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지구에는 서로 반대쪽에 두 개의 만조 융기(High-tide bulges)가 존재하는가?

 (physics.stackexchange.com)
1P by GN⁺ 11시간전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • 지구의 만조는 보통 지구의 서로 반대 방향에 두 개의 융기(불지) 가 있다고 알려짐
  • 이는 달의 인력과 원심력에 의해 설명되는 현상임
  • 한 쪽의 융기는 달의 인력에 의해, 반대편 융기는 원심력에 의해 발생함
  • 이 두 융기는 바다의 조수(밀물과 썰물) 현상의 주요 원인임
  • 실제로는 지형, 해상 깊이 등 복합적인 요인에 의해 만조와 썰물의 패턴이 영향을 받음

Does Earth have two high-tide bulges on opposite sides?

질문 개요

  • 지구에는 해수면 위로 두 개의 만조 융기(High-tide bulges) 가 형성되는지에 대한 질문임
  • 한 융기는 달이 지구를 잡아당기는 방향에, 다른 융기는 반대편에 발생함
  • 이 현상에 대한 물리적 설명이 요구됨

기본적인 조석의 원리

  • 달의 인력이 지구상 바닷물 일부를 자신 쪽으로 끌어당기면서, 그 반대편 바다에도 동시에 밀물(만조)이 발생함
  • 달과 가까운 편에서는 달의 중력에 의해 바닷물이 융기(만조) 형태로 끌려감
  • 반대편에서는 지구와 달이 형성하는 공통 질량 중심 주위의 원심력이 작용하여 또 다른 만조 융기 형성됨

수학적·물리적 설명

  • 이러한 현상은 중력, 원심력, 그리고 지구-달 시스템의 운동을 고려하여 설명함
  • 실제로 해상 깊이, 해저 지형, 지구 자전 등 복합적인 원인에 의해 이론적으로 생각하는 완벽한 두 개의 융기와는 차이가 있음

현실적 적용

  • 위 설명은 이론적으로 단순화된 모델임
  • 실제 지구상의 조수 패턴은 복잡한 해양학적 요소와 환경적 요인에 의해 다양한 양상으로 나타남
  • 하지만, 기본적으로 두 개의 만조 융기 현상이 존재함

결론

  • 지구의 해수면에는 달의 인력과 원심력에 의해 거의 동시에 반대 방향으로 두 개의 주요 만조 융기가 형성됨
  • 실제 현상은 해양 지형, 바람, 기타 요인에 영향을 받지만, 두 개의 고조(High-tide bulges)는 물리적으로 설명 가능한 기본 구조임
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GN⁺ 11시간전  [-]
Hacker News 의견

  • 조수 예측 문제는 과거에 물리학과 수학의 거장들이 집중했던 만큼 매우 중요한 주제였음 강조. D-day 상륙작전에서도 조수 예측이 얼마나 중요했을지 상상 가능. 1860년대에 Lord Kelvin이 Fourier 급수와 조화 해석을 바탕으로 특수 목적 아날로그 컴퓨터(기어와 캠으로 작동하는 머신)를 설계했는데, 이게 역사적으로 매우 흥미로운 유물임 안내. Tide-predicting machine 위키피디아 참고. 머신 러닝(Machine Learning)이라는 용어에서 'Machine'을 대문자로 쓴 초기 사례이기도 함. 최신 조수 관측값을 머신이 받아들여 예측에 반영하는 방식 채택. 사인파(정현파)는 다양한 함수에 대해 범용 근사 역할을 수행, 딥 뉴럴넷만의 특권 아님 강조. Charles Darwin의 아들 George Darwin도 이 머신의 설계·개선에 크게 기여한 인물임 소개. George Darwin 위키피디아 참고. 이 밖에도 Thomas Young, Sir George Airy 등 유명 인사들이 조수 예측에 참여했던 사실 안내

    • 1014년 4월 23일 Clontarf 전투(아일랜드) 사례 언급. 당시 오전 5시 30분 바이킹 쪽에 유리한 만조였지만, 하루 종일 진행된 전투에서 오후 5시 55분 다시 만조가 되어 바이킹들의 도주 길이 끊기고 많은 이들이 조수에 휩쓸림. 이 때의 조수 시간은 Samuel Haughton이 1860년에 계산했던 내용 공유. 관련 이야기 BBC In Our Time 에피소드 링크 안내

    • 샌프란시스코만(SF bay) 물리 모델 본 적 있는지 질문. 유튜브 영상 추천

    • Veritasium에서 이 주제로 만든 영상(2년 전 공개) 추천 유튜브 영상

    • D-day와 관련해 "조수 예측이 얼마나 중요했을지 상상 가능"이라는 표현이 긍정적인지 부정적인지 질문. 고대인들도 이미 조수를 예측했었다는 점 언급하며, 현대의 내러티브가 '오만(hubris)'일 수도 있다는 자극적인 견해 제시. 해커뉴스를 사용하다보면 "다운보트=기분 나빠지고 질문에 답하기 싫어지는 것"임을 알게 됨. 민주적 뉴스 집계 개념이 거짓임을 비판

  • 물리적으로 조수란 단순히 달의 경로에 의해 <i>흥분되는</i> 복잡한 물의 움직임임 요약. 단순한 파동이 아님. 지구 자체도 두 개의 볼록함을 갖고 있지만 표면의 물은 훨씬 복잡한 움직임 보임

    • 이 설명이 훨씬 이해하기 쉽고 좋다는 의견. 물리학에서 복잡한 용어를 써도 되겠지만, 결국 큰 천체가 주기적으로 끌어당기는 복잡한 시스템에 리듬은 주지만 '질서'는 못 준다는 주장

  • 대학원 시절 천문학 교수에게 들었던 '조수 때문에 뛰어난 젊은 연구자들이 커리어에 좌초하는 경우가 많다'는 일화 소개. 조수 수학은 매우 난해함 강조. 균질하고 조석 고정된(동일한 면만 마주보는) 시스템에서도 매우 빠르게 복잡해짐. 조수는 매우 중요함도 부연. 두 천체가 가까이 지나칠 때 조수 효과가 엄청나서 한 쪽을 파괴할 수도 있다는 사실 소개. Tidal disruption event 위키피디아 링크 공유

    • 최근 천체물리학계에서 조석 고정된 행성이 여전히 대기를 유지하고 생명체 거주가 가능한지에 대해 재논의 이루어지는 중. 대기 모델링 연구가 '불가능'에서 '가능할 수도'로 바뀌는 추세

    • 관련 개념 링크 소개: Roche limit 위키피디아, Roche lobe 위키피디아. 오늘날 대다수의 무거운 원소들이 1a형 질량 전달 초신성 내에서 만들어졌다고 보는 만큼, 암석형 행성이나 인간 존재 자체도 궁극적으로 조수 현상 덕분이라는 생각

    • Larry Niven의 일부 SF 단편소설에서도 조석 메커니즘에 의한 천체 파괴(혹은 거의 파괴) 소재로 등장함 언급

  • 대학원 수준의 물리 해양학 강좌를 들었지만 조수 불지(story of tidal bulge)는 배우지 못했고 아직까지 그 모델을 믿고 있었던 에피소드. 해당 강의는 조수보다 해류에 집중해서 조수에 깊이 다루지 않았다는 회상. 이 글에서 알게 된 설명이 매우 유용했다는 감상

  • 이 설명이 놀라울 정도로 훌륭하다는 감상과, 특히 고도(높이) 히트맵 덕분에 직관적으로 무슨 일이 벌어지는지 이해하는 데 도움 받았다는 소감 공유. 추가로 이런 의문 제기: 교육 현장에서 왜 늘 조수 불지(특히 반대편 불지) 그래픽을 보여줄까? '먼쪽 불지'는 가장 직관적으로 이해 어려웠고 이 시스템의 복잡성을 고려하면 거의 의미 없는 개념이어야 함 지적. 처음 학습할 땐 '달 쪽에만 불지'만 보여주는 모델이 더 정확하다고 생각. 물론 이것도 현실과는 차이가 있겠지만, 최소한 좀 더 유용하고 현실과 맞는 첫 모델이 아닐지 제안

    • 반대편 불지가 없으면 12시간 조수를 설명 못한다는 의견. 불지 하나만 있으면 24시간 조수만 설명 가능. 실제로 두 개의 불지 모델이 관측되는 주기성과 들어맞으니 대부분의 사람들이 알고 싶은 것은 이 정도일 것. 대학원 수준의 해양학 강의에서 왜 이걸 가르치는지는 자기 자신도 이해하지 못함

    • 이건 이상적 모델이라는 설명. 지구 전체가 하나의 대양(심해)로 덮여 있을 때만 정확함. 교육적으로는 이런 단순 모델이 틀을 잡고 이후 현실의 보정(수정)을 배우는 데 도움 되는 '교수법적 도구'라는 점 강조. 포물선 궤적으로 대포알 묘사하는 이치와 비슷함

  • 해당 애니메이션이 정말 훌륭하다는 감상 후, 만든 사람도 직접 찾음: Svetlana Erofeeva 연구실 소개 페이지 안내, 그리고 비슷한 애니메이션을 제공하는 TPXO 공식 홈페이지 공유

  • 조수 불지는 변위(displacement)가 아니라 강제함수(forcing function) 역할이라고 분석. Newton이 힘(force)과 변위를 혼동했다고 하기엔 의문. 내가 뭘 놓쳤는지 궁금함

    • 좋은 지적이라는 동의와 함께 실제로 Newton이 이 말(불지를 변위로 묘사한 내용)을 썼는지 텍스트 증거를 궁금해함. 아마 Principia에 관련 내용이 있지만 전체 서술 대신 원인(달/태양이 조수 발생)을 언급한 수준일 것 같다는 의견. 복잡한 영국 조수 현상을 알았다면 완전한 모델을 내놨다고 주장하지는 않았을 것

  • 6개월 전 해변에서 만월 시기 일주일 보내며 대략 12시간 간격으로 발목까지 찬 물을 경험한 일화. StackExchange 글도 읽었지만 너무 분석에 집착하는 것 같음. 마찰 없는 평면이나 점 질량, 고등학교 물리에서 다루던 이상화 모델처럼, 너무 복잡하게 생각하면 실제로 로켓을 못 만들 것 같다는 생각. 그럼 어떤 단순화 가정으로는 해석이 가능한지? 지구를 매끄러운 강체 구에 얇은 물층이 있다면 어떤 현상이 펼쳐질지 자문. 지구-달의 질량 중심이 지구 중심에서 반지름의 3/4쯤에 위치, 이 둘은 그 지점을 중심으로 공전 중임. 많은 곳에서 12시간 이상 조수 주기가 나타나는 게 이런 모델로 설명 가능한지 질문

    • 실제로 하루 12시간 딱 맞지는 않음. 조수의 타이밍은 매일 약 30분씩 늦춰지고(정확히 30분 아닌 경우도 많음), 때로는 반일 주기가 아닌 지역도 존재. 물이 대륙을 통과할 수 없다는 점도 강력한 영향. 이상적인 모델(지구에 대륙이 하나도 없을 경우로 가정)에서는 예상과 맞지만, 실제로는 뉴질랜드처럼 작은 육지에서도 불과 몇 킬로미터 떨어진 곳들의 조수 패턴이 완전히 달라지고, 파나마 등도 태평양과 카리브해 차이가 크다는 실제 예시. 여기에 태양 중력도 함께 작용. 50도 위 지역에서는 겨울에는 낮에 매우 낮은 조수가 발생하지 않고, 여름엔 그 반대라는 식으로 영향 받음. 특정 지점의 조수 흐름 주기는 예측 가능하지만, 수위는 매우 다양함

    • StackExchange 답변에서 제공한 지도를 예로, 흰선이 모이는 곳(조위 변화 없는 점), 파란색은 낮은 조수 진폭, 빨간색은 높은 진폭, 흰선은 동위상선(동일 시각에 조고가 최고로 같은 지역 표시). 전체적으로 조수 변화는 대륙과 해저 구조에 깊게 영향을 받아 매우 복잡한 모습임. 그럼에도 단순 모델과 비교하면 현실은 훨씬 복잡함

    • StackExchange의 채택 답변을 참고하면, 단순 모델도 아직 충분하지 않을 수 있음 시사. 지구가 이상적 구이고, 현실적으로는 바다가 지구 자전 속도(약 22km/h)에 맞춰 움직일 수 있도록 충분히 깊을 필요가 있음

  • 애니메이션 속 뉴질랜드 주변 조수 현상이 독특하게 보였다는 관찰(조위 상승과 하강이 섬을 반시계방향으로 쫓아다님)

    • 이렇게 세심하게 발견한 점 칭찬

    • 지구와 조수 불지는 2D가 아니라 3D 현상이라는 점 언급. 이런 점에서 개념 혼란이 비롯. 그리고 tesseract(4차원 정육면체)는 무의미하다는 의견

  • TL;DR로, Newton은 힘의 방향은 정확히 이해했지만, 실제 조수 현상은 힘만으론 완전히 설명 안 됨 강조. 이유는 1) 바다가 충분히 깊지 않아서 조파가 느림 2) 미분방정식에 기반한 해(즉, 실제 지구의 경계 조건, 대륙 등 경계 조건)가 F=ma 이상으로 현실을 복잡하게 만듦. StackExchange의 두 번째 답변까지 꼭 읽길 추천

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