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안녕하세요! 신승준 기자입니다!

햇볕이 쨍쨍한 여름날 가장 생각나는 곳은 어디인가요? 아마 많은 기자님들이 '해수욕장'을 떠올릴 것 같아요. 해수욕장에 가면 출렁이는 파도에 몸을 맡긴 채 친구들과 재미나게 놀곤 하죠. 하지만 종종 뉴스를 보다 보면 파도가 한 사람의 목숨을 앗아가기도 하고, 지진이나 태풍으로 인한 쓰나미가 상상을 초월하는 인명피해를 일으키기도 해요. 이번 기사는 우리에게 재미를 주기도 하지만 무시무시한 악마가 되기도 하는 파도에 대해서 자세하게 알아보려고 합니다.

출처: https://cafe.naver.com/clubv300/1313394

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먼저, 여러분은 파도가 왜 발생하는지 알고 있나요? 파도를 발생시키는 주요한 원인은 바람이고, 이외에도 지진이나 조수 간만의 차에 의한 요소도 존재합니다. 바람에 의한 파도의 발생 과정을 살펴보자면, 적도 부근이 극지방보다 많은 태양 에너지를 받고 이로 인해 대류 현상이 일어납니다. 지구의 표면에서 공기가 이동하면서 생성된 기압 차는 소용돌이를 만들고, 이러한 소용돌이가 물의 표면을 문지르면서 파도가 생성되는 것입니다.

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파도는 고유한 파장과 진동수, 진폭을 가지고 마루와 골을 반복적으로 형성하는 주기함수입니다. 물 위에 오리배를 올려놓으면 오리배가 앞으로 나아가지 않고 제자리에서 원운동을 하는 것을 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 해수 자체가 앞으로 움직이는 게 아니라 파랑 에너지가 파의 형태로 전달되는 것을 알 수 있습니다.

1. 파도의 주기함수적 특성

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​일정한 방향으로 바람이 불어 형성된 파도를 '풍랑'이라고 합니다. 넓은 바다에서 발생한 풍랑은 지속적인 바람에 의해 발생하기에 진폭이 크고 파장은 짧다는 특징이 있습니다. 평상시에는 주로 먼 해상에서 풍랑이 발생하지만, 태풍과 같은 기상 현상으로 강풍이 불 경우 해안에서도 풍랑이 일게 되어 해안가에 피해를 줍니다. 그래서 기상청에서는 이를 미리 대비할 수 있게 풍랑주의보와 풍랑경보를 발표하기도 하죠.

2. 파도의 발생

먼 바다에서 발생한 풍랑이 바람이 그친 뒤 강도가 약해지면서 완만해진 상태가 된 것을 '너울'이라고 합니다. 이 너울은 풍랑과는 다르게 파장이 길고, 진행할수록 약해지면서 진폭이 줄어들게 됩니다. 규모를 비교하면 풍랑은 주기가 2-8초, 파장은 수십m이지만 너울은 주기가 5-15초, 파장은 수백m로 매우 완만합니다.

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우리가 해수욕장에서 볼 수 있는 하얀 파도는 '연안쇄파'라고 합니다. 풍랑이나 너울이 진행하다가 연안에 가까워지면 점차 얕아지는 수심에 따라 바닥의 영향을 받아 파도의 속도는 느려지고, 파장은 짧아집니다. 이 때 한 주기당 전달되는 물의 양은 변함이 없어야 하므로 파장이 짧아진 만큼 물이 몰려 진폭은 높아지게 됩니다.

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서핑 하는 사람들이 파도를 타는 모습을 보면 파도가 앞쪽으로 쏠리면서 부서지는 것을 볼 수 있습니다. 이는 파도의 밑부분은 바닥의 저항을 받아 속력이 느려지지만, 파도의 윗부분은 속력을 유지하기 때문입니다.

그런데 파도는 부서질 때 왜 흰색을 띌까요? 이는 빛의 산란 때문입니다. 파도가 부서지면서 생긴 물방울 입자가 빛을 산란시켜 흰색 빛만 반사하기 때문에 파도가 부서질 때는 흰색으로 보이게 되는 것이죠.

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3. 파도 위에서의 오리배의 운동

위의 오리 그림에서와 같이 우리가 특정한 위치에서 바닷물의 운동을 연속적으로 관찰하면 원이나 타원에 가깝게 보인다는 것을 알 수 있습니다. 이는 파도의 상하 운동과 파동의 진행에 따른 전후 운동이 함께 일어나기 때문입니다.

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파도의 상하 운동과 전후 운동, 즉 파도의 위치에너지와 운동에너지를 전력으로 바꾸는 것이 바로 파력발전입니다. 파력발전은 발전원리에 따라 크게 가동물체형, 진동수주형, 월파형으로 분류가 됩니다. 각각의 파력발전에 대해 알아보도록 합시다.

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먼저 가동물체형 파력발전입니다. 가동물체형 파력발전은 파의 상하 운동, 회전 운동 등을 바닷물에 접촉된 물체에 직접 전달해, 움직이는 물체의 운동으로부터 에너지를 흡수하는 방식을 말합니다. 가동물체형 장치는 파의 운동 에너지을 바로 이용하기에 다른 방식보다 에너지 변환 효율이 높습니다. 하지만 파도가 반복적으로 가하는 힘에 직접적으로 노출되기에 내구성이 충분히 확보되어야 하는 단점이 있습니다.

4. 가동물체형 파력발전

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두 번째로 진동수주형 파력발전 입니다. 진동수주형은 주기적으로 진동하는 파의 운동으로부터 공기를 압축, 팽창시켜 터빈을 작동시키는 방식입니다. 이 방식은 비록 효율은 낮지만 주요한 장치들이 바닷물과는 분리된 별도의 공간에 있어 유지보수가 쉽다는 장점이 있습니다. 현재 대부분의 파력발전에서 사용되고 있는 방식이기도 합니다.

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세 번째는 월파식 파력발전 입니다. 월파식 파력발전 장치는 파도가 칠 때 일정 높이에 물을 가둔 후 평균해면과 해수면의 높이 차이를 만들어서 위치에너지를 얻는 방식인데요. 이 방식은 파의 운동을 직접 감당하지 않아도 되어 파도의 충격에 따른 문제가 적고 상대적으로 발생 전력의 변동성이 작아 제어가 쉽다는 장점이 있습니다.

5. 진동수주형 파력발전과 월파식 파력발전

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파도는 엄청난 인명피해와 국가적 손실을 주기도 합니다. 하지만 때로는 물놀이를 더욱 재미있게 해주고 다양한 해양스포츠를 즐길 수 있게 해 주기도 합니다. 또한 공해를 거의 발생시키지 않고 비용도 저렴한 청정에너지로 사용할 수 있다는 것 역시 파도의 큰 장점이 아닐까 하는 생각이 드네요.

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지금까지 파도의 여러 특성과 숨겨진 과학적 원리들에 대해 알아봤는데, 흥미로우셨나요? 이러한 파도의 과학적 원리들을 알고 해수욕장에 가서 친구들과 해수욕을 즐긴다면 재미가 배가 되지 않을까요?

이상으로 신승준 기자였습니다. 감사합니다!