마이크로바롬
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1. 개요
마이크로바롬은 해양파의 상호 작용으로 생성되는 초저주파 대기 음파를 의미한다. 이 현상은 기상학자들이 수소 풍선에 접근할 때 고통을 느끼는 현상에서 처음 발견되었으며, 1930년대에 소련의 기상학자 바실리 블라디미로비치 슐레이킨에 의해 연구되었다. 1939년 휴고 베니오프와 베노 구텐베르크에 의해 '마이크로바롬'이라는 용어가 처음 사용되었으며, 해양 폭풍의 크기와 마이크로바롬 파고 간의 관계가 밝혀졌다. 마이크로바롬은 대기 원격 탐지 및 핵실험 감시 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 핵실험으로 발생하는 인프라사운드 감지를 방해하는 주요 요인으로 작용한다.
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| 마이크로바롬 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 대기 저주파 음파 |
| 상세 정보 | |
| 발생 원인 | 해양파 |
| 관련 현상 | 지진, 화산 폭발, 기상 현상 |
2. 역사
마이크로바롬 현상은 20세기 초, 기상 관측 과정에서 우연히 발견되었다. 해양 수문기상학 관측소와 선박에서 표준 기상 관측 장비에 접근할 때 사람들이 느끼는 특이한 감각에 주목한 것이 연구의 시작이었다.[45] 소련의 학자 V. V. 슐레이킨과 같은 초기 연구자들은 이 현상이 '바다의 목소리'라 불리는 초저주파음과 관련 있음을 밝혀냈다.[43]
이후 1939년, 미국 캘리포니아 공과대학교의 지진학자 휴고 베니오프와 베노 구텐베르크가 미기압계 관측 결과를 바탕으로 '마이크로바롬'이라는 용어를 처음 사용하며[45][43][10][11], 이 현상이 지진계에서 관측되는 미소진동(미세지진)과 유사하며 특정 해양 기상 조건과 관련이 있을 것으로 추정했다.[41][8][10] 계속된 연구를 통해 해상 폭풍[41][8]이나 해양 파동[46][12]과의 관계가 밝혀졌으며, 발생 메커니즘에 대한 이해가 점차 깊어졌다.[13]
2. 1. 초기 발견
이 현상은 우연히 발견되었다. 해양 수문기상학 관측소와 선박에서 일하는 기상학자들이 표준 기상 관측 장비(수소로 채워진 기구)에 접근할 때 사람들이 이상한 통증을 느끼는 것에 주목했다. 소련의 학자 바실리 블라디미로비치 슐레이킨과 수석 기상학자 V. A. 베레지킨이 처음으로 이 현상을 연구하고 입증하였다. 이들은 사람의 귀로는 들리지 않지만 강한 세기를 가진 초저주파음을 감지할 수 있는 특수 장비를 개발했다.일련의 실험 끝에 1935년, 슐레이킨은 이 현상이 '바다의 목소리'에서 나오는 초저주파음이라는 첫 연구 결과를 발표했다. '마이크로바롬'이라는 용어는 1939년 미국 캘리포니아 공과대학교의 지진학자인 휴고 베니오프와 베노 구텐베르크가 전자기 미기압계(마이크로바로그라프)의 관측 결과를 연구하며 처음 사용했다.[10][11] 그들은 이 신호를 지진계에서 관측되는 미소진동(미세지진)과 연관지었으며,[8] 북동 태평양의 저기압 시스템이 원인일 것으로 추정했다.[10]
1945년 스위스의 지구과학자 L. 삭서는 해상 폭풍의 크기와 마이크로바롬 진폭 사이의 관계를 처음으로 제시했다.[8] 이후 에릭 S. 포스멘티어는 M. S. 롱게-히긴스의 미세지진 이론을 따라, 정재파가 나타나는 해수면 위 공기 무게 중심의 진동이 마이크로바롬의 원인이며, 관측된 마이크로바롬 주파수가 해양 파도 주파수의 두 배가 되는 현상을 설명한다고 제안했다.[12] 현재는 2차 미세지진을 생성하는 것과 동일한 메커니즘으로 마이크로바롬이 생성된다고 이해된다. 레오니드 브레호프스키크는 해양에서 대기로 결합되는 미세지진이 그 근원임을 보여주는 정량적 이론을 제시했으며, 이는 음향 에너지 대부분이 해수면에서 수평으로 전파됨을 설명한다.[13]
2. 2. 용어 정립 및 초기 연구
마이크로바롬 현상은 우연히 발견되었다. 해양 수문기상학 관측소와 선박에서 근무하던 기상학자들은 수소로 채워진 표준 기상 관측 기구에 접근할 때 사람들이 이상한 통증을 느끼는 현상에 주목했다. 소련의 학자 V. V. 슐레이킨은 동료 기상학자 V. A. 베레킨을 통해 이 현상을 직접 확인하고 연구를 시작했으며, 사람의 귀로는 들리지 않지만 강력한 초저주파음 진동을 기록할 수 있는 특수 장비를 개발했다.[45][10][11]일련의 실험 끝에 1935년, 슐레이킨은 이 현상이 "바다의 목소리"라고 불리는 초저주파음에서 비롯된다는 첫 연구 결과를 발표했다.[43] '마이크로바롬'이라는 용어는 1939년 미국 캘리포니아 공과대학교 (패서디나)의 지진학자인 휴고 베니오프와 베노 구텐베르크가 처음 사용했다. 그들은 저주파 스피커가 장착된 나무 상자 형태의 전자기적 미기압계(마이크로바로그라프) 관측 결과를 연구하며 이 용어를 제안했다.[45][43][10][11] 이들은 마이크로바롬이 지진계에서 관측되는 미소진동(미세지진)과 유사하다는 점에 주목했으며,[41][8] 이 신호가 북동 태평양의 저기압 시스템 활동과 관련이 있을 것이라고 정확히 추정했다.[43][10]
이후 연구는 마이크로바롬과 해양 현상 간의 관계를 구체화하는 방향으로 진행되었다. 1945년 스위스의 지구과학자 L. 삭서는 해상 폭풍의 크기 및 파고와 마이크로바롬의 진폭 사이에 관계가 있음을 처음으로 밝혔다.[41][8] 뒤이어 에릭 S. 포스멘티어는 M. S. 롱게-히긴스의 미세지진 이론을 바탕으로, 정상파가 발생하는 해수면 위 공기 무게 중심의 진동이 마이크로바롬의 발생 원인이며, 관측된 마이크로바롬의 주파수가 해양 파도 주파수의 두 배가 되는 현상을 설명하는 이론을 제시했다.[46][12] 마이크로바롬은 현재 2차 미세지진을 생성하는 것과 동일한 메커니즘으로 생성되는 것으로 이해되며, L. M. 브레호프스키크는 해양에서 대기로 결합되는 미세지진이 그 근원임을 보여주는 정량적 이론을 제시했다.[13]
3. 이론적 배경
마이크로바롬은 바다에서 발생하는 지속적인 저주파 대기 초저주파 음향으로,[22] 보통 0.1에서 0.5 Hz 사이의 주파수를 가진다.[10] 이는 고립된 해수면의 중량파가 직접 생성하는 것이 아니라,[47][14][48][15] 서로 다른 주파수와 방향을 가진 해양 표면파들이 상호작용할 때 주로 발생한다.
이러한 파동 상호작용은 파동군을 형성하는데, 특히 서로 반대 방향으로 진행하는 파동들이 만나면 파동군의 패턴이 음속에 가까운 300m/s 이상의 매우 빠른 속도로 이동할 수 있다. 이렇게 빠르게 이동하는 파동군이 대기를 압축하여 마이크로바롬 음파를 효과적으로 생성하게 된다. 해양파의 움직임은 해수면에 가해지는 압력 변화와 유사하게 작용하며,[16] 이 압력 변화가 대기로 전달되어 마이크로바롬을 만든다. 파동군 자체의 진폭과 음속보다 빠른 파동군의 이동 속도가 마이크로바롬 생성에 중요하다.
마이크로바롬의 주파수는 상호작용하는 개별 해양파 주파수의 두 배가 되는 특징을 가진다.[18] 예를 들어, 바다에서 흔한 약 10초 주기의 파동은 관측되는 마이크로바롬의 주요 주파수인 0.2 Hz에 해당한다. 이러한 마이크로바롬 생성 메커니즘은 파동 상호작용의 비선형성을 고려해야 설명될 수 있다.[8]
강력한 마이크로바롬은 주로 정상파 조건이 형성될 때 발생하는데, 이는 서로 다른 폭풍에서 온 파동이 만나거나, 폭풍이 생성한 파동이 주변 너울과 상호작용하거나, 파동이 해안에서 반사될 때 만들어질 수 있다.[18][19][15][20][21]
생성된 마이크로바롬은 대기를 통해 먼 거리까지 전파될 수 있다. 대기 도파관을 따라 이동하거나, 상층 대기(열권, 성층권 등)에서 굴절 또는 반사되어 다시 지표면으로 돌아오기도 한다.[24][18][27][26] 전파 경로는 마이크로바롬의 초기 진행 각도와 대기 상태(바람, 온도 등)에 따라 달라진다.[28][18]
3. 1. 파동 상호작용
고립된 해수면의 중량파는 감쇠하는 음파만 방출할 뿐[47][14] 마이크로바롬을 생성하지 않는다.[48][15]서로 다른 주파수와 방향을 가진 표면파가 상호작용하면 파동군이 생성된다. 거의 같은 방향으로 전파되는 파동의 경우, 파동의 위상 속도보다 느린 군속도를 가진 파동군이 만들어진다. 주기가 약 10초인 해양파의 경우, 이 군속도는 10m/s에 가깝다.
파동의 전파 방향이 서로 반대일 경우, 파동군은 훨씬 더 빠른 속도로 진행한다. 파수가 각각 ''k''1과 ''k''2이고 주파수가 ''f''1과 ''f''2인 두 파동이 상호작용할 때, 파동군의 속도는 2π(''f''1 + ''f''2)/(''k''1 − ''k''2)로 주어진다. 특히 주파수(와 파수) 차이가 매우 작은 파동들이 만나 형성된 파동군은 수평 전파 속도가 음속과 비슷한 300m/s 이상까지 빨라질 수 있으며, 이렇게 빠른 파동군이 공기를 진동시켜 마이크로바롬을 효과적으로 발생시킨다.
지진파 및 음파와 관련하여, 심해에서 해양파의 움직임은 최고차 항에서 해수면에 가해지는 압력 변화와 동일하게 취급될 수 있다.[16] 이 압력은 대략 물의 밀도에 파동의 궤도 속도 제곱을 곱한 값과 같다. 이 제곱의 영향으로 중요한 것은 개별 파동(이미지의 빨간색, 검은색 선)의 진폭이 아니라, 이들이 합쳐진 파동군(이미지의 파란색 선)의 진폭이다. 이 "등가 압력"에 의해 발생하는 해수면의 움직임이 대기로 전달된다.
파동군이 음속보다 빠르게 이동할 때 마이크로바롬이 생성되며, 파동군의 속도가 빠를수록 전파 방향은 수직에 가까워진다.
실제 바다에서는 모든 방향과 주파수를 가진 무수히 많은 파동들이 존재하여 광범위한 음파를 만들어낸다. 실제로 해양에서 대기로의 에너지 전달은 수평 방향에서 약 0.5도 각도에서 가장 강하게 일어난다. 거의 수직 방향 전파의 경우, 수심은 미소지진에서처럼 증폭 효과를 줄 수 있다. 수심은 해수면에서 수직 방향 12도 이내로 전파되는 음파에만 영향을 미친다.[17]
바다에는 항상 서로 반대 방향으로 진행하는 파동 에너지가 존재하지만, 그 양은 매우 적을 수 있다. 유의미한 마이크로바롬은 동일한 주파수를 가지면서 서로 반대 방향으로 진행하는 파동 에너지가 충분히 많을 때 발생한다. 이는 서로 다른 폭풍에서 발생한 파동이 만나 상호작용하거나, 폭풍의 바람이 불어 나가는 쪽(풍하측)에서 가장 강하게 나타난다.[18][19] 이러한 조건은 마이크로바롬 생성에 필요한 정상파(클라포티스라고도 함)를 만든다.[15][20]
해양 폭풍이 열대 저기압일 경우, 마이크로바롬은 풍속이 가장 강한 눈벽 근처가 아니라, 폭풍이 만들어낸 파동이 주변 바다의 너울과 상호작용하는 폭풍의 뒤쪽 가장자리에서 주로 생성된다.[21] 마이크로바롬은 또한 두 폭풍 사이에서 생성된 정상파에 의해서도 발생할 수 있으며,[18] 해양 너울이 해안에서 반사될 때도 생성될 수 있다.
약 10초 주기의 파동은 넓은 바다에서 흔하며, 이는 관측되는 마이크로바롬의 0.2 Hz 초저주파 음향 스펙트럼 피크와 일치한다. 이는 마이크로바롬이 개별 해양파 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 가지기 때문이다.[18] 연구에 따르면 이러한 파동 결합이 대기 중으로 전파되는 파동을 생성하기 위해서는 비선형 항을 고려해야 한다.[8]
마이크로바롬은 지속적으로 발생하는 낮은 수준의 대기 초저주파 음향의 한 형태이며,[22] 보통 0.1에서 0.5 Hz 사이의 주파수를 가지며, 일관된 에너지 폭발이나 연속적인 진동 형태로 감지될 수 있다.[10] 마이크로바롬이 평면파 형태로 도달하면, 가까이 설치된 마이크로바로그래프 위상 배열을 통해 분석하여 파동이 온 방향(방위각)을 알아낼 수 있으며, 이 방향은 종종 파동을 발생시킨 저기압의 중심을 가리킨다.[23] 여러 원격 지점에서 동일한 파동을 수신하면, 삼각 측량을 통해 발생원이 해양 폭풍의 중심 근처임을 확인할 수 있다.[4]
마이크로바롬은 상부 열권까지 전파될 수 있으며, 대기 도파관을 따라 이동할 수 있다.[24] 120km 미만과 150km 이상 고도에서 지표면으로 다시 굴절되거나,[18][27] 110km와 140km 사이 고도에서 소산될 수도 있다.[25] 또한 행성 경계층 효과나 지표면 바람에 의해 하부 대류권에 갇히거나, 상층 바람에 의해 성층권에서 도파관을 따라 이동하며 굴절, 회절, 산란을 통해 지표면으로 돌아올 수도 있다.[26] 이러한 대류권 및 성층권 도파관은 주로 바람 방향을 따라 형성되며,[27] 시간대나 계절에 따라 달라질 수 있다.[26] 상층 바람이 약할 때는 음파가 지상으로 잘 돌아오지 않는다.[18]
마이크로바롬 음파의 입사각은 어떤 전파 경로를 겪을지 결정한다. 하늘을 향해 수직으로 전파되는 파동은 열권에서 소산되며, 해당 상층 대기 층을 상당히 가열시키는 원인이 된다.[25] 중위도 지역의 일반적인 여름 조건에서는 수직 방향에서 약 30도에서 60도 사이 각도로 전파되는 파동은 125km 이상 고도에서 반사되지만, 이때 음향 감쇠로 인해 반사된 신호는 매우 약해진다.[28] 더 작은 입사각으로 전파되는 파동은 중위도에서는 지표면에서 약 45km 높이의 상층 성층권에서 반사될 수 있으며,[28] 저위도에서는 60km에서 70km 높이에서 반사될 수 있다.[18]
3. 2. 정상파 조건
항상 서로 반대 방향으로 진행하는 파동 에너지가 존재하지만, 그 양은 매우 적을 수 있다.[18][19] 중요한 마이크로바롬 생성은 동일한 주파수를 가진 파동이 서로 반대 방향으로 진행하며 상당한 에너지를 가질 때만 발생한다. 이는 필요한 정상파 조건을 생성하며,[15] 클라포티스라고도 알려져 있다.[20]정상파 조건은 다음과 같은 상황에서 주로 충족된다:
- 서로 다른 폭풍에서 발생한 파동들이 상호 작용할 때[18]
- 폭풍이 생성한 파동이 주변 해양의 너울과 상호 작용하는 경우, 특히 폭풍의 뒤쪽 가장자리(풍하측). 예를 들어, 열대 저기압의 경우 마이크로바롬은 바람이 가장 강한 눈 벽 근처가 아니라, 폭풍 뒤쪽 가장자리에서 주변 너울과 상호작용하며 더 강하게 발생한다.[21]
- 해양 너울이 해안에서 반사될 때[18]
약 10초 주기를 가진 파동은 넓은 바다에서 흔하며, 이는 관측되는 마이크로바롬의 주파수가 주로 0.2 Hz인 이유와 관련 있다. 마이크로바롬은 상호작용하는 개별 해양파 주파수의 두 배가 되는 특성을 가지기 때문이다.[18] 연구에 따르면, 이러한 파동 상호작용이 대기로 전파되는 음파, 즉 마이크로바롬을 생성하기 위해서는 비선형성을 고려해야 한다.[8]
4. 마이크로바롬의 전파 및 관측
마이크로바롬은 발생원에서 생성된 후 대기 중으로 퍼져나간다. 이 과정에서 마이크로바롬 파동은 대기의 온도나 바람과 같은 조건에 영향을 받으며 전파 경로가 달라질 수 있다. 또한, 특정 고도에 도달하면 대기층에서 반사되거나 에너지가 흡수되어 소산되기도 한다. 이러한 마이크로바롬의 전파 특성을 이용하여 대기 과학 연구에 활용하며, 자세한 관측 방법과 활용 방안은 하위 문단에서 다룬다.
4. 1. 관측 및 활용
대기 과학자들은 마이크로바롬을 이용하여 상층 대기의 상태를 원격 감지하는 데 활용한다.[24][29][30][31]지표면에서 반사된 마이크로바롬 신호의 이동 속도를 측정하면, 소리의 속도가 수직 방향으로만 변하고 수평 방향으로는 변하지 않는다고 가정할 때 반사된 높이에서의 전파 속도를 알 수 있다.[28] 만약 반사된 높이의 온도를 충분히 정확하게 추정할 수 있다면, 음속을 계산하여 이동 속도에서 빼는 방식으로 상층 바람의 속도를 알아낼 수 있다.[28] 이 방법은 순간적인 측정만 가능한 다른 방법들과 달리 지속적으로 측정할 수 있다는 장점이 있어, 단기적인 현상으로 인한 결과 왜곡을 피할 수 있다.[7]
만약 마이크로바롬 발생원의 강도를 알 수 있다면, 관측된 마이크로바롬의 진폭으로부터 추가적인 대기 정보를 추론할 수 있다. 마이크로바롬은 해수면에서 발생한 에너지가 대기를 통해 위쪽으로 전달되면서 생성된다. 반면 아래쪽으로 향하는 에너지는 바다를 통해 해저로 전달되고, 해저에서 지구 지각과 결합하여 같은 주파수 스펙트럼을 가진 미소지진으로 이어진다.[7] 하지만 마이크로바롬은 수직에 가까운 파동이 지표면으로 다시 돌아오지 않는 반면, 해양에서는 수직에 가까운 파동만이 해저와 결합한다는 차이가 있다.[26] 지진계를 사용하여 같은 발생원에서 나온 미소지진의 진폭을 관측하면, 발생원의 진폭에 대한 정보를 얻을 수 있다. 고체 지구는 고정된 기준 틀을 제공하므로,[32] 발생원으로부터 미소지진이 도달하는 시간은 일정하다. 이는 움직이는 대기를 통과하며 이동 시간이 변하는 마이크로바롬 연구에서 중요한 비교 기준이 된다.[7]
5. 핵실험과의 연관성
마이크로바롬은 핵실험으로 인해 발생하는 인프라사운드 신호를 감지하는 데 있어 중요한 자연적 잡음원으로 작용할 수 있다.[33] 포괄적 핵실험 금지 조약(CTBT)에 따라 운영되는 국제 감시 시스템은 전 세계적인 핵실험을 탐지하고 식별하는 것을 목표로 하는데, 마이크로바롬은 이러한 감시 활동에 영향을 미친다.[33] 특히, 마이크로바롬의 주파수 대역은 1 킬로톤(kt)급 이하의 저위력 핵실험에서 발생하는 인프라사운드 신호의 주파수 대역과 겹치기 때문에, 작은 규모의 핵실험을 탐지하고 분석하는 데 어려움을 야기할 수 있다.[10] 따라서 국제 감시 시스템에서는 마이크로바롬 신호와 핵실험으로 인한 인공적인 신호를 정확하게 구분하는 기술 개발이 중요한 과제로 여겨진다. 특히 북한의 핵실험 가능성이 상존하는 한반도 주변 환경에서, 마이크로바롬에 대한 깊이 있는 이해와 분석은 핵실험 탐지 능력의 정확도를 높여 궁극적으로 한반도 비핵화와 평화 정착 노력에 기여할 수 있다는 점에서 그 중요성이 크다.
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