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수렴대
기상학에서 수렴대 또는 컨버전스 존(convergence zone)은 대기에서 두 탁월풍이 만나 상호 작용하는 지역으로, 일반적으로 독특한 기상 상태를 초래한다. 이로 인해 질량 축적이 발생하며, 이는 결국 수직 운동과 구름 및 강수의 형성을 유도한다. 종관 규모 수렴이라고 불리는 대규모 수렴은 기압골, 저기압, 사이클론과 같은 기상 시스템과 관련이 있다. 적도 위에 형성된 대규모 수렴대인 적도 수렴대는 지구 기온 상승의 결과로 응축되고 강화되었다. 소규모 수렴은 고립된 적운부터 넓은 지역의 뇌우까지 다양한 현상을 일으킨다.
수렴의 역은 아열대 고압대와 같은 발산이다.
수렴대 대규모
수렴대의 한 예는 지구를 적도에서 둘러싸는 저기압 지역인 적도 수렴대(ITCZ)이다. 다른 예는 서태평양에서 프랑스령 폴리네시아까지 뻗어 있는 남태평양 수렴대이다.
적도 수렴대는 북동 무역풍과 남동 무역풍이 높은 잠열과 저기압 지역에서 수렴한 결과이다. 두 무역풍이 수렴하면서 차갑고 건조한 공기는 따뜻한 바다에서 습기를 모아 상승하여 구름 형성 및 강수에 기여한다. 무역풍의 이동으로 생성된 저기압 지역은 진공 역할을 하여 고기압 지역(발산대)에서 더 차갑고 건조한 공기를 끌어들여 일반적으로 해들리 순환으로 알려진 대류 순환을 생성한다.
해수의 온도는 태양의 위치 또는 "에너지 흐름 적도"의 위치와 직접 관련되어 있으므로 ITCZ는 계절에 따라 이동한다. 태양의 위치로 인해 분점 동안 적도 근처(남위 30°~북위 30°)의 해수면 온도는 다른 어떤 위도보다 높다. 북반구의 하지점(6월 21일) 동안 ITCZ는 태양의 위치를 따라 북쪽으로 이동한다. ITCZ는 동지점 (북반구) 동안 더 남쪽으로 이동하는데, 이때 태양 복사는 남위 23.5°에 집중된다.
수렴대 메소규모
수렴대는 더 작은 규모에서도 발생한다. 수렴선은 더 국지적인 지역에 소나기 또는 뇌우를 형성한다. 해륙풍이 충돌하면 수렴선이 발달할 수 있다. 단기간에 발생하는 폭우는 심각한 홍수를 유발할 수 있다.
몇 가지 예로는 미국 워싱턴주의 퓨젓사운드만 지역에서 발생하는 퓨젓사운드 수렴대; 미국 뉴욕주의 모호크-허드슨 수렴; 미국 캘리포니아주의 엘시노어 수렴대; 남서풍이 콘월주의 보드민 무어 위로 불 때 생성될 수 있는 브라운 윌리 효과; 그리고 북풍이 아일랜드해를 따라 불 때 형성될 수 있는 펨브로크셔 댄글러가 있다. 2004년 8월 영국 콘월의 보스캐슬 홍수는 수렴선에서 발달한 뇌우의 결과였다.
모닝글로리 구름
모닝글로리 구름(Morning Glory cloud)은 전 세계 여러 지역에서 가끔 관찰되는 희귀한 기상 현상으로, 저고도 대기 고립파와 관련 구름으로 구성된다. 이 파동은 종종 진폭 순으로 정렬된 일련의 파동으로 발생하여 롤 구름 띠를 형성한다.
오스트레일리아 북부의 카펀테리아만 남부는 이 지역의 육지와 바다 구성 때문에 예측하고 정기적으로 관찰할 수 있는 유일한 알려진 장소이다.
모닝글로리 구름 설명
모닝글로리 구름은 9월 말부터 11월 초까지 버크타운에서 관찰할 수 있다. 이 마을은 이 현상을 타려는 활공 조종사들을 끌어들인다. 이 기간 동안 버크타운에서는 일반적으로 잘 형성된 웅장한 구름이 몇 개만 나타난다. 2012년 시즌에는 거기서 단 4개만 볼 수 있었지만, 상당히 많은 너덜너덜하고 웅장하지 않은 구름선들이 목격되었다. 종종 그들은 버크타운에 도착하기 전에 부서지기 시작하거나 북쪽으로 지나가서 물 위에서만 잘 형성된 상태를 유지한다. 항공기에서는 구름을 발견할 가능성이 훨씬 높다.
모닝글로리 구름은 롤 구름 또는 아치 구름으로, 길이가 최대 1,000 킬로미터 (620 mi)에 달하며, 높이가 1 to 2 킬로미터 (0.62 to 1.24 mi), 지상에서 보통 100 to 200 미터 (330 to 660 ft)에 불과하다. 이 구름은 종종 초당 10에서 20미터의 속도로 이동한다. 때로는 구름이 하나만 있을 때도 있고, 때로는 최대 10개의 연속적인 롤 구름이 있을 때도 있다. 모닝글로리 구름은 세 가지 뚜렷한 유형이 확인되었다.
모닝글로리 구름 설명
모닝글로리 구름은 종종 갑작스러운 돌풍, 강렬한 저고도 급변풍, 기괴 덩어리의 급격한 수직 변위, 그리고 지표면의 급격한 기압 상승을 동반한다. 구름은 선단에서 계속 형성되고 후단에서는 침식된다. 그 뒤로는 소나기나 뇌우가 발생할 수 있다. 구름의 전면에서는 강한 수직 운동이 공기를 구름 위로 운반하여 굴러가는 듯한 모습을 만들고, 구름의 중간과 후면에서는 공기가 난류가 되어 하강한다. 구름은 공기가 더 건조한 육지 위에서 빠르게 소멸된다.
이 구름은 또한 고립파 또는 솔리톤 또는 잔물결 구멍으로 설명될 수 있는데, 이는 단일 봉우리를 가지고 속도나 모양을 바꾸지 않고 움직이는 파동이다. 그들은 "행성에서 가장 큰 파동"이라고 불린다. 파동은 어떤 구름의 출현 없이도 발생할 수 있다.
모닝글로리 구름 탐험 역사
이곳에서는 고대부터 특이한 구름 형성 현상이 주목받아왔다. 현지 가르와 원주민들은 이를 캉골기(kangólgi)라고 불렀다. 오스트레일리아 왕립 공군 조종사들은 1942년에 이 현상을 처음 보고했다.
카펀테리아만의 모닝글로리 구름은 1970년대 초부터 여러 과학자 팀에 의해 연구되었다. 첫 연구는 리그 H. 클라크(멜버른 대학교)가 발표했다. 그 이후로 여러 연구가 이어졌고, 이 지역의 복잡한 기단 움직임을 설명하는 다양한 수학적 모델을 제시했다.
모닝글로리 구름 대기 조건
모닝글로리 구름 형성의 주요 원인 중 하나는 반도와 만 위에서 발생하는 해풍의 차이와 관련된 메소규모 순환이다. 광범위하게 보면 모닝글로리 구름은 일반적으로 중앙 오스트레일리아를 가로지르는 전선 시스템과 오스트레일리아 북부의 고기압과 관련이 있다. 현지인들은 이 지역의 습도가 높아 구름이 형성될 수 있는 수분을 제공하고, 전날 강한 해풍이 불었을 때 모닝글로리 구름이 발생할 가능성이 높다고 언급했다.
모닝글로리 구름 대기 조건
다음은 1981년에 설명된 R.H. 클라크의 가설을 따른 카펀테리아만에서 모닝글로리 구름을 형성하는 조건의 요약이다. 먼저, 만의 동쪽에 위치한 반도인 케이프요크반도는 양쪽에 해풍이 발생할 만큼 충분히 크다. 낮에는 산호해 해안에서 동쪽으로 불어오는 바람과 만에서 서쪽으로 불어오는 바람이 반도 중앙에서 만나 공기가 상승하여 반도 능선 위에 구름띠를 형성한다. 밤이 되면 공기가 식고 하강하며 동시에 만 위에 지표면 역전층 (고도에 따라 기온이 상승하는 곳)이 형성된다. 이 안정층의 밀도는 역전층 위아래에서 다르다. 반도 동쪽에서 하강하는 공기는 역전층 아래로 들어가 일련의 파동이나 굴러가는 원통을 생성하며, 이는 만을 가로질러 이동한다. 이 공기 원통은 역전층의 아래쪽을 따라 굴러가므로 파동의 앞부분에서는 공기가 상승하고 뒷부분에서는 하강한다. 이른 아침에는 공기가 충분히 포화되어 앞부분의 상승하는 공기가 구름을 생성하며, 이는 원통의 선단을 형성하고 뒷부분에서는 증발하여 모닝글로리 구름을 형성한다. 이 구름은 낮 동안의 가열로 지표면 역전층이 사라질 때까지 지속된다.
특히 세계 다른 지역에서 더 드물게 발생하는 경우와 같이 모닝글로리 구름이 형성되는 다른 방법들도 있지만, 이러한 방법들은 훨씬 덜 이해되고 있다.
이 지역의 현지 날씨 이야기에서는 냉장고에 서리가 내리고 버크타운 펍의 카페 테이블 모서리가 위로 말려 올라갈 때 공기 중에 구름이 형성될 만큼 충분한 습기가 있다고 말한다. 보고에 따르면, 구름이 지나갈 때 지표면의 모든 바람이 멈춘다.
모닝글로리 구름 기타 보고된 발생 사례
카펀테리아만 남부 상공의 모닝글로리 구름이 가장 자주 발생하고 예측 가능하지만, 비슷한 현상이 중앙 미국, 영국 해협, 뮌헨, 베를린, 동부 러시아, 그리고 오스트레일리아의 다른 해양 지역에서 가끔 관찰되었다. 2015년 10월 22일 자정 직전, 위도 50.3044°N, 경도 96.9692°W (위니펙, 매니토바주, 캐나다 북쪽 약 35km 지점)에서 지평선 너머(동쪽에서 서쪽으로) 뻗어 있는 뚜렷하고 잘 형성된 롤 구름이 관찰되었으며, 2015년 10월 24일 자정 직후에는 그보다 덜 뚜렷한 일련의 구름들이 뒤따랐다. 2012년 5월 27일 오후 2시 30분(동부 표준시)에 오하이오주 매슈리, 위도 41.211168°N, 경도 -80.537849°W에서 또 다른 희귀한 롤 구름 형성이 관찰되었다. 이 희귀한 구름 현상은 한 엄마와 딸이 관찰했으며, 그들은 이 형성 직후 강한 바람이 동반되었다고 보고했다. 이 지역에서 이 현상이 드물다는 점을 고려할 때, 이는 평생 한 번 있을까 말까 한 사건으로 여겨진다.
모닝글로리 구름 기타 보고된 발생 사례
모닝글로리 구름은 케이프 코드와 멕시코 해안의 칼리포르니아만에서 가끔 보고되었다. 이 현상은 노바스코샤주 남동쪽 180km 떨어진 세이블섬에서도 관찰되었다. 모닝글로리 구름은 2009년 4월에 야머스를 통과했으며, 2022년 5월에는 뉴펀들랜드의 여러 지역을 통과했다. 모닝글로리 구름이 아침에 보이는 카펀테리아만과 달리, 해양 지방에서는 모두 저녁에 발생했다. 오스트레일리아 동부 킴벌리 지역의 조셉 보나파르트만 상공과 아라비아해 상공에서 위성 관측을 통해 희귀한 사례들이 관찰되었다. 2007년에는 브라질 리우데자네이루주의 캄푸스두스고이타카지스만 상공에서 모닝글로리 구름이 관찰되었다. 2011년 8월에는 브라질 남부 캄푸스 분지의 페레그리노 유전 상공에서 다시 발생했다. 이 현상은 2004년 9월 레바논(중동) 바트룬 해안에서도 기록되었다. 2013년 11월 20일, 더반 광역 지역 상공에서 모닝글로리 구름이 형성되었다. 2015년 6월 4일에는 미국 세인트클라우드 상공에서 모닝글로리 구름이 형성되었다. 2016년 11월 3일에는 네덜란드 아펠스카 상공에서 모닝글로리 구름이 형성되었다. 2018년 2월 5일에는 미국 리치먼드 (버지니아주) 상공에서 모닝글로리 구름이 형성되었다. 2018년 8월 30일에는 미국 러스킨 상공에서 모닝글로리 구름이 형성되었다.
켈빈-헬름홀츠 불안정
켈빈-헬름홀츠 불안정(Kelvin–Helmholtz instability, 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨과 헤르만 폰 헬름홀츠의 이름을 따서 명명)은 단일 연속 유체에 속도 전단이 있거나 두 유체 사이의 경계면에 속도 차이가 있을 때 발생하는 유체 불안정이다. 켈빈-헬름홀츠 불안정은 지구의 구름 형성이나 목성의 대적점과 같이 행성과 위성의 대기에서, 그리고 태양 및 기타 별의 대기에서 볼 수 있다.
켈빈-헬름홀츠 불안정 이론 개요 및 수학적 개념
유체동역학은 서로 다른 속도로 움직이는 서로 다른 밀도를 가진 유체 내에서 불안정성의 시작과 난류로의 전이를 예측한다. 표면장력을 무시하면, 서로 다른 속도와 밀도로 평행 운동하는 두 유체는 모든 속도에서 단파장 교란에 대해 불안정한 경계면을 형성한다. 그러나 표면장력은 임계 속도까지 단파장 불안정성을 안정화할 수 있다.
밀도와 속도가 공간적으로 연속적으로 변하고(가벼운 층이 가장 위에 있어서 유체가 RT-안정인 경우), 켈빈-헬름홀츠 불안정의 역학은 테일러-골드스타인 방정식으로 기술된다.
 여기서 는 브룬트-바이살라 진동수를 나타내고, U는 수평 평행 속도이며, k는 파수이고, c는 문제의 고유값 매개변수이며, 는 유동 함수의 복소 진폭이다. 그 시작은 리처드슨 수 로 주어진다. 일반적으로 층은 일 때 불안정하다. 이러한 효과는 구름 층에서 흔히 발생한다. 이 불안정성에 대한 연구는 예를 들어 관성 봉입 핵융합과 플라스마-베릴륨 경계면에서 플라스마 물리학에 적용 가능하다. 정적 안정 상태(연속적인 밀도 기울기가 있는 경우)인 상황에서는 레일리-테일러 불안정이 켈빈-헬름홀츠 불안정의 크기에 비해 종종 미미하다.
켈빈-헬름홀츠 불안정 이론 개요 및 수학적 개념
수치적으로 켈빈-헬름홀츠 불안정은 시간적 또는 공간적 접근 방식으로 시뮬레이션된다. 시간적 접근 방식에서는 평균 속도로 "움직이는" 주기적인 (순환적인) 상자에서 흐름이 고려된다 (절대 불안정성). 공간적 접근 방식에서는 자연적인 입구 및 출구 조건 (대류 불안정성)을 가진 실험실 실험을 모방한다.
켈빈-헬름홀츠 불안정 발견 및 역사
켈빈-헬름홀츠 불안정의 존재는 1868년 독일 생리학자이자 물리학자인 헤르만 폰 헬름홀츠에 의해 처음 발견되었다. 헬름홀츠는 "유체가 흐르는 모든 완벽한 기하학적 날카로운 모서리는 유체를 찢어놓고 분리 표면을 형성해야 한다"고 밝혔다. 그 연구에 이어 1871년 협력자 윌리엄 톰슨 (나중에 켈빈 경)은 해양풍파의 형성을 모델링하려 시도하면서 선형 불안정성의 수학적 해를 개발했다.
20세기 초반 내내 켈빈-헬름홀츠 불안정의 개념은 다양한 층화 유체 응용 분야에 적용되었다. 1920년대 초반, 루이스 프라이 리처드슨은 이러한 전단 불안정성이 층화로 인한 정적 안정성을 전단력이 극복할 때만 형성될 것이라는 개념을 개발했으며, 이는 리처드슨 수에 요약되어 있다.
켈빈-헬름홀츠 불안정의 지구물리학적 관측은 1960년대 후반/1970년대 초반에 구름에서, 그리고 나중에 해양에서 이루어졌다.
켈빈-헬름홀츠 불안정 각주
Hermann von Helmholtz (1868). 《Über discontinuierliche Flüssigkeits-Bewegungen [On the discontinuous movements of fluids]》. 《Monatsberichte der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin》 23. 215–228쪽.
극전선
기상학에서 극전선(極前線, polat front)은 두 반구의 극지 근처, 위도 60° 부근에서 극 순환과 페럴 순환 사이의 기상 전선 경계이다. 이 경계에서 두 기단 사이에 뚜렷한 온도 기울기가 발생하며, 각 기단은 매우 다른 온도를 가진다.
극전선은 차가운 극지방 공기가 따뜻한 열대 공기와 만나면서 발생한다. 공기 덩어리가 서로 대치하고 안정적으로 유지되므로 정체전선이다. 동부 북아메리카 해안, 특히 겨울에는 눈 덮인 육지와 따뜻한 근해 해류 사이에 뚜렷한 온도 기울기가 존재한다.
극전선 이론에 따르면 중위도 온대 저기압은 따뜻하고 차가운 공기 사이의 경계에서 형성된다. 겨울에는 극전선이 적도 쪽으로 이동하는 반면, 여름에는 고기압이 더 지배적이다.
날씨 속설
날씨 속설(weather lore) 또는 날씨에 대한 구전 지식은 날씨의 예측과 그 의미에 관한 비공식적인 민속 지식이다.
일반적인 민속처럼 날씨 속설은 외부 측정 장비를 사용하지 않고 평범한 사람들의 말과 글로 전해진다. 날씨 속설의 기원은 원시인들이 항해에 별을 연구한 것까지 거슬러 올라간다. 그러나 최근 중세 후기에는 레스보스의 에레소스 출신 테오프라스토스와 마케도니아 출신 아라토스라는 두 그리스 철학자-시인의 작품이 날씨 예측을 형성한 것으로 알려져 있다. 테오프라스토스와 아라토스는 "날씨 징후"와 "바람"이라는 두 가지 주요 컬렉션에 날씨 속설에 대한 연구를 정리했다. 이들은 농부들의 수확, 상인들의 무역, 그리고 다음 날 날씨를 결정하는 데 사용되었다.
날씨 속설
점성술과 날씨 속설은 오랫동안 밀접하게 연결되어 있었는데, 각 행성은 종종 특정 날씨 상태와 연관되었다. 예를 들어, 화성은 붉은색이므로 뜨겁고 건조해야 한다. 고대 로마 사상에 널리 퍼져 있던 점성술사들은 날씨 속설을 사용하여 일반인들에게 별과 구름의 형성을 가르치고 그것들이 미래를 보는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 가르쳤다. 이로부터 중세 후기 동안 점성술이 유럽 전역에서 인기를 얻으면서 날씨 속설에 대한 세 가지 주요 학파가 발전했다. 하나는 바람과 구름에 관련된 것으로, 일부 과학적 근거를 가지고 있었다. 두 번째 유형은 성인의 날과 관련된 것으로, 타당성은 의심스러웠지만 중세 시대에는 상당히 인기가 있었다. 세 번째 유형은 새와 동물의 행동을 다루었는데, 이는 미래에 대한 진정한 지표라기보다는 과거와 현재 날씨에 의해 더 많이 통제되는 것으로 밝혀졌다.
수은 온도계와 같은 온도 측정 장치의 발명 이전에는 예측 가능한 수치 데이터를 수집하기 어려웠다. 따라서 지역 사회는 주변 환경을 이용하여 다가오는 날의 날씨를 예측하고 설명했다.
오늘날 대부분의 날씨 속설은 속담에서 찾을 수 있다. 그러나 많은 날씨 속설 환상은 오늘날의 계절 달력에 여전히 만연해 있으며, 연례 성인의 날, 달의 경과, 동물의 행동에서 비롯된 날씨 예측과 같은 언급이 있다. 바빌로니아 종교에서 점성술의 별자리의 창조 또한 별 연구와 날씨 속설과의 연관성에 기인할 수 있다.
날씨 속설 "날씨"의 발생
날씨는 특정 시간과 장소에서 온도, 구름, 강우량 등 조건의 끊임없는 변화로 정의할 수 있다. 날씨의 상당 부분은 지구의 중위도, 대략 북위 및 남위 30°에서 60° 사이에서 발생한다.
세계 인구의 상당 부분이 적도 지역에 살고 있지만, 대부분의 경우 이 지역들은 이 정의에 의해 이해되는 날씨를 경험하지 않는다. 예를 들어, 북아프리카의 사하라 사막은 특히 상공의 높은 기압이 끊임없이 존재하기 때문에 일년 내내 거의 균일하게 뜨겁고 맑으며 건조하다. 반면 인도 아대륙과 서부 태평양의 날씨 경향, 예를 들어 계절풍 벨트에서는 매우 장기간에 걸쳐 점진적으로 발생하며, 주간 날씨 패턴은 일정하게 유지된다.
따라서 날씨 민속은 매일의 변동성이 있는 이 중위도 지역을 의미한다. 대부분의 경우 남반구에도 동일하게 적용되지만, 남반구 거주자는 날씨 시스템이 북반구와 반대로 회전한다는 사실을 고려해야 할 수도 있다. 예를 들어, "엇갈린 바람" 규칙(아래 참조)은 오스트레일리아 독자를 위해 뒤집혀야 한다.
날씨 속설 일반적인 속담
구름이 검은 연기처럼 보이면
현명한 사람은 외투를 입으리라
두껍고 수분을 머금은 폭풍 구름은 햇빛을 흡수한다. 이는 구름에 검은 연기와 다소 닮은 모습을 부여한다.
밤하늘이 붉으면 목동은 기뻐하고
아침하늘이 붉으면 목동은 경고를 받으라
(일반적인 변형으로, "목동"은 "선원"으로 대체되기도 한다.)
아침이나 저녁에 붉은 하늘은 대기 중의 고기압이 먼지나 그을음 입자를 가두는 결과이다. 공기 분자는 짧은 푸른색 파장의 햇빛을 산란시키지만, 먼지, 그을음 및 기타 에어로졸 입자는 레일리 산란이라는 과정을 통해 긴 붉은색 파장의 햇빛을 산란시킨다. 해돋이와 해넘이에는 태양이 하늘에 낮게 떠 있어 햇빛이 더 많은 대기를 통과하게 되므로 더 많은 빛이 산란된다. 이러한 효과는 적어도 일부 높은 구름이 이 빛을 지면으로 다시 반사할 때 더욱 강화된다.
날씨 시스템이 주로 서쪽에서 동쪽으로 이동할 때, 밤하늘이 붉으면 고기압(그리고 더 좋은 날씨)이 서쪽에 있음을 나타낸다. 아침에는 빛이 동쪽에 있으므로, 이때 붉은 하늘은 고기압(그리고 더 좋은 날씨)이 이미 지나갔고, 저기압 지역이 뒤따르고 있음을 나타낸다.
날씨 속설 일반적인 속담
북풍이 불면
어떤 어부도 나서지 말라,
동풍이 불면
사람도 짐승도 좋지 않으리,
남풍이 불면
물고기 입으로 먹이를 가져오리,
서풍이 불면
그때가 가장 좋은 낚시 때!
날씨 속설 일반적인 속담
서유럽 해상에서 이 바람 방향에 대한 설명은 활성 저기압 지역의 날씨 현상이 어떻게 나타나는지 훌륭하게 보여준다. 저기압이 접근하면 동풍이 보통 강해진다. 이 돌풍은 여러 가지 이유로 불쾌할 수 있다. 여름에는 종종 불쾌하게 따뜻하고 건조하며 먼지가 많고, 겨울에는 몹시 춥다. 저기압 주변에서 불어오는 북풍은 차갑고 거세다. 북풍 조건에서 항해하려면 전문성과 거친 파도를 다룰 수 있는 보트가 필요하다. 남풍은 보통 따뜻한 기온을 가져오며, 비록 물고기를 먹이지는 않을지라도 쾌적한 낚시 날씨를 제공한다. 관측자 북쪽을 통과하는 저기압과 남쪽을 통과하는 저기압에 따라 바람과 날씨 관측은 달라질 것이다. 저기압이 북쪽을 통과할 때, 바람은 일반적으로 동쪽에서 강해져 저기압의 온난전선 통과와 함께 남쪽으로 (보통 가벼운 강수량을 동반할 수도 있지만 필수는 아님) 돌고, 한랭전선이 통과하면서 북서풍이나 서풍으로 바뀐다. 일반적으로 강한 강수량이 있다면 한랭전선 통과와 함께 동반될 것이다. 반면에 저기압이 남쪽을 통과할 때는 바람이 처음에는 동쪽에서 강해지지만, 점차 북쪽으로 바뀔 것이다. 저기압 중심이 정남쪽을 통과할 때 흐린 하늘과 꾸준한 강수량이 종종 발생하지만, 저기압이 동쪽으로 이동하면서 하늘은 맑아지고 바람은 점차 서풍으로 바뀔 것이다. 어떤 관측자도 단일 통과에서 저기압의 모든 날씨 요소를 경험하지는 않을 것이다.
날씨 속설 일반적인 속담
바람이 잔잔하면 어떤 날씨도 나쁘지 않으리.
잔잔한 조건, 특히 맑은 하늘은 고기압 지역의 지배를 나타낸다. 고기압은 하강 기류의 넓은 지역이므로 구름, 바람, 강수와 같이 날씨와 일반적으로 관련된 현상의 형성을 억제한다. 그러나 잔잔한 조건은 "폭풍 전의 고요함"으로 알려진 상황에서도 발생할 수 있는데, 이는 서쪽에 있는 큰 뇌우 세포가 국지적으로 도착하기 전에 서풍 지표면 바람을 끌어올릴 수 있기 때문이다. 이 상황은 서쪽을 보면 쉽게 식별할 수 있다. 그런 접근하는 폭풍은 확실히 알아볼 수 있을 만큼 충분히 가까이 있을 것이다. 그러나 겨울에는 잔잔한 공기와 맑은 하늘이 북극 고기압의 존재를 알릴 수 있으며, 이는 일반적으로 매우 차가운 공기를 동반하며, –35°C(–31°F)의 온도를 쾌적하다고 묘사하기는 어렵다.
달이나 태양 주위에 후광 고리가 지면, 비가 곧 들이닥치리
날씨 속설 일반적인 속담
태양이나 달 주위의 후광은 높은 고도 (높이)의 얼음 결정에 의한 그 물체의 빛의 굴절로 인해 발생한다. 이러한 높은 수준의 수분 (물)은 점점 더 낮은 수준으로 이동하는 수분의 전조이며, 활성 날씨 시스템이 진행 중임을 나타내는 좋은 지표이다. 후광은 일반적으로 하늘이 맑아 보이지만 전형적인 파란색이 희미하거나 거의 눈에 띄지 않는 "우유빛 하늘"로 진화한다. 이 높고 두꺼운 권층운은 다가오는 저기압의 명확한 지표이다. 겨울의 가장 추운 날에는 태양 주위의 후광은 지면 및 상공에 매우 차갑고 일반적으로 맑은 공기가 있음을 나타낸다. 그러나 환일은 날씨 조건이 다음 18~36시간 이내에 변할 가능성이 있음을 나타낸다.
창문이 열리지 않고 소금이 소금통을 막히게 하면,
날씨는 우산 제작자에게 유리할 것이다!
날씨 속설 일반적인 속담
공기 중의 수분 (물)은 목재를 팽창시켜 문과 창문을 끈적하게 만들며, 소금은 매우 효과적인 수분 (물) 흡수제이다. 공기 중의 습도가 높으면 강수량이 증가할 가능성이 있다. 요오드화 소금에 함유된 탄산 마그네슘과 이후의 규산칼슘은 습한 환경에서 덩어리지는 것을 방지하는 역할을 하여 모턴 소금의 우산 소녀 로고와 "비가 오면 쏟아진다"는 슬로건으로 이어졌다.
여름 안개는 맑음을 위해,
겨울 안개는 비를 위해.
거의 모든 곳에서 사실이니,
골짜기나 평야에서든.
날씨 속설 일반적인 속담
안개는 공기가 충분히 차가워져 증발보다 응축을 유도하는 수증기압이 형성될 때 발생한다. 여름밤에 공기가 차가우려면 하늘이 맑아야 열이 우주 공간으로 복사될 수 있다. 구름 낀 하늘은 담요처럼 열을 흡수하고 재방출하여 열을 가둔다. 따라서 안개가 형성될 만큼 충분히 시원하고 맑으면 다음 날에도 맑을 가능성이 높다. 겨울 안개는 완전히 다른 두 가지 상황의 결과이다. 대양이나 큰 호수 위에서는 공기가 육지 위보다 습한 것이 일반적이다. 습한 공기가 차가운 육지 위로 이동하면 안개와 강수량이 형성된다. (북아메리카의 오대호 동쪽에서는 이것이 흔한 현상이며, "호수 효과 눈"으로 알려져 있다.) 북부 기후에서는 얼음 안개가 기온이 영하로 크게 떨어질 때 형성될 수 있다. 이는 거의 전적으로 도시 지역 현상으로, 공기가 너무 차가워서 어떤 수증기압도 응축을 초래하고, 자동차, 가정용 난로, 산업 플랜트에서 배출되는 추가 수증기가 단순히 안개로 축적된다.
구름이 바람을 거슬러 움직이면 비가 뒤따르리라.
이 규칙은 몇 가지 특별한 상황에서는 사실일 수 있지만, 그렇지 않으면 틀리다. 지면 바람에 등을 돌리고 구름의 움직임을 관찰함으로써 날씨가 개선될지 악화될지 결정할 수 있다. 북반구에서는 다음과 같다. 상층 구름이 오른쪽에서 이동하면 저기압 지역이 지나가고 날씨가 개선될 것이며, 왼쪽에서 이동하면 저기압 지역이 도착하고 날씨가 악화될 것이다. (남반구는 반대이다.) 이것은 "엇갈린 바람" 규칙으로 알려져 있다. 바람과 평행하게 반대 방향으로 이동하는 구름은 뇌우가 접근하고 있음을 나타낼 수 있다. 유출 바람은 일반적으로 상승 기류 지역과 반대로 불며, 상층 바람에 실려 있는 구름은 지표면 바람에 반대 방향으로 움직이는 것처럼 보일 것이다. 그러나 그러한 폭풍이 임박한 경우, 비가 올 가능성이 높다는 것을 알기 위해 구름의 움직임을 관찰할 필요는 없다. 전선 경계에서 직접적인 기류의 특성 또한 하층 바람이 상층 구름의 움직임과 모순되는 조건을 만들 수 있으며, 전선 경계의 통과는 종종 강수량을 동반한다. 그러나 대부분의 경우 이 상황은 저기압 지역의 풍하측, 전선대 및 수렴 지역의 북쪽에 발생하며 날씨의 변화를 나타내지 않고, 오히려 맑거나 소나기성 날씨가 적어도 몇 시간 동안 지속될 것임을 나타낸다.
날씨에 대한 전통의 진실성을 테스트하는 데 있어서 문제점 중 하나는 속담과 전통의 세부 사항에서 발견되는 광범위한 다양성이다. 일부 변형은 지역적이며, 다른 변형은 패턴이 덜하다.
날씨 속설의 신뢰성을 실제 날씨 관측과 비교하여 연구한 한 사례는 그라운드호그 데이 속설이다. 이 속설은 이 날(2월 2일)에 우드척이 그림자를 보면 겨울이 6주 더 남는다고 예측한다. 한 분석에 따르면 이 동물은 예측 능력을 보여주지 못했다고 결론지었다. 다른 연구에서는 정확도 비율을 제시했지만, 수치가 달랐다. 그리고 한 출처에 따르면 일부 수치는 추측(33% 정확)보다 약간 나았다. 다시 말해, 그 날의 구름량과 봄과 같은 날씨의 임박성 사이에는 눈에 띄는 상관관계가 없다.
몇 가지 기상학적 근거가 제시되었지만, 모호한 메커니즘이며 정확한 날짜를 고정하는 것은 효과를 저해한다.
날씨 속설 달력 속설
연간 달력의 날짜로 표시된 날씨 속설이 있다.
스페인 전통의 카바뉴엘라는 1월 또는 8월의 12일, 18일 또는 24일을 기준으로 그 해의 날씨를 예측한다.
2월 2일, 주의 봉헌축일, 브리짓의 날, 또는 성 블레이즈의 날(성 블레이즈의 날)을 둘러싼 날씨 속설이 있다. 한 프랑스 속설은 주의 봉헌축일(샹들뢰르)에 비가 오면 40일 더 비가 올 것이라고 말한다: Quand il pleut pour la Chandeleur, il pleut pendant quarante jours. 그라운드호그 데이도 이 날에 해당한다.
미국과 캐나다에서 관찰되는 그라운드호그 데이는 2월 2일로, 유럽, 특히 오소리를 예측자로 내세우는 독일의 주의 봉헌축일 날씨 속설에서 유래한 것으로 여겨진다. 그러한 독일 날씨 속담의 한 예는 다음과 같이 번역된다.
주의 봉헌축일에 오소리가 햇볕을 쬐면,
4주 더 굴로 돌아가야 할 것이다.
프랑스에도 상응하는 것들이 있다. 로렌의 생-발리에르에 대한 속설은 다음과 같다.
주의 봉헌축일에 날씨가 좋으면,
곰은 6주 동안 동굴로 돌아간다.
날씨 속설 달력 속설
그리고 쿠르베소에서 온 또 다른 속설은 주의 봉헌축일에 해가 뜨면 늑대가 6주 동안 동굴로 돌아가고, 그렇지 않으면 40일 동안 돌아간다고 말한다.
프랑스계 캐나다에서는 마못이나 우드척(시플뢰), 곰, 스컹크, 수달 등이 주의 봉헌축일에 그림자를 보면 겨울이 40일 동안 길어진다고 한다.
영국의 전통적인 날씨 속설은 다음과 같이 읊는다.
"주의 봉헌축일이 맑고 밝으면
겨울은 다시 찾아올 것이다
주의 봉헌축일에 구름과 비가 오면
겨울은 다시 오지 않을 것이다"
영국 속담은 전형적인 3월 날씨를 다음과 같이 묘사한다.
3월은 사자처럼 들어오고 어린 양처럼 나간다.
19세기에는 이것이 그 해 3월 초 날씨에 따라 달라지는 예측으로 사용되었다.
3월이 사자처럼 들어오면, 어린 양처럼 나갈 것이다.
3월이 경적을 울리면,
당신의 헛간은 건초와 곡물로 가득 찰 것이다.
"경적을 울린다"는 뇌우를 의미한다. 3월 뇌우는 그 해 그 시기에 날씨가 비정상적으로 따뜻하다는 것을 나타낸다(뇌우는 지면과 하늘 사이의 충분히 큰 온도 차이와 구름 내에서 전하 차이를 발생시킬 충분한 수분량이 있을 때만 발생할 수 있다).
날씨 속설 달력 속설
브리튼 제도에서는 성 스위튼의 날(7월 15일)이 여름 나머지 기간의 날씨를 예측한다고 전해진다. 성 스위튼의 날이 건조하면 다음 40일 동안도 건조할 것이라는 전설이 있다. "성 스위튼의 날이 맑으면, 40일 동안 비가 더 오지 않으리라. 성 스위튼의 날이 비가 오면, 40일 동안 비가 계속되리라." 그러나 비가 오면 40일 동안 비가 계속될 것이다.
성 스위튼의 날 전설에는 과학적 근거가 있다. 7월 중순경, 제트류는 대부분의 해에서 8월 말까지 상당히 안정적으로 유지되는 패턴을 형성한다. 제트류가 브리튼 제도 북쪽에 위치하면 대륙성 고기압이 이동해 올 수 있고, 브리튼 제도 위나 남쪽에 위치하면 북극 공기와 대서양 날씨 시스템이 우세하게 된다.
스페인 전통의 카바뉴엘라는 1월 또는 8월의 첫 12일, 18일 또는 24일을 기준으로 그 해의 날씨를 예측한다.
스웨덴 속담은 11월 30일(성 안드레아의 날, 현지 변형인 Anders의 영명 축일을 참조)을 크리스마스 날씨의 지표로 사용한다(Anders slaskar, julen braskar, 번역: 진흙투성이 안데르스 [성 안드레아의 날], 얼어붙은 크리스마스).
날씨 속설 달력 속설
프랑스에서는 성 메다르 (6월 8일), 랭그르의 우르반 (4월 2일), 그리고 성 제르바세와 성 프로타세 (6월 19일)가 영국의 성 스위튼에게 귀속된 것과 거의 동일한 날씨에 대한 영향을 미친다고 여겨지며, 플란데런에는 성 고델리브 (7월 6일)가 있고 독일에는 칠성인 기념일 (6월 27일)이 있다.
러시아에서는 성모 보호 축일의 날씨가 다가오는 겨울의 심각성을 나타낸다고 일반적으로 믿어진다.
로마냐에는 "Par San Paternian e' trema la coda a e' can."("성 파테르니안의 날에는 개의 꼬리가 흔들린다")라는 오래된 속담이 있었다. 이 세르비아 속담은 성인의 축일 무렵부터 추위가 느껴지기 시작했다는 사실을 언급한다. 노이스의 퀴리누스의 3월 30일 축일과 관련된 농부들의 속담은 "Wie der Quirin, so der Sommer"(퀴리누스의 날이 가는 대로 여름이 가리라)였다.
얼음 성인은 독일, 오스트리아, 스위스 민속에서 5월의 율리우스력에 따라 북반구에 짧은 한파를 가져오는 것으로 알려진 기간에 붙여진 이름으로, 성 마메르투스, 성 판크라스, 성 세르바티우스의 로마 가톨릭 축일이 각각 5월 11일, 5월 12일, 5월 13일에 해당하기 때문이다.
북스페인에서는 1년에 네 번 있는 사시 재의 기간이 다음 계절의 날씨를 예측하는 데 사용된다.
날씨 속설 생물학적 징후
때로는 속설이 예측이라기보다는 기존 조건과 동시에 발생하기도 한다. 예를 들면 다음과 같다.
갈매기, 갈매기 모래 위에 앉네.
육지에 있을 땐 날씨가 좋지 않네.
갈매기는 물 위에서 잠자는 경향이 있다. 그러나 갈매기는 사람처럼 돌풍이 불고 난류가 거친 바람과 싸우기 어려워하며, 그런 상황에서는 물 또한 거칠고 불쾌하다. 땅에 웅크리고 있는 갈매기는 날씨가 이미 좋지 않다는 신호일 수 있다.
꼬리가 서쪽을 향한 소는 날씨가 가장 좋고,
꼬리가 동쪽을 향한 소는 날씨가 가장 좋지 않다.
소는 바람이 얼굴에 부는 것을 좋아하지 않으므로 보통 바람에 등을 돌리고 서 있다. 서풍은 일반적으로 좋거나 계속되는 맑은 날씨를 의미하고 동풍은 보통 좋지 않거나 계속되는 불안정한 날씨를 나타내므로, 소풍향계는 다음 몇 시간 동안의 날씨를 아는 좋은 방법이다.
날씨 속설 생물학적 징후
고양이와 개는 비가 오기 전에 풀을 먹는다.
고양이와 개가 풀을 먹는 것은 사실이지만, 날씨와는 아무런 관련이 없으며, 고양이와 개가 전적으로 육식 동물이 아니기 때문이다. 일부 연구자들은 개가 아플 때 구토제로 풀을 먹는다고 믿는다.
독일어권 세계를 중심으로 개구리가 날씨를 예측할 수 있다는 믿음이 있었다. 이는 유럽 청개구리가 맑은 날씨에 식물을 기어오르는 것을 관찰하면서 생겨났으며, 작은 사다리가 있는 항아리에 개구리를 가두는 것으로 이어졌다. Wetterfrosch(날씨 개구리)라는 용어는 기상학자들을 비하하는 유머러스한 별명으로 남아있는데, 그들의 예측을 믿을 수 없다는 뜻을 내포하고 있다.
일부 초기 기압계는 폭풍이 올 것을 예측하기 위해 병에 담긴 거머리를 사용했다. 이는 저기압이 접근할 때 거머리가 기어오르고 안절부절 못하는 경향이 있기 때문이다.
날씨 속설 생물학적 징후
양파 껍질이 매우 얇으면
따뜻한 겨울이 다가오고;
양파 껍질이 두껍고 질기면
추운 겨울이 다가온다.
이 구절과 이와 유사한 다른 많은 구절들은 장기적인 조건을 예측하려고 시도한다. 이러한 예측들은 오직 선택적 기억에 의존하기 때문에 시간의 시험을 견뎌냈다. 사람들은 예측이 맞았을 때를 기억하고 예측이 맞지 않았을 때는 잊어버린다. 이러한 예측에 희박한 신뢰성을 제공할 수 있는 한 가지 요인은 날씨가 해마다 어느 정도 일관성을 보인다는 점이다. 가뭄 주기 또는 엘니뇨 겨울은 그러한 상황의 완벽한 예이다. 예를 들어, 시원한 여름과 따뜻한 겨울의 패턴은 온도 또는 강수량의 변화에 충분히 민감하게 영향을 받는 다른 자연 현상에서 패턴을 생성할 수 있다.
날씨 속설 기상학적 징후
일곱 시 전에 비가 오면, 열한 시에는 맑다.
늦은 밤 비와 이른 아침 비는 단순히 지나가는 전선의 마지막 강수일 수 있다. 그러나 전선은 낮만큼 밤에도 자주 지나가므로 아침 비가 건조한 오후를 예측하는 것은 아니다. 그러나 이 속설은 전선과 관련 없는 날씨를 설명할 수 있다. 충분한 지표면 가열이 주어지면 늦은 오후의 폭풍우가 밤까지 계속 발전하여 이른 강수를 일으킨 다음 늦은 아침까지 소멸할 수 있다. 그러나 이것은 일반적인 규칙이 아니라 예외이다. 강수량의 40%만이 대류 현상에 의해 발생하며, 60%는 전선 통과의 결과이다.
일렉트릿
일렉트릿(electret, "전기"(electricity)의 electr-과 "자석"(magnet)의 -et을 결합한 혼성어)은 준영구적인 전기 분극을 갖는 유전체 물질이다. 일렉트릿은 내부 및 외부 전기장을 가지며, 영구 자석의 정전기적 등가물이다.
일렉트릿
일렉트릿이라는 용어는 올리버 헤비사이드가 (일반적으로 유전체) 재료가 양쪽 끝에 반대 부호의 전하를 띠고 있는 것을 지칭하기 위해 만들었다. 일렉트릿 특성을 가진 일부 물질은 이미 과학에 알려져 있었고 1700년대 초부터 연구되어 왔다. 한 가지 예는 일렉트릿 특성을 가진 판과 분리된 금속판으로 구성된 장치인 정전기 유도기이다. 정전기 유도기는 원래 1762년 스웨덴의 요한 칼 빌케에 의해 발명되었으며 1775년 이탈리아의 알레산드로 볼타에 의해 개선되었다. 생산의 첫 기록 사례는 1925년 모토타로 에구치에 의해 이루어졌다. 그는 폴리머 또는 왁스와 같이 극성 분자를 포함하는 적합한 유전체 물질을 녹인 다음 강력한 전기장 내에서 응고시켰다. 유전체의 극성 분자는 전기장 방향으로 정렬되어 준영구적인 편극을 가진 쌍극자 일렉트릿을 생성한다. 현대의 일렉트릿은 때때로 전자빔, 코로나 방전, 전자총에서 주입, 간극을 통한 전기적 파괴 또는 유전체 장벽을 사용하여 과도한 전하를 고도로 절연된 유전체에 내장하여 만들어진다.
일렉트릿 자석과의 유사성
일렉트릿은 자석과 같이 쌍극자이다. 또 다른 유사점은 장이다. 즉, 물질 외부에서 정전기장( 자기장과는 반대되는)을 생성한다. 자석과 일렉트릿이 서로 가까이 있을 때, 로런츠 힘이 작용한다. 정지 상태에서는 서로에게 아무런 영향을 미치지 않는다. 그러나 일렉트릿이 자극에 대해 움직일 때, 자기장에 수직으로 작용하는 힘이 느껴지며, 다른 자석에서 느껴지는 "밀어내는" 예상 방향에 대해 90도 경로로 일렉트릿을 밀어낸다.
일렉트릿 축전기와의 유사성
일렉트릿과 축전기에 사용되는 유전체 층 사이에는 유사성이 있다. 차이점은 축전기의 유전체는 유전체에 가해지는 전위에만 의존하는 유도 분극을 가지며, 이는 일시적인 반면, 일렉트릿 특성을 가진 유전체는 준영구적인 전하 저장 또는 분극을 나타낸다는 점이다. 일부 재료는 강유전체를 나타내기도 한다(즉, 분극의 이력 현상을 통해 외부 필드에 반응한다). 강유전체는 열역학적 평형 상태에 있기 때문에 영구적으로 분극을 유지할 수 있으며, 따라서 강유전체 축전기에 사용된다. 일렉트릿은 단지 준안정 상태에 있지만, 누설이 매우 낮은 재료로 만들어진 일렉트릿은 수년 동안 과도한 전하 또는 분극을 유지할 수 있다. 일렉트릿 마이크로폰은 영구적으로 대전된 재료를 사용하여 전원 공급 장치에서 분극 전압이 필요하지 않도록 하는 콘덴서 마이크의 한 유형이다.
일렉트릿 재료
일렉트릿 재료는 자연에서 매우 흔하다. 예를 들어, 석영과 다른 형태의 이산화규소는 자연적으로 발생하는 일렉트릿이다. 오늘날 대부분의 일렉트릿은 합성 중합체로 만들어지는데, 예를 들어 불소수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등이 있다. 실전하 일렉트릿은 양성 또는 음성 과도 전하 또는 둘 다를 포함하는 반면, 정렬된 쌍극자 일렉트릿은 정렬된 쌍극자를 포함한다. 일렉트릿이 생성하는 준영구적인 내부 또는 외부 전기장은 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다.
일렉트릿 제조
대량 일렉트릿은 재료를 가열하거나 녹인 다음 강한 전기장 하에서 냉각시켜 제조할 수 있다. 전기장은 전하 캐리어를 재배치하거나 재료 내의 쌍극자를 정렬시킨다. 재료가 냉각되면 응고가 쌍극자를 제자리에 "고정"시킨다. 일렉트릿에 사용되는 재료는 일반적으로 왁스, 중합체 또는 나뭇진이다. 초기 제조법 중 하나는 45% 카나우바 왁스, 45% 흰 송진, 그리고 10% 흰 밀랍을 녹여 혼합한 후 수 킬로볼트/cm의 정전기장 내에서 냉각시키는 것이다. 이 과정과 관련된 열유전 효과는 브라질 연구원 조아킴 코스타 리베이루에 의해 처음 설명되었다.
일렉트릿은 또한 입자 가속기를 사용하여 유전체 내부에 과도한 음전하를 주입하거나, 고전압 코로나 방전을 사용하여 표면 또는 표면 근처에 전하를 남겨두는 코로나 대전이라는 공정을 통해 제조될 수 있다. 일렉트릿 내부의 과도 전하는 지수적으로 감소한다. 붕괴 상수는 재료의 상대 유전율과 전체 저항률의 함수이다. PTFE와 같이 저항률이 매우 높은 재료는 수백 년 동안 과도한 전하를 유지할 수 있다. 상업적으로 생산되는 대부분의 일렉트릿은 얇은 필름으로 가공된 불소수지(예: 비정질 테플론)를 기반으로 한다.
일렉트릿 추가 문헌
Walker, David K.; Jefimenko, Oleg D. (1973). 《Volume charge distribution in carnauba wax electrets》. 《Journal of Applied Physics》 44. 3459쪽. Bibcode:1973JAP....44.3459W. doi:10.1063/1.1662785.
자기 스칼라 퍼텐셜
자기 스칼라 퍼텐셜(Magnetic scalar potential) ψ는 고전 전자기학의 양으로, 전위와 유사하다. 자유 전류가 없는 경우 정전기학에서 전기장을 결정하기 위해 전위를 사용하는 것과 유사한 방식으로 자기 H-장을 지정하는 데 사용된다. ψ의 중요한 용도 중 하나는 자기화가 알려진 경우 영구 자석으로 인한 자기장을 결정하는 것이다. 이 퍼텐셜은 전류 밀도가 0인 모든 단일 연결 영역에서 유효하므로, 전류가 전선이나 표면에 국한된 경우 부분적인 해를 조합하여 공간의 모든 지점에서 자기장에 대한 설명을 제공할 수 있다.
자기 스칼라 퍼텐셜 자기 스칼라 퍼텐셜
스칼라 퍼텐셜은 특히 영구 자석의 자기장을 설명하는 데 유용한 양이다.
자유 전류와 변위 전류가 없는 경우,

이 식이 단일 연결 영역에서 성립하면 자기 스칼라 퍼텐셜, ψ를 다음과 같이 정의할 수 있다.

국제단위계 기본 단위에서 ψ의 차원은 ,이며, SI 단위로는 암페어로 표현될 수 있다.
H의 정의를 사용하면 다음과 같다.

따라서 다음이 성립한다.
여기서 ∇ ⋅ M은 ∇ ⋅ P가 전기장의 소스로 작용하는 것과 매우 유사하게 자기장의 소스로 작용한다. 따라서 속박 전기 전하와 유사하게, 양

는 속박 자기 전하 밀도라고 불린다. 자기 전하 는 자기 홀극처럼 고립되어 발생하지 않고, 오직 쌍극자 내부와 총 자기 전하 합이 0인 자석 내에서만 발생한다. 자기 스칼라 퍼텐셜 내에 국부화된 자기 전하 qm의 에너지는 다음과 같다.

그리고 공간에 분포된 자기 전하 밀도 분포 ρm의 에너지는 다음과 같다.

여기서 µ0는 진공 투자율이다. 이는 전기 퍼텐셜  내에 있는 전기 전하 q의 에너지 와 유사하다.
자유 전류가 있는 경우, 비오-사바르 법칙에 따라 총 자기장에서 자유 전류의 기여를 뺀 다음 스칼라 퍼텐셜 방법으로 나머지를 풀 수 있다.
사이클로트론 복사
입자물리학에서 사이클로트론 복사 또는 사이클로트론 방사(Cyclotron radiation)는 자기장에 의해 편향된 비상대론적 가속 전하 입자에 의해 방출되는 전자기파이다. 입자에 작용하는 로런츠 힘은 자기장 자기력선과 자기장을 통과하는 입자의 운동 모두에 수직으로 작용하여, 자기력선을 나선형으로 돌면서 겪는 가속의 결과로 복사를 방출하게 하는 대전 입자의 가속을 생성한다.
이 복사의 이름은 1930년대부터 연구를 위해 고에너지 입자를 생성하는 데 사용된 입자 가속기의 일종인 사이클로트론에서 유래한다. 사이클로트론은 균일한 자기장 내에서 전하 입자가 나타내는 원형 궤도를 이용한다. 또한 궤도의 주기는 입자의 에너지와 무관하므로 사이클로트론이 설정된 진동수로 작동할 수 있다. 사이클로트론 복사는 사이클로트론 내의 입자뿐만 아니라 자기장을 통과하는 모든 전하 입자에 의해 방출된다. 성간매질 또는 블랙홀 및 기타 천문 현상 주변의 플라스마에서 발생하는 사이클로트론 복사는 멀리 떨어진 자기장에 대한 중요한 정보원이다.
사이클로트론 복사 속성
각 전자의 방출 일률 (단위 시간당 에너지)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
여기서 E는 에너지, t는 시간, 는 톰슨 단면적 (미분이 아닌 총), B는 자기장 세기, v는 자기장에 수직인 속도, c는 광속, 는 진공의 투자율이다.
사이클로트론 복사는 입자의 궤도와 동일한 기본 주파수에 주요 스파이크를 가지는 스펙트럼과 더 높은 정수 인수의 고조파를 가진다. 고조파는 실제 방출 환경의 불완전성으로 인해 발생하며, 이는 스펙트럼 선의 폭 확산을 초래하기도 한다. 선 폭 확산의 가장 명백한 원인은 자기장의 불균일성이다. 전자가 한 자기장 영역에서 다른 영역으로 이동함에 따라 그 방출 주파수는 자기장의 세기에 따라 변한다. 폭 확산의 다른 원인으로는 전자가 완벽한 궤도를 따르지 못하는 충돌 폭 넓어짐, 주변 플라스마와의 상호 작용으로 인한 방출 왜곡, 그리고 전하 입자의 에너지가 충분히 높을 경우 특수 상대성이론 효과가 있다. 전자가 상대론적 속도로 움직일 때 사이클로트론 복사는 싱크로트론 복사로 알려져 있다.
사이클로트론 복사 속성
사이클로트론 복사를 방출하는 입자가 겪는 반동을 방사선 반작용이라고 한다. 방사선 반작용은 사이클로트론 운동에 대한 저항으로 작용하며, 이를 극복하는 데 필요한 작업은 사이클로트론에서 입자를 가속하는 주된 에너지 비용이다. 사이클로트론은 방사선 반작용을 경험하는 시스템의 주요 예이다.
사이클로트론 복사 예시
자기장 핵융합 에너지의 맥락에서 사이클로트론 복사 손실은 자기장 에너지 밀도에 대한 최소 플라스마 에너지 밀도의 요구 사항으로 이어진다.
사이클로트론 복사는 고고도 핵폭발에서 발생할 가능성이 있다. 폭발에 의해 생성된 감마선은 상층 대기의 원자를 이온화하고, 이 자유 전자는 지구 자기장과 상호 작용하여 전자기 펄스 (EMP) 형태의 사이클로트론 복사를 생성한다. 이 현상은 EMP가 고체 전자 장비에 손상을 입힐 수 있으므로 군사적으로 우려된다.
도파관 (전자기학)
무선 주파수 공학 및 통신 공학에서 도파관 또는 웨이브가이드(waveguide)는 전파를 전달하는 데 사용되는 속이 빈 금속 파이프이다. 이 유형의 도파관은 주로 마이크로파 주파수에서 전송선로로 사용되며, 전자레인지, 레이더 장치, 위성 통신 및 마이크로파 무선 링크와 같은 장비에서 마이크로파 송신기와 수신기를 해당 안테나에 연결하는 등의 목적으로 사용된다.
유도된 전자기파(EMW)의 군속도는 빛의 속력의 일부이다. (금속 파이프) 도파관에서의 전파는 EMW가 도파관의 반대쪽 벽 사이에서 반복적으로 반사되는 지그재그 경로로 상상할 수 있다. 특히 직사각형 도파관의 경우, 이 관점을 기반으로 정확한 분석을 할 수 있다. 유전체 도파관에서의 전파는 동일한 방식으로 볼 수 있으며, 파동은 표면에서의 전반사에 의해 유전체에 갇힌다. 비방사성 유전체 도파관 및 고바우 선과 같은 일부 구조는 금속 벽과 유전체 표면을 모두 사용하여 파동을 가둔다.
도파관 (전자기학) 원리
주파수에 따라 도파관은 전도성 또는 유전체 재료로 구성될 수 있다. 일반적으로 통과시켜야 하는 주파수가 낮을수록 도파관은 더 커진다. 예를 들어, 전도성 전리층과 지면 사이의 치수와 지구의 중간 고도에서의 원주로 형성되는 지구의 자연 도파관은 7.83Hz에서 공명한다. 이는 슈만 공명으로 알려져 있다. 반면에 극고주파(EHF) 통신에 사용되는 도파관은 폭이 1mm 미만일 수 있다.
도파관 (전자기학) 역사
1890년대 동안 이론가들은 덕트 내 전자기파에 대한 첫 번째 분석을 수행했다. 1893년경 조지프 존 톰슨은 원통형 금속 공동 내부의 전자기 모드를 유도했다. 1897년 레일리 경은 도파관에 대한 결정적인 분석을 수행했다. 그는 임의의 모양을 가진 전도성 튜브와 유전체 막대를 통해 전파되는 전자기파의 경계값 문제를 해결했다. 그는 파동이 전기장 (TE 모드) 또는 자기장 (TM 모드)이 전파 방향에 수직인 특정 정상 모드에서만 감쇠 없이 전파될 수 있음을 보여주었다. 또한 각 모드에는 파동이 전파되지 않는 차단 주파수가 있음을 보여주었다. 주어진 튜브의 차단 파장은 폭과 같은 크기였으므로, 속이 빈 전도성 튜브가 직경보다 훨씬 큰 무선 파장을 전달할 수 없다는 것이 분명했다. 1902년 R. H. Weber는 전자기파가 튜브에서 자유 공간보다 느리게 이동하며, 그 이유를 밝혀냈다. 즉, 파동이 벽에서 반사되면서 "지그재그" 경로로 이동한다는 것이다.
도파관 (전자기학) 역사
1920년대 이전에는 전파에 대한 실용적인 연구가 무선 스펙트럼의 저주파 끝에 집중되었다. 이 주파수가 장거리 통신에 더 좋았기 때문이다. 이들은 심지어 큰 도파관에서도 전파될 수 있는 주파수보다 훨씬 낮았으므로, 이 기간 동안 도파관에 대한 실험적 연구는 거의 없었지만, 몇몇 실험은 수행되었다. 1894년 6월 1일 왕립학회에서 열린 "헤르츠의 업적" 강연에서 올리버 로지는 짧은 원통형 구리 덕트를 통해 스파크 갭에서 3인치 전파를 전송하는 것을 시연했다. 1894-1900년 마이크로파에 대한 그의 선구적인 연구에서 자가디시 찬드라 보스는 파동을 전도하기 위해 짧은 파이프 길이를 사용했기 때문에 일부 출처에서는 그를 도파관 발명자로 인정한다. 그러나 그 후 튜브나 덕트에 의해 전파가 전달된다는 개념은 공학 지식에서 사라졌다.
도파관 (전자기학) 역사
1920년대 동안 고주파 전파의 첫 번째 연속적인 소스가 개발되었다. 바르크하우젠-쿠르츠 튜브, UHF 주파수에서 전력을 생산할 수 있는 최초의 발진기; 그리고 분할 양극 자전관은 1930년대에 최대 10GHz의 전파를 생성했다. 이로 인해 1930년대에 마이크로파에 대한 최초의 체계적인 연구가 가능해졌다. 저주파 전파를 전달하는 데 사용되는 전송선로인 병렬선과 동축 케이블이 마이크로파 주파수에서 과도한 전력 손실을 발생시켜 새로운 전송 방법의 필요성을 야기한다는 사실이 밝혀졌다.