조석

조석과 기조력

조석(tides)이란 달과 태양 그리고 지구의 운동에 의한 주기적인 해면 변동을 말한다. 조석은 지구 둘레의 반에 해당하는 파장으로 모든 해파 중에서 가장 긴 파이다. 앞에서 보았던 다른 파들과는 달리 이 거대한 천해파는 계속 기파력의 영향 하에 있기 때문에 강제파(forced wave)로 분류된다.(풍파, 부진동, 지진해일 등은 각각의 기파력에 의해 발생된 후 더 이상 기파력의 영향을 받지 않으므로 자유파(free wave)라 한다).
B.C. 300년 경 그리스 탐험가 피테아스(Pytheas)가 달의 위치와 조고의 관계를 기술한 기록이 있지만, 조석에 대한 완전한 이해는 아이작 뉴턴의 중력에 대한 해석 이후에야 가능해졌다.
뉴턴의 여러 연구들 중에 특히 1687년 발표된 유명한 프린키피아(자연철학의 수학적 원리)에 행성, 달 그리고 중력장에서의 모든 천체들의 운동이 잘 기술되어 있다. 중심 주제는 두 물체 사이의 만유인력은 두 물체의 질량에 비례하고 두 물체 간의 거리의 제곱에 반비례한다는 것이다. 이는 질량이 큰 물체는 질량이 작은 물체보다 더 강하게 끌어당기고 거리가 멀어지면 당기는 힘은 급격히 약해진다는 말이다.
해양에서 조석을 일으키는 주요 천체는 달과 태양이며, 실제 조석을 일으키는 힘의 크기는 지구 중심으로부터 조석을 일으키는 각 천체(달과 태양)의 중심 간의 거리의 3승에 반비례한다. 따라서 기조력(조석을 일으키는 힘)에서는 거리가 매우 중요한 요소이다. 태양의 질량은 달의 질량의 2,700만 배이나 지구로부터의 거리는 달에 비해 387배 더 멀리 떨어져 있다. 따라서 태양의 기조력은 달의 기조력의 46%에 지나지 않는다.
앞으로 보게 될 뉴턴의 조석이론(평형조석론)은 일차적으로 인력은 지구, 달 그리고 태양의 상호 위치에 의해서만 결정되며, 수심이나 대륙의 분포 등에 영향을 받지 않는다는 전제에서 시작한다. 평형조석론으로는 천체가 균일한 수심의 바다로 완전히 덮여 있을 때의 조석을 정확히 설명할 수 있다. 뉴턴보다 약 한 세기 후 라플라스가 얕은 수심에서의 장파 속도, 해수의 운동 등을 고려한 조석이론 '동력학적 조석론'을 발표하였다.

평형조석론

평형조석론은 행성들이 태양 주위 궤도를 그리고 달이 지구 주위 궤도를 따라 공전하는 힘들의 평형에서부터 출발한다. 평형조석론은 해면이 변형에 영향을 주는 힘에 즉각 반응한다는, 즉 해면은 자신에 미치는 힘과 항상 평형을 이루고 있다는 가정에서 출발한다. 해양조석의 여러 가지 특성들을 평형조석론으로 설명할 수 있다.

달과 조석

먼저 달이 해면에 미치는 힘에 대해서 생각해보자. 지구와 달은 인력으로 서로 끌어당기지만, 관성-움직이는 물체가 직선운동을 계속 유지하려는 경향-은 서로 멀어지게 한다(이러한 관점에서 자주 원심력이라고 불린다. 버켓에 물을 넣고 아래위로 돌릴 적에 버켓이 머리 위에 있을 때도 물이 쏟아지지 않게 하는 힘이 바로 원심력이다). 지구와 달은 서로 안정된 궤도에 있기 때문에 서로 부딪치거나 또는 서로 떨어져 멀리 날아가 버리지 않는다. 즉 둘 사이의 인력과 관성이 정확히 평형을 이루고 있다.
달이-혹시 당신이 알고 있는 것처럼-지구의 주위를 돌고 있는 것이 아니다. 지구-달 체계가 그 공통 질량중심의 주위를 한 달(27.3일)에 한 번씩 돌고 있다. 지구의 질량은 달의 81배가 되기 때문에 공통 질량중심이 공중에 있지는 않고 지구 안쪽 약 1,650km 되는 곳에 있다.
달의 중력은 해수면을 달 쪽으로 끌어당기며, 또 한편 지구-달 체계에서의 지구 움직임은 해면을 반대편으로 올린다. 결과적으로 양쪽이 부풀어 오르는 조석이 형성된다.
해면이 부풀어 오른 상태에서 조석의 규칙적인 해면 상승과 하강은 어떻게 일어나는 것인가? 지금 설명하고 있는 이상적인 평형론에서는 부풀어 오른 해면은 자전하는 지구상에서 달과 지구 중심 축의 위치에 고정되어 있으려 한다. 지구가 동쪽으로 자전하는 동안 적도 상에 있는 섬은 부풀어 오른 바다 속에 잠기었다 나왔다 한다. 부풀어 오른 해면은 지구 크기의 파의 마루에 해당한다. 즉, 고조(만조, high tide)이다. 부풀어 오른 해면 사이의 저조(간조, low tide)는 골에 해당한다.
고조와 저조를 조석에는 물론 이외에도 복잡한 사항들이 많다. 예를 들면 달과 지구 사이의 인력과 관성으로 인한 태음조석(lunar tides)은 조석일(태음일)을 주기로 한다. 1조석일은 조석에 가장 큰 영향을 주는 달이 매일 50분씩 늦게 뜨므로 24시간 50분이 된다. 따라서 가장 높은 고조도 매일 50분씩 늦게 돌아온다.
또 다른 복잡한 점은 달이 항상 적도 상에 있지 않다는 점이다. 달의 공전 면은 매달 적도면에서 남북으로 28.5°까지 변한다. 달이 적도면에서 벗어나 있으면 해면의 부풀림도 기울어진다. 달이 북위 28.5°에 있으면 북반구에 있는 섬은 한쪽의 부풀어 오른 해면을 지나기는 하나 반대편의 부풀어 오른 해면은 만나지 못한다. 하룻동안 섬은 높은 고조, 저조, 낮은 고조, 그리고 다음 저조를 만나게 된다.

태양의 역할

태양의 인력 역시 지구상의 모든 질점들을 끌어당긴다. 거리가 만유인력의 크기를 결정하는 중요한 요소임을 항시 기억하자. 이미 앞에서 본 바와 같이 태양의 질량은 달의 2,700만 배이나 지구에서부터의 거리는 달에 비해 387배나 멀리 떨어져 있기 때문에 태양의 기조력은 달의 기조력에 비해 46% 정도에 지나지 않는다. 태양의 인력(과 관성)에 의해서도 달에 의한 것과 마찬가지로 약간의 태양 쪽(과 반대편)으로 향하는 해면의 부풀림이 일어난다. 이를 태양과 지구와 사이의 인력과 관성에 의한 조석이라 하여 태양조석(solar tide)이라고 한다.
달과 마찬가지로 태양 역시 지구의 관점에서 봤을 때 적도로부터 남북으로 23.5°기울어지기 때문에 태양에 의한 해면 부풀림도 달의 경우와 마찬가지로 그 위치가 변하게 된다. 지구가 태양 주위를 공전하는 것은 일 년에 한 번이기 때문에 태양조석의 위치 변동은 달에 의한 조석의 위치변동보다 훨씬 천천히 일어난다.

태양과 달의 동시효과

태양과 달의 인력과 관성에 대해 바다는 동시에 반응한다. 지구와 달 그리고 태양이 일직선 상에 있게 되면 태양조석과 태음조석(달에 의한 조석)이 서로 더해지며 그 결과 고조는 더 높아지고 저조는 더 낮아진다. 그러나 달과 지구 그리고 태양이 직각을 이루면 태양조석은 태음조석을 더 작아지게 한다. 그러나 달의 조석이 태양조석보다 2배나 크기 때문에 태양조석이 태음조석을 완전히 없애지는 못한다.
태양과 지구 그리고 달이 일직선 상에 위치하여 일어나는 큰 조석을 대조(사리, spring tides)라 한다. 대조 동안에는 고조는 더 높아지고 저조는 더 낮아진다. 대조는 초승과 보름에, 즉 대략 2주 간격으로 일어난다.(spring tide는 연중 봄(spring)에 일어나는 조석이 아니다). 달과 지구 그리고 태양이 직각을 이룰 때의 작은 조석은 소조(조금, neap tide)라 한다. 소조 동안에는 고조는 그리 높지 않고, 저조도 그리 낮아지지 않는다. 소조는 대략 대조 후 일주일, 즉 소조도 2주 간격으로 일어난다.
지구에 대한 달과 태양의 궤도는 완전한 원이 아니라 타원 궤도이다. 따라서 지구와의 거리는 가까워졌다 멀어졌다 하게 된다. 달이 지구에서 가장 먼 지점에 있을 때와 가장 가까운 지점에 있을 때와의 차이는 30,600km이다. 기조력은 두 물체 사이의 거리의 3승에 반비례하기 때문에 근지점일 때의 조석이 더 크다. 지구가 태양에 가장 가까이 갈 때와 가장 멀리 있을 때와의 차이는 370만km이다. 달과 태양이 거의 같은 위도에 있고 또 지구가 태양에 가장 가까이 있을 때에는 아주 큰 대조가 일어나게 된다.

조석은 태양과 지구 그리고 달 사이의 인력에 의해서 일어나기 때문에 보통 천문조석(astronomical tides)이라고 한다.

동력학적 조석론

뉴턴은 자신의 조석이론이 조석운동을 설명하는 데 완전하지 못하다는 것을 알고 있었다. 평형조석론으로는 달에 의해서 최대 55cm 그리고 태양에 의해 최대 24cm의 조석이 생길 뿐인데 이는 전 세계의 평균 조차 약 2m에 비하면 매우 작은 크기이다. 이러한 차이는 태양과 달의 운동은 바닷물의 움직임이 따라가기에는 너무 빠르고 또 바다 표면은 어느 곳에서나 그리고 어느 한 순간도 완전한 평형을 이루는 경우가 없기 때문이다.
동력학적 조석론(dynamic theory of tides)은 뉴턴의 천체역학의 업적 위에 유체운동에 관한 이론이 더해진 것으로 1775년 라플라스에 의해 제기되었다. 동력학적 조석론에 의하면 뉴턴의 이론으로 예보된 조석과 실제 관측된 조석과의 차이가 잘 설명된다.
조석은 파랑의 형태를 하고 있음을 유념하자. 파의 마루-고조-는 지구 둘레의 반만큼 떨어져 있다. 평형조석론에는 지구가 자전하여도 마루는 달(또는 태양)의 바로 밑(또는 반대편)에 정지해 있는 것으로 가정했었다. 이는 다시 말하면 조석파가 완전히 바다로 둘러싸인 지구 위를 시속 1,600km의 속도로 움직여야 한다는 것을 뜻하는데 바다에서 조석파가 이 속도로 자유롭게 움직이려면 22km의 수심이 필요하다. 알다시피 바다의 평균 수심은 겨우 3.8km에 지나지 않는다. 따라서 조석은 강제파의 형태로 움직이며 그 속도는 바다의 깊이에 따라 결정된다.

조석의 형태

조석을 천해파의 하나로 보는 것은 이상적인 조건 하에서의 동력학적 조석론의 관점에서 본 것일 뿐이며, 현실에서는 대륙의 분포를 무시할 수 없다. 지구는 자전하고, 대륙의 분포는 조석 (heart's sound)의 진행을 방해하여 방향을 전환시키거나 속도를 늦게 하는 등 조석파의 움직임을 복잡하게 한다. 이러한 방해 작용으로 곳곳에 도달하는 조석파의 형태는 제각각 다른 형태로 변할 수 있다. 예를 들어 달 바로 밑에 육지가 있다면 이곳에 고조가 생기지 못하고 주변 해안에 고조가 형성되는 것이다. 그리고 몇 시간 후 달이 육지에서 멀어져 바다 위에 오게 되면 바다에 새로운 고조가 만들어지고 대륙 주변은 저조로 돌아서게 될 것이다.
해역의 모양도 조석의 형태에 큰 영향을 준다. 앞에서 본 것처럼 큰 해역에서는 조석파의 부진동이 형성될 수도 있다. 물론 작은 해역에서도 조석파의 공명이 일어날 수 있으며 또 해안의 형태에 따라 공명의 주기가 변할 수 있다.
여러 가지 이유에 의해, 하루(조석일)에 비슷한 크기의 두 번의 고조와 두 번의 저조가 일어나는 반일주조(semidiurnal tides)가 보이는 곳이 있는가 하면, 어떤 곳에서는 하루에 한 번의 고조와 저조가 일어나는 일주조(diurnal tides)가 보이기도 한다. 그리고 잇단 고․저조가 많이 다르면 혼합조(mixed tides)라고 한다.
조석파에서의 바닷물도 해역의 오른쪽 해안으로 쏠리려는 경향이 있다. 북반구에서 북쪽으로 움직이는 해수는 동쪽 해안(해양기준으로 동쪽이며, 대륙을 기준하면 서해안이 된다)으로, 남쪽으로 움직일 때는 서쪽 해안(역시 해양 기준이며 육지 기준으로는 동해안이다)으로 밀린다. 이러한 해수의 움직임에 기조력이 계속 가해지면 조석파의 마루(고조)는 마디를 중심으로 반 시계방향의 움직임을 보이게 된다.

무조점

글자 그대로 무조점(amphidromic point)은 조석이 없는 점이며 그 주위를 조석파의 마루(고조)가 한 조석 주기 동안에 한 바퀴씩 회전한다. 해역의 형태와 주위의 육지 분포에 따라서는 조석파의 마루와 골이 서로 상쇄되기도 한다. 무조점 주위를 회전하는 조석파는 마치 자전거 바퀴의 축에서 밖으로 뻗어 있는 살처럼 조석파의 마루도 무조점에서 밖으로 멀리 해안까지 뻗어 있다. 조석파는 함께 움직이는 해수의 양이 매우 많아 코리올리 힘의 영향을 많이 받는다. 북반구에서의 조석파는 무조점을 가운데 두고 반 시계방향으로 움직이며, 남반구에서는 시계방향으로 움직인다. 조석파의 크기도 무조점에서 멀어질수록 커진다.

조석 기준면

조석의 높이를 재는 기준면을 조석 기준면(tidal datum)이라고 한다. 조석 기준면은 조석 그래프의 영점이다. 기준면이 수년 동안의 해면의 평균인 평균해면(mean sea level)에 설정되는 것은 아니다. 한반도의 경우 혼합조의 해안에서는 약최저저조면(App. LLW)을 조석 기준면으로 설정하며, 해도에 기록되는 수심의 기준면이 된다.)

제한된 해역에서의 조석

조차(고조와 저조와의 차이)는 해역의 형태에 따라 달라진다. 호수와 같이 작은 해역에서는 조차가 작다. 비교적 큰 해역이라 할 수 있는 발틱 해나 지중해에서도 조차가 그리 크지는 않다. 조차는 한 해역에서도 다 같지 않다. 해안이 다르며 대양의 중앙부가 다르다. 큰 해역의 주변부 특히 조석파의 에너지가 집중되는 만의 끝에서 조차가 커진다.
강 하구가 조차가 매우 큰 바다로 연결되어 있을 때 조석보어가 발생한다. 좁은 하구에서 조석파에 밀려 어떤 면에서는 진정한 조석파라 할 수 있다. 깔때기 모양의 하구 지형으로 조석파의 마루가 한 곳으로 모이고 또 모인 마루는 그 수심에서 이론적으로 생각 할 수 있는 천해파 전파속도보다 더 빨리 상류 쪽으로 밀려간다. 이렇게 억지로 밀리는 조석파는 상류로 가면서 미끄럼파 형태로 깨어진다. 보어는 대체로 1m 이하이지만, 중국의 천탕 강에서는 8m 높이의 보어가 초속 11m의 속도로 이동하기도 한다. 이들은 모두 예측 가능하기 때문에 위험성이 그리 크지는 않다. 조석보어의 도달 시간에 대한 정확한 예측은 항행의 안정에 특히 중요하다.

조류

조석에 의한 해면의 상승과 하강에 수반된 해수의 흐름을 조류(tidal current)라 한다. 해역으로 해수가 밀려들어와 해면이 상승하여 고조로 가는 동안의 흐름을 창조류(flood current)라 한다. 고조에서 해수가 밀려나가 저조로 수면이 낮아지는 동안의 흐름은 낙조류(ebb current)라고 한다. 조류는 고조와 저조의 중간 시점에서 최대 속도를 갖는다. 고조 또는 저조 시에 흐름의 방향이 바뀌는 잠시 동안 흐름이 없을 때를 정조(slack water)라 한다.
큰 만이나 항구의 좁은 입구에서의 센 조류를 버틸 수 있는 사람은 아무도 없을 것이다. 대조 때의 강한 낙조류가 샌프란시스코 금문교의 남쪽 주탑을 때릴 때 만들어지는 이물파(bow wave; 배가 진행할 때 뱃머리에서 갈라지는 파도)를 보면 마치 다리가 그 속도로 떠내려가고 있는 듯한 환상을 느끼게 한다. 금문교 아래의 조류 속도는 만 안쪽의 부피에 비해 바닷물이 빠져나갈 좁은 입구로 인하여 3m/s에 이른다. 좁은 물목을 지나야 하는 선원들은 조류의 변동 시간을 잘 알고 있어야 할 것이다.
외해에서의 조류는 더욱 복잡하다. 깊은 수심의 바다에서 조류의 방향과 속도를 계산하기 위해서는 무조점에 대한 위치, 해역의 형태, 중력, 관성 등을 다 고려해야 한다. 외해에서의 조류는 항구에서처럼 갇혀 있는 것이 아니기 때문에 그리 세지는 않다. 대체로 외해의 조류속은 수cm/s 정도이며 수심이 깊어질수록 느려진다.

조석 마찰

매일 오르내리는 조석으로 많은 에너지가 소모되며 소모된 에너지는 열로 전환된다. 소모되는 에너지는 전부 자전하는 지구로부터 오는 것인데, 조석으로 인한 마찰이 지구의 자전 속도를 한 세기에 수백 분의 일 초 정도 늦춘다. 이처럼 작은 시간도 오랫동안 계속되면 무시하지 못한다. 산호초와 대합의 일일 성장선을 연구하는 지리학자들은 하루의 길이가 점점 더 길어지고 있다고 하며 언젠가는 일 년의 날 수가 줄어들 것이라고 추측하고 있다. 3억 5,000만 년 전에는 하루의 길이가 22시간에 일 년이 400일 내지 410일이었을 것이며, 2억 8,000만 년 전에는 22.5시간에 390일이었다는 증거들이 발견되고 있다.
조석 마찰은 다른 천체에도 영향을 준다. 기조력의 영향은 지구에 대한 달의 공전을 고착시켜 달은 지구를 향해 항상 한쪽 면만 보이도록 하고 있다. 즉, 달의 하루는 바로 한 달이다.

조석 예보

기조력 또는 조석을 변형시키는 요소는 앞에서 거론된 것 외에 적어도 140여 개의 항목이 더 있지만 수학적인 방법으로 조석을 예보하기 위해서는 적어도 일곱 항목은 고려해야 한다. 이들 요소들 사이의 작용은 매우 복잡하다. 만약 지구상에서 이 때까지 알려지지 않은 새로운 대륙이 발견되었다고 하면 이 신대륙 해안의 조석을 정확히 예보하는 것은 거의 불가능하다. 장래의 조석 기록인 조석표는 지난 조석 자료를 검토하여 작성된다. 지난 기록을 잘 분석하면 수년 앞의 조석을 3cm 정도의 정확도로 예보할 수도 있다.
폭풍해일과 기상 변동 그리고 지진해일의 공명으로 인한 부진동 등과 같은 기조력 외의 요소들도 정확한 조석 예보에 영향을 줄 수 있다. 강한 해풍이나 육풍이 꾸준히 오랫동안 분다면 조위와 조시에 영향을 준다. 조석에서 이와 같은 기상 요인으로 인한 부분을 기상조석(meteorological tides)이라고 한다.

조력 발전

조력발전은 이 때까지 바다에서의 에너지 이용 중 대규모로 성공한 유일한 것이다. 최초의 조력발전은 1966년 조차가 13.4m나 되는 프랑스 랭스 강 하구에서 이루어졌다. 연 5억 4,400만kwh의 발전 용량을 갖춘 24개의 발전기와 850m의 제방이 건설되었으며 7,500만 달러의 공사비가 들었다 고조시에 바닷물은 발전기를 통하여 하구로 채워지고 저조시에는 채워졌던 바닷물이 강물과 함께 다시 발전기를 통하여 빠져나간다. 바닷물이 들어올 때와 나갈 때 모두 발전기가 가동된다. 노바 스코티아 아나폴리스 강 하구에는 이보다는 작지만 같은 형식의 소형 발전 시스템이 설치되어 있다. 대한민국은 가로림만 천수만 등에서 조력발전계획이 수립된 바 있다. 2005년 현재 시화호 방조제를 이용한 조력발전사업이 진행 중이다.
조력발전은 무한의 에너지를 이용하여 발전소 운영비가 적게 들고 이산화탄소를 방출하지 않는 등 많은 장점을 가지고 있다. 하지만 전 세계의 가능한 모든 장소에 발전소를 건설한다고 해도 얻을 수 있는 전기는 전 세계의 요구량의 1%를 넘지 못한다. 그리고 조력발전이 아주 바람직한 것만은 아니다. 조력발전을 위한 방조제나 발전시설들은 폭풍에 파괴될 수도 있으며, 정교하게 제작된 수문과 수차들은 해수에 쉽게 부식될 수도 있다. 컴퓨터 모델에 의한 계산으로는 조력발전을 위한 방조제 건설로 만이나 하구의 공명 주기가 변할 수 있으며, 조차도 달라질 수 있다고 한다. 또 플랑크톤이나 저서생태계에 영향을 줄 수도 있다는 연구 결과도 있으며, 조력발전으로 인해 늘어난 조력 마찰은 아주 미세한 양이기는 하지만 지구자전 속도를 더 감소시킬 수 있다.