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무조점

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목차

1. 개요

무조점은 조석파의 진폭이 0이 되는 지점을 의미한다. 조석은 태양과 달의 중력에 의해 발생하며, 대양에서 켈빈파와 스베드럽파를 생성한다. 실제 대양에서는 조석파가 수심 변화나 해안 경계에서 반사되어 진행파로 무한정 전파되지 못하며, 반사파와 입사파의 공명으로 배점과 절점이 형성된다. 코리올리 힘은 물의 흐름을 굴절시켜 켈빈파를 생성하며, 무한히 긴 해협에서는 조류의 위상이 무조점을 중심으로 회전한다. 무조점의 위치는 해저 마찰, 해안 경계와의 상호 작용, 수심 변화, 대조기-소조기 주기 등에 영향을 받으며, 해수면 상승은 무조점의 위치를 변화시킬 수 있다. 무조점은 시계 방향과 반시계 방향으로 존재하며, M2 조석 성분에 따른 위치가 보고되고 있다.

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무조점
개요
조석 진폭이 작은 지역을 나타내는 지도
조석 진폭이 작은 지역을 나타내는 지도. 파란색 선은 공동 조석선(cotidal line)을 나타내며, 숫자는 그리니치 평균시를 기준으로 한 시간 단위의 지연을 나타낸다. 빨간색 점은 무조점을 나타낸다.
정의조석의 진폭이 0인 지점
특징조석파가 회전하는 중심점
조석 간만의 차가 거의 없음
설명
형성 원리해안선의 모양, 해저 지형, 코리올리 효과 등의 영향으로 조석파가 복잡하게 간섭하여 발생
조석파의 움직임무조점을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전
공동 조석선무조점을 중심으로 동심원 형태로 분포하며, 같은 조석 위상을 가짐
중요성항해 시 중요한 정보 제공
해양 에너지 자원 개발에 영향
분포
주요 위치북해
동해
멕시코만
기타 해역
참고
관련 용어조석
조석파
코리올리 효과

2. 조석 부유점의 형성

태양과 달의 중력은 대양에 조석력을 발생시킨다.[8] 이 힘에 반응하여 대양에서는 켈빈파, 푸앵카레파와 같은 다양한 조석파가 생성되어 전파된다.[8]

이 조석파들은 해안선이나 해저 지형 등에 부딪혀 반사되고 서로 간섭한다.[8][11] 이 과정에서 파동의 진폭이 거의 0이 되는 절점이 생기는데, 무조점은 이러한 절점 중 하나이다.[8]

지구 자전에 의한 코리올리 힘 역시 조석파의 운동에 영향을 주어 켈빈파, 푸앵카레파와 같은 특정 파동의 형성에 기여한다.[8][12][13][14] 이러한 조석파들의 복잡한 반사, 간섭 현상과 해저 지형의 영향이 복합적으로 작용하여 최종적으로 무조점이 형성된다.

2. 1. 조석파의 반사와 간섭

실제 대양에서 조석파는 진행파로서 무한정 전파될 수 없다. 파동은 수심의 변화(예: 대륙붕에 진입할 때)와 해안 경계에서 반사된다.[8] 그 결과, 원래 파동인 입사파와 반대 방향으로 전파되는 반사파가 발생한다. 이 입사파와 반사파가 합쳐져 전체적인 조석파의 형태를 만든다.[11]

그림 2. 입사파와 반사파 사이의 공명 및 그 결과로 나타나는 총 파동. 특정 지점(절점)에서 입사파와 반사파의 진폭이 서로 상쇄된다. 다른 지점(배점)에서는 입사파와 반사파의 진폭이 서로 증폭된다. 절점과 배점 사이의 각 거리는 그림 오른쪽 하단에 표시되어 있으며 파장으로 표현된다.


입사파와 반사파 사이의 공명 현상으로 인해, 전체 파동의 진폭은 특정 지점에서 커지거나 작아질 수 있다.[8] 두 파동이 서로 더해져 진폭이 최대로 커지는 지점을 배점이라고 하며, 반대로 두 파동이 서로 상쇄되어 진폭이 거의 0에 가까워지는 지점을 절점이라고 한다. 그림 2는 1/4 파장(λ) 공명기의 예를 보여준다. 첫 번째 절점은 전체 파동의 1/4λ 지점에 위치하며, 다음 절점은 여기서 1/2λ 더 떨어진 3/4λ 지점에 나타난다. 무조점은 바로 이러한 절점에서 형성된다.

2. 2. 코리올리 힘의 영향

회전하는 지구에서 해협을 따라 이동하는 긴 진행파는 회전하지 않는 경우와 다르게 움직인다. 지구 자전으로 인해 발생하는 코리올리 힘은 대양의 물 흐름을 북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘게 만든다.[8] 이 힘 때문에 물이 한쪽으로 쏠리면서 쌓이게 되고, 이는 압력 기울기를 발생시킨다.[8] 결국, 물 표면에 경사가 생겨 코리올리 힘과 압력 기울기 힘이 균형을 이루는 상태, 즉 지균류 평형에 도달하게 된다.[12]

이러한 지균류 평형 상태에서 특별한 종류의 파동인 켈빈파와 푸앵카레파가 발생한다. 이 파동들은 켈빈 경이 처음 설명했다.[12] 켈빈파는 해안 경계를 따라 전파되는 특징이 있다. 북반구를 기준으로, 켈빈파의 진폭은 파동 진행 방향의 오른쪽 해안에서 가장 크고 해안에서 멀어질수록 변형 로스비 반경에 따라 지수적으로 감소한다.[13] 반면, 푸앵카레파는 해안선을 따라 자유롭게 전파되거나(자유파), 해안선에 수직인 방향으로 정상파 형태를 띠며 갇혀 있을 수도 있다(갇힌 파).[14]

2. 3. 무한히 긴 해협

대서양이나 태평양과 같이 매우 길고 넓은 해협을 이상적으로 단순화하여 '무한히 긴 해협'이라고 가정해 볼 수 있다. 이러한 해협에서는 조류가 켈빈파의 형태로 해안선을 따라 전파된다. 이때 해안 경계에 부딪혀 반사되는 파동(반사 켈빈파)과 원래 진행하던 파동(입사 켈빈파)이 서로 중첩된다.

켈빈파의 특성상 파도의 진폭(높이)은 해안 근처에서 가장 크고, 해안에서 멀어질수록 점차 감소한다. 해협 중앙의 특정 지점에 이르면 입사파와 반사파의 영향이 상쇄되어 파도의 진폭이 0이 되는 곳이 나타난다. 즉, 이 지점에서는 조석에 의한 해수면의 상승과 하강이 거의 일어나지 않는다.

또한, 이 지점을 중심으로 주변 해역의 조류 흐름 방향(위상)이 마치 회전하는 것처럼 관측된다. 이렇게 조석 진폭이 0이고 주변 조류가 회전하는 중심점을 무조점(Amphidromic point)이라고 부른다. 무조점을 중심으로 파도가 회전하는 방향은 지구 자전에 의한 코리올리 힘의 영향을 받는다. 이 때문에 북반구에서는 반시계 방향으로, 남반구에서는 시계 방향으로 조석파가 회전하는 경향을 보인다.

2. 4. 반폐쇄 유역

북해와 같은 반폐쇄 유역에서는 해안을 따라 전파되는 조석파의 주된 형태가 켈빈파이다. 그러나 켈빈파는 측면 경계나 적도가 있어야 횡단 해안 방향으로 전파될 수 있기 때문에, 반폐쇄 유역의 횡단 해안으로는 직접 전파되지 못한다.[13] 따라서 이러한 횡단 해안에서 관측되는 조석파는 주로 푸앵카레파이다. 결과적으로 반폐쇄 유역에서 관측되는 조석은 입사 켈빈파, 반사 켈빈파, 그리고 횡단 해안에서 정상파 형태로 나타나는 푸앵카레파의 합으로 설명될 수 있다.

3. 조석 부유점의 위치

마찰이 없는 이상적인 상황이라면, 무조점은 진행하는 조석파의 마디(node) 위치, 즉 파장의 4분의 1 지점에서 시작하여 2분의 1 파장 간격으로 나타나는 지점에서 발견될 수 있다.[8] 마찰을 무시할 경우 입사파와 반사파의 진폭이 동일하므로 무조점은 해협이나 만과 같은 분지의 중앙에 위치하게 된다.[8]

그러나 실제 바다에서는 해저와의 마찰, 해안 경계와의 상호 작용, 그리고 수심의 변화와 같은 요인들이 조석파에 영향을 미치며 무조점의 위치를 변화시킨다.[8][9] 수심 변화는 무조점 사이의 간격에 영향을 준다.[8] 해저 마찰과 해안 경계와의 상호작용은 에너지 손실을 유발하여 반사파의 세기를 약화시킨다.[15][8] 이러한 요인들, 특히 마찰과 코리올리 효과는 무조점의 위치를 이상적인 중심점에서 벗어나게 만든다.[8]

대조기와 소조기 주기 역시 마찰에 의한 에너지 소산량 변화를 통해 무조점 위치에 영향을 미칠 수 있다.[15][8] 경우에 따라 무조점이 해안 경계의 육지 쪽으로 이동하여 가상 무조점 또는 퇴화 무조점이 형성되기도 한다.[15][16][17]

3. 1. 수심의 영향

무조점 사이의 거리는 수심에 따라 달라진다.[8] 조석파의 파장 λ는 다음 공식으로 표현된다.

\lambda=\sqrt{gD}\cdot T

여기서 g는 중력 가속도, D는 수심, T는 파동의 주기이다.

이 공식에 따르면, 수심 D가 얕을수록 파장 λ는 짧아진다. 무조점은 파동의 마디에 위치하며, 마디는 1/2λ 간격으로 나타나므로, 수심이 얕은 곳에서는 마디 간격이 줄어들어 무조점들이 서로 더 가까워진다.[8] 반대로 수심이 깊어지면 파장이 길어져 무조점 사이의 간격은 넓어진다.

또한 해저 마찰과 해안 경계와의 상호 작용도 조석파와 무조점 위치에 영향을 미친다.[8][9] 얕은 바다와 해안 경계에서의 마찰은 에너지 손실을 유발하여 조석 패턴을 변화시킨다.[15] 이 에너지 손실 때문에 조석파는 완벽하게 반사되지 못하고, 반사파의 진폭은 입사파보다 작아진다.[8]

이러한 마찰 효과와 코리올리 힘의 영향으로 무조점의 위치는 이상적인 분지 중앙에서 벗어나게 된다. 특히 북반구에서는 무조점이 채널의 중심선 기준으로 입사파 진행 방향의 왼쪽으로 이동하는 경향을 보인다.[8]

북반구에서 첫 번째 무조점의 중심선으로부터의 변위 정도 γ는 다음 공식으로 나타낼 수 있다.[8]

\gamma=-\frac{\sqrt{gD}\cdot\ln\alpha}{2f}

여기서 γ는 채널 중심(γ=0)에서의 무조점 변위, g는 중력 가속도, D는 수심, f는 코리올리 진동수, α는 반사파와 입사파 진폭의 비율이다. 반사파는 입사파보다 작으므로([8]) α는 1보다 작고, 자연로그 lnα는 음수 값을 가진다. 따라서 북반구에서 무조점 변위 γ는 양수 값을 가지며, 이는 입사파의 왼쪽 방향으로의 이동을 의미한다.

더 나아가, 아일랜드 해에서 진행된 연구에 따르면 대조기-소조기 주기에 따라 무조점의 위치가 이동하는 패턴이 관찰되었다.[15] 무조점의 중심으로부터 벗어나는 최대 변위는 대조기에 나타나고, 최소 변위는 소조기에 발생한다. 이는 대조기 동안 조석파로부터 더 많은 에너지가 마찰 등으로 흡수되어 반사 계수 α가 더 작아지고, 결과적으로 중심으로부터의 변위 γ가 커지기 때문이다. 마찰로 인한 에너지 소산이 큰 다른 해역에서도 유사한 무조점 이동 현상이 나타날 것으로 예상된다.[8]

경우에 따라 무조점이 해안 경계의 육지 쪽으로 이동하여 실제 바다에는 존재하지 않는 것처럼 보일 수도 있다.[15][16][17] 이러한 경우에도 조석파의 진폭과 위상은 여전히 특정 내륙 지점을 중심으로 회전하는 패턴을 보이는데, 이 가상의 중심점을 가상 무조점(virtual amphidromic point) 또는 퇴화 무조점(degenerate amphidromic point)이라고 부른다.

3. 2. 마찰의 영향

바다의 조석파는 해저와의 마찰 및 해안 경계와의 상호작용에 영향을 받는다.[8][9] 또한, 수심 변화 역시 무조점 사이 간격에 영향을 미친다.[8]

얕은 바다와 해안 경계에서 발생하는 마찰로 인한 에너지 손실은 조석 패턴을 변화시킨다.[15] 조석파는 에너지를 잃으며 완벽하게 반사되지 못하므로, 입사파에 비해 반사파의 진폭이 작아진다.[8] 이러한 마찰 효과로 인해 북반구에서는 무조점이 일반적으로 해협 또는 분지의 중심선에서 입사파 진행 방향의 왼쪽으로 이동하게 된다.[8]

북반구에서 첫 번째 무조점의 이동 정도(변위)는 다음 식으로 나타낼 수 있다.[8]

\gamma=-\frac{\sqrt{gD}\cdot\ln\alpha}{2f}

여기서 γ는 해협 중심(γ=0)으로부터 무조점까지의 거리(변위)를 의미하며, ''g''는 중력 가속도, ''D''는 수심, ''f''는 코리올리 진동수, ''α''는 반사파와 입사파 진폭의 비율이다. 반사파는 입사파보다 작으므로[8] ''α''는 1보다 작고, ''lnα''는 음수 값을 가진다. 따라서 북반구에서 무조점 변위 ''γ''는 입사파의 왼쪽 방향으로 나타난다.

또한, 한 연구에서는 대조기-소조기 주기에 따라 무조점의 위치가 이동하는 패턴이 아일랜드 해에서 관찰되었다고 보고했다.[15] 무조점이 중심에서 가장 멀리 벗어나는 시기는 대조기와 일치하며, 가장 적게 벗어나는 시기는 소조기에 발생한다. 이는 대조기 동안 조석파로부터 더 많은 에너지가 마찰로 소산되기 때문이다. 결과적으로 반사 계수 ''α''가 작아지고 무조점의 중심으로부터의 변위는 커진다. 마찰로 인한 에너지 소산이 큰 다른 해역에서도 유사한 무조점 이동 현상이 나타날 것으로 예상된다.[8]

경우에 따라 무조점이 해안 경계의 내륙으로 이동하는 현상도 발생할 수 있다.[15][16][17] 이 경우, 조석파의 진폭과 위상은 여전히 특정 내륙 지점을 중심으로 회전하는데, 이러한 점을 가상 무조점(virtual amphidromic pointeng) 또는 퇴화 무조점(degenerate amphidromic pointeng)이라고 부른다.

3. 3. 가상 조석 부유점

무조점이 해안 경계의 내륙으로 이동하는 경우도 발생할 수 있다.[15][16][17] 이 경우 조석파의 진폭과 위상은 여전히 내륙 지점을 중심으로 회전하며, 이를 가상 무조점 또는 퇴화 무조점이라고 한다.

4. 해수면 상승과 조석 부유점

무조점의 위치와 이동은 주로 조석파의 파장과 마찰에 따라 달라진다. 온실 가스 배출 증가는 전 세계적인 해수면 상승을 유발하고 있으며, 이는 해양 환경에 영향을 미치고 있다.[18][19] 수심이 깊어지면 조석파의 파장도 길어진다. 결과적으로, 반폐쇄 해역에서 해안으로부터 약 1/4 파장(λ) 거리에 위치하는 무조점은 해안선에서 더 멀리 이동하게 된다. 또한, 무조점 사이의 간격인 1/2 파장(λ)이 증가함에 따라 무조점 간의 거리도 멀어진다. 이러한 현상은 특히 얕은 바다와 해안 지역에서 더 뚜렷하게 나타날 것으로 예상되는데, 이는 광활한 대양에 비해 해수면 상승으로 인한 상대적인 수심 증가율이 더 크기 때문이다. 해수면 상승의 정도는 지역마다 다르게 나타난다.[20] 일부 지역은 다른 지역보다 더 높은 해수면 상승률을 보이며, 해당 지역 인근의 무조점은 위치 변화에 더욱 민감하게 반응할 수 있다. 마지막으로, 해수면 상승은 해저면과의 마찰을 줄이는 효과를 가져와 조석파의 에너지 소모를 감소시킨다.[21] 이는 무조점이 해안 경계에서 더 멀리 이동하여 해협이나 분지의 중심부를 향하게 하는 또 다른 요인이 된다.

5. M2 조석 성분

M2 조석 성분은 달의 중력에 의해 발생하는 주요 조석 성분으로, 약 12시간 25분의 주기를 가진다. 전 세계 바다에는 M2 조석 성분에 의한 여러 개의 조석 부유점이 존재하며, 이들은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전한다.

그림 3. 북해에서의 ''M''2 성분의 조석 부유 시스템. 밝은 파란색 선은 그러한 선을 따라 수직 조석(해수면 고도)에 대한 동일 조석 위상 선이며, 조석 부유점은 1, 2, 3으로 표시됩니다.

5. 1. 시계 방향 조석 부유점

지역
세이셸 북쪽
엔더비랜드 근처
퍼스 앞바다
뉴기니 동쪽
이스터 섬 남쪽
갈라파고스 제도 서쪽
퀸모드랜드 북쪽


5. 2. 반시계 방향 조석 부유점

참조

[1] GSFC TOPEX/Poseidon: Revealing Hidden Tidal Energy http://svs.gsfc.nasa[...] GSFC
[2] 간행물 Tides and their seminal impact on the geology, geography, history, and socio-economics of the Bay of Fundy, eastern Canada 2004-01-01
[3] 웹사이트 Tides in two easy pieces - Earth 540: Essentials of Oceanography for Educators https://www.e-educat[...] 2016-07-21
[4] 서적 Tides: A Scientific History Cambridge University Press
[5] 간행물 Making waves in physics 2000-01
[6] 웹사이트 Archived copy http://www.salemstat[...] 2010-08-23
[7] 웹사이트 Untitled Document http://ffden-2.phys.[...] 2016-07-21
[8] 서적 Sea-Level Science http://dx.doi.org/10[...] Cambridge University Press 2014
[9] 간행물 The Volume of Earth's Ocean 2010-06-01
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[16] 간행물 Tides in the Bay of Bengal http://dx.doi.org/10[...] 1983
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[18] 간행물 Sea level rise and its coastal impacts 2014-02
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[20] 간행물 Spatial Variability of Sea Level Rise in Twenty-First Century Projections 2010-09-01
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[22] PDF Modeling coastal circulation in Norway using a high-resolution 4D-Var ocean assimilation system https://www.codar.co[...]


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