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- 1995년 1월 1일, 25m 높이의 "극한 파도"가 북해의 드라우프너 석유 플랫폼을 강타
- 노르웨이 에코피스크(Ekofisk) 석유 플랫폼에서 18년 동안 수집된 파도 데이터를 분석
- 관측결과, 파도 데이터가 현재의 거대파 이론과 맞지 않는 것 확인
- 첫 번째는 선형 효과로, 서로 다른 방향에서 오는 느린 파도와 빠른 파도가 수렴
- 두 번째 요인은 2차 비선형 효과로, 주로 파도의 형태에 영향

거대 파도는 기존에 생각했던 것과 다르게 형성될까요?
북해 자료, 일반적인 이론을 반박하고 조기 경보 개선 필요

물 괴물:
거대 파도는 엄청난 높이에 도달할 수 있지만, 그 원인은 논란의 여지가 있다. 이제 북해 자료는 새롭고 놀라운 통찰력을 제공하며 일반적인 이론을 반박한다. 이 자료는 이전에는 중요하다고 여겨졌던 비선형 효과가 외해에서는 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 보여준다. 오히려 비대칭적이고 가파른 파도의 마루와 얕은 골은 "Rogue Wave; 극도로 큰 폭풍 파도"가 접근하고 있음을 시사한다. 이는 조기 경보를 높일 필요가 있다는 의미다. 

▲ 거대한 파도는 갑자기 나타나며 엄청나게 커질 수 있다. © Georgia Tech

거대 파도는 마치 갑자기 나타나는 것처럼 보이며, 전설적이다. 수 세기 전부터 선원들은 항해시 경험하는 평소의 파도보다 세 배나 높은 파도를 목격해 왔다. 1995년 1월 1일, 25m 높이의 "극한 파도"가 북해의 드라우프너 석유 플랫폼을 강타했다. "이번 연구는 선원들이 수 세기 동안 묘사해 온 내용을 확인해 주었다. 오랫동안 우리는 이러한 극한 파도를 단순한 신화로 여겨왔기 때문이다"고 애틀랜타 조지아 공과대학교의 선임 저자인 프란체스코 페델레(Francesco Fedele)는 설명했다.

▲ 1995년 북해 드라우프너 석유 플랫폼을 강타한 파도의 복원도. © CSIRO/ CC-by-sa 3.0

북해의 장기 파도 데이터

그렇다면 이러한 고립된 거대 파도는 어떻게 발생하는 것일까? 과학자들은 이제 파도 탱크와 컴퓨터 모델을 통해 불량 파도를 재구성할 수 있으며, 몇 가지 기여 요인도 알려져 있다. 그러나 이러한 예외적인 파도의 기저 메커니즘과 예측 가능성에 대해서는 논란의 여지가 있다.

이제 하이파 테크니온 대학교의 페델레와 사기 노블러(Sagi Knobler)가 이끄는 연구팀은 새로운 접근법을 개발했다. 이 연구를 위해 그들은 북해 중부에 있는 노르웨이 에코피스크(Ekofisk) 석유 플랫폼에서 18년 동안 수집된 파도 데이터를 분석했다. 약 2만7500개의 데이터 세트는 각각 석유 플랫폼에서 파도의 높이, 모양, 빈도, 방향을 30분 단위로 기록한 것이다. 두 번의 강한 폭풍 동안의 파도 거동도 기록되었다.

▲ 코노코필립스 노르웨이가 운영하는 북해 중부 에코피스크 B 석유 및 가스 플랫폼. 육교 중앙에 레이저가 설치되어 있다. (photo by Mika P. Malila).Published: 01 July 2025 / Effects of bound-wave asymmetry on North Sea rogue waves / Scientific Reports)

관측 결과가 이론과 맞지 않아

분석 결과 놀라운 사실이 드러났다. 파도 데이터가 현재의 거대파 이론과 맞지 않는다는 것이었다. 연구진은 이 이론에 따르면, 소위 3차 변조 불안정성이 결정적인 요인이라고 설명한다. 이 현상에서 파도의 높이와 간격의 작은 편차는 비선형 효과에 의해 증폭된다. 시간이 지남에 따라 이는 개별 거대파가 발생할 수 있는 혼돈스러운 파도 패턴을 형성한다.

하지만 페델과 그의 팀이 발견했듯이 북해의 데이터는 다른 그림을 그렸다. 그들은 "분석 결과 3차 변조 불안정성은 거대파 발생에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다"고 보고했다. 주로 실험실 실험과 모델에 기반한 현재 모델은 북해에서 관찰된 파도 역학과 일치하지 않았다.

페델은 "실험실 실험처럼 파도가 수로에 갇혀 있을 때는 변조 불안정성이 매우 정확하다. 그곳에서는 파동 에너지가 한 방향으로만 흐를 수 있다."라고 설명한다. "하지만 외해에서는 상황이 다르다. 에너지가 여러 방향으로 분산되기 때문이다." 결과적으로 계산 결과에서 알 수 있듯이 더 단순한 비선형 효과가 지배적이다.

두 가지 유발 요인

연구진은 구체적으로 거대파 형성에 유리한 두 가지 효과를 확인했다. 첫 번째는 선형 효과로, 서로 다른 방향에서 오는 느린 파도와 빠른 파도가 수렴하는 현상을 설명한다. 특정 상황에서는 파동 에너지가 합쳐져 특히 높은 파고를 형성할 수 있는데, 이 효과는 꽤 오래전부터 알려져 왔다.

두 번째 요인은 2차 비선형 효과로, 주로 파도의 형태에 영향을 미친다. 이 효과로 인해 한쪽 파고는 더 가파르게 되고, 파고는 더 평평해진다. 이는 또한 거대파(rogue wave) 형성을 촉진하여 파고를 15~20% 더 증가시킬 수 있다. 페델레(Fedele)와 그의 동료들은 "비대칭적인 가파른 파고와 얕은 파고를 가진 파도의 형성이 거대파 형성에 대한 보강 간섭을 증폭시키는 주요 요인이다."라고 설명했다.

▲ 북해의 불법파에 대한 경계파 비대칭의 영향

새로운 예측 모델, 조기 경보 개선

이 결과는 거대 파도에 대한 관점을 변화시킨다. 페델은 "거대 파도는 극단적이지만 설명이 가능하다."라고 말했다. 특이한 영향 요인이나 힘은 필요하지 않으며, 잘 알려진 효과들의 특정 조합만 있으면 된다. "불량 파도는 해양의 자연법칙에 대한 예외가 아니라, 그 결과다. 이번 연구 결과는 지금까지 이에 대한 가장 확실하고 현실적인 증거다.”

이는 거대 파도 예측에도 영향을 미친다. 페델과 그의 팀은 연구 결과를 바탕으로 미국 국립해양대기청(NOAA)과 에너지 회사 셰브론에서 이미 사용 중인 새로운 AI 기반 예측 모델을 개발했다. 이와 동시에, 연구진은 수십 년간의 파도 데이터를 분석하여 모델을 더욱 개선하기 위해 적응형 알고리즘을 사용하고 있다.

페델은 "거대 파도는 극한의 현상이지만, 그 역시 바다의 언어 중 하나입니다. 하지만 우리는 이제 막 이 언어를 이해하기 시작했다"고 말했다.

참고: Scientific Reports, 2025; doi: 10.1038/s41598-025-07156-6)
출처: Georgia Institure of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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