Science Story

태풍의 소용돌이가
빙빙 도는 이유

Life + Live

최근에 유독 한반도를 지나가는
태풍이 많아진 기분이다.
특히 여름과 초가을 한반도를 지나는
태풍은 강풍과 폭우를 동반하며
우리에게 큰 피해를 준다.
보통 태풍이 하루에 발산하는 열에너지가
1년간 우리나라에서 만들어낸
총 전기에너지(2009년 기준)의
50배에 달할 정도로 강력하다고 하니
충분히 그럴 만도 하다.
이런 태풍은 우리 입장에서는
굳이 찾아오지 말아줬으면 하는 불청객이지만,
지구 전체로 보면 적도 부근의 열을
극지방으로 옮겨
대기의 열적 불균형을 해소하는
중요한 역할을 맡고 있기도 하다.

유재준 서울대학교 물리천문학부 교수

Science Story

태풍의 소용돌이가
빙빙 도는 이유

Life + Live

최근에 유독 한반도를 지나가는
태풍이 많아진 기분이다.
특히 여름과 초가을 한반도를 지나는
태풍은 강풍과 폭우를 동반하며
우리에게 큰 피해를 준다.
보통 태풍이 하루에 발산하는 열에너지가
1년간 우리나라에서 만들어낸
총 전기에너지(2009년 기준)의
50배에 달할 정도로 강력하다고 하니
충분히 그럴 만도 하다.
이런 태풍은 우리 입장에서는
굳이 찾아오지 말아줬으면 하는 불청객이지만,
지구 전체로 보면 적도 부근의 열을
극지방으로 옮겨
대기의 열적 불균형을 해소하는
중요한 역할을 맡고 있기도 하다.

유재준 서울대학교 물리천문학부 교수

보이지 않는 가상의 힘이
태풍의 소용돌이를 만든다

태풍의 움직임을 찍은 위성사진을 보면 소용돌이가 뱅글뱅글 돌고 있다.
태풍 중심의 낮은 기압이 주변의 공기를 빨아들일 때 작용하는 힘은 저기압의 중심을 향하기 때문에, 뉴턴의 운동 법칙이 작용한다면 바람의 방향은 태풍의 중심을 향해야 한다. 그런데 태풍의 바람은 중심을 향해 곧장 들어가지 않고 빙빙 돌면서 들어간다. 왜일까?
먼저 바람의 방향을 운동 법칙의 관점에서 한번 따져 보자. 이들 바람의 방향은 기압차에 의한 힘의 방향과 일치하지 않는다. 무언가 다른 힘이 작용한다는 것을 짐작할 수 있다. 기상도에 나온 공기의 흐름을 살펴보면 기압차에 의한 힘의 방향에서 오른쪽으로 치우쳐 움직이고 있다는 것을 알 수 있다. 그래서 바람의 방향을 설명하려면 공기에 직접 작용하는 기압차에 의한 압력 외에, 오른쪽으로 휘게 하는 코리올리의 힘이라 부르는 ‘가상의 힘’ 또는 ‘가짜 힘’이 추가로 필요하다. 프랑스의 물리학자 코리올리가 정의한 코리올리의 힘을 ‘가상의 힘’이라 부르는 이유는 뉴턴의 운동법칙에서 가속도와 힘의 관계를 정할 때 설정한 전제 조건과 관련이 있기 때문이다.

뉴턴, 관성기준계에 따른 힘의 작용을 설명하기 위해
제1법칙을 설정하다

뉴턴은 제1법칙에서 ‘외부의 힘이 가해지지 않으면 정지해 있던 물체는 계속 정지해 있고 운동하는 물체는 계속 등속 직선 운동을 한다’고 제시했다. 이 법칙에는 모든 운동을 관측하고 이해하는 기본 틀에 대한 개념이 담겨 있다. 예를 통해 알아보자. A와 B, 두 관측자가 기차역에 들어선다. B는 기차역에 서 있고, A는 막 출발해 속도를 높이는 기차에 올라탔다.
B의 기준계에서 바라보면 기차역에 작용하는 힘은 없지만 기차에는 가속도에 비례하는 힘이 작용한다. 기차에 올라탄 A의 좌표계에서 관측하면 기차는 정지해 있고, 대신 기차역이 가속을 하며 멀어진다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 정지해 있는 기차에는 아무런 힘이 작용하지 않고, 가속하면서 멀어지는 기차역에는 힘이 작용해야 한다. 그런데 뭔가 이상하다. B 기준계의 기차와 A 기준계에서 본 기차역은 무게가 다른데도 똑같은 가속을 하고 있는 셈이다. 뉴턴은 이 모순을 해결하기 위해 ‘관성기준계에서 측정했을 때’라는 전제조건을 제1법칙에서 설정하고, 외부의 힘이 가해지지 않으면 물체는 정지 상태를 유지하거나 일정한 속도로 움직이는 상태를 유지한다고 정한 것이다.


회전기준계에서 느끼는
‘지구가 자전하는 힘’이
태풍의 궤적을
회전하는 것으로
보이게 만든다.

회전기준계에서 느끼는 지구가 자전하는 힘이
코리올리 효과를 만든다

관성기준계의 조건을 갖추지 못하면 모두 비관성계로 칭한다. 여기서 관측된 모든 운동은 가상의 힘, 즉 가짜 힘의 영향을 받는다. 우리에게 가장 친숙한 가상의 힘은 회전기준계에서 나타나는 원심력이다. 놀이동산 관성계에서 보면, 관성계의 뉴턴 법칙이 정확히 들어맞지만 회전기준계에서 보면 회전목마 위의 관측자가 본 목마는 정지해 있어 가속도와 힘의 합력 모두 ‘0’이지만 실제로는 목마를 중심으로 당기는 힘을 느끼게 된다. 다시 말해 회전기준계와 같은 비관성계에서는 정지한 물체에 대한 관성의 법칙을 유지하기 위해 ‘원심력’이라는 가상의 힘이 존재하는 것이다.
그럼 이제 핵심 사례를 살펴보자. 대포를 떠난 대포알에는 지구 중심을 향하는 중력 외에는 외부에서 어떤 힘도 작용하지 않는다. 따라서 회전기준계가 아닌 놀이동산 관성계에서 중력 방향의 운동을 빼고 보면 대포알의 진행 방향은 직진 운동이다. 그런데 시계 반대 방향으로 회전하는 회전판 위의 관측자가 본 대포알의 운동은 항상 운동 방향의 오른쪽으로 치우친다. 대포알이 직진하는 동안 회전판이 그만큼 회전해서 왼쪽으로 향하기 때문이다. 이 비관성계의 힘을 코리올리의 힘이라 한다. 이 힘은 회전판의 회전속력과 움직이는 물체의 속력에 비례한다. 그 때문에 수백 또는 수천 킬로미터를 날아가는 장거리 대포나 미사일을 쏠 때는 코리올리의 힘을 고려해 비행경로를 계산하곤 한다. 결과적으로 우리가 바람의 경로나 태풍의 소용돌이 움직임을 볼 때 회전하는 것처럼 궤적이 보이는 것 또한 코리올리의 효과 때문이라고 할 수 있을 것이다.

보이지 않는 가상의 힘이
태풍의 소용돌이를 만든다

태풍의 움직임을 찍은 위성사진을 보면 소용돌이가 뱅글뱅글 돌고 있다.
태풍 중심의 낮은 기압이 주변의 공기를 빨아들일 때 작용하는 힘은 저기압의 중심을 향하기 때문에, 뉴턴의 운동 법칙이 작용한다면 바람의 방향은 태풍의 중심을 향해야 한다. 그런데 태풍의 바람은 중심을 향해 곧장 들어가지 않고 빙빙 돌면서 들어간다. 왜일까?
먼저 바람의 방향을 운동 법칙의 관점에서 한번 따져 보자. 이들 바람의 방향은 기압차에 의한 힘의 방향과 일치하지 않는다. 무언가 다른 힘이 작용한다는 것을 짐작할 수 있다. 기상도에 나온 공기의 흐름을 살펴보면 기압차에 의한 힘의 방향에서 오른쪽으로 치우쳐 움직이고 있다는 것을 알 수 있다. 그래서 바람의 방향을 설명하려면 공기에 직접 작용하는 기압차에 의한 압력 외에, 오른쪽으로 휘게 하는 코리올리의 힘이라 부르는 ‘가상의 힘’ 또는 ‘가짜 힘’이 추가로 필요하다. 프랑스의 물리학자 코리올리가 정의한 코리올리의 힘을 ‘가상의 힘’이라 부르는 이유는 뉴턴의 운동법칙에서 가속도와 힘의 관계를 정할 때 설정한 전제 조건과 관련이 있기 때문이다.

뉴턴, 관성기준계에 따른 힘의 작용을 설명하기 위해
제1법칙을 설정하다

뉴턴은 제1법칙에서 ‘외부의 힘이 가해지지 않으면 정지해 있던 물체는 계속 정지해 있고 운동하는 물체는 계속 등속 직선 운동을 한다’고 제시했다. 이 법칙에는 모든 운동을 관측하고 이해하는 기본 틀에 대한 개념이 담겨 있다. 예를 통해 알아보자. A와 B, 두 관측자가 기차역에 들어선다. B는 기차역에 서 있고, A는 막 출발해 속도를 높이는 기차에 올라탔다.
B의 기준계에서 바라보면 기차역에 작용하는 힘은 없지만 기차에는 가속도에 비례하는 힘이 작용한다. 기차에 올라탄 A의 좌표계에서 관측하면 기차는 정지해 있고, 대신 기차역이 가속을 하며 멀어진다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 정지해 있는 기차에는 아무런 힘이 작용하지 않고, 가속하면서 멀어지는 기차역에는 힘이 작용해야 한다. 그런데 뭔가 이상하다. B 기준계의 기차와 A 기준계에서 본 기차역은 무게가 다른데도 똑같은 가속을 하고 있는 셈이다. 뉴턴은 이 모순을 해결하기 위해 ‘관성기준계에서 측정했을 때’라는 전제조건을 제1법칙에서 설정하고, 외부의 힘이 가해지지 않으면 물체는 정지 상태를 유지하거나 일정한 속도로 움직이는 상태를 유지한다고 정한 것이다.


회전기준계에서 느끼는
‘지구가 자전하는 힘’이
태풍의 궤적을
회전하는 것으로
보이게 만든다.

회전기준계에서 느끼는 지구가 자전하는 힘이
코리올리 효과를 만든다

관성기준계의 조건을 갖추지 못하면 모두 비관성계로 칭한다. 여기서 관측된 모든 운동은 가상의 힘, 즉 가짜 힘의 영향을 받는다. 우리에게 가장 친숙한 가상의 힘은 회전기준계에서 나타나는 원심력이다. 놀이동산 관성계에서 보면, 관성계의 뉴턴 법칙이 정확히 들어맞지만 회전기준계에서 보면 회전목마 위의 관측자가 본 목마는 정지해 있어 가속도와 힘의 합력 모두 ‘0’이지만 실제로는 목마를 중심으로 당기는 힘을 느끼게 된다. 다시 말해 회전기준계와 같은 비관성계에서는 정지한 물체에 대한 관성의 법칙을 유지하기 위해 ‘원심력’이라는 가상의 힘이 존재하는 것이다.
그럼 이제 핵심 사례를 살펴보자. 대포를 떠난 대포알에는 지구 중심을 향하는 중력 외에는 외부에서 어떤 힘도 작용하지 않는다. 따라서 회전기준계가 아닌 놀이동산 관성계에서 중력 방향의 운동을 빼고 보면 대포알의 진행 방향은 직진 운동이다. 그런데 시계 반대 방향으로 회전하는 회전판 위의 관측자가 본 대포알의 운동은 항상 운동 방향의 오른쪽으로 치우친다. 대포알이 직진하는 동안 회전판이 그만큼 회전해서 왼쪽으로 향하기 때문이다. 이 비관성계의 힘을 코리올리의 힘이라 한다. 이 힘은 회전판의 회전속력과 움직이는 물체의 속력에 비례한다. 그 때문에 수백 또는 수천 킬로미터를 날아가는 장거리 대포나 미사일을 쏠 때는 코리올리의 힘을 고려해 비행경로를 계산하곤 한다. 결과적으로 우리가 바람의 경로나 태풍의 소용돌이 움직임을 볼 때 회전하는 것처럼 궤적이 보이는 것 또한 코리올리의 효과 때문이라고 할 수 있을 것이다.

2019-11-04T19:07:25+09:00