신비로운 소닉 붐 현상

소닉 붐이란?

소닉 붐(Sonic boom)은 소리의 메커니즘과 관련된 흥미로운 현상이다. 이 현상은 소리의 속도를 넘어서는 속도로 이동하는 물체가 공기 중에서 생성하는 충격파 때문에 발생한다. 

일반적으로, 소리는 공기 중을 진동으로 이동하는데, 이때 공기 입자들이 서로 밀치고 당기면서 진동을 전달한다.

하나의 물체가 소리보다 빠르게 움직이면, 그 물체가 만드는 소리 파동들이 서로 겹치게 되어 충격파를 형성한다. 이 충격파는 마치 보트가 물 위에서 빠른 속도로 움직일 때 생기는 파도와 비슷하다. 

이 충격파가 강력하게 땅에 도달할 때, 우리는 그것을 큰 '쾅' 소리로 듣는다. 이것이 바로 소닉 붐이다.

소닉 붐 현상과 응측 구름 이미지

소닉 붐은 물체가 음속 장벽을 통과하는 순간에만 발생하는 것이 아니며 , 초음속 물체에서 나오는 소리가 모든 방향에서 들리는 것도 아니다. 

오히려 소닉 붐은 물체가 초음속으로 이동하는 동안 발생하고 물체 뒤의 기하학적 원뿔 모양의 영역과 교차하는 지점에 위치한 관찰자에게만 영향을 미치는 지속적인 효과이다. 

물체가 움직일 때 이 원뿔형 영역도 그 뒤로 움직이며 원뿔이 관찰자 위를 지나갈 때 잠시 "붐"을 경험하게 된다.

 

소닉 붐이 일어나는 원인

음파는 공기 중 입자들을 압축하고 이완하면서 전파되는 종파이다. 항공기는 소리의 속도, 즉 음속을 초과하는 속도로 비행할 때 앞쪽 공기를 압축한다.

이렇게 압축된 공기는 만흔 수의 압력파를 만들어 내어 중첩되고 결합하여 하나의 큰 충격파를 형성한다. 이 충격파는 공기 중을 구(球) 형태로 확장된다.

 

항공기가 이 충격파를 뚫고 나가는 순간 이 충격파는 V자 모양의 콘인 마하 콘이 만들어지며, 이 마하 콘의 각도는 물체의 속도에 따라 결정된다.

마하 콘(mach cone)

물체가 더 빠를수록 콘은 더 좁아진다. 이 때, 공기의 급격한 압축과 팽창으로 인해 큰 소리가 발생하는데, 이것이 바로 '소닉 붐'이다.

 

소닉 붐은 어디에서나 들을 수 있는 것이 아니라 마하 콘의 가장자리 충격파가 사람의 귀를 통과할 때 들을 수 있고 충격파가 통과한 후에는 들리지 않는다.

충격파 주변의 공기는 매우 불안정해져서 다양한 기상 조건에 따라 수증기가 응축될 수 있다. 이 때문에 항공기 주변에 구름 같은 형태의 응축된 수증기가 보이는데, 이것을 'Prandtl-Glauert 응축 구름'이라고 한다. 

음속을 넘어서는 비행 중에 이러한 구름이 형성되는 것은 공기 중의 수분이 응축되면서 가시화되기 때문이다. 이 현상은 특정한 기상 조건과 고도에서만 나타나며, 항공기가 음속의 벽을 뚫는 순간을 시각적으로 보여주는 드라마틱한 사건이다.

이 메커니즘은 총알, 항공기, 대기권에 진입하는 운석 등 물체의 크기에 상관없이 모든 소닉 붐에 근본적이다.

응축 구름

비행기가 특히 고속으로 비행하거나 급격한 회전이나 급상승과 같은 기동을 할 때, 날개 위의 공기 압력이 크게 떨어진다.

압력이 떨어지면 빠른 온도 감소가 일어나는데, 날개 위의 더 차가운 공기는 따뜻한 공기보다 많은 수분을 포함할 수 없다. 따라서 공기가 이슬점 아래로 식으면서 공기 중의 수증기가 작은 물방울로 응축된다.

웅축  구룸 이미지

이 작은 물방울들이 빛을 산란시켜 구름이 보이게 한다. 이것을 Prandtl-Glauert 응축 구름이라 한다. 이 현상은 특히 날개 끝이나 엔진 뒤와 같이 저압과 고습도 지역에서 두드러진다.

이 구름은 일시적으로만 존재하며, 그 형성을 유발한 조건(빠른 압력 및 온도 변화)이 더 이상 존재하지 않으면 사라진다.

결론

소닉붐 현상은 음측 보통 응축 구름과 함께 나타나는 경우가 많기 때문에 우리에게는 신비한 현상으로 보일 수 있다.

 

그러나 과학적으로 설명이 가능하고 그 원리를 이해한다면 하나의 자연현상에 지나지 않는다는 것을 알 수 있다.

 

무엇이든지 신비스럽게 보이는 것들도 과학적 사실로 설명할 수 있으면 그 신비로움이 감소된다. 자연의 신비는 신비로서 바라보는 것이 우리의 마음을 정화하는 데 도움이 될지도 모른다.

 

모든 것을 과학적으로 이해하고 분석하는 것이 만능일 것이라는 생각은 되짚어 볼 만한 가치가 있을 것이다.