[논문]서안경계류 역학을 이해하기 위한 실험 장치 및 방법 개발

장승환; 신정선; 문병권

doi:10.5467/jkess.2010.31.1.088

서안경계류 역학을 이해하기 위한 실험 장치 및 방법 개발
Development of Apparatus and Methods for Understanding the Dynamics of the Western Boundary Current 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.31 no.1, 2010년, pp.88 - 94

장승환 (전북대학교 과학교육학부, 융합과학연구소) , 신정선 (전북대학교 과학교육학부, 융합과학연구소) , 문병권 (전북대학교 과학교육학부, 첨단과학교사연수센터)

초록
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서안경계류의 발생 역학을 이해하기 위하여 간단한 실험 장치와 방법을 개발하였다. 위도에 따른 코리올리 파라미터의 변화(즉 베타효과)를 구현하기 위하여 바닥이 경사진 반 시계 방향으로 회전하는 수조를 이용하였다. 중위도 해양에 작용하는 바람 응력은 수조 상부에서 시계 방향으로 회전하는 원판으로 대신하였다. 수조 바닥의 형태와 수조의 회전 유무의 조합으로 구성된 4가지 실험을 수행하였다. 그 결과, 베타효과가 포함된 실험에서 서안경계류와 유사한 흐름과 스베드럽 영역을 볼 수 있었다. 반면에, 베타효과 없이 일정한 코리올리 힘만 있을 때는 수조 속의 물은 관성류의 특징을 나타냈다. 우리는 또한 회전 유체가 굳어진 것처럼 변한다는 테일러-프라우드만 효과를 확인 하였다. 이 연구에서 개발된 장치와 방법은 베타효과에 의한 서안경계류를 이해하는 데 도움을 줄 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A simple laboratory device and methodology are developed for deep understanding of the western boundary current (WBC). The apparatus consists of a rotating (count-clockwise) rectangular tank with a sloping bottom in order to simulate the beta effect, the variation of the Coriolis parameter with latitude. We also used a clockwise rotating disk at the surface water to mimic the wind stress forcing in mid-latitude oceans. Four experiments were carried out using some combination of a bottom type and a rotation of the tank. Experiment with the beta effect clearly demonstrated the WBClike flow as well as the Sverdrup interior. However, the water in a tank gave rise to an inertial motion under the influence of a constant Coriolis force alone. We also discussed a stiffening of the rotating fluid on the basis of the Taylor-Proudman effect. We believe that the apparatus and methods developed in this study help to understand the WBC due to the beta effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그래서 이 연구에서 서안경계류의 발생이 단순히 코리올리 힘의 작용이 아니라 베타효과에 의해 나타나는 것을 쉽게 확인 할 수 있는 실험 장치와 다양한 실험 방법을 개발하였다. 개발된 실험 장치는 기존 연구(Beardsley, 1969; MIT, 2010)와 비슷한 원리로 작동된다.
우리는 서안경계류의 발생 과정을 이해하기 위한 실험 장치와 방법을 개발하였다. 실험장치는 지구물리유체역학 연구에 흔히 사용되는 회전테이블과 수조 등으로 구성된다.
여기서 FB_f1는 ‘서안경계류는 코리올리 힘에 의해 발생한다’는 명제를 판단하기 위한 실험이다. 특히 이 실험 결과를 규준실험(SB_f¹⁾의 결과와 비교함으로써 서안경계류 발생에 베타효과가 반드시 필요하다는 것을 이해하는 것이 목적이다.

가설 설정

잉크 분자운동에 의한 확산을 고려하지 않는다면, 유일한 강제력인 회전 원판에 의해 생성된 순환이 잉크를 주로 확산 시킬 것이다. 물이 2차원 순환을 할 때보다는 3차원 순환을 할 때 이 확산은 더 두드러질 것이다. 회전 테이블에 놓은 SB_f1과 FB_f1의 수조는 주로 2차원 순환(테일러-프라우드만 효과)을 하므로 3차원 순환이 가능한 SB_f0와 FB_f0의 수조보다는 잉크의 확산이 더디게 나타난다.
즉 회전 테이블에 놓인 경사진 바닥을 갖는 수조 속의 물은 코리올리 힘의 위도 변화로 나타나는 해양과 대기의 운동과 비슷한 특징을 갖는다. 이 연구는 중위도 북반구 해양을 대상으로 삼고 있으므로 물의 두께가 얇아지는 방향(혹은 바닥 높이가 증가하는 방향)이 북쪽을 가리킨다. 지형 변화에 의한 베타효과는 Pedlosky(1987)에 자세히 설명돼 있다.
이들은 각각 자전에 의한 코리올리 힘이 작용할 때와 작용하지 않는 경우를 고려한 것이다. 이때 코리올리 힘은 위도에 따른 변화가 없다고 가정한 .

제안 방법

북반구 중위도 해양의 북쪽과 남쪽은 각각 편서풍과 편동풍이 불기 때문에(Hartmann, 1994), 이곳에서는 바람 응력이 시계방향의 소용돌이도(vorticity)를 해양에 전달한다(Pedlosky, 1996). 그리고 디지털 카메라를 회전 테이블에서 높이 90 cm에 두어 수조에서 나타나는 물의 흐름을 관찰하였다.
그리고 시계방향(북반구 고기압성 방향)으로 회전하는(ω=4 rpm) 원판을 이용하여 수조의 물에 응력을 주었다.
이 연구에서 우리는 실험을 수행할 때 두 요인의 변화를 고려하였다. 먼저 베타효과가 있고 없음에 따라 중위도 해수 순환의 특징 변화를 살펴보기 위하여 바닥이 경사진 것과 편평한 두 개의 수조를 사용 하였다. 다시 한번, 회전테이블에 놓인 경사진 바닥의 수조는 지구 곡률에 의해 나타나는 베타효과가 작용할 경우와 같은 역학적 환경을 갖는다는 점을 강조하고자 한다(Pedlosky, 1987†; Holton, 2004).
이후 여러 연구들이 수조 실험을 통하여 서안경계류를 재현하는 노력을 하였다(Pedlosky and Greenspan, 1967; Beardsley, 1969; Griffiths and Veronis, 1997). 이들은 지표면의 곡률에 의해 나타나는 베타효과를 회전 테이블과 경사진 바닥을 갖는 수조를 이용하여 실험실에서 구현하였다.
이는 수조 안의 물의 흐름이 안정화 되기를 기다린 것이다. 이후 수조의 남쪽 경계의 양 구석에 파란색 잉크를 떨어뜨려 시간에 따른 흐름 변화를 관찰하였다. 이때 남쪽은 SB_f1과 SB_f0는 물 깊이가 깊어지는 방향이며 FB_f1과 FB_f0는 실험 결과 비교를 위하여 임의로 정했다.

대상 데이터

물을 채운 직육면체 수조(40 cm×40 cm×24 cm)가 회전 속도를 조절할 수 있는 테이블(지름 66 cm) 위에 놓여있다. 수조는 바닥이 편평한 것과 경사진 것 등 두 형태를 사용하였다. 수조 바닥 형태에 대한 자세한 설명은 뒤에 추가하였다.
그리고 시계방향(북반구 고기압성 방향)으로 회전하는(ω=4 rpm) 원판을 이용하여 수조의 물에 응력을 주었다. 실험에서 원판은 북반구 중위도 해양에 작용하는 바람 역할을 하고 있다. 나머지 실험에도 이 원판은 SB_f1와 같은 각속도와 회전 방향을 갖는다.
우리는 서안경계류의 발생 과정을 이해하기 위한 실험 장치와 방법을 개발하였다. 실험장치는 지구물리유체역학 연구에 흔히 사용되는 회전테이블과 수조 등으로 구성된다. 서안경계류 발생의 주요 원인인 베타효과를 구현하기 위해 기존 연구(Pedlosky and Greenspan, 1967; Beardsley, 1969)와 비슷하게 수조의 바닥에 경사를 두었다.

이론/모형

실험장치는 지구물리유체역학 연구에 흔히 사용되는 회전테이블과 수조 등으로 구성된다. 서안경계류 발생의 주요 원인인 베타효과를 구현하기 위해 기존 연구(Pedlosky and Greenspan, 1967; Beardsley, 1969)와 비슷하게 수조의 바닥에 경사를 두었다. 바닥 경사로 수조 속의 물의 깊이가 변하게 되면서 코리올리 힘의 위도에 따른 변화 효과(즉, 베타효과)와 비슷한 효과가 나타난다.

성능/효과

코리올리 힘의 유무에 따른 이 차이가 내포하는 의미는 아주 크다. 모든 실험에서 물에 작용하는 바람 응력의 크기와 방향이 같은 것을 고려하면, 큰 규모의 순환이 발생하기 위해선 코리올리 힘이 필요함을 알 수 있다. 만약 코리올리 힘이 없을때 초기 외부 강제력에 의한 대기와 해양의 위치에너지는 곧바로 운동에너지로 전환되면서 중력파에 의해 사라질 것이다(Gill, 1982).

후속연구

덧붙여, 코리올리 힘을 고려한 실험(SB_f1, FB_f1)과 고려하지 않는 실험(SB_f0, FB_f0) 결과를 비교하여 회전하는 유체의 역학적 특징을 살펴볼 수 있을 것이다. 회전하는 계(system)에 놓인 유체는 테일러-프라우드만 효과(Taylor, 1921; Proudman, 1916)의 영향으로 주로 2차원 운동을 하는 것으로 알려진다.
우리가 개발한 실험 장치와 방법은 학교 현장에서 중위도 해양 순환을 이해시키는데 큰도움을 줄 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 간단한 실험 장치와 방법이지만, 지구물리유체역학에서 중요하게 다루는 회전 유체의 특징을 살펴보는 데도 무리 없이 사용될 수 있을 것이다. 현재 우리가 개발한 실험 장치와 방법을 교육 현장에 적용하고, 그 교육적 활용 가치를 평가하는 연구를 진행하고 있다.
이 연구에서 제시된 일련의 실험 과정을 수행하고 그 결과를 토의하면서 교과서의 오류를 보완할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 베타효과가 포함될 때와 그렇지 않을 때의 해양 순환의 여러 특징을 비교하는 실험은 서안경계류를더 깊이 이해하는데 큰 도움이 될 것이다.
서안경계류는 북반구 중위도 해양 순환의 중요한 특징이며 고등학교 과정과 대학 교양과정에서 중요하게 다루고 있다. 우리가 개발한 실험 장치와 방법은 학교 현장에서 중위도 해양 순환을 이해시키는데 큰도움을 줄 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 간단한 실험 장치와 방법이지만, 지구물리유체역학에서 중요하게 다루는 회전 유체의 특징을 살펴보는 데도 무리 없이 사용될 수 있을 것이다.
따라서 이들 교과서를 사용하는 학생은 서안경계류의 발생원인을 제대로 이해하기 힘든 환경에 놓여있다. 이 연구에서 제시된 일련의 실험 과정을 수행하고 그 결과를 토의하면서 교과서의 오류를 보완할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 베타효과가 포함될 때와 그렇지 않을 때의 해양 순환의 여러 특징을 비교하는 실험은 서안경계류를더 깊이 이해하는데 큰 도움이 될 것이다.
덧붙여 이 연구는 학교 현장에서 쉽게 수행할 수 있는 몇 가지 실험 방법과 그 결과를 분석하였다. 제시된 회전 수조 실험을 통해 학생들이 서안경계류의 발생 역학을 좀 더 명확하고 쉽게 이해할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해수의 순환은 어떻게 구분되는가?	해수의 순환은 크게 바람응력에 의한 풍성 순환과 바닷물 밀도 차이에 의한 열염분 순환으로 구분된다. 이들 중 중위도(15o -45o)의 풍성순환은 대체로 그 중심이 서쪽으로 치우쳐 나타난다.
	중위도의 풍성순환은 중심이 어느쪽으로 치우쳐 나타나는가?	해수의 순환은 크게 바람응력에 의한 풍성 순환과 바닷물 밀도 차이에 의한 열염분 순환으로 구분된다. 이들 중 중위도(15o -45o)의 풍성순환은 대체로 그 중심이 서쪽으로 치우쳐 나타난다. 이와 함께 대양의 서쪽 경계에서 좁고 빠른 해류가 극 방향으로 흐른다.
	테일러-프라우드만 효과는 무엇을 의미하는가?	3을 통해 이해하려 한다. 다시 말하면, 이 효과는 회전하는 유체 내부의 운동은 연직방향으로 일정하게 나타나는 것을 의미한다. 따라서 외부 강제력을 고려하지 않는다면 회전하는 유체는 주로 2차원 운동을 할 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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