조석 현상(만조, 간조, 사리, 조금)편집자 확인

조석 현상의 주요 원인은 달과 태양의 중력이다. 이 두 천체의 인력이 지구의 해수면을 끌어당겨 해수면 높이의 주기적 변화를 일으킨다. 달은 지구에 가장 가까운 천체로, 조석을 일으키는 주된 요인이다. 태양은 질량이 훨씬 크지만 거리가 매우 멀기 때문에 조석력은 달의 약 46% 수준에 불과하다[2].

조석력의 크기는 인력을 일으키는 천체의 질량에 비례하고, 지구까지 거리의 세제곱에 반비례한다. 달의 질량은 태양의 약 2700만 분의 1이지만, 지구에서 달까지의 거리는 태양까지 거리의 약 390분의 1에 불과하다. 거리의 세제곱에 반비례하는 효과가 매우 커서, 결국 달이 조석 현상에 미치는 영향이 태양보다 약 2.2배 더 크게 나타난다.

달과 태양의 상대적 위치에 따라 두 천체의 조석력이 보강되거나 상쇄된다. 삭망월 주기 동안 달의 위상이 변하면서, 보름달과 초승달 때는 달과 태양, 지구가 일직선상에 놓여 조석력이 합쳐져 큰 조석 차이(사리)를 보인다. 반면, 상현달이나 하현달 때는 두 천체의 인력 방향이 직각을 이루어 조석력이 부분적으로 상쇄되어 작은 조석 차이(조금)가 발생한다.

지구의 자회전은 조석의 주기를 결정하는 핵심 요소이다. 지구가 약 24시간마다 서에서 동으로 한 바퀴 자전하기 때문에, 지구 표면의 특정 지점은 대략 24시간 50분[3]의 주기로 만조와 간조를 두 번씩 경험한다. 이는 달이 지구 주위를 공전하여 같은 위치로 돌아오는 데 약 50분이 추가로 소요되기 때문이다.

지구의 태양 주위 공전도 조석력에 영향을 미친다. 지구의 공전 궤도는 타원형이므로, 지구와 태양 사이의 거리는 1년 동안 변한다. 지구가 태양에 가장 가까워지는 근일점(1월 초)에서는 태양의 조석력이 상대적으로 강해지고, 가장 멀어지는 원일점(7월 초)에서는 약해진다. 이 거리 변화는 사리와 조금의 크기에 미묘한 차이를 만드는 요인 중 하나이다.

지구 자전축의 기울기 또한 계절에 따른 조석 패턴의 변화에 기여한다. 지구 자전축이 공전 궤도면에 대해 약 23.5도 기울어져 있어, 태양의 적위(천구상의 위치)가 변한다. 이로 인해 특정 위도 지역에서는 낮과 밤의 길이 차이에 따라 조석의 높이와 시간에 계절적 변동이 나타난다.

조석 현상은 달과 태양의 중력만으로 설명되지 않는다. 지구-달 시스템이 공통 질량 중심(질량 중심)을 기준으로 회전하기 때문에 발생하는 원심력도 중요한 역할을 한다.

지구와 달은 서로의 중력에 의해 묶여 있으며, 이 쌍은 지구 중심이 아닌, 지구 내부에 위치한 공통 질량 중심을 축으로 공전한다. 이 회전 운동 때문에 지구 전체에 원심력이 작용한다. 이 원심력의 크기와 방향은 지구상의 모든 위치에서 거의 균일하다. 이 균일한 원심력과, 달까지의 거리에 따라 크기가 변하는 달의 인력을 합성한 힘이 실제 조석을 일으키는 조석력이다. 달 반대쪽에서 조석이 발생하는 것은 이 원심력의 영향이 결정적이다. 달 반대쪽 지점에서는 달의 인력이 가장 약하지만, 원심력은 달 방향과 반대 방향으로 작용하여 바닷물을 밀어올린다.

따라서 조석은 단순히 달이 바닷물을 끌어당기는 현상이 아니다. 지구-달 시스템의 회전으로 인한 원심력과 달의 인력이 결합되어, 달을 향한 쪽과 반대쪽 두 지점에 조석이 동시에 발생하게 만든다. 이 원리는 태양에 대해서도 동일하게 적용되어 태양 조석을 설명한다.

만조는 해수면이 가장 높아진 상태를 가리킨다. 이 시점에서는 바닷물이 육지 쪽으로 가장 멀리 들어와 해안선이 후퇴한다. 반대로 간조는 해수면이 가장 낮아진 상태로, 바닷물이 육지에서 멀리 물러나 해안선이 전진한다.

만조와 간조는 하루에 대략 두 번씩 주기적으로 발생한다. 이는 지구의 자전과 달의 공전 주기에 기인한다. 달이 지구를 한 바퀴 도는 데 약 24시간 50분이 걸리므로, 같은 지점에서 만조가 다시 발생하는 시간 간격은 약 12시간 25분이다. 따라서 일반적으로 하루에 두 번의 만조와 두 번의 간조가 관측된다.

만조와 간조 사이의 해수면 높이 차이를 조차라고 한다. 이 조차는 지역에 따라 크게 달라지는데, 개방된 외해에서는 수십 센티미터에 불과하지만, 좁은 만이나 해협에서는 수 미터에서 심지어 10미터 이상에 이르기도 한다. 만조와 간조의 순환은 해안 생태계에 필수적인 간조대를 형성하고, 어로 활동과 항해에 직접적인 영향을 미친다.

사리와 조금은 태양과 달의 상대적 위치에 따라 발생하는 조석력의 차이로 인해 나타나는 현상이다. 사리는 조석의 진폭이 가장 큰 시기를, 조금은 조석의 진폭이 가장 작은 시기를 가리킨다.

사리는 삭망월을 기준으로 주기적으로 발생한다. 달이 삭(초승달) 또는 망(보름달)이 될 때, 즉 태양, 지구, 달이 거의 일직선상에 놓일 때 나타난다. 이때 태양과 달의 인력이 합쳐져 만조의 수위는 더 높아지고 간조의 수위는 더 낮아져 조차(만조와 간조의 수위 차)가 최대가 된다. 이렇게 큰 조차를 '대조'라고도 부른다. 반면, 조금은 상현달 또는 하현달 때, 즉 태양-지구-달이 직각을 이룰 때 발생한다. 이때 태양의 인력과 달의 인력이 서로 일부 상쇄되어 조차가 최소가 되며, 이를 '소조'라고도 한다.

사리와 조금의 주기는 약 14.8일이다. 이는 삭망월(약 29.5일)의 절반에 해당하는 주기로, 한 번의 사리와 다음 사리 사이, 또는 한 번의 조금과 다음 조금 사이의 간격이다. 실제 조석의 크기는 지형과 해저 지형의 영향으로 이론적인 계산값과 차이를 보일 수 있다. 다음 표는 사리와 조금의 주요 특징을 비교한 것이다.

이러한 주기는 조석 예보표를 작성하고 항해, 어업, 해안 공사 등 해양 활동을 계획하는 데 중요한 기준이 된다. 특히 조력이 강한 사리 때는 조력 발전의 효율이 높아지지만, 해안 침식이나 범람의 위험도 함께 증가한다[6].

하루 동안 발생하는 조석의 주기는 크게 반일주조와 일주조로 나뉜다. 이 분류는 조석이 하루에 몇 번 발생하는지에 따른 것이다.

반일주조는 하루에 두 번의 만조와 두 번의 간조가 규칙적으로 반복되는 가장 일반적인 형태의 조석이다. 대부분의 해역에서 관찰되며, 주기는 약 12시간 25분이다. 이는 달이 지구를 한 바퀴 공전하는 데 약 24시간 50분이 걸리기 때문이다. 즉, 지구상의 한 지점이 달의 정면과 정반대쪽을 하루에 두 번 지나가면서 조석이 두 번씩 발생한다.

일주조는 하루에 한 번의 만조와 한 번의 간조만 발생하는 조석 형태이다. 주기는 약 24시간 50분이다. 이는 주로 적도 부근이나 특정 해역에서 나타난다. 달의 적위가 높을 때, 즉 달이 적도면에서 크게 벗어난 위치에 있을 때 특정 지역에서 일주조 성분이 두드러지게 나타난다. 지구의 자전과 달의 공전 궤도 경사가 복합적으로 작용하여 발생한다.

실제로 많은 지역에서는 이 두 가지 성분이 혼합된 혼합조가 나타난다. 혼합조는 다시 반일주조가 우세한 형태와 일주조가 우세한 형태로 구분된다. 조석의 형태는 해당 해역의 공진 특성과 지형, 달과 태양의 위치 등에 의해 결정된다.

평형조 이론은 조석 현상을 설명하는 가장 기본적인 이론적 모델이다. 이 이론은 지구가 완전한 해수로 균일하게 덮여 있고, 천체의 인력에 즉각적으로 반응한다는 이상화된 가정을 바탕으로 한다. 이 가정 하에서 해수면은 달이나 태양의 인력과 지구의 공전 운동에 의해 생기는 원심력이 균형을 이루는 타원체 모양을 이룬다고 본다.

이 이론에 따르면, 달의 인력으로 인해 지구에서 달을 바라보는 정반대쪽과 정반대쪽에 각각 하나씩, 총 두 개의 만조가 발생한다. 지구의 자전으로 인해 한 지점은 하루에 이 두 개의 물마루를 지나게 되어, 대략 12시간 25분 간격으로 두 번의 만조와 두 번의 간조를 경험하게 된다. 이를 반일주조라고 부른다. 태양의 영향도 같은 원리로 작용하지만, 그 크기는 달의 영향보다 약 절반 정도에 불과하다.

평형조 이론은 조석의 기본적인 주기와 원인을 직관적으로 이해하는 데 유용하지만, 실제 조석 현상을 정확히 설명하지는 못한다. 실제 지구에는 대륙이 존재하고, 해양의 깊이와 지형이 다양하며, 해수의 점성과 지구 자전의 영향(코리올리 효과) 등이 복잡하게 작용하기 때문이다. 따라서 실제 조석은 평형조 이론이 예측하는 단순한 패턴과는 크게 달라지며, 지역에 따라 일주조나 혼합조 등 다양한 형태를 보인다.

이러한 한계를 극복하기 위해 발전된 이론이 동역학 이론이다. 동역학 이론은 해양의 실제 지형과 운동 방정식을 고려하여 조석파의 전파와 공진 현상을 설명하며, 현대의 정확한 조석 예보는 이 이론을 바탕으로 이루어진다.

조석 예보표는 특정 지점의 미래 만조와 간조 시각 및 높이를 예측하여 표로 나타낸 자료이다. 이 표는 항해, 어업, 해안 공사, 조력 발전 등 해양 활동 전반에 필수적으로 활용된다. 예보는 과거의 관측 자료와 평형조 이론을 바탕으로 한 수학적 모델을 결합하여 작성되며, 주요 천문 요소(달과 태양의 위치, 거리, 위상)와 지역의 지형적 특성을 고려한다.

조석 예보표는 일반적으로 다음과 같은 정보를 포함한다.

예보 정확도는 해당 지역의 조석 특성에 크게 의존한다. 반일주조가 뚜렷한 지역에서는 예측이 비교적 정확하지만, 복잡한 지형과 해저 지형의 영향을 받는 지역, 특히 일주조 성분이 큰 지역에서는 오차가 커질 수 있다. 또한, 기상 조건(기압, 강풍)에 의한 기상 해일은 예보된 조석 높이에 추가적인 변동을 일으킬 수 있다[7].

현대의 조석 예보는 컴퓨터를 이용한 수치 모델링을 통해 생성된다. 각국의 해양 관측 기관(예: 한국의 국립해양조사원)은 자국의 주요 항구와 해안 지점에 대한 조석 예보표를 정기적으로 발행하며, 많은 기관에서는 이를 웹사이트나 모바일 애플리케이션을 통해 실시간으로 제공한다. 이 예보표는 선박의 안전한 출입항 계획 수립, 갯벌 체험 등의 레저 활동 안전 관리, 그리고 해수면 높이에 민감한 시설물 운영에 결정적인 참고 자료가 된다.

해협과 만은 지형적 특성으로 인해 조석의 규모와 형태에 큰 영향을 미친다. 좁고 얕은 수로나 반폐쇄적인 만은 조석파의 진행을 방해하거나 증폭시켜 지역별로 뚜렷한 차이를 보인다.

해협의 경우, 좁은 통로를 통과하는 조석파는 속도가 느려지고 에너지가 집중되어 조차(만조와 간조의 수위 차)가 커지는 경우가 많다. 특히 공명 현상이 발생하면 조석의 진폭이 극적으로 증가한다. 지브롤터 해협이나 도버 해협과 같은 좁은 해협에서는 강한 조류가 발생하며, 이는 항해에 중요한 고려 사항이 된다.

만은 지형에 따라 조석 특성이 크게 달라진다. 개방된 만보다는 길고 좁은 형태의 만, 특히 깊이가 점차 얕아지는 만에서 조차가 크게 나타난다. 캐나다의 펀디 만은 세계에서 가장 큰 조차를 기록하는 곳으로, 최대 16미터에 이른다[8]. 반면 지중해나 발트해와 같이 대양과의 연결이 제한된 내해는 조석 현상이 미미하다.

이러한 지형적 영향은 조석 예측을 복잡하게 만드는 주요 요인이다. 따라서 전 세계의 조석표는 각 지역의 실제 관측 데이터를 바탕으로 작성된다.

한반도는 서해, 남해, 동해로 둘러싸여 있으며, 각 해역의 지형적 특성과 조석 현상의 전파 경로 차이로 인해 뚜렷한 지역별 조석 특성을 보인다. 가장 큰 조차를 보이는 서해안과 가장 작은 조차의 동해안이 대비된다.

서해안은 황해를 통해 북상하는 태평양의 조석 파동이 넓고 얕은 대륙붕을 지나며 증폭되어 큰 조차를 형성한다. 특히 인천 앞바다는 한반도에서 가장 큰 조석 간만의 차이를 보이며, 평균 조차가 5m 이상에 달한다[9]. 이 지역은 넓은 간석지가 발달하고, 만조 시에는 광활한 바다가 되다가 간조 시에는 넓은 갯벌이 드러나는 특징이 있다. 주요 조석 관측소별 평균 조차는 다음과 같다.

남해안은 복잡한 해안선과 많은 섬들로 인해 조석 특성이 세분화된다. 진해만이나 순천만 같은 만(灣) 지역에서는 공진 효과로 인해 조차가 커지는 반면, 개방된 해안에서는 상대적으로 조차가 작다. 대체로 서해안보다 조차는 작지만, 반일주조와 일주조가 혼합된 불규칙한 패턴을 보이는 경우가 많다.

동해안은 비교적 깊고 개방된 지형으로, 태평양의 조석 파동이 직접적으로 영향을 미치기 어렵다. 따라서 조차가 매우 작아 평균 0.2~0.3m에 불과하며, 간조와 만조의 차이가 뚜렷하지 않다. 이로 인해 갯벌이 거의 발달하지 않고, 조석에 의한 해수면 변동보다는 기상 요인(기압, 바람)에 의한 변동이 더 두드러지게 관찰된다.

조석 현상은 해양 생태계에 구조적이고 기능적인 영향을 미친다. 주기적으로 노출되고 잠기는 조간대는 독특한 생물 군집을 형성하는 서식지가 된다. 이 지역의 생물들은 건조, 온도 변화, 염분 스트레스에 적응했으며, 게나 소라 같은 무척추동물과 다양한 해조류가 서식한다. 조석은 또한 플랑크톤과 영양염류의 수직 이동을 촉진하여 1차 생산력을 높인다.

조석 흐름은 해양 환경에서 물질 순환의 주요 동력 중 하나이다. 만조 시 유입된 해수가 간조 시 빠져나가면서 부유물질과 오염물질을 운반하고 해역을 정화한다. 이 과정은 어류의 산란장과 성장에 적합한 환경을 조성하며, 갯벌에서는 유기물이 침전되어 저서 생물의 먹이 기반이 된다. 특히 갯벌은 조석에 의해 공급되는 영양분으로 인해 높은 생물 다양성을 유지한다.

이러한 조석 주기에 맞춰 진화한 생물들의 행동은 매우 정교하다. 많은 갑각류와 어류는 만조를 이용해 먹이를 찾거나 이동하며, 간조 시에는 휴식하거나 은신한다. 철새인 도요류는 전 세계 조간대를 이동하며 간조 때 노출된 갯벌에서 먹이를 찾는다. 따라서 조석 주기의 변화는 이들 생물의 생존과 번식에 직접적인 영향을 미친다.

조력 발전은 조석 현상으로 인해 발생하는 해수면의 높이 차이를 이용해 전기를 생산하는 방식을 말한다. 이는 재생 에너지의 한 형태로, 조수의 간만 차를 이용하는 방식과 조류의 흐름을 이용하는 방식으로 크게 나뉜다.

가장 일반적인 방식은 댐이나 방조제를 건설해 만조 시 해수를 저수지에 저장한 후, 간조 시 저장된 물을 방류하며 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이다. 세계 최대 규모의 조력 발전소는 프랑스의 랑스 조력 발전소이며, 1966년부터 운전을 시작했다[12]. 대한민국에서는 시화호와 강화도 등지에 조력 발전소가 건설되어 운영 중이다.

조력 발전은 화석 연료를 사용하지 않아 온실 가스 배출이 거의 없고, 발전량 예측이 비교적 정확하다는 장점이 있다. 그러나 대규모 방조제 건설로 인한 생태계 교란, 높은 초기 건설 비용, 그리고 발전이 하루 두 차례의 조석 주기에 의존한다는 한계점도 존재한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 조류의 흐름만을 이용하는 조류 발전 기술 개발도 활발히 진행되고 있다.

조석 현상은 항해와 어업 활동에 직접적이고 중대한 영향을 미친다. 항해자들은 만조와 간조 시의 수심 차이를 정확히 파악해야 안전한 항로를 선정하고 좌초 사고를 방지할 수 있다. 특히 간조 때 노출되는 암초나 얕은 수역은 큰 위협이 된다. 또한, 조류의 방향과 세기는 선박의 속도와 연료 소모량에 영향을 주므로, 조석 예보표를 참고한 출항 시간 계획이 필수적이다. 일부 항구는 수심이 얕아 특정 시간대에만 입출항이 가능한 경우가 많다.

어업에서도 조석은 어획량을 좌우하는 핵심 요소이다. 조류가 강해지는 사리 때는 플랑크톤이 풍부해지고, 이에 따라 이를 먹이로 하는 어류의 활동이 활발해져 어획 조건이 좋아진다. 반면 조금 때는 상대적으로 어획량이 줄어드는 경향이 있다. 특정 해양 생물은 산란이나 채식을 위해 조석 주기에 맞춰 행동하기도 한다. 따라서 어민들은 조석 시간표에 따라 그물 치는 위치와 시간을 조절한다.

다음은 조석이 항해와 어업에 미치는 주요 영향을 정리한 표이다.

조석 가속은 달의 궤도가 점점 지구로부터 멀어지는 현상과 지구의 자전 속도가 점점 느려지는 현상을 함께 설명하는 개념이다. 이 현상의 근본 원인은 조석 마찰에 있다. 달의 인력에 의해 지구에 발생하는 조석은 지구의 자전 속도보다 조금 느리게 이동하는 조석 파도를 만들어낸다. 이 조석 파도는 달의 인력을 약간 앞서는 위치에 형성되어, 달에 미치는 미묘한 인력 차이를 통해 달의 궤도 운동에 가속을 준다.

이 가속은 각운동량 보존 법칙에 따라 달의 궤도 반지름을 증가시키고, 반대로 지구의 자전 각운동량을 감소시킨다. 결과적으로 달은 1년에 약 3.8cm씩 지구로부터 멀어지고, 지구의 하루 길이는 약 100년에 1.7밀리초씩 길어진다. 지질학적 기록에 따르면 약 45억 년 전 지구와 달의 거리는 현재의 약 10분의 1 수준이었으며, 하루 길이는 5시간 정도에 불과했다[17].

조석 가속의 효과는 다음과 같은 표로 요약할 수 있다.

이러한 변화는 매우 느리게 진행되지만, 장기적으로는 지구-달 시스템의 역학에 중대한 영향을 미친다. 수십억 년 후에는 지구의 자전 주기와 달의 공전 주기가 서로 일치하는 상태, 즉 조석 고정 상태에 도달할 것으로 예측된다.

조석 마찰은 달과 태양의 중력에 의해 발생하는 조석력이 지구의 자전 속도와 달의 공전 속도에 영향을 미치는 현상이다. 주로 해양과 해저, 그리고 지구 내부의 점성 물질 사이의 마찰로 인해 운동 에너지가 열에너지로 변환되면서 발생한다.

이 마찰력은 지구의 자전 속도를 점차 늦추는 효과를 낳는다. 지구의 각운동량이 감소하는 대신, 각운동량 보존 법칙에 따라 달은 그만큼의 각운동량을 얻어 지구로부터 점점 멀어지게 된다. 실제로 달은 약 1년에 3.8cm 정도씩 지구에서 멀어지고 있으며, 지구의 하루 길이는 1세기에 약 1.8밀리초씩 길어지고 있다[18]. 이러한 변화는 고생대의 산호 화석에 기록된 일일 성장선의 수를 분석하여 과거 하루의 길이가 더 짧았음을 증명하는 등 지질학적 증거로 확인된다.

조석 마찰의 영향은 천체의 궤도와 자전 상태를 결정하는 중요한 요소이다. 예를 들어, 많은 위성들은 조석 마찰에 의해 조석 고정 상태, 즉 자전 주기와 공전 주기가 같아져 항상 같은 면을 행성에게 보이게 된다. 달이 지구를 향해 항상 같은 면을 보이는 것이 대표적인 예이다. 이론적으로는 지구의 자전 속도가 충분히 느려져 달의 공전 주기와 같아지는 먼 미래에, 지구도 달에게 조석 고정될 가능성이 제기된다.