기계공학과 김성용 교수 연구팀이 아중규모 난류*의 원동력을 밝혀내는 데 성공했다. 이번 연구는 지난 8월 6일 환경유체 및 지구물리분야 국제 학술지인 <저널 오브 지오피지컬 리서치-오션스(Journal of Geophysical Research-Oceans)>에 두 편의 연계논문으로 게재됐다.

기존 난류 분석 방법, 장단점 존재해

 바다 표층의 난류를 연구하는 대표적인 방법은 위성을 통해 관측한 자료를 분석하거나, 센서를 바다나 연안에 설치해 자료를 모으는 방법이다. 하지만 기존 위성은 해상도가 낮아, 100km 단위의 중규모보다 작은 현상은 분석하기 어렵다. 또 다른 방법으로는 시뮬레이션을 통해 추측하는 방법이 있다. 이 방법은 해상도와 관계없이 자료를 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 현상에 대해 알려진 물리 법칙과 가정을 전제로 시뮬레이션을 하기 때문에 얻은 자료가 실제와 다를 수 있다.

 이렇듯 기존 방법들의 한계로, 1km에서 100km 사이 규모를 갖는 아중규모 난류는 관측이 쉽지 않아 자료가 적다. 따라서 기존 연구들은 아중규모의 난류가 중규모의 소용돌이가 다른 해류와 만나는 전선 등에서 유래된다고 추측할 수밖에 없었다. 또한, 기술의 발전으로 아중규모의 난류의 관측이 가능해졌으나, 특정 조건이 갖춰졌을 때만 아중규모 난류를 해석할 수 있다는 한계가 있었다.

에너지 스펙트럼으로 관측 자료 분석

 연구팀은 실제 관측을 통해 얻은 자료를 바탕으로 빅데이터 분석을 통해 아중규모 난류를 분석했다. 먼저, 연구팀은 해색 위성**을 통해 5년간 동해의 엽록소 농도장을 500m 단위로 관측하고 연안 레이더를 통해 1년간 해수 유동장 정보를 수집했다. 이렇게 관측을 통해 얻은 엽록소 농도장과 해수 유동장의 정보는 해수의 에너지로 계산하여, 공간과 시간에 따른 에너지 스펙트럼으로 도출했다. 이후 에너지 스펙트럼을 일정 범위에 대해 계산하고, 이를 시간의 변화에 따라 다시 한번 계산하여 시간과 공간에 따른 에너지 스펙트럼의 변화를 얻었다. 최종적으로, 연구팀은 아중규모의 난류에서 큰 규모의 난류가 작은 규모의 난류로 바뀌는 에너지 캐스케이드(Cascade)가 순방향과 역방향 모두 일어난다는 사실을 밝혔다. 

에너지 투입 규모와 그 과정 증명해

 연구팀은 에너지 스펙트럼을 분석함으로써 에너지가 투입되는 공간 규모가 약 10km임을 증명하고 그 과정을 밝혔다. 또한, 연구팀은 아중규모의 난류가 일어나는 원인은 경압불안정성(Baroclinic Instability)임을 밝혔다. 경압불안정성은 수평 방향으로 해수 밀도 불균형이 심해지면 중력장이 불안정해지는 현상으로, 이를 복원하기 위해 난류가 발생한다. 이를 통해, 해수 밀도 불균형으로 인한 중규모의 난류가 아중규모 난류의 에너지원으로 작용한다는 기존 학설을 증명했다. 

 이번 연구는 아중규모 해양난류를 관찰하는 방법을 개발해 다양한 지역의 기후변화 예측 모델의 개선에 도움을 줄 전망이다. 김 교수는 “해양물리, 대기 및 기후변화의 고해상도 모델링 분야에서 아중규모 물리현상의 해석에 대한 중요한 기여를 할 것으로 기대된다”며, “아중규모 해양난류의 원리를 이해하여 방사능, 기름유출과 같은 해양 오염물을 추적하는 등 다양한 활용이 가능할 것으로 보인다”고 전했다.

난류*

유체의 각 부분이 시간적이나 공간적으로 불규칙한 운동을 하면서 흘러가는 현상.

해색 위성**

가시광선과 근적외선 영역에서 바다에 반사되는 태양광의 스펙트럼을 측정하는 위성.