대기는 커다란 교회 종처럼 진동한다.
공명 효과가 일정한 패턴의 파동으로 지구를 휘덮는다.

공간음악 :
지구의 대기는 놀랍도록 규칙적이고 보이지 않는 파동 패턴을 보인다.
전체 대기 공간은 기본 톤과 공명에서 종처럼 진동한다. 장기 측정 데이터를 사용하여 처음으로 공개된 이러한 공명 패턴은 약 200년 전 수학자 시몬 라플라스(Simon Laplace)의 예측을 확인하고 대기 과정에 대한 새로운 통찰력을 갖게 한다.

▲ 지구의 대기에는 들을 수 없는 규칙적인 진동 패턴이 산재돼 있으며 종의 진동과 유사하다. photo:pixabay

낮과 밤의 변화, 조수의 리듬 또는 기압과 날씨의 짧은 진동 등 지구 대기는 수많은 진동과 주기로 형성된다. 로스비 파*(Rossby-Wave)는 제트 기류와 고압 및 저압 지역을 형성하고, 중력파는 구름을 형성하며 차례로 얼음 표면을 흔들면서 만들어진다.

*로스비 파: 행성파(planetary wave)라고도 하는 ‘Rossby wave’는 회전하는 유체에서 자연적으로 발생하는 관성파 유형이다. 칼-구스타프 아비드 로스비(Carl-Gustaf Arvid Rossby)에 의해 처음 확인되었다. 행성의 회전으로 인해 행성의 대기와 바다에서 관찰된다. 지구상의 대기 로스비(Rosby) 파는 날씨에 큰 영향을 미치는 고지대 바람의 거대한 구불구불 한 파도로 이 파동은 압력 시스템과 제트 흐름과 관련이 있다. 대양의 Rossby 파도는 따뜻한 상층과 바다의 더 깊은 곳 사이의 경계를 따라 움직인다.

지구의 공기층에서 공명

지금까지는 이러한 기상 현상의 두 가지 극단, 즉 날씨에 중요한 짧은 진동과 며칠의 주파수와 가진 광범위하고 수천 킬로미터의 파장을 가진 파가 연구되었다.
그 사이에는 프랑스 수학자 Simon Laplace가 200년 전에 좋은 공명 효과를 예측한 영역이 있다.

이 고전적인 이론에 따르면, 무엇보다도 낮과 밤의 변화로 야기되는 대기의 주기적인 진동과 조류는 일련의 겹치는 현상을 갖는다. 예측에 따르면, 이것들은 규칙적인 진동과 공명 패턴으로 이어져야 한다. 

▲ 며칠 길이로 순환하는 파가 감지되었다.

증거 검색

그러나 이러한 공명 패턴의 구체적인 증거는 어려운 것으로 판명되었다.
교토 연구원의 타카토시 사카자키(Takatoshi Sakazaki)와 마노아 하와이 대학의 케빈 해밀턴(Kevin Hamilton)은 “연구원자들은 이론적으로 예측된 모드의 증거를 반세기 이상 찾고 있다”고 설명한다. 며칠 길이로 순환하는 파가 감지되었으며 33시간 주기로 반복되는 대기압 피크의 첫 번째 표시가 있다. 전체 패턴은 숨겨져 있었다.

연구원들은 최근 매시간 지구 대기의 상태를 반영하는 유럽 중기 기상 예보 센터의 38년동안의 데이터 세트를 평가했다. 이 장기 데이터에서 그들은 구체적으로 2시간에서 2일 사이의 주파수 범위와 5천km 이상의 수평 파장에서 웨이브 패턴의 표시를 찾았다.

놀랍도록 규칙적인 진동 패턴

사카자키 (Sakazaki)와 해밀턴 (Hamilton)은 "명확하게 인식할 수 있는 분리된 피크가 놀랍도록 스펙트럼에 나타난다"고 밝혔다. 이 대기파 노드는 주파수가 구역 파수에 대해 플롯(plot)될 때 규칙적인 그리드를 형성한다. 그것은 지구 위에 펼쳐진 체스판과 다소 비슷하다. 이것은 압력파와 공명 효과에 의해 생성되며 시간당 1천 킬로미터 이상으로 지구 주위를 이동한다. 

▲ 공명 진동은 놀랍도록 규칙적인 바둑판 패턴을 형성한다. © Sakazaki und Hamilton / J. Atm. Sci. 2020

연구원들은 “이 파동 피크의 패턴은 진동 악기의 스펙트럼에서 톤을 연상시키는 주파수의 체계적인 분포를 증명한다. 정규적인 분포는 정말 놀랍다"고 말한다.
시계추가 기본 톤으로 진동할 뿐만 아니라 더 높은 공진 진동을 생성하는 것처럼 지구의 대기도 진동한다.

"종처럼 흔들린다"

해밀턴은 “측정 데이터에 너무 많은 모드가 나타나는 것은 대기가 실제로 종처럼 진동한다는 것을 증명한다. 우리가 이 ‘하늘의 음악’을 들을 수 없더라도 음악 소리의 음파와 같은 법칙을 따른다. 음악의 색조와 마찬가지로, 이러한 진동의 중첩 및 공명 효과는 특정 지점과 특정 주파수에서 서로를 강화 시킨다.

사카자키는 “200년 후 라플라스와 물리학의 다른 선구자들의 비전을 완전히 확인할 수 있게되어 기쁘다”고 말했다. “조사된 영역에서, 예측된 모드의 완전한 스펙트럼을 발견했다.”
이에 따른 진동은 수직 높이가 10km이고 적도에 대해 대칭 및 비대칭으로 움직인다.

연구를 위한 새로운 출발점

연구원들이 설명했듯이, 그들의 결과는 오래된 예측을 확인했을 뿐만 아니라 대기 연구를 위한 새로운 기회를 열어준다. 이러한 공명 효과를 알면 어떤 프로세스가 구동되는지 이해하고 이러한 진동을 완화 할 수 있다.
(Journal of Atmospheric Sciences, 2020; doi: 10.1175/JAS-D-20-0053.1

출처: University of Hawaii at Manoa 

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