윌리엄 페렐

1. 개요

윌리엄 페렐은 1800년대 미국의 기상학자, 해양학자, 그리고 과학자였다. 그는 대기 순환에 대한 '페렐 순환' 이론을 제시하여 중위도 지역의 기상 현상을 설명하고, 조석 현상 연구를 통해 달의 질량을 계산하는 등 다양한 분야에서 업적을 남겼다. 페렐은 해들리의 대기 순환 모델을 개선하고, 지구 자전에 미치는 조석의 영향을 연구했으며, 인간 시각과 변광성에 대한 연구도 수행했다. 그는 미국 육군 신호대와 미국 연안 조사국에서 근무했으며, 1904년에는 저서 "바람에 관한 대중적 논문"을 출판했다.

2. 생애

윌리엄 페렐은 1817년 펜실베이니아 남부 풀턴 군에서 농부의 딸이었던 어머니와 아버지 벤자민 페렐 사이에서 태어난 8명의 자녀 중 장남이었다. 그의 가족은 앨러게니 산맥에 농장을 소유하고 있었으며, 페렐은 12살 때 농장과 제재소에서 일했다. 1829년 가족은 웨스트버지니아가 될 지역으로 이사했다. 페렐은 정규 초등학교 교육을 거의 받지 못했지만, 1832년 부분 일식을 계기로 과학에 관심을 갖게 되었다. 그는 마틴스버그와 해거스타운에서 과학 서적을 구입하여 독학했고, 교사가 될 정도의 실력을 쌓았다.

페렐은 교사로 일하며 번 돈으로 마셜 칼리지에 진학했지만, 2년만 학업을 이어갈 수 있었다. 이후 웨스트버지니아에서 2년간 다시 교사로 일하며 베서니 칼리지에서 나머지 교육 과정을 마쳤고, 1844년 베서니 칼리지를 졸업했다. 그는 1858년까지 미주리와 테네시에서 교사로 일했다.

1854년, 페렐은 테네시 주 내슈빌에 학교를 설립했다. 1858년, 매사추세츠 주 케임브리지의 미국 항해력 및 항해 연감에 정규직으로 합류했으며, 1867년에는 워싱턴 D.C.의 미국 연안 조사국으로 자리를 옮겼다.

1882년, 페렐은 미국 육군 신호대(1891년 미국 기상국 창설 전까지 기상 예보를 담당)에 합류하여 1886년에 은퇴했다. 그는 1891년 캔자스 주 캔자스시티 교외인 와이앤도트 군 메이우드에서 사망했다.

2.1. 어린 시절과 교육

윌리엄 페렐은 1817년 1월 29일 펜실베이니아 남부 풀턴 군에서 벤자민 페렐과 그의 아내(이름 미상) 사이에서 태어난 8명의 자녀 중 장남이었다. 그의 가족은 앨러게니 산맥에 농장을 소유하고 있었으며, 페렐은 어린 시절 농장과 제재소에서 일했다. 1829년 가족은 웨스트버지니아가 될 지역으로 이사했다.

페렐은 정규 초등학교 교육을 두 번, 겨울 동안만 받았지만, 1832년 부분 일식을 계기로 과학에 관심을 갖게 되었다. 그는 마틴스버그와 해거스타운에서 과학 서적을 구입하여 독학했고, 교사가 될 정도의 실력을 쌓았다.

그는 교사로 일하며 번 돈으로 마셜 칼리지에 진학했지만, 2년만 학업을 이어갈 수 있었다. 이후 웨스트버지니아에서 2년간 다시 교사로 일하며 베서니 칼리지에서 나머지 교육 과정을 마쳤다. 1844년 베서니 칼리지를 졸업했다.

2.2. 교사 생활과 초기 연구

페렐은 1844년 베서니 칼리지를 졸업하고 1858년까지 미주리와 테네시 등지에서 교사로 일했다. 미주리 주 리버티에서 뉴턴의 프린키피아(Principia)를 연구했는데, 여기에는 프랑스 과학 아카데미의 조수에 관한 추가 논문이 포함되어 있었다. 그는 라플라스의 천체역학(Mécanique Céleste)도 연구하여 태양과 달의 움직임이 지구 자전 속도를 늦춘다는 이론을 세웠다. 이는 페렐의 첫 논문 주제가 되었는데, 페렐은 라플라스가 2차 항을 고려하지 않았다고 생각하여 자신의 이론을 발전시켰다.

2.3. 후기 생애

1854년, 페렐은 테네시 주 내슈빌에 학교를 설립했다. 1858년, 매사추세츠 주 케임브리지의 미국 항해력 및 항해 연감에 정규직으로 합류했으며, 1867년에는 워싱턴 D.C.의 미국 연안 조사국으로 자리를 옮겼다.

1882년, 페렐은 미국 육군 신호대(1891년 미국 기상국 창설 전까지 기상 예보를 담당)에 합류하여 1886년에 은퇴했다. 1891년 캔자스 주 캔자스시티 교외인 와이앤도트 군 메이우드에서 사망했다.

3. 주요 업적

3.1. 페렐 순환

페렐은 상승하는 따뜻한 공기가 코리올리 효과로 인해 회전하면서 더 적도에 가깝고 따뜻한 지역에서 공기를 끌어들여 극쪽으로 운반하는 경향이 있음을 입증했다. 이러한 회전은 더 차가운 북극/남극 공기를 적도 쪽의 더 따뜻한 열대 공기로부터 분리하는 복잡한 곡선을 전선 시스템에 만들어낸다.

페렐은 해들리의 이론을 개선하였는데, 이전에는 간과되었던 메커니즘을 인식했기 때문이다. 그의 첫 번째 논문에서 인용하면 다음과 같다.

> 네 번째이자 마지막 힘은 대기의 상대적인 동서 운동과 지구의 회전 운동의 결합에서 발생한다. 대기가 지구와 동일한 축으로 회전하기 때문에 각 입자는 원심력을 받는데, 이를 수직 및 수평력으로 분해하면 후자가 지구의 형상에 따라 편구형을 띠게 한다. 그러나 대기의 어느 부분의 회전 운동이 지구 표면보다 더 크거나, 다시 말해, 대기의 어느 부분이 지구 표면에 대해 상대적인 동쪽 운동을 갖는다면 이 힘은 증가하고, 상대적인 서쪽 운동을 갖는다면 감소하며, 이러한 차이는 대기가 지구 표면에 맞는 형상으로 평형 상태에 있지 못하게 하고, 특정 위도에서 대기가 축적되고 다른 위도에서 감소하게 하며, 이러한 위도에서 대기압의 결과적인 차이는 대기의 움직임에 매우 큰 영향을 미친다.

해들리의 잘못된 추론은 공기 덩어리가 북에서 남으로 또는 남에서 북으로 이동하면서 선형 운동량을 보존하려는 경향에 기반했다. 페렐은 기상학과 해양학에서 고려해야 할 것은 지구에 대해 상대적인 운동을 하는 공기 덩어리가 지구의 축에 대해 각운동량을 보존하려는 경향이라는 것을 인식했다.

3.2. 조석 연구

페렐은 해와 달이 조석에 미치는 영향과 이것이 지구 자전에 미치는 영향을 연구했다. 라플라스는 이전에 이에 대해 이론화했지만, 2차 항과 유체 마찰을 무시했다. 1840년대까지 이를 연구할 수 있는 수학이 존재하지 않았기 때문이다. 페렐은 마찰은 속도의 제곱에 비례한다고 가정하여 비선형 방정식을 얻었고, 이를 성공적으로 다룬 최초의 사람이었다. 그는 또한 조석이 지구가 점성 내부를 가지고 있다는 것으로 설명될 수 있다고 보았으며, 지구의 자기력을 연구하려고 시도했다.

페렐은 조석에 대한 데이터를 수집하고 이를 사용하여 달의 질량을 계산했다. 1880년, 그는 연안 측량 및 지질 조사 국장에게 데이터를 사용하여 조석의 극대 및 극소를 예측할 수 있는 기계를 제안했다. 그는 같은 해 말에 미국 과학 진흥 협회에도 이 아이디어를 발표했다. 페렐은 1882년 미국 연안 측량 및 지질 조사국에서 사임했지만, 이 프로젝트가 완료될 때까지 감독하기 위해 남아 있었으며, 이 기계는 큰 성공을 거두어 25년 이상 사용되었다.

3.3. 기타 연구

페렐은 인간의 시각 작용 원리에 대한 이론을 제시했는데, 이는 수학과 심리학을 바탕으로 실험으로 뒷받침되었다. 그는 변광성의 주기 변화를 통해 별이 지구에 접근하는지 또는 후퇴하는지 여부를 파악할 수 있는지 연구했다.

4. 저술