2018년 평창 동계올림픽 개막식에서 근육질 몸매를 뽐냈던 통가 선수단 기수 기억나세요? 이때 섬나라 통가의 기수는 평창의 추위에도 불구하고 속옷을 벗고 통가 전통의상을 입고 등장하여 화제가 되었는데, 최근 이 나라에서 큰 화산폭발로 일어났다고 합니다. 1월 15일에 발생한 폭발 규모는 천 년에 한 번 있는 규모라고 평가했습니다.
이번 분화로 통가도는 화산재로 덮여 전력 공급이 두절되고 통신도 두절되었다고 합니다. 게다가 이 화산의 충격파에 의해 세계 각지에서 해일이 발생한 것입니다만. 통가에서 1만km 이상 떨어진 페루에도 쓰나미가 밀려와 2명이 익사하는 사고가 발생했습니다. 그럼 여기서 나오는 충격파는 무엇일까요?
통가화산의 폭발위성사진 ↗ Tonga Meteorological Services 충격파 충격파의 전파속도보다 파동을 발생시키는 ‘파원의 속도’가 더 빠를 때의 파동을 충격파라고 합니다. 간단히 말하면, 제가 만든 파동보다 제 자신이 빨리 움직일 때 발생하는 파동을 말합니다.
예를 들면 소방차가 멈춰 있는 상태에서 사이렌을 울리면 어떻게 될까요? 소방차를 중심으로 사이렌 소리가 확산되지만, 이 소리도 하나의 파동이기 때문에, 파동이 전파되고 있다고 표현할 수 있습니다. 그 대신 파동을 만들어 내는 파원은 정지해 있는 상태입니다. 그렇다면 소방차가 앞으로 움직여 사이렌을 울리게 되면 어떻게 되는 것일까요? 이 때는 파동뿐만 아니라 파동을 만드는 파원도 이동을 한 상태입니다.
물체 속도에 따른 음파의 형태 (a)정지 , (b)물체 이동속도보다 소리속도가 더 빠를 때 , (c)물체 이동속도와 소리속도가 같을 때 , ☞ Pearson Prentice Hall 에서는 움직이는 이 소방차는 충격파를 만들 수 있을까요 ? 이럴 때는 속도의 비교가 됩니다. 아까설명할때충격파는파동의전파속도보다파원의이동속도가빠를때발생한다고했습니다. 소방차로 예를 들면 소리는 파동이기 때문에 소리의 속도보다 소리를 만드는 소방차의 속도가 빠르면 충격파가 일어납니다. 소리의 속도는, 대략 초속 340 m 입니다. 소방차가 초속 340미터보다 빠르면 충격파는 생깁니다만, 소방차의 이동 속도가 그만큼 빠를 수는 없기 때문에 충격파를 만들어낼 수는 없습니다.
그렇다면 소리보다 빠른 물체는 충격파를 만들어 낼 수 있을까요? 맞습니다. 예를 들어, 소리보다 빠르고 초음속으로 움직이는 제트기는 충격파를 만들어냅니다. 제트기가 날 때 속도를 올리고 매우 빨라져서 음속과 같은 속도가 되는, 그 이후에는 음속을 돌파하고 소리는 제트기의 속도를 따라잡을 수 없습니다. 이렇게 전파되는 소리의 속도보다 소리를 만들어 내는 내 속도가 더 빠를 때 만들어지는 파동을 충격파라고 합니다.
물체의 속도가 소리의 속도보다 빨라 네이버 지식백과에 충격의 물결이 밀려와서 음파가 뒤로 밀려있는 형태입니다. 모양은 원뿔처럼 생긴 것으로 이를 ‘마하의 원뿔’이라고 표현합니다. 마하가 음속 이상의 운동을 처음 기술한 사람이라 이런 이름이 붙었습니다. 이렇게 충격파 모양을 한 마하의 원뿔을 보면 눌린 음파가 원뿔형에 겹쳐집니다. 다시 말하면, 제트기가 초음속으로 이동 중에 발생한 소리가 한 지점에 맞습니다. 그래서 아주 큰 소리를 내요. 이처럼 제트기가 초음속을 돌파하여 충격파를 내는 소리를 소닉 붐이라고 합니다.
원추형의 충격파 ☜ 위키메 디어충격파도 일반 파동과 마찬가지로 에너지를 운반하고 채찍으로 보내지기 때문에 단순히 큰 소리를 내는 것이 아니라 유리창을 부수고 심할 때는 건축물에 손상을 줍니다. 이처럼 충격파는 가파르고 매질의 압력, 온도, 밀도에 불연속적인 변화를 일으키는 것이 특징입니다. 쉽게생각하면충격파는소리의속도보다더빨리움직일때발생하게되고,빨리움직이는물체가공기를압축시키고,이로인해서압력,온도,밀도같은물리적특성은급변하게됩니다.
아까충격파는유체안에서소리보다빨리움직이면발생한다고했는데,그래서초음속으로움직이는제트기뿐만아니라소리보다빨리움직이는물체에서도충격파는일어나게됩니다. 예시로 총에서 발사되는 총알 역시 소리보다 빨리 움직이기 때문에 충격파가 발생하고, 그러면서 더 큰 소리가 발생합니다. 다른 예에서 우리가 채찍을 휘두르면 ‘팍’ 하고 강한 소리가 들리는데요. 이것 역시도 매 끝이 초음속으로 움직여서 충격파가 발생했고, 그로 인해 강한 소리가 발생한 것입니다.
초음속으로 움직이는 총알에서 생기는 충격파 ↗ NASA 에너지의 방출로 생성된 충격파는 지금까지 설명한 충격파를 일반적인 형태로 만드는 방법이었지만 그 외의 방법에서도 충격파가 발생 할 수 있습니다. 그 중에서 화산 분화와 관련된 충격파를 살펴보도록 하겠습니다.
충격파의 특징은 급격한 변화입니다. 예시로 초음속으로 움직이는 물체가 통과할 때, 한 지점에서의 압력 변화를 시간에 따라서 그래프로 표현했을 때 충격파가 통과하면 압력이 급격히 상승하는데 그 기울기가 수직 가까이로 증가합니다. 초음속으로 이동하는 물체에 의해 생긴 압력 전선이 주변의 공기를 빠르게 밀어내기 때문입니다. 이와 같이 충격파는 유체가 가지고 있는 속성에 대해 급격한 변화를 가져옵니다. 즉, 단기간에 급격한 변화를 가져오면 충격파를 만들 수 있다는 의미입니다.
초음속으로 물체가 지나갈 때의 압력 변화 ☜ 위키미디아, 그리고 초음속으로 움직이는 물체가 아니더라도 마이크로초에 해당하는 짧은 시간에 에너지가 갑자기 방출되면 충격을 줄 수 있습니다. 예를 들어 불꽃놀이에서도 불꽃이 갑자기 터져서 에너지가 순식간에 방출되어 주위가 팽창합니다. 이때 들을 수 있는 폭발음도 충격파의 한 예입니다.
여기서 재미있는 것은, 이러한 에너지 방출이 폭죽처럼 큰 에너지를 가지지 않아도 된다는 것입니다. 짧은 시간에 에너지가 급격히 방출되는 것만으로도 충격파가 발생하기 때문입니다. 우리가일상적으로보는예로는풍선이있습니다. 풍선을 불면 어느 순간 커져요. 크게 부풀어 오른 풍선이 갑자기 터지면 펑 하는 큰 소리가 납니다. 이상황도짧은순간풍선안의공기가밖으로방출되면서충격파가발생하면서큰소리를만들게되는것이죠.
풍선이 터질 때 발생하는 충격파 ‘기상해일’이라면 이번 통가에서 발생한 화산 폭발로 되돌아가 볼 때 이번 폭발은 기존의 폭발과는 다른 모습을 보여주고 있습니다. 통가 화산 폭발 당시 폭발음은 미국 알래스카까지 전해질 정도였지만 전문가들은 기후 변화를 가져올 만큼 사상 최대 규모까지는 아니라고 평가하고 있습니다. 그래도 환태평양의 많은 지역에서는 쓰나미가 발생할 정도로 영향이 컸던 것입니다만. 그렇다면 통가 화산 분화는 어떤 식으로 해서 해일을 만들어 낸 것일까요.
우선 보통의 쓰나미가 어떻게 해서 만들어지게 되는지 한 번 보도록 합시다. 일반적으로 쓰나미의 80% 정도의 대다수는 지각 운동에 의해 지진이 발생했을 때 해수 전체가 상하로 쓰나미가 발생하게 됩니다. 판이 흔들리면서 바닷물을 움직이죠. 그 이외에 10% 정도는 화산 폭발이 일어나면 산사태와 같이 지형 변화가 일어나고, 이로 인해 바닷물이 빨려 들어가 바닷물이 오도 가도 못하고 그것이 연쇄적으로 쓰나미로 이어집니다. 하지만, 이번 통가 화산 폭발에서는 지진이 발생하지 않았고, 쓰나미가 발생할 정도의 대규모 지형 변형은 발생하지 않은 것으로 분석하고 있습니다. 그렇다면 어떤 식으로 해서 해일이 발생을 하게 된 것일까요?
통상적으로 발생하는 쓰나미의 발생과정 头 금성출판사의 일부 전문가는 이번 쓰나미는 대기에 전파된 ‘충격파’에 의해 발생한 ‘기상 쓰나미’라고 설명하고 있습니다. 그렇다면 기상해일은 무엇일까요? 지진에 의해 쓰나미가 발생하는 쓰나미와 달리, 기상 쓰나미는 기상의 상태 변화에 의해 쓰나미가 발생하는 것을 말합니다. 좀 더 자세히 말하면, 기상 해일은 급격한 기압 변화에 의해 발생합니다. 공기의 밀도가 낮은 저기압의 경우 해수를 끌어 올리는 힘이 있습니다. 간단하게 태풍을 생각하세요. 태풍 또한 저기압이기 때문에 물건을 끌어당기는 힘이 있는 것입니다. 이러한 태풍이 이동하면서 한 지점을 지날 때, 순식간에 대기압이 급변했다가 다시 돌아오는 것입니다. 이러한 현상을 기압점프라고 부릅니다. 이러한 태풍이 이동하는 속도와 파도의 속도가 같아지면 서로 「공명」하면서 큰 진폭을 가지는 해일이 되는 것을 기상 해일이라고 합니다.
이번 분화 이후 발생한 기상해일은 기존과 같은 태풍이 아니라 ‘충격파’가 그 자리를 차지했다고 분석하고 있습니다. 이번 통가 화산은 마그마에 가스 함유량이 많아 해저 화산의 정상과 해수면의 거리가 가까웠다고 합니다. 따라서 화산과 해수면 사이의 바닷물을 순식간에 증발시켰고, 이로 인해 폭발이 대기에 그대로 전해진 것으로 분석하고 있습니다. 이폭발로인해서충격파가발생해서대기로전파되면서대기로전달되는충격파와바다의파도속도가동등해져공명하게되었고,이로인해서해일이발생했다고분석하고있습니다.
통가 화산폭발의 충격파에 의해 발생한 기상해일 头 kbs 이와 같은 분석에 신빙성이 있었던 이유는 이번 통가 화산폭발로 쓰나미가 관측되고 여러 나라에서 기압변화가 관측되었기 때문입니다. 당시 한반도에서도 기압 1.8hPa의 순간변동이 관측됐고, 제주도는 해수면이 15cm 정도 상승하는 변화가 포착돼 해일 발생의 원인이 된 것으로 추측됩니다. 이러한 기상해일은 기존의 쓰나미와는 달리 대기로 전파되는 충격파에 의해 발생하기 때문에 우리나라도 기압변화에 영향을 받은 것입니다. 이후 쓰나미도 이 원리로 발생한다면 저희도 쓰나미의 피해를 입을 수 있습니다. 그래서 이와 관련된 많은 분석이 필요할 것 같습니다.
