고등학교 교육과정에서 다루는 해파는 천해파와 심해파이다. 그리고 파가 발달하고 소멸하는 과정을 기준으로하여 풍랑, 너울, 연안쇄파 정도를 배운다. 그런데 해파에는 이것밖에 없을까? 아니다. 당연하겠지만 대학교육과정에서는 이보다 몇가지 추가된 기준으로 해파를 구분하고, 물리적으로 해석한다. 여기서는 심해파, 천해파를 비롯하여 더 다양한 해파에 대해 설명해 보고자 한다.
1. 파장과 수심을 기준으로 한 분류
학교 교육과정에서 다루는 기준 중 하나이다. 크게 천해파, 전이파, 심해파로 구분한다. 이들 파를 구분하는 방법으로 파장의 1/20보다 얕거나 1/2보다 깊거나 하는 표현을 쓰는데, 이렇게 하면 머리속에 잘 남지도 않고, 이해하기도 어렵다. 단어 자체에 뜻이 있으니 이대로 기억하면 되는데,
1-1. 천해파
천해파에서 천은 얕을 천자를 썼다. 다시말해 얕은 바다에서 나타나는 해파, 파장에 비해 수심이 얕은 곳을 통과하는 해파를 말한다. 물리적으로 유도한 기준을 따르면, 파장을 20으로 나누어도 수심이 더 얕을때인데,
와 같이 표현되고, 이 때 해파의 속력은
이다. 여기서 v가 해파의 속력, g는 중력가속도, h는 수심이다. 람다는 파장이다. 해파의 속력은 오로지 수심에 의해서만 결정된다.
물입자는 파에너지를 전달하는 과정에서 연직방향의 원운동을 한다. 그런데, 수심이 얕다보니 해저바닥 마찰의 영향을 받고, 때문에 연직방향의 입자운동에 제한이 발생한다. 이로인해 입자는 타원운동을 하며, 해저바닥에 닿을수록 직선운동을 하는 형태를 띈다. 파의 진행과정에서 주기는 변하지 않는다.
파의 진행과정에서 주기가 변하지 않는 이유는 무엇일까? 천해파의 경우 해파의 속도가 오로지 수심에 의해서만 결정되며, 주기나 파장에의해 속도가 변하지 않는다. 또한, 파동 에너지(한 주기동안 전달되는 에너지, 일률)는 초기 파가 형성되는 조건에서 각진동수와 진폭이 결정된다. 때문에 수심이 낮아져 속도가 느려져도 주기는 변하지 않는다. 여기서 주의할 점이 있는데, 파가 해안으로 접근하면서 파장이 짧아지는 것이다. 이는 뒤에서 오는 파가 더 깊은 곳을 지나가기 때문에 전방에 있는 파를 따라잡으면서 파장이 짧아지는 효과가 나타나는 것이다. 앞서 이야기 하였듯, 천해파의 파속은 주기나 파장과는 전혀 관계없는 함수이다.
수심이 충분히 얕아 파장이 짧아도 천해파가 될 수 있으며, 파장이 엄청나게 길어서(조석, 켈핀파, 지진해일(쓰나미, tsunami) 등)수심이 깊어도 천해파로 운동하는 해파가 천해파이다.
2-2. 심해파
심해파에서 심은 깊을 심이다. 다시말해 파장에 비해 수심이 충분히 깊은 경우이다. 바꿔말하면 파장이 짧다는 소리다. 이를 좀 더 구체적으로 나타내면 아래와 같다.
이 조건에서 해파의 속도는 아래와 같이 표현된다.
해파의 속도는 파장에 의해 변화함을 알 수 있고, 식을 바꿔쓰면(V=lamda/T) 주기에 의해 파속이 달라짐을 알 수 있다. 물입자는 천해파와 달리 원운동을 한다. 이는 수심이 충분히 깊기 때문에, 물입자의 회전운동이 해저 바닥에 의한 마찰의 영향을 받지 않기 때문이다. 수심이 깊어질 수록 물입자가 운동하는 원운동의 반경이 작아진다.
물입자의 회전반경은 깊이에 따라 지수함수적으로 감소한다.
2-3. 전이파
수심이 파장의 절반보다는 얕고, 파장의 1/20배 보다는 깊은 해역, 다시말해 심해파와 천해파 조건의 중간해역이 여기에 해당한다. 파속은 아래와 같은 관계에 있다.
tanhx(하이퍼볼릭 탄젠트 x)라는 것을 처음 본 경우도 있을 것 같아, 따로 표시를 해 두었다. 사실 심해파와 천해파의 수심조건과 공식도 바로 전이파의 공식에서 유도된 것이다.
2. 발생 과정을 기준으로 한 분류
발생지역을 기준으로 풍랑, 너울, 연안쇄파로 구분한다. 해파가 만들어지는데에는 풍속, 지속시간, 취송거리라는 3가지 요소가 작용한다. 해파는 기본적으로 바람이 불어야 만들어진다. 바람이 부는 곳을 풍역대라고 한다. 풍역대에서 바람의 속도, 바람이 부는 시간등이 결정되고, 풍역대가 충분히 넓으면 취송거리, 즉 바람이 파도에 영향을 주는 거리가 길어진다.
최초 바람이 불기 시작하면, 잔물결(표면장력파)이 생긴다. 표면장력파에 대해서는 후술할 것이다. 바람이 잠시 불다말면, 표면장력파 상태에서 더이상 성장하지 못하고 마찰로 에너지를 소실하며 다시 해파는 잠잠해진다. 그러나 바람이 충분히 오랜시간 불고, 풍역대가 넓으면 파도는 바람으로부터 성장하기 충분한 에너지를 공급받을 수 있다. 만약 5m/s의 바람이 불고 있다고 가정하자. 파도는 여기에 해당하는 에너지를 공급받고, 마찰에 의해 소실되는 에너지와 바람으로부터 공급받는 에너지가 동일한 순간까지만 성장하게 된다. 5m/s의 바람이 24시간동안 태평양 전체에 불어도 엄청나게 강한 파도가 만들어질 수 없다는 이야기이다. 마찰에 의해 소실되는 에너지와 바람으로부터 공급받는 에너지가 같아지는 때, 다시말해 파도가 더이상 성장하지 못하는 때를 다 자란 풍랑(fully developed sea)라고 한다. 더 높은 파도가 만들어지기 위해서는 더 강한 바람이 필요하다. 여기까지, 풍역대에서 발생하는 해파를 풍랑이라고 한다.
바람은 지속적으로 불지만 풍역대가 좁거나, 풍역대가 넓지만 바람이 금새 멈추어 버리면 파도는 자신이 성장하기에 충분한 에너지를 공급받지 못한채로 풍역대를 벗어나게 된다. 완전히 발달한 해파도 결국 풍역대를 벗어날 수 밖에 없다. 어느 경우이건 풍역대를 벗어나는 순간 파도는 에너지를 공급받지 못하는데, 이를 너울이라고 한다. 너울성 파도에서 해파는 속도에 따라 분산되기 시작한다. 심해파를 기준으로하면, 파장과 주기가 길 수록 속도가 빠른데, 속도가 빠른 파도와 속도가 느린 파도가 구분되어 진행하기 시작한다는 소리이다. 풍역대에서는 여러 해파가 마구 섞여 잘 구분하기 어렵다.(이렇게 분산 가능한 해파를 분산파라고 한다. 천해파는 주기나 파장과 속도가 무관하기 때문에 분산파가 아니다.)
심해파라 하더라도, 너울성 파도는 해안으로 접근하며 수심이 얕아져 천해파로 바뀌게 된다. 천해파로 바뀌면서 수심이 얕아지며 파봉과 파봉 사이의 거리가 짧아지는만큼, 에너지 플럭스를 보존하기 위해 파고가 높아지며 파가 마찰로 인해 깨지시 시작한다. 이를 연안쇄파라고 한다.
3. 복원력을 기준으로 한 분류
복원력이라는 말이 다소 생소할 수 있으나, 해파를 분류하는데 있어 복원력은 중요한 기준이기 때문에 심도있는 내용을 알기 위해서는 알아두는것이 좋다. 복원력은 쉽게 생각하면 물 입자가 다시 원래 자리로 돌아오는데 필요한 힘 쯤으로 생각하면 된다. 복원력으로 작용하는 힘에는 크게 표면장력, 중력, 전향력이 있다. 이 3가지 힘은 물입자의 운동 규모에 따라 달라진다. 가장 작은 규모에서는 표면장력이 유효하고, 스케일이 커지면 중력이, 가장 큰 스케일에서 전향력이 유효하게 작용한다고 생각하면 된다.
3-1. 표면장력파
복원력으로 표면장력이 주요한 파를 말한다. 최소한 69.5cm/s 이상의 바람이 필요하며, 초기 파고는 0.022cm, 파장은 1.7cm정도라고 한다.
표면장력파의 재미있는 특징은 중력파와는다르게 파장이 길 수록 해파의 속도가 느려진다는 것이다. 파장이 길 수록 표면장력이 미치는 범위가 약해져, 다시말해 복원력이 약해지며 에너지 전달이 잘 되지 않아 속도가 느려지는 것이다. 위에 서술한것 보다 빠른 바람이 불면 파도는 중력파로 성장하게 된다.
3-2. 중력파
중력파라는 용어를 사용하니 너무 거창하지만, 해파의 복원력을 기준으로 하는 용어는 딱히 이를 대체할 것이 없었나보다. 어쨌든, 복원력으로 중력이 유효한 해파를 말한다. 물입자가 연직방향으로 원운동하며 에너지를 전달하는 모든 해파가 여기에 해당한다. 일반적으로 우리가 관찰하는 해파는 거의 대부분 중력파라고 생각하면 된다.
3-3. 관성중력파
복원력으로 전향력(코리올리힘)과 중력이 모두 유효한 해파를 말한다. 여기서부터 물입자는 재미있는 운동을 하게 된다. 복원력으로 중력만이 유효하다면 물입자는 단순히 연직방향 운동을 하는데, 전향력이 유효해 지기 시작하면 일종의 구심력이 전향력과 중력의 합력으로 작용하여, 연직방향으로 원운동하는 물입자의 궤도는 조금씩 평행해지기 시작한다.
복원력으로서 전향력이 증가할 수록, 연직방향에서 바라본 물입자의 궤적은 직선, 타원, 원으로 바뀌게 된다. 위 그림을 보면 쉽게 알 수 있듯, 전향력이 지배적일 수록 궤도면이 수평하게 누울 수 밖에 없기 때문이다.
실제 관성파는 거의 원운동하는 형태를 띄게 된다. 아래그림을 참고..
3-4. 켈빈파
보통 연안을 따라 나타나는 파로, 절반 정도가 막혀있는(우리나라의 서해와 같이 한쪽만 뚫려있고, 나머지는 모두 막혀있는 해안) 반 폐쇄성 해역에서 연안을 따라 반시계방향으로 진행하는 파이다.
어떤 원인으로(일반적으로 조석)연안에 해수가 쌓이면, 복원과정으로 다시 낮아지고 이는 해파의 형태로 연안을 따라 진행하게 된다. 이 때 만약 해안경계에서 육지가 오른쪽에 있으면, 북반구를 기준으로, 수압경도력은 육지 반대 방향인 먼 바다로(1. 수압경도력), 전향력은 그 반대방향으로(2. 전향력) 작용하여 북상하게 된다.(위 그림 중 오른쪽 상자 기준) 점차 연안을 따라 반시계 방향으로 운동하는 형태를 띄게되는 것이다. 연안 가까운 곳에서는 해파가 발생하나, 켈빈파가 회전하는 중심에는 고도차가 나타나지 않는 점이 있다. 이 점을 무조점(AP=amphidromic point)이라고 한다. 우리나라의 서해는 켈빈파가 나타날 수 있는 이상적인 환경이며, 무조점이 잘 나타난다. 켈빈파의 영향으로, 만조가 나타나는 시간은 조금씩 다른데, 일반적으로 만조시간은 남해에서 인천, 북한방향으로 차례대로 나타나고 중국 해안으로 진행해 나간다.
이상으로 관측 가능한 여러가지 해파에 대하여 알아보았다. 이거보다 더 많은 파가 있다. 여기서 다루지 않은 해파는 세이쉬파, 관성파(그림만으로 소개) 등이 있다. 차차 다룰 것이나, 이 정도만 알아두어도 해파에 대해서는 정말 자세히 알고 있다고 봐도 무방하다.
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