난류 (r20210301판)

 

1. 따뜻한 해류
2. 물리학 용어


1. 따뜻한 해류


Warm Current, 暖流

열대기후 또는 아열대기후바다에서 발원하며, 적도에서 북극, 남극 방향으로 향하는 해류를 말한다.

온도, 염분이 높다. 하지만 한류에 비해 산소가 적어서 일반적으로 생산력이 낮다. 북태평양의 쿠로시오 해류나 북대서양의 걸프 해류(멕시코 만류), 북대서양 난류가 대표적이다.

파일:external/upload.wikimedia.org/640px-Golfstream.jpg[1]

멕시코 만류의 흐름

일반적으로 난류가 흐르는 지역은 위도가 비슷한 타 지역에 비해 전체적으로 온화하거나 연교차가 적은 날씨를 보이며 연중 강수량도 고른 경우가 일반적인데 이것을 해양성 기후라고 부른다. 위의 멕시코 만류가 흐르는 유럽이나 태평양 난류가 흐르는 미국 서북부와 캐나다 서남부(시애틀, 밴쿠버) 등의 지역들은 위도가 동일한 타 지역에 비해 상대적으로 겨울이 따뜻한 편이라 원래 냉대기후가 되어야 할 위도[2]임에도 온대기후가 형성되어 있다. 단적으로 흔히 우리나라보다 온난 혹은 비슷한 온도를 가진 듯한 이미지의 유럽권 국가들은 모두 우리나라보다 위도가 높다. 위도가 낮은 축에 속하는 스페인, 그리스, 이탈리아 모두 남한보다 위도가 높으며 영국, 프랑스, 독일은 한반도 최북단(북위 43º)보다 훨씬 위에 있다[3]. 심지어 영국의 그레이트 브리튼 섬의 절반은 모스크바보다 위도가 높다. 그야말로 대자연의 힘.

뜬금없이 들리지만, 유럽 국가들에서 탈원전 담론이 먼저 나온 것도 이 난류 덕이라 할 수 있다. 강수량 고르니 수력발전이 가능하며, 편서풍 덕에 풍력 발전이 가능하고 여름에 일조량이 적당해 태양광 발전도 가능한 것.

스위스노르웨이 등 유럽의 산악 국가들을 보면 산을 깎아서 목초지를 만드는 경우가 많은데, 그럼에도 1년 내내 강수량이 고르면서 조금씩 오기 때문에 산사태가 잘 일어나지 않는다.[4] 난류 자체가 안전장치 역할을 해주는 셈.

일본 열도쿠로시오 난류의 영향으로 동위도의 한국, 중국보다 겨울이 온화하며, 비나 눈이 많이 온다.

또한 난류가 흐르는 기후대에서는 대부분 목욕 문화가 발달하게 된다. 씻을 물이 흔하기 때문이다. 다만 프랑스 같은 예외는 있다.


2. 물리학 용어




/ Turbulent Flow

유체역학에서 정의된 용어이다. 보통 '흐름 방향의 수직방향으로 속도 성분이 있는 흐름' 정도로 정의 되는데, 쉽게 말하면 흐름이 똑바로 흐르지 않고 상하좌우로 섞이면서 흐르는 경우를 말한다. 난류의 정확한 정의는 여전히 어렵다. 다만 난류의 특성으로는 '비규칙성(randomness), 확산성(diffusivity), '와도섭동(vorticity fluctuation)', '소멸성(dissipation)' 등이 있다. 또한 난류는 비정상(unsteady), 3차원 유동(three-dimensional flow)이며 일반적으로 높은 레이놀즈 수의 영역대이다. 반대로 주된 흐름방향으로만 똑바로 흘러가는 유체를 층층이 쌓아 올린 것처럼 흐른다 하여 층류라 부른다.

나비에-스톡스 방정식을 시간 평균하게 되면 비선형 항(convection term)에서 난류 응력(turbulent stress)항이 발생하며, 이 항의 비례계수를 난류 점성이라 한다. 이 수식의 엄밀해를 만들기 어렵게 하는 주범 중 하나. 사실 이 난류는 수학적으로 정확한 예측이 어려우며, 유체의 흐름을 컴퓨터로 예측하는 CFD 해석 시 난류 해석 풀이를 어떠한 수식을 쓸 것이냐에 따라 결과의 정확도가 천차만별로 달라진다.

물체 주변에 난류가 생기면 대체로 마찰항력이 더 커진다. 난류가 생기지 않으려면 물체 표면이 매우 매끄러워야하며, 속도도 느리고 유체의 점성(끈적이는 정도)도 커야 한다. 그런데 아이러니하게도 난류가 물체의 항력을 줄이는 역할도 한다. 물체 표면을 따라 흐르던 유체가 물체 뒤쪽 부근에서 떨어져 나가는 현상을 흐름의 박리라 하는데, 이 현상이 생기면 물체 뒤쪽 압력이 급격히 낮아져서 물체를 뒤로 잡아당기는 힘, 즉 압력항력이 생긴다. 그리고 이 흐름의 박리현상은 난류보다 층류에서 더 잘 생긴다. 골프공의 곰보자국이나 상어의 우둘투둘한 피부는 일부러 주변에 난류를 만들어 흐름의 박리현상을 막기 위한 것이다. 항공기의 경우에도 흐름의 박리현상이 생기면 항력이 커지는 것은 물론 양력이 급격히 줄어들거나 진동, 소음이 생기는 경우가 있기 때문에 특정 부분에 일부러 난류를 만드는 구조물을 설치하는 경우도 있다. 난류가 층류에 비해서 박리 저항이 큰 이유는 바로 난류의 특성 중 하나인 확산성이 크기 때문이다.

이러한 층류/난류의 발생여부는 위에 언급한 바와 같이 물체 주변의 거칠기나 유체의 속도, 점성 등에 따라 결정되며 이를 정의한 것을 레이놀즈 수라 한다. 보통 레이놀즈 수로 따졌을 때 유체가 층류가 될지 난류가 될지 경계가 되는 부분을 천이점이라 한다. 한편 물체의 형상이나 유체 상태에 따라서는 물체 앞부분에서는 층류가 생겼는데 뒤쪽에서는 난류가 생기는 경우도 있다.[5]

매우 복잡하기 때문에 해석적인 풀이가 알려져있지 않다. 리처드 파인먼은 난류문제를 고전역학의 가장 중요한 난제라고 칭했다. 이게 이렇게 복잡한 이유는 유체의 지배방정식인 나비에-스토크스 방정식이 상당히 골때리는 비선형 편미분방정식이기 때문이다. 특히 '관성항'이라고 불리는 $$(\textbf{u} \cdot \nabla) \textbf{u}$$가 난류현상의 주범이다. 반면 점성항인 $$\nu \nabla^2\textbf{u}$$가 지배적이면 층류가 일어난다.

1. 난류의 길이 크기
난류를 나타내는 최소 단위 길이는 마이크로 단위이다.


[1] 이 지도에서는 붉은색에 가까울수록 해발고도가 높다.[2] 북위 43~54도 사이.[3] 런던 북위 51º 30', 파리 북위 49º, 베를린 북위 52º 30', 동아시아권에서 해당 위도대면 1월 평균 기온이 -20℃ 전후로 내려가는 극한지다.[4] 단, 눈사태는 자주 일어난다.[5] 대표적인 예로 제주특별자치도 남쪽에서 볼 수 있는 카르만 볼텍스.