<바닷속의 빛과 소리>
바닷속에서 생물체들이 살기 위해서는 산소와 먹이가 있어야 한다. 뿐만 아니라, 모든 생명체의 탄생에 영향을 미치는 빛이 있어야 한다. 과연, 바다에서의 빛은 육지에서와 같이 모든 곳에 고루 미치고 있을까?
우리가 본 미국 디즈니 영화 "니모를 찾아서"처럼 바닷속이 정말로 화려한 풍경을 하고 있을까? 그리고 모든 바다, 모든 깊이에서 다양한 색깔이 존재할 수 있을 까? 라는 궁금증이 생기게 된다.
또한, 어릴 적 보던 만화영화 "바다의 왕자 마린보이"에서 마린보이가 돌고래와 초음파와 소리로 소통하면서 적을 무찌르는데 이게 과연 가능한 것인가.
<빛이란 무엇인가>
일반적으로 빛이라고 하면 흔히 눈으로 확인 가능한 가시광선을 가리키며 휴대폰의 통신에 사용되는 전파와 같은 전자파의 일부이다. 전자파는 X-선과 같이 파장이 극히 짧은 것에서부터 10km 이상까지 매우 넓은 범위에 걸쳐서 존재하는데 이 중에서 가시광선은 파장이 4-7 마이크론의 지극히 좁은 구간에 존재하는 부분으로 빨강으로부터 보라색까지 7가지 색으로 구성되어 있다.
모든 물질은 대단히 넓은 범위에 걸쳐서 전자파를 내보내는데 얼마나 많이 나오는가, 그리고 어떤 파장에서 많이 나오는가는 전적으로 물체의 온도에 달려 있다. 온도가 높을수록 짧은 파장의 전자파를 많이 낸다.
사람의 몸은 자연 상태의 물질보다 온도가 높지 않기 때문에 주로 적외선이 나온다. 태양은 표면온도가 약 6천도이므로 파랑색을 최대로 하는 가시광선이 가장 많이 나오고(49%) 자외선(9%)과 적외선(42%)도 있다. 만약 태양의 크기가 훨씬 커서 더욱 뜨겁다면 자외선이나 더 짧은 광선이 최대로 나올 것이다.
태양으로부터 오는 이 전자파가 해수면에 도달하면 일부는 외계로 반사되고 나머지는 투과되면서 물 분자에 의해 흡수되어 열로 바뀌게 된다.
간혹, 태양 흑점이 폭발하여 지구에 영향을 많이 미치는 경우도 있지만 대부분이 일정량의 전자파가 지구에 도달한다.
이 과정에 있어서 물의 광학적 성질로 인해 빛 전자파가 영향을 받게 된다. 공기는 매우 투명하여 별빛 전자파도 관찰할 수 있고 장거리 통신도 할 수 있다. 하지만 물은 아무리 맑더라도 빛을 200미터 이상 투과시키지 않는다.
그렇기 때문에 공기 중에서 자유롭게 하는 일을 바다 속에서는 거의 할 수 없다. 태양이 전자파 중에서 자외선 등은 표면 1mm 두께에서 흡수되고 오로지 가시광선만이 물속을 투과하며 빛의 양은 수심에 따라 급격히 줄어들어 1미터 수심에서라는 표면의 45%, 10미터에서는 16%, 100미터 수심에서는 1%만이 남게 되는데, 해수에 부유물이 많을수록 투과 수심은 감소하기 마련이다. 그보다 깊은 곳은 물론 암흑이 지배하는 세상이다.
<햇빛, 바닷속 생명체 키운다>
햇빛이 도달하는 상층부에서 흡수된 빛은 열로 바뀌어 바닷물을 따뜻하게도 하고 광합성으로도 이용되어 바다표면에서는 식물성플랑크톤이 바닷가에서는 해조류가 바다의 목초지로써 왕성하게 성장하게 된다.
태양은 가시광선을 가장 많이 방출하고 물은 가시광선만 투과시키는 성질을 가졌으며 우리는 가시광선만 볼 수 있다.
당연한 이 사실에 대해서 왜 그럴까 하는 의문을 느낄 수 있는 사람이 얼마나 될까? 만일 최초의 생명이 바다 속이 아닌 육상에서 탄생했다면 그 생명체의 감각기관은 자외선, 가시광선, 적외선을 모두 이용하도록 발달되었을 것이고 우리들도 훨씬 넓은 범위의 전자파를 볼 수 있으며 모든 전자파를 가시광선이라고 부르게 되었을 것이다.
그러나 물 속에서 탄생한 생명체의 감각기관은 그 속을 투과하는 빛 밖에는 볼 수가 없고 그 후에 진화한 생물들도 마찬가지이다.
현재 거의 모든 동물들이 갖고 이와 같은 시각기능으로 생명체가 바다에서 시작하였다는 증거인 것이다. 만약 태양의 크기가 매우 크거나 작아서 가시광선이 훨씬 적게 방출된다면 물 속에서 이용가능한 에너지의 양은 훨씬 줄어들어 생명체의 탄생이 가능하지 않을 것이다.
태양의 표면온도가 6천도라는 것과 지구에 물이 있다는 것 그리고 태양과 지구가 적당히 떨어져 있다는 것은 생물의 존재를 위해서는 필수적인 조건인 것이다.
결론적으로 바다의 대부분의 빛이 들어가지 않으면, "니모를 찾아서"처럼 화려하지 않을 가능성이 매우 높다.
하지만, 인간이 접근할 수 있는 범위의 바다는 대부분이 빛이 도달은 곳으로 제주바다 앞의 산호와 같이 화려하면서 다양한 색깔이 존재한다.
<인도양의 소리,북대서양 탐지>
그럼 다음으로 바다에서 일어나는 소리에 대해 이야기 해보고자 한다. 사람들의 생활무대가 해양으로 넓어지기를 기다리는 우리는 육상에서와 같이 마음대로 돌아다니고 통신을 할 수 있기를 바란다.
대기 중에서 우리는 전파를 이용하여 마음대로 통신을 하며 지형을 알고 싶으면 비행기나 인공위성으로 항공촬영을 하여 자세한 지도를 쉽게 만들기도 한다.
그러나 물속에서는 전자파가 제대로 투과하지 못하여 이와 같은 일을 할 수 없다.
전자파가 공기 중에 깨끗하게 통과하는 것처럼 물속을 깨끗이 통과하는 그 무엇은 없을까?
많은 연구자들이 고민하고 개발을 위해 노력하고 있지만 아직까지는 완성하지 못하고 있다. 아직까지 아쉬우나마 우리가 현재 이용할 수 있는 유일한 수단은 소리를 이용하는 것이다.
바닷물은 공기보다 휠씬 딱딱하므로 소리는 물속에서 더 빠르게, 더 멀리 전파된다. 남반구의 인도양에서 발생된 소리가 북대서양에서 탐지되는 경우도 있었다고 한다.
바닷속에서의 소리 속도는 수온, 염분, 압력이 증가할수록 커지며 평균속도는 초속 1,500미터이다.
수심을 측정하는데 소리를 처음으로 이용하여 음향측심기를 만들어진 것이 1919년이다. 배의 측심기에서 밑으로 발사된 음파가 해저에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하고 음속을 곱한 다음, 반으로 나누면 수심이 된다는 원리로서 아직까지도 수심측정에 사용되고 있다.
측심기보다도 휠씬 강한 소리를 보내며 해저 깊은 곳까지 투과되면서 각 지층에서 반사된 신호를 기록할 수 있는데, 이를 이용해서 해저지층의 구조 연구 분야에 활용한다.
두 차례에 걸친 세계대전을 치르면서 소리의 이용이 보다 본격적으로 이루어지게 되었는데, 특히 2차 대전 당시에 독일과 일본의 잠수함은 대단히 위협적이었으므로 연합군이 효과적으로 탐지하기 위해서 만든 것이 소나라는 장치이다.
음향측심기와 원리는 같지만 측심기가 밑으로만 음파를 보내는데 비해 소나는 훨씬 강한 소리를 모든 방향으로 보내서 물체로부터 반사된 소리를 분석하여 잠수함의 위치와 속도를 알아낼 수 있다.
하지만, 이때 가장 큰 문제가 되는 것이 음파의 굴절인데, 소리의 굴절은 해양의 수온, 염분, 압력에 따라 심하게 변화됨으로 단순히 반사된 음파로는 정확한 위치를 알 수 없다.
따라서, 잠수함을 이용하든 잠수함에 대비하든 간에 충분한 해양조사를 통해서 정확한 수온, 염분 및 압력을 파악하여 음파의 전달을 예상하기 위해 지속적으로 조사를 실시하게 되었다.
또한, 전쟁영화에서 나오듯이 구축함은 소나를 이용하여 잠수함에서 나오는 여러 가지 소리를 듣거나 적극적으로 음파를 발사하여 반사음을 듣는 방법으로 잠수함을 탐지하려 애쓰고, 잠수함은 이를 피해서 활동하려는 숨바꼭질을 한다.
수온과 밀도의 수직분포에 따라 혼합층, 수온약층, 심해층으로 나누어지는데, 각 층에 따라 음파가 도달하는 량이 다르며, 특이하게도 음파가 전혀 도달하지 못하는 층이 생기기도 하는데 이곳을 음영대라 하며, 이곳에 잠수함이 있으면 아무리 가까이 있어도 탐지가 안된다.
최근 군사 선진국에서는 원자력을 잠수함에 적용하여 잠영능력을 향상시키고 있으며 각지에 음밀하게 접근하여 사전에 바다 속을 탐색하고 상대국으로부터 공격을 피할 수 있는 수심대를 파악하여 숨어 있다 한 번에 전쟁의 양상을 바꿀 수 있도록 공격하는 전술을 훈련하고 이를 실전에 활용한다.
이를 대비하기 위해 세계 모든 나라들이 자국의 해양에 대한 정확한 특성과 변화양상을 항상 모니터링하고 자료를 축적하고 있다.
물론 소나와 같은 발달된 장비를 이용하지는 않았지만, 우리나라도 오래전부터 해양을 잘 이해하고 이용하여 적을 물리쳤다.
이순신장군은 임진왜란 때 일본으로부터 우리바다를 지키기 위해 항상 바다 물길과 특성을 이용하여 적을 물리쳤으며, 항상 전투가 시작되기 전에 물길을 잘 아는 이를 불러 의견을 듣고 곁에 두고 조언을 들었다고 한다.
이를 통해 볼 때 우리나라는 바다의 중요성을 전 세계 어느 나라보다 일찍 이해하고 이용했다고 볼 수 있다.
수산과학원 수산자원연구센터 최정화박사
