조석과 기조력 1 - 원인

조석은 주기적으로 바닷물이 들어왔다 빠져 나가는 현상을 의미한다. 보통은 바닷물이 하루 1~2회정도 들어왔다 나오기를 반복하는데, 우리나라에서는 서해가 가장 크게 나타납니다. 이번에는 조석에 대하여 포스팅 해 보고자 합니다.

 

  1. 원인

  조석을 일으키는 힘을 조석력, 또는 기조력이라고 합니다. 뉴턴에 의해 자세히 연구된 내용이기도 한 조석력은, 지구의 각 지점에 미치는 태양과 달의 인력이 다르기 때문에 나타나는 힘입니다. 태양과 달 중 조석력에 더 큰 영향을 미치는 천체는 달입니다. 질량은 태양이 압도적으로 큼에도 불구하고, 달이 지구에 더 큰 조석력을 미치는 이유는 조석력이 거리의 세제곱에 반비례 하는 힘이기 때문입니다. 이는 뒤의 내용에서 좀 더 자세히 다룰 것입니다.

<그림 1. 조석력에 대한 개념도>

    조석력에 더 큰 힘을 미치는 대상은 달이기 때문에, 태양의 영향을 일단 배재하고 설명하면, 지구와 달은 서로의 공통질량 중심을 회전합니다.

위 그림은 공통질량중심을 회전하는 명왕성과 카론의 실제 모습입니다. 명왕성의 달 카론은 명왕성에 비해 질량이 엄청 작지 않아서, 두 천체의 공통질량 중심이 명왕성에 바깥에 나와있다보니 그림처럼 명왕성이 마구 휘둘리는 모습입니다. 지구와 달의 경우 공통질량중심이 지구 안쪽에 있어 저정도로 심하게 지구가 돌지는 않지만, 개략적인 형태는 저런 식입니다.

 

그런데 지구의 어느 지점에서나 같은 공통질량중심을 회전하기 때문에 원심력의 크기는 어디에서나 같습니다. 아래 그림을 보면 알 수 있습니다. 

<출처 : https://www.vialattea.net/content/tides-and-centrifugal-force/>

위 그림에서는 두 지점만 예를 들었는데, 공통질량 중심을 회전함에 따라 나타나는 두 지점의 원궤적이 완전히 같습니다. 그러다보니 회전 반지름도 같고, 도는 속도도 완전히 같습니다. 이런 이유로 지구 어디에서든지 공통질량 중심을 회전함에 따라 나타나는 원심력이 같게 됩니다.

 

하지만, 지구의 각 지점에서부터 달 까지의 거리가 달라서, 만유인력은 조금씩 다릅니다.

<그림 2. A와 B에 작용하는 서로 다른 크기의 만유인력>

문제를 간단하게 하기 위해, A와 B 만을 생각해 보겠습니다. 오른쪽의 노란 공이 달이고, 왼쪽의 주황색 공이 지구입니다. A와 B 중 달과 더 가까운 곳은 A입니다. 당연히 A와 달의 만유인력이 B와 달의 만유일력보다 큽니다. 이렇듯, 달과 지구 각 지점간의 거리가 다르기 때문에 만유인력의 크기가 달라지게 됩니다.

 

  여기서 조석력, 다시말해 기조력이 정의되는데, 기조력은 바로 만유인력과 원심력의 차이로 정의되며, 바로 이것이 지구의 어느 특정지점에 작용하는 일종의 알짜힘이 됩니다. A지점에서 이 힘은 달 방향으로 작용하고, B 지점에서 이 힘은 달의 반대방향으로 작용하여, 지구를 쭈욱 늘리는 형태가 됩니다.

 

  이렇게 되면, 지구 전체가 늘어나야 하기 때문에, 바닷물 뿐 아니라 육지에도 조석이 작용해야 합니다. 실제로 육지에도 조석이 작용하나, 이에 대한 변화 수준이 매우 작기 때문에, 우리가 느끼지 못하는 것일 뿐입니다. 어쨌든, 그림 1 처럼, 지구-달 방향인 곳이 바닷물이 당겨지며 만조가 되는 곳이고, 이 지점의 90도 직각 방향이 간조가 되는 곳이다. 이 상태에서 지구가 자전함에 따라, 이론상 간조와 만조는 하루 2번씩 나타나게 됩니다.

 

  2. 기조력(조석력)의 유도

  기조력은 앞서 다룬 것처럼, 만유인력과 원심력의 차이로 정의합니다. 여기서 조석력을 유도할 수 있는데, 대부분 수학적 스킬이 많이 요구되는 과정이다보니 궁금하지 않으면 그냥 넘기셔도 됩니다. 아래 내용은 수업 시간에 사용한 PPT 입니다.

위의 공식이 기조력으로, r은 지구와 달 사이의 거리, G는 만유인력상수, M은 지구질량, m은 달 질량, R은 지구 반지름입니다. 중요한건 기조력이 거리의 세제곱에 반비례 한다는 점입니다.

그래서 엄청나게 멀리있는 태양보다 달에의한 기조력이 훨씬 더 강합니다. 계산상 달이 지구에 미치는 기조력이 태양에 비해 50배 더 강합니다.

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  3. 나타나는 자연적 현상

  가장 잘 알려진 것이 밀물과 썰물입니다. 밀물은 바닷물이 차 오르는 흐름, 썰물은 바닷물이 빠져 나가는 흐름인데, 바닷물이 최대로 차 올랐을 때가 간조, 그 반대를 만조라고 합니다. 우리나라의 서해도 이 차가 굉장히 심한 편인데, 전 세계에서 이 차이가 가장 크게 나타나는 곳이 캐나다와 미국의 국경 인근에 있는 펀디만이라고 합니다. 하루 2번 15m 수준 이상으로 물이 차오르고 나가는 곳으로 유명한 곳입니다.

<그림 3. 펀디만(Bay of Fundy)의 위치>

<캐나다의 펀디만(출처 : https://www.ferries.ca/experience-the-bay-of-fundy/)>

  우리나라의 서해 역시도 조차가 굉장히 큰 것으로 유명한 곳입니다. 필자 역시 이를 확인하기 위해, 몽산포 해수욕장에서 타임랩스를 촬영하였습니다.(아래 링크 참고)

몽산포 해수욕장의 간조와 만조(밀물과 썰물)

  이렇게 조차가 큰 곳은 갯뻘이 만들어지고, 온갖 동식물의 삶의 터전이 되기 때문에 자연적으로 보존 가치가 매우 높은 곳입니다(그래서 개발은 좀 하지 않았으면 하는데, 특히 간척사업). 이와 관련하여, 몽산포 여행 갯뻘체험 관련 아래 링크를 참고

 

몽산포 여행

 

  어쨌든, 하루에 몇 번의 밀물이나 썰물이 발생하는지에 따라 일주조, 반일주조, 혼합조로 구분합니다.

  1) 일주조 : 하루 1회 고조와 저조가 나타나는 것

  2) 반일주조 : 하루 2회 고조와 저조가 나타나는 것

  3) 혼합조 : 일주조와 반일주조가 섞여 나타나는 것

 엄밀히 말하면 전세계 대부분이 혼합조조의 형태를 띄며, 단지 일주조가 우세한지 반일주조가 우세한지 정도로 이야기 할 수 있습니다. 우리나라의 서해는 대표적인 혼합조 입니다. 

 

가끔 책에 일조부등에 대한 내용이 나오기도 하는데, 일조부등은 하루 2회의 조석이 나타날 때 만조와 그 다음 만조 때 수면의 높이차가 서로 크게 다르거나(조고부등), 만조와 그 다음 만조의 시간 간격이 서로 크게 다를 때(조시부등)를 말합니다. 

 

일주조, 반일주조, 혼합조에 대한 이야기를 하며 과거 많이 이용된 그림인데요, 이를 이용해 설명하면, 일주조는 주로 고위도, 혼합조는 중위도, 반일주조는 저위도에서 나타나는 현상이라는 설명을 할 수 있습니다.

하지만, 이는 이상적인 상태일 때이며, 지구 전체에 걸쳐 적용하기에는 다소 무리가 따르고 지나치게 일반화 한 상황이라고 생각해 볼 수 있습니다.

 

실제 일주조, 반일주조, 혼합조가 딱 떨어져 나타나기 힘든 것은 여러가지 이유가 있지만, 대표적인 것이 육지의 분포가 무작위적이라는 것입니다. 때문에, 지구 전체가 균질하게 해수로 채워져 있다는 가정을 바탕으로 한 뉴턴의 조석론은 실제 자연현상과 잘 맞지는 않습니다(이를 보완하기 위하여 조석을 하나의 파동으로 가정하고 해석한, 라플라스 조석론이 있으나 여기서는 다루지 않겠습니다. 참고로 라플라스 조석론이 좀 더 자연현상에 잘 맞게 설명한다고 하네요.)