정답
㉠ 굴절, ㉡ 수온이다.
출제 의도
이 문제는 해수 내에서 수심에 따른 음속 분포가 음파의 진행 경로에 어떤 영향을 미치는지 이해하고, 음향채널(SOFAR 채널)의 형성 원리와 이를 해양 관측에 활용하는 물리적 의미를 설명할 수 있는지를 평가한다.
풀이 과정
그림 (가)는 음속이 수심에 관계없이 일정할 때의 음파 진행 경로를 나타낸 것으로, 음파는 직선으로 전파된다. 그러나 실제 해수에서는 수심에 따라 음속이 달라지며, 이로 인해 음파의 진행 경로가 변한다.
해수 내에서 음속이 수심에 따라 감소하는 경우, 음파는 음속이 느린 쪽으로 진행 방향이 휘게 된다. 이와 같은 현상은 음파의 굴절에 해당하므로, ㉠에 들어갈 용어는 굴절이다. 이로 인해 음파의 진행 경로는 그림 (나)와 같이 아래쪽으로 굽은 곡선 형태로 나타난다.
수심에 따른 음속의 분포를 알면, 음파의 입사각에 따라 더 이상 아래로 진행하지 못하고 되돌아오는 깊이, 즉 음속 층의 구조를 파악할 수 있다. 음파의 굴절로 인해 형성되는 그림 (다)와 같은 진행 경로를 음향채널 또는 SOFAR 채널이라고 한다.
그림 (다)의 경우를 A 구간과 B 구간으로 나누어 설명하면 다음과 같다.
A 구간에서는 수심이 증가함에 따라 수온이 감소하여 음속이 감소한다. 이로 인해 음파는 점점 아래쪽으로 굴절된다.
B 구간에서는 더 깊은 수심에서 압력 증가 효과가 수온 감소 효과보다 커져 음속이 다시 증가한다. 이 경우 음파는 위쪽으로 굴절되어 다시 음속이 최소인 깊이로 되돌아오게 된다.
이러한 반복적인 굴절로 인해 음파는 특정 수심대를 따라 장거리 전파가 가능해진다.
한편 해양과학 분야에서는 음향채널을 따라 전달되는 음파를 이용해 해양의 물리적 특성 변화를 모니터링한다. 음속은 수온, 염분, 압력에 비례하여 증가하는데, 이 중 장기적인 변화에 가장 크게 영향을 주는 것은 수온이다. 따라서 ㉡에 들어갈 용어는 수온이며, 음파가 먼 거리까지 도달하는 데 걸리는 시간을 장기간 측정함으로써 평균 수온의 변화를 파악할 수 있다.