Two years of moisture monitoring using microwave sensors in the medieval cave town of Uplistsikhe, Georgia

바위 깊은 곳, 눈에 보이지 않는 곳에서, 시간과 맞서는 조용한 전투가 끊임없이 벌어지고 있다. 이것은 암석 수분에 관한 이야기로, 고대 구조물의 운명을 결정짓는 조용하지만 강력한 힘에 대한 기록이다. 물은 단순히 표면에 머무는 액체가 아니다. 그것은 암석의 미세한 구멍 속으로 스며들어, 온도와 습도 변화에 따라 팽창하고 수축하는 역동적인 대리인이다. 이 수분이 암석 안팎으로 움직일 때, 이는 화학 반응과 물리적 스트레스를 유발하여 암석이 조각나고, 부서지며, 결국 분해되게 만든다. 중세 성곽부터 고대 동굴 도시까지, 세계의 문화유산에 있어 이 물이 어디에서 오는지, 그리고 어떻게 이동하는지를 이해하는 것이 이 대체 불가능한 보물들을 구하는 열쇠이다. 습기의 근원을 알지 못한다면, 유적을 보존하려는 모든 시도는 종종 추측에 불과하며, 잘못된 추측은 때때로 득보다 실이 많을 수 있다.

조지아의 심장부에 위치한 중세 동굴 마을 울피스타이케(Uplistsikhe)는 이러한 투쟁의 극적인 사례로 서 있다. 부드러운 황색 사암으로 된 거대한 절벽을 직접 깎아 만든 이 마을은 중세 전성기 동안 번창하던 중심지였으나 수 세기 전 버려졌다. 오늘날, 그 방들과 복도들은 전 세계의 암석을 괴롭히는 것과 동일한 부식 현상을 겪고 있다. 표면은 얇은 층으로 벗겨지고 있으며, 암석은 알갱이 형태의 가루로 변해가고 있다. 과학자들은 오랫동안 그 원인이 암석 내부의 변동하는 습도라고 의심해 왔지만, 이 깊은 동굴들의 안쪽까지 물이 도달하는 정확한 경로는 여전히 미스터리로 남아 있었다. 이를 해결하기 위해 독일, 오스트리아, 조지아의 연구진은 암석 자체의 목소리에 귀를 기울이기로 했다. 그들은 마을에서 가장 중요한 두 개의 동굴인 그랜드 홀(Grand Hall)과 롱 홀(Long Hall) 내부에 특수 센서 네트워크를 설치하여 2년 동안 지속적으로 습도 수준을 모니터링했다.

그들이 사용한 기술은 마이크로파 감지 방식의 일종으로, 암석에 에너지 펄스를 보내 반사되는 양을 측정하는 방법이다. 물은 건조한 암석과 에너지를 보유하는 방식이 다르기 때문에, 센서는 고대의 벽을 뚫거나 손상시키지 않고도 정확히 얼마나 많은 수분이 존재하는지 감지할 수 있다. 연구팀은 총 8개의 센서를 설치했는데, 일부는 바닥 근처에, 일부는 천장 근처에 배치했으며, 일부는 동굴 깊숙한 곳에, 다른 일부는 동굴 바로 바깥에 배치했다. 측정의 정확성을 보장하기 위해, 연구진은 먼저 해당 유적지의 것과 동일한 유형의 사암 블록을 실험실로 가져갔다. 그곳에서 돌을 완전히 건조시킨 후 물에 담가, 센서의 전자 신호를 정밀한 수분 함량 수치로 변환할 수 있도록 교정했다. 또한 온도 변화가 센서를 속일 수 있다는 점을 고려하여, 암석의 열기나 냉기에 따라 데이터를 조정하는 방법을 개발했다.

장비가 가동되자, 센서들은 암석 내부의 삶에 대한 복잡하고 놀라운 모습을 드러내기 시작했다. 데이터는 명확한 계절적 리듬을 보여주었다. 암석은 일반적으로 여름철에 더 젖어 있고 겨울에는 더 건조했다. 비가 오는 계절에 돌이 가장 젖을 것이라는 예상과는 상반되는 직관에 어긋나는 결과였는데, 여름의 열기가 공기 중의 수분을 암석 안으로 몰아넣거나, 혹은 지면으로부터 물을 끌어올리는 것으로 보였다. 연구진은 암석이 서로 다른 기상 현상에 각기 다른 방식으로 반응한다는 것을 발견했다. 폭우가 내릴 때, 롱 홀의 노출된 외벽에 있는 센서들은 비가 표면에 닿자마자 즉각적으로 반응하며 수분 수치가 급등했다. 그러나 그랜드 홀 깊은 곳의 센서들은 즉각적으로 반응하지 않았다. 대신, 폭풍이 지나간 후 수치가 상승하기까지 때로는 며�칠이 걸리는 지연된 반응을 보였다. 이 지연은 물이 단순히 표면에 머무는 것이 아니라, 위에서부터 암석을 통해 천천히 스며들어 동굴 천장을 통과한 뒤 마침내 센서에 도달한다는 것을 시사했다.

연구는 또한 물이 단 하나의 경로가 아닌 여러 가지 다른 경로를 통해 유입된다는 사실을 밝혀냈다. 어떤 경우에는 공기 중의 수증기가 차가운 암석 표면에 내려앉는 응결 현상에 의해 수분이 유입되는 것으로 나타났다. 또 다른 경우, 특히 그랜드 홀 바닥 근처에서는, 폭우 후에 주변 언덕의 지하수위가 높아짐에 따라 발생하는 모세관 현상(capillary rise)에 의해 지면 아래에서 물이 끌어 올려지는 듯한 방식으로 수분 수치가 상승했다. 연구진은 암석이 정적인 물체가 아니라, 습한 시기에는 물을 흡수하고 건조한 시기에는 물을 배출하며 숨을 쉬는 살아있는 시스템임을 관찰했다. 낮 동안 태양이 표면을 데우고 밤에 암석이 식는 과정에 의해 구동되는 이 일일적인 습윤-건조 순환을 연구팀은 일종의 '증발 펌핑(evaporative pumping)'이라고 설명했다.

아마도 가장 중요한 발견은 이 유적지를 보존하기 위한 단일한 해결책은 존재하지 않는다는 점일 것이다. 그랜드 홀과 롱 홀로 물이 들어오는 경로가 각각 다르기 때문에—하나는 하늘로부터, 하나는 지면으로부터, 또 하나는 공기로부터—한 동굴에 효과적인 방법이 다른 동굴에는 효과적이지 않을 수 있다. 연구진은 동굴을 방수 코팅제로 밀봉하려는 시도는 오히려 내부의 습기를 가두어 부식을 가속화할 수 있으므로 실수일 가능성이 높다고 결 결론지었다. 대신, 가장 좋은 접근법은 물이 유입되는 지점을 관리하는 것이다. 예를 들어, 동굴 입구 쪽으로 빗물을 유도하거나, 언덕의 지하수위를 낮추어 위쪽으로 끌어올리는 힘을 줄이는 방식이다. 2년간의 모니터링은 고대 유적의 숨겨진 수문학에 대한 드물고 상세한 시각을 제공했으며, 암석을 구하기 위해서는 먼저 그 안에 움직이는 보이지 않는 물을 이해해야 한다는 사실을 증명했다.