파랑·쓰나미

왜 배우는가: 파랑과 쓰나미는 해양·연안 구조물과 매립·지반 재해를 함께 다루는 토질및기초 기술사 문제에서 반복해 나온다. 두 현상의 발생 원인과 주기·파장 차이를 구분해야 연안 설계와 재해 평가의 전제를 정확히 세울 수 있다.

출제 이력: 제102회 1교시 7번, 제95회 1교시 7번, 제94회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

파랑(Wind wave)은 바람에 의해 생성되어 주기가 짧은 해수면 파동이고, 쓰나미(Tsunami)는 해저 지진·지반활동 등으로 발생해 파장이 매우 긴 천수파(shallow water wave)이다.

• 키워드: 파랑, 쓰나미, 천해파, 파장, 주기, 천수변형, 쇄파, 파속

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 파랑은 바람이 바다 표면을 밀어서 생기는 물결이고, 쓰나미는 바다 밑이 갑자기 솟거나 가라앉아 바닥 전체가 움직이면서 생기는 큰 파동이다. 두 파동은 모두 해수면 위아래로 물이 오르내리는 중력파이지만 발생 원인과 크기 규모가 다르다.

파랑은 풍파와 너울로 나뉜다. 풍파는 바람이 부는 구역에서 생기며 파장이 수 m에서 수백 m 정도이고 주기는 수 초에서 십수 초 정도다. 여기서 풍파(Wind wave) 는 바람에서 직접 에너지를 받아 성장하는 파이고, 너울(Swell) 은 풍역을 벗어나 먼 바다에서 전파되어 온 규칙적인 파다.

쓰나미는 일본어 津波(쓰나미)에서 온 말로, 항구로 밀려드는 파를 뜻한다. 정식 정의는 해저 지진, 해저 산사태, 화산 분출 등으로 해수 전체가 교란되어 발생하는 장파장(long wave) 해일이다. 핵심 용어는 다음과 같다.

• 천수파(Shallow water wave): 파장이 수심보다 훨씬 길어 수심 전체에서 수평 운동이 지배하는 파다. 쓰나미가 여기에 해당한다.
• 심해파(Deep water wave): 파장이 수심의 2배보다 짧아 수면 근처에서만 입자가 원운동을 하는 파다. 풍파가 여기에 가깝다.
• 파속(Wave celerity): 파가 진행하는 속도로, 수심이 깊을수록 빠르다.

3. 등장 배경과 필요성

연안 개발이 늘고 해안 매립과 항만 시설이 확대되면서 파랑과 쓰나미를 구분해 설계 외력을 정하는 일이 중요해졌다. 풍파는 빈도가 높아 일상적 설계파로 쓰고, 쓰나미는 발생 빈도는 낮지만 피해가 크므로 별도의 위험도 평가가 필요하다.

2004년 인도양 지진해일은 해저 지진이 광범위한 해수 교란을 일으켜 여러 나라 해안에 큰 피해를 준 사례다. 이 사례는 쓰나미가 지진이라는 지반 현상과 직접 연결된다는 점을 보여 준다. 2011년 도호쿠 지방 태평양 해역 지진에서도 판 경계 깊은 곳의 미끄러짐으로 파장이 긴 첫 쓰나미가 발생했고, 이어 단주기의 높은 파가 뒤따라 최대 30m에 이르는 높이를 만들었다. 이처럼 쓰나미는 단일 파가 아니라 여러 파의 연속으로 올 수 있어 피해 범위를 넓게 본다.

지반 공학 측면에서 쓰나미는 해안 지반의 세굴, 연안 구조물의 전도와 활동, 매립지 기초의 침식과 같은 문제를 일으킨다. 따라서 두 현상의 차이를 정확히 알아야 설계 외력과 지반 대책을 올바르게 연결할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

파랑과 쓰나미는 모두 중력에 의해 전달되는 중력파다. 두 파동의 차이는 파장의 크기에 있으며, 파장이 달라지면 전달 원리의 적용 조건도 달라진다. 두 파동을 설명하는 기본 요소는 파고, 파장, 주기, 파속, 수심이다.

위 표에서 쓰나미의 파장은 수심보다 수백 배 이상 크다. 그래서 쓰나미는 해저에서 바닥의 영향을 거의 받지 않는 천해파로 거동한다. 풍랑은 파장이 0.2~1 km 수준이라 수심이 파장의 절반 안팎으로 얕아지면 바닥의 영향을 받기 시작한다.

천해파의 파속은 수심만으로 정해진다. 파속 식은 $c=\sqrt{gh}$ 이며 g는 중력가속도(9.8 m/s²), h는 수심(m)이다. 이 식에서 쓰나미의 파속은 c=√(gh) 로 계산한다. 수심이 깊을수록 파속이 빠르다는 뜻이다.

계산 예제는 다음과 같다.

• 주어진 값: 파장 L = 200 km(200,000 m), 심해 수심 h = 4,000 m
• 공식: c=\sqrt{gh}, T=L/c
• 대입: c=\sqrt{9.8\times4000}\approx198\,\mathrm{m/s}, T=200{,}000/198\approx1{,}010\,\mathrm{s}
• 단위 정리: 198 m/s ≈ 713 km/h, 1,010 s ≈ 17분
• 결과: 심해 쓰나미의 파속은 약 713 km/h이고 주기는 약 17분이다. 수 분~수십 분 범위와 일치하므로 상식 범위 안의 값이다.

수심이 얕아지면 파속이 줄고 주기는 변하지 않는다. 파장은 파속에 비례하므로 파장도 함께 줄어든다. 이 현상을 천수변형이라 한다. 천해에서는 단위면적당 파랑 에너지가 증가하여 파고가 커진다. 천해로 갈수록 파속과 파장이 줄고 파고가 커진다.

파가 해저 지형을 따라 진행하면 파향이 꺾이는 굴절이 일어난다. 굴절 때문에 쓰나미 에너지가 해안의 특정 지점으로 모인다. 만, 산호초, 해변 경사 같은 지형이 쓰나미의 높이와 도달 시간을 바꾸는 이유가 여기에 있다. 파가 구조물이나 경사면에 부딪혀 되돌아오는 현상은 반사다. 반사율은 입사파고 대비 반사파고의 비이며, 경사가 클수록, 표면이 매끄러울수록 높다. 직립벽에서는 완전반사가 일어나 중복파가 생긴다.

파가 얕은 해안에서 무너지는 현상을 쇄파라 한다. 쇄파의 형태는 파형경사(파고와 파장의 비)와 해안경사에 따라 붕파, 권파, 붕괴파로 나뉜다. 쓰나미는 파장이 매우 길어 파형경사가 아주 작다. 그래서 파가 말려 무너지기보다 해수면 전체가 올라오는 형태로 내륙을 침수시킨다. 두 파가 만나 진폭이 더해지는 중첩 현상도 쓰나미의 파고를 키운다. 쓰나미 에너지는 거리에 반비례하여 감소하는 것으로 근사하며, 파장이 길수록 전파 중의 에너지 손실이 적다.

쓰나미의 전달과 변이 과정을 절차로 정리하면 다음과 같다.

• 해저 지진으로 해저면이 급격히 솟거나 가라앉아 수면이 변위한다.
• 수면 변위가 장파로 퍼져 심해를 빠르게 전파한다.
• 연안에 가까워지면서 수심이 줄고 파속과 파장이 감소한다.
• 해저 지형에 따라 굴절·반사·중첩이 일어나 파고가 지역마다 달라진다.
• 파고가 커진 쓰나미가 해수면 상승 형태로 내륙을 침수시킨다.

5. 관련 법령·기준·표준

쓰나미와 파랑을 다루는 대표 법령은 자연재해대책법과 재난 및 안전관리 기본법이다. 자연재해대책법은 해일을 자연재해의 한 종류로 다루며, 재난 및 안전관리 기본법은 재난의 예방·대응·복구 체계를 규정한다. 해안과 항만의 파랑 설계는 해안설계기준을 따른다. 쓰나미 자체의 설계 수치를 규정하는 기준은 해안 구조물 설계와 달리 별도로 정리되어 있지 않다. 따라서 실무에서는 쓰나미의 파장, 파속, 파고 변화를 물리식으로 산정하고, 그 결과를 해안 구조물과 침수 해석에 연결한다.

아래 표는 본 절의 계산과 설명에 쓰인 기준값과 기본 식을 모은 것이다.

표의 첫 세 행은 파장의 크기에 따라 어떤 파동 이론을 쓸지 정하는 기준이다. 쓰나미는 파장이 수 백 km로 수심보다 훨씬 크므로 천해파 이론을 쓴다. 반대로 풍랑은 파장이 짧아 수심과 파장의 비에 따라 심해파와 천해파를 나눠 적용한다.

표의 나머지 행은 연안에서의 거동을 설명하는 식과 정성 기준이다. 파속 식 c=\sqrt{gh} 는 모든 천해파 계산의 출발점이다. 쇄파와 반사는 해안 구조물의 설계에서 파고와 월파량을 판단하는 기준이 된다. 에너지 감쇠 근사는 원거리 쓰나미가 원거리에서 얼마나 약해지는지 가늠하는 데 쓴다.