너울

3. 너울의 발달

너울은 장파가 단파로부터 에너지를 얻어 발달한다. 1957년 O.M. 필립스는 물 표면이 처음에는 정지 상태이며, 난류 바람 흐름과 바람의 변동에 의해 물 표면에 가해지는 무작위적인 정상 압력 분포로 인해 파동이 발생한다고 제안했다. 이 압력 변동은 물 표면에 파동을 생성하는 정상 및 접선 응력을 발생시킨다.^[3]

같은 해, 존 W. 마일스는 비점성 Orr-Sommerfeld 방정식에 기반한 난류 바람 전단 흐름에 의해 표면 파동이 생성되는 메커니즘을 제안했다. 그는 바람에서 물 표면으로의 에너지 전달이 바람 속도 프로파일의 곡률에 비례한다는 것을 발견했다. 바람 프로파일은 물 표면에 대해 로그 함수이므로, 곡률은 특정 지점에서 음수 부호를 갖는다. 이 관계는 바람 흐름이 운동 에너지를 물 표면으로 전달하여 파동 속도를 발생시킨다는 것을 보여준다.^[4]

일반적으로 이러한 파동 형성 메커니즘은 해양 표면에서 함께 발생하여 풍랑을 일으키고, 이는 결국 완전히 발달된 파동으로 성장한다.^[5] 매우 평평한 해수면에서 갑작스러운 바람이 일정한 속도로 불어올 경우, 물리적인 파동 발생 과정은 다음과 같다.

# 난류 바람 흐름은 해수면에서 무작위적인 압력 변동을 형성한다. 수 센티미터 정도의 파장을 가진 작은 파동이 압력 변동에 의해 생성된다(필립스 메커니즘).^[3]

# 횡풍은 처음에 변동된 해수면에 계속 작용한다. 그러면 파동이 커지고, 압력 차이가 증가하며, 전단 불안정성은 파동 성장을 지수적으로 가속화한다(마일스 메커니즘).^[3]

# 표면의 파동 간의 상호 작용은 더 긴 파동을 생성하고(Hasselmann et al., 1973)^[6], 이 상호 작용은 짧은 파동으로부터 피크 파동 크기보다 약간 낮은 주파수를 가진 파동으로 에너지를 전달한다. 궁극적으로, 파동 속도는 횡풍의 속도보다 더 높아진다(피어슨 & 모스코위츠).^[7]

클라우스 하셀만은 비선형 효과를 연구하여 장파가 짧은 바람 파로부터 에너지를 얻는 과정을 설명했다. 그는 비선형성을 통해 깊은 물 속의 두 파동이 상호 작용하여 더 긴 파장과 짧은 파장의 두 개의 새로운 파동을 생성할 수 있음을 보여주었다.

하셀만이 개발한 방정식은 현재 해상 상태 모델에 사용되며, 풍랑과 너울은 바다에서 대기로의 열 전달에 큰 영향을 미치기 때문이다. 이는 엘니뇨와 같은 대규모 기후 시스템과 걸프 스트림 가장자리 근처의 대기 저기압과 같은 소규모 시스템 모두에 영향을 미친다.

하셀만 과정은 가장 높은 파도의 꼭대기 부근에서 가장 크며, 종종 같은 위치 근처에서 부서지는 짧은 파동을 비유로 사용할 수 있다. 각 작은 부서지는 파도가 부서지는 더 긴 파도에 작은 밀침을 주기 때문이다. 긴 파도의 관점에서 보면, 마치 그네를 적절한 시간에 약간 밀어주는 것처럼, 각 파도의 마루에서 작은 밀침을 받게 된다.

4. 너울의 소멸

너울 에너지의 소산은 단파에서 훨씬 더 강하게 나타나는데, 이것이 멀리 떨어진 폭풍에서 온 너울이 장파인 이유이다. 주기가 13초보다 큰 파도의 소산은 매우 약하지만, 태평양 규모에서는 여전히 상당하다.^[12] 이러한 장파는 에너지의 절반을 20000km 이상(지구 둘레의 절반)에서 2000km 조금 넘는 거리에서 잃는다.

이러한 변화는 너울의 경사, 즉 너울 높이와 파장의 비율에 대한 체계적인 함수인 것으로 밝혀졌다. 이러한 현상의 이유는 아직 명확하지 않지만, 이 소산은 공기-해수면의 마찰 때문일 가능성이 있다.

5. 너울의 분산과 파동군

너울은 종종 해안에서 수천 해리 떨어진 폭풍에 의해 생성되며, 가장 긴 너울의 전파는 주로 해안선에 의해 제한된다. 예를 들어, 인도양에서 생성된 너울은 지구를 반 바퀴 이상 돈 후 캘리포니아에서 기록되었다.^[13] 이 거리를 통해 너울을 구성하는 파도는 해안으로 이동하면서 더 잘 정렬되고 잔물결 없이 이동할 수 있다. 폭풍의 바람에 의해 생성된 파도는 동일한 속도를 가지며 함께 뭉쳐서 함께 이동하지만, 초당 몇 미터라도 느리게 움직이는 다른 파도는 뒤쳐져서 결국 먼 거리를 이동하기 때문에 몇 시간 후에 도착한다. 파원의 전파 시간 ''t''는 거리 ''X''를 파동 주기 ''T''로 나눈 값에 비례한다. 깊은 물에서는 t = 4 π X /( g T)^영어이고, 여기서 g는 중력 가속도이다. 10000km 떨어진 폭풍의 경우, 주기 ''T''=15 초의 너울은 폭풍 후 10일 후에 도착하고, 14 초의 너울은 17시간 후에 도착하는 식이다.

가장 긴 주기를 시작으로 너울이 분산되어 도착하면서, 시간이 지남에 따라 최대 파동 주기가 감소하는 것을 이용하여 너울이 생성된 거리를 계산할 수 있다.

폭풍 속의 해상 상태는 거의 동일한 모양(즉, 피크의 플러스 또는 마이너스 7% 이내의 지배적인 주파수를 갖는 잘 정의된 피크)을 가진 주파수 스펙트럼을 가지는 반면, 너울 스펙트럼은 파도가 멀리 분산될수록 점점 더 좁아지며 때로는 2% 이하로 좁아진다. 그 결과 파동 그룹(서퍼들은 세트라고 부른다)은 많은 수의 파동을 가질 수 있다. 폭풍에서는 그룹당 약 7개의 파도에서 시작하여 매우 멀리 떨어진 폭풍에서 오는 너울에서는 20개 이상으로 증가한다.

6. 연안에 미치는 영향

너울은 파장이 길어 국지적으로 생성된 파도보다 더 먼 해안(더 깊은 물)에서 굴절을 시작한다.^[14] 저주파 파도의 진폭은 파동 주기에 따라 크게 증가하여(주기의 약 제곱) 침투를 더 많이 유발한다.

너울로 생성된 파도는 일반적인 바다 파도와 섞이기 때문에, 일반적인 파도보다 눈에 띄게 크지 않으면 알아보기 어려울 수 있다.

7. 항해

과거 미크로네시아 항해사들은 안개가 낀 밤과 같이 다른 단서가 없을 때 너울을 이용하여 항로를 유지했다.^[15]

참조

_[1] 서적 Wind generated ocean waves Elsevier
_[2] 서적 Marine climate change: Ocean waves, storms and surges in the perspective of climate change Springer
_[3] 논문 "On the generation of waves by turbulent wind"
_[4] 논문 "On the generation of surface waves by shear flows"
_[5] 웹사이트 Chapter 16 - Ocean Waves (for an example) http://oceanworld.ta[...]
_[6] 간행물 Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP)' Ergnzungsheft zur Deutschen Hydrographischen Zeitschrift Reihe, A(8)
_[7] 간행물 Proposed Spectral Form for Fully Developed Wind Seas Based on the Similarity Theory of S. A. Kitaigorodskii
_[8] 학술지 On the Non-Linear Energy Transfer in a Gravity-Wave Spectrum Part 1. General Theory 1962
_[9] 웹사이트 Wavewatch III in the Caribbean http://ww3.cimh.edu.[...] 2021-03-09
_[10] 학술지 Sorting and sedimentary character of sandy beach under wave action 2015
_[11] 학술지 Grain Size and Sorting in Modern Beach Sands 2001
_[12] 기타 Observation of swell dissipation across oceans
_[13] 기타 Directional recording of swell from distant storms
_[14] 웹사이트 Wave Basics (Stormsurf) http://www.stormsurf[...]
_[15] 웹사이트 Home https://www.penn.mus[...]