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해수가 겹쳐 층이 생기면 두 개의 제동파 형태가 생성된다.
난센 효과와 에크만 효과를 실험실에서 분석, 난류 발생현상 찾아내

‘죽은 물 Death Water’ 수수께끼 풀려
해수가 겹치면 두 개의 제동파 형태가 생성된다.

신비한 해수면 제동 효과 :
연구원들이 바다의 일부 지역에서 선박이 거의 진보하지 못한 이유를 명백하게 밝혔다.

선원들은 이 현상을 "죽은 물"이라고 불렀다. 이 제동 효과는 해수가 심하게 층화될 때 항상 발생한다. 선박의 움직임으로 인해 두 가지 파형이 발생하며 속도가 다른 방식으로 작동해 하나는 꾸준히 제동되고 다른 하나는 변동 저항을 생성한다. 

▲ 바다의 일부 지역에서 선박이 거의 진보하지 못한 이유를 명백하게 밝혔다. 선원들은 이 현상을 "죽은 물"이라고 불렀다.

노르웨이 극지 탐험가 프리조프 난센 (Fridjof Nansen)이 1893년 시베리아 해안에서 북극해를 탐험했을 때, 갑자기 이상한 일이 일어났다. 그의 배 'Fram'은 보이지 않는 힘에 의해 잡아 당겨져 거의 조종할 수 없었다. 다른 선원들은 다른 해양 지역에서도 같은 경험을 했다.
클레오 파트라의 함대조차도 이 제동 효과의 희생자가 됐을 것이다. 일부 선박은 실제로 상대 로마의 옥타비아보다 빠르지만 액티움 전투에서 전진하지 못했다.

▲ 난센의 배 'Fram'은 1893년 7월 2일에 북극을 향해 Bergen을 떠난다.

 

▲ Fram 선박을 이끌고 북극으로 향했던 프리드요프 난센(Fridtjof_Nansen)

물의 층에 달려있다.

이 신비한 브레이크 효과의 원인은 무엇일까?
물리학자인 바근 에크만(Vagn Ekman)은 1904년 초 ‘죽은 물’의 비밀을 밝히려고 노력했다. 그는 실험실 테스트에서 해수에 심하게 층이 생길 때 이 효과가 항상 발생한다는 것을 발견했다.

예를 들어, 가벼운 용융수가 짠 바닷물 위에 있기 때문이다.

움직이는 배는 두 층(layer)의 경계에 내부 파도를 만들어 이동 속도를 늦춘다.

그러나 Ekman은 죽은 물의 수수께끼를 부분적으로만 해결할 수 있었다.
그의 실험은 제동 효과가 때때로 다시 변동하는 이유와 두 종류의 물 경계층에서 정확히 무슨 일이 일어나는지 보여주지 않았다. 100년이 훨씬 지난 후, 푸아티에 대학(University of Poitiers)의 요한 푸드리노이(Johan Fourdrinoy) 동료들은 실험과 모델링을 통해 이 수수께끼를 다시 한번 조사했다.

난센 효과 : 제동

실험을 위해 연구원들은 염수를 염료로 염색하여 투명한 파동 채널에 채웠다.
그런 다음 그들은 염색되지 않은 신선한 물을 넣었다.

해수보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 남아 있으며 혼합되지 않는다. Fourdrinoy와 그의 팀은 이 준비된 채널을 통해 모조품 배를 끌어 당기고 고속 카메라를 사용하여 경계층의 내부 난류를 시각화했다. 

배가 층이 만들어진 물 경계면을 통과하면 제동을 하는 두 개의 난기류가 동시에 생성되는 것으로 나타났다. 과학자들은 “첫 번째는 배 아래에 형성되어 마치 배에 붙어있는 것처럼 움직이는 함몰이다. 이 고전적인 내부 파는 난센(Nansen)이 관찰하는 지속적인 제동 효과를 담당한다.

▲ 에크만 층(Ekman layer)은 유체에서 압력 그라디안트, 코리올리 및 난류 항력간의 균형의 결과로 형성된 유체의 층이다. 위 그림에서 북쪽으로 불어 오는 바람은 표면 응력을 발생시키고 그 결과 물 기둥에서 그 아래에 Ekman 나선이 있다. https://en.wikipedia.org/wiki/Ekman_layer#/media/File:Ekman_layer.jpg

 

에크만(Ekman) 효과 : 느린 컨베이어 벨트

덧붙여 Fourdrinoy와 그의 팀은 또 다른 두 번째 효과가 있다고 말했다.
그들의 뱃머리에서 퍼진 내부파가 채널 벽에 반사된 다음 다시 배 아래로 지나간다.
연구진은 "선박 아래로 이러한 진행파 중 하나가 통과할 때마다 순항 속도가 변경된다"고 설명했다. "선박과 이러한 파도 사이의 상호 작용은 뒤로 가는 컨베이어 벨트와 같은 속도 진동을 유발한다."

▲ 에크만의 초상화

난센(Nansen) 파는 거의 항상 물의 층에서 발생하지만 Ekmann 파동 효과로 알려진 이 두 번째 현상은 특히 피요르드, 항구 및 기타 제한된 해양 지역에서 두드러진다. 수면이 넓어질수록 반사파 진행이 약해진다.

선박의 속도 또한 중요한 역할을 한다.
즉, Ekman 효과에서 멀어질 수 있다. 연구원들은 “Ekman 효과는 처음에는 Nansen 파와 겹치지만 비교적 무시할 수 있게 된다”고 말했다.

 

 

▲ 두 가지 파도 효과의 조합은 배를 죽은 물에서 제동시킨다. © Morgane Parisi / www.StudioBrou.com

"진정한 자연의 수수께끼가 풀렸다"

Fourdrinoy와 그의 동료들은 "우리는 죽은 물의 본질을 밝혀냈다"고 말했다.
“죽은 물의 개념은 두 가지 다른 제동파 현상, 즉 운동학적 진행과 역동적인 저항으로 구성된다.”
선원들이 몇 세기 동안 관찰한 신비한 현상의 물리적인 비밀이 밝혀졌다.

(PNAS), 2020; doi: 10.1073/pnas.1922584117)
출처: CNRS / Proceedings of the National Academy of Sciences 

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