 툭 던지면 순간 움찔하게 됩니다. 그런데 결론부터 말씀드리면, 이 말 자체는 사실입니다. 다만 "그래서 위험하다"로 바로 이어지지는 않아요. 오늘은 왜 하늘 위로 올라갈수록 방사선을 더 많이 맞게 되는지, 그 정체가 뭔지, 그리고 그게 우리 일상에서 실제로 어느 정도 의미가 있는 수치인지를 차근차근 풀어보겠습니다.

주인공은 우주선(宇宙線, cosmic ray)입니다. 우주"선"이라고 하면 스페이스십이 떠오르실 텐데, 여기서는 "우주에서 날아오는 방사선(광선)"이라는 뜻이에요. 태양과, 태양계 훨씬 바깥의 은하 저편(초신성이 남긴 잔해 등으로 추정)에서 쉬지 않고 지구로 쏟아지는 고에너지 입자들을 통틀어 부르는 말입니다. 성분을 뜯어보면 약 90%가 양성자(수소 원자핵), 약 9%가 알파입자(헬륨 원자핵)이고 나머지 1% 정도가 더 무거운 원자핵들이에요. 이 입자들이 대기 상층부의 공기 분자(질소, 산소)와 부딪히면 중성자 등 2차 입자들이 소나기처럼 쏟아져 내려오는데, 그중 일부가 지표면까지, 그리고 비행기가 다니는 고도까지 도달합니다.

사실 이 우주선은 자연에 늘 존재하는 배경방사선의 네 갈래(우주선·땅과 건물에서 나오는 지각방사선·라돈 흡입·음식물 섭취) 중 하나일 뿐이라, 평소엔 존재감이 크지 않습니다. 그런데 유독 "고도"라는 조건이 붙으면 얘기가 완전히 달라지거든요.

우리는 매일 '물 10미터'를 이고 삽니다

본격적인 이야기에 들어가기 전에, 왜 지상에서는 우주선이 별 것 아닌 수준으로 걸러지는지부터 짚고 가겠습니다. 답은 간단합니다. 대기 자체가 두툼한 방패거든요.

우리 머리 위를 덮고 있는 공기 전체의 무게를 눌러 담으면 얼마나 될까요? 해수면 기준 대기압(약 1013 hPa)을 무게로 환산하면, 1㎠ 넓이의 기둥에 약 1kg 남짓한 공기가 얹혀 있는 셈입니다. 이걸 물로 바꿔서 같은 무게가 되려면 물기둥이 얼마나 필요할까요? 계산해보면 약 10미터입니다. 즉 우리는 평소에 "물 10미터 두께"에 맞먹는 공기 방벽을 머리에 이고 사는 셈이에요. 이 두꺼운 공기 방벽이 우주에서 쏟아지는 입자 대부분을 걸러내는 겁니다.

고도가 오를수록 담요가 한 겹씩 벗겨집니다

그런데 비행기는 이 방패를 뚫고 위로 올라갑니다. 여객기가 순항하는 고도는 대략 10~ 12km인데, 이 높이에서 대기압을 재보면 지상의 5분의 1 수준(약 19~26%)밖에 안 남아요. 다시 말해 우리가 이고 있던 방패의 4/5 가량이 이미 우리보다 아래쪽에 깔려 있고, 비행기는 그 얼마 안 남은 얇은 층 위를 날아다니는 겁니다.

담요를 겹겹이 덮고 자다가, 이불을 한 장씩 걷어내는 장면을 떠올려보세요. 두꺼운 이불 네 장 중 세 장을 걷어내고 얇은 담요 한 장만 남은 상태, 그게 바로 여객기 순항고도의 대기 상태입니다. 담요가 얇아진 만큼 바깥의 냉기(우주선)가 더 잘 느껴지는 것과 같은 이치로, 고도가 높아질수록 우주선이 더 많이 뚫고 들어옵니다.

실제로 대략 고도 1,500~ 2,000m씩 높아질 때마다 우주선 세기가 대략 2배씩 늘어나는 경향이 있다고 알려져 있습니다. 1,800m 등으로 소폭 차이가 있어 최신 문헌으로 재확인 권장 --> 지상에서는 우주선 피폭률이 시간당 0.1 마이크로시버트(μSv/h)에도 못 미치는 수준인데, 여객기 순항고도에서는 대략 시간당 2~ 8 마이크로시버트 수준까지 올라갑니다. 

8 μSv/h는 여러 참고자료의 대략적 범위이며, 특정 항로의 정확한 실측치는 별도 확인 필요 --> 숫자로 보면 지상보다 수십 배가 늘어난 셈이니 꽤 놀랍지만, 절대적인 크기 자체는 여전히 마이크로시버트, 즉 시버트의 100만분의 1 단위라는 점을 놓치면 안 됩니다.

참고로 우주선은 고도가 오른다고 끝없이 계속 세지기만 하는 건 아닙니다. 고도 약 15~ 20km 부근에서 정점을 찍은 뒤에는 오히려 다시 줄어드는데, 여객기가 다니는 10~12km는 아직 그 정점에 도달하기 전, 즉 "올라갈수록 계속 세지는" 구간에 해당합니다.

북극항로가 조금 더 따갑다? — 지구자기장의 편애

같은 고도를 날아도 어느 노선을 타느냐에 따라 우주선 노출량이 살짝 달라진다는 점도 흥미로운 대목입니다. 지구자기장은 하전입자(전기를 띤 우주선 입자 대부분)를 자석 극 쪽으로 끌어당기는 경향이 있어서, 적도 부근보다 극지방 상공에서 저에너지 우주선까지 더 많이 통과할 수 있습니다. 한 자료에서는 위도 70도 부근이 위도 25도 부근보다 우주선 피폭률이 약 4배 높다는 추정치를 제시하기도 했습니다. 그래서 북극을 가로지르는 항로(북극항로)가 적도 부근을 지나는 노선보다 같은 비행시간이라도 우주선 노출이 다소 더 높은 경향이 있다고 이야기됩니다.

이건 훗날 021편에서 다룰 "방사선과 물질이 어떻게 상호작용하는가", 그리고 022·023편에서 다룰 "차폐란 무엇인가"의 아주 좋은 예고편이기도 합니다. 대기라는 물질이 두꺼울수록(=지상에 가까울수록), 그리고 자기장이라는 또 다른 방벽이 강하게 작동할수록(=적도에 가까울수록) 우주선이 더 잘 걸러진다는 것, 이게 바로 "차폐"라는 개념의 아주 자연스러운 실생활 버전이거든요. 차폐의 세부 원리는 그때 가서 더 깊이 다루기로 하고, 오늘은 딱 이 정도만 살짝 맛보고 넘어가겠습니다.

그래서 비행기 한 번 타면 실제로 얼마나 쬐는 걸까요

수치를 몸으로 느낄 수 있게 실제 사례를 하나 볼게요. 장거리 국제선(예: 유럽-북미 왕복 1회) 기준으로 추가되는 피폭량은 대략 수십에서 100여 마이크로시버트 수준이라는 추정치가 흔히 인용됩니다. 우리 몸은 어차피 자연방사선만으로도 연간 평균 약 2.4 밀리시버트(mSv, 1 mSv = 1,000 μSv)를 쬐고 사는데, 그중 우주선 몫은 해수면 기준으로 연간 약 0.39 mSv 정도입니다. 장거리 비행 한 번의 추가분(수십~100여 μSv)은 이 연간 총량에 비하면 작은 조각을 더하는 정도입니다.

그렇다면 하늘에서 거의 살다시피 하는 사람들, 즉 항공승무원은 어떨까요? 국제방사선방호위원회(ICRP)는 항공승무원을 우주선에 대해 직업적으로 노출되는 대상으로 보고 있고, 실제로 유럽연합을 포함한 여러 나라가 항공사에 승무원의 우주선 피폭량을 평가·관리하도록 법으로 정해두고 있습니다. 특히 극지 장거리 노선에 자주 투입되는 승무원의 경우 연간 피폭이 대략 1~ 6 mSv 수준으로 추정되며, 이는 원자력발전소 등에서 일하는 방사선작업종사자의 일반적인 연간 선량한도(20 mSv, 5년 평균 기준)보다는 낮은 수준입니다. 이 사실은 "승무원이 위험한 직업이다"라고 단정하려는 게 아니라, "지상 근무자보다 이 경로로 인한 피폭이 다소 더 있을 수 있어 별도로 관리되는 직군"이라는 정도로 이해하시면 됩니다.

오늘의 한 줄 정리

• 우주선은 태양과 은하 저편에서 날아오는 고에너지 입자(주로 양성자)이며, 자연방사선 4대 출처 중 하나다
• 지구 대기 전체는 물 10m 두께에 맞먹는 자연 방패 역할을 하며, 고도가 높아질수록 이 방패(대기)가 얇아져 우주선 피폭률이 늘어난다
• 여객기 순항고도(10~12km)에서는 대기가 지상의 약 5분의 1만 남아, 지상보다 훨씬 높은 우주선 피폭률을 보인다(단 절대량은 여전히 마이크로시버트 수준)
• 지구자기장 때문에 극지방을 지나는 항로가 적도 부근 항로보다 우주선 노출이 다소 더 높은 경향이 있다
• 장거리 비행 1회의 추가 피폭은 연간 자연방사선 총량에 비하면 작은 조각이며, 항공승무원은 이 경로로 인해 일반인보다 다소 더 많은 피폭을 받을 수 있어 별도로 관리되는 직군이다
• 대기(물질)와 자기장이 우주선을 걸러내는 이 원리는 앞으로 다룰 "차폐"라는 개념의 실생활 버전이다