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[이론강좌 21] 다이빙물리/온도,빛,소리
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온도는 다양한 척도로 측정된다. 역사적으로는 1724년에 다니엘 패러하이트(Daniel Fahremheit)에 의해 처음으로 신뢰할 만한 온도 계산이 이뤄졌다. 먼저 그는 얼음과 소금, 물을 섞어 자신이 얻을 수 있는 가장 낮은 온도를 얻은 수 0도라 불렀다. 다음으로 건강한 사람의 혈액온도를 인위적으로 96。F인 것으로 정했다. (현재 사람의 체온은 98.6。F인데 측정 당시에는 혈액을 모으고 온도를 재는 동안에 혈액이 식어서 이런 온도가 측정됐다.)
수은을 팽창액으로 사용해 온도를 측정하는 계기인 온도계(thermometer)를 이용해 그는 물을 32。F에서 얼고 212。F에서 끓는다는 것을 알아냈다. 이것을 화씨온도(Fahrenheit temperature scale)라 부르며 미국에서 아직까지 사용되고 있다.
12년 후에 앤더스 셀시우스(Anders Celsius)는 물의 끓는점과 어는점의 사이를 백등분하는 단위계를 제안했다. 처음에 그는 끓는점을 0, 어는점을 100이라 했는데 결과적으로는 거꾸로 어는점은 0, 끓는점은100으로 결정됐다.
다이버에게는 두가지 중요한 온도척도가 있는데 이것은 랭킨(Rankine ; 절대 화씨온도)과 캘빈(Kelvin ; 절대 섭씨온도)온도이다. 이런 절대온도의 의미는 샤를의 법칙에서 설명하도록 한다.
절대온도는 캘빈 단위로 표시되며 따라서 캘빈 온도 사용 시에는 아무런 온도등급 표시를 사용하지 않는다. 。R(Raline) =。F + 460 K(Kdlvin) =。C + 273
빛은 에너지의 형태로 주변의 사물을 시각적으로 인지하고 구별할 수 있는 조명을 제공한다. 뉴톤에 의해 처음 논의된 흰색은 여러 가지 빛 구성으로 이루어지며 이들은 각각 다른 색깔의 빛으로 인지된다.
만약 흰색광선이 프리즘(prism)이라 불리는 광학기구를 통과하면 우리 눈에는 스펙트럼(light spectrum)이라는 연속적인 색깔들로 나타나며 흔히 자연에 나타나는 이러한 색분리를 무지개라 한다.
무지개의 색깔구성은 항상 그 순서가 일정하며 보통 외우기 쉽게 “빨주노초파남보”로 불리는데 그 색깔구성은 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색으로 이뤄진다.
색깔은 우리가 관찰하는 물체에 의해 반사되거나 흡수되는 빛의 구성성분에 따라 달라진다. 만약 어떤 물체가 모든 색깔을 반사한다면 그 물체의 색깔은 흰색이며 만약 아무 색깔도 반사하지 않는다며 그 물체의 색깔은 검은색으로 나타나게 된다. 검은색은 실제적으로는 색깔이 없는 것이다.
흰색은 빛을 반사시키지만 이에 반해 검은색은 흡수를 더 많이 한다.
그래서 다이버는 복사에너지를 흡수하기 위해 완전히 검은색의 웻슈트나 드라이슈트를 착용한다. 이것은 더운 날 수면에서 다이버에게 지나친 열로 인한 문제를 일으킬 수 있지만 반대로 추운날 수면에서 열손실을 줄일 수 있기도 하다.
여러 가지 색깔들은 다양한 빛 구성성분의 반사와 흡수의 조합에서 나온다. 빛의 전달은 다음의 여러 가지 요인에 영향을 받는다.
스펙트럼내의 각 색깔들은 각각 다른 에너지를 가지고 있다. 이런 에너지의 측정방법의 하나는 빛의 파장(wavelength)을 측정하는 것이다. 보통 파장의 길이가 길수록 에너지는 낮아진다. 가시광선 중에서는 빨간색의 에너지가 가장 낮고 파란색이 에너지가 가장 높다. 빛이 물 속을 통과하게 되면 빛은 물에 흡수된다.
이때 빨간색은 에너지가 가장 낮기 때문에 제일먼저 흡수 된다. 다른 색깔들은 빛이 물 속을 통과하는 동안 차례로 물에 흡수되게 되며 다이버는 이를 색깔이 없어지는 것으로 관찰한다. 얕은 물에서는 단지 빨간 색깔만이 없어지지만 깊이가 깊어질수록 다른 색깔도 흡수되 바다 속은 푸른빛을 띄게 되며 결국은 검은색을 띄게된다.
수중에서 수중용 ‘전등이나 카메라의 스트로브를 사용하게 되면 사물의 본래 색깔을 확인 할 수 있게 된다.
빛이 물 속을 이동하게 되면 물 속의 모든 물체들과 분자적 단계에서 충돌을 일으키게 된다. 그 결과 빛은 산란을 하며 불규칙한 방향으로 진행한다. 이 중 어느 정도는 흡수되며 이런 과정을 산란이라 한다. 다이버가 수중에서 볼 수 있는 빛의 양은 흡수와 산란에 의해 수면에서보다 그 양이 줄어들게 된다.
탁도는 물 속에 어떤 특정한 물질이 부유함으로써 생기는 수질을 말한다. 만약 탁도가 높으면 부유물질이 물 속에서 더 많은 산란과 흡수를 일으키게 된다. 따라서 다이버는 이런 물에서는 빛이 더욱 줄어 들게 되는 것을 본다.
빛은 통과하는 물질의 종류에 따라 다른 속도로 전달된다. 공기층에서 수중으로 진행하는 빛은 약 25% 정도 느린 속도로 전파된다. 이렇게 공기 중에서 수중으로 들어갈 때의 빛의 전달은 렌즈를 통과할 때와 같이 속도 차에 의해 꺾이게 된다. 이렇게 매체변화에 따른 빛의 경로변화를 빛의 굴절이라 한다.
다이버의 마스크는 물과 공기의 경계면으로 렌즈와 같은 역할을 한다. 다이버가 마스크를 쓰는 이유중의 하나는 사람의 눈이 공기 중에서 초점이 맞도록 진화해 왔기 때문이다. 수중에서 물체가 흐리게 보이는 것은 사람의 눈이 물체에 충분한 초점을 맞출 수 없기 때문이다.
마스크가 없는 경우 수중에서 물체를 감지하기 위해 약 1피트 정도의 초점거리가 필요하다. 따라서 마스크는 눈과 물 사이에 공기공간을 형성해 물 속에서 사물을 명확하게 볼 수 있게 해준다.
이런 마스크내의 공기공간 때문에 물 속의 물체는 실제보다 더 크고 가깝게 보인다. 바꿔 말하면 4피트 정도 떨어진 물고기는 실제로는 3피트 정도 떨어진 것으로 보이는 것이다.
이것은 거울을 볼때와 같은 현상을 말한다. 빛은 잔잔한 평면에 부딪치게 되면 마치 당구대의 공이 벽면에 튀기듯이 튕겨나게 된다. 이때 튕겨나가는 각도면과 수직선을 수면에 부딪친 빛 중 일부는 수면위로 반사되게 된다.
일몰이나 일출 시에 이런 현상은 수중에서 빛의 양을 급격히 감소시킨다. 다이버는 야간 다이빙 시에 이런 현상을 관찰할 수 있다. 만약 수면이 매우 잔잔하다면 수면은 반사면 처럼 작용하게 될 것이다.
수면 가까이에서 잠수하는 동안 자신의 앞에서 전등을 수면으로 직접 비추게되면 이 빛 중 많은 부분이 수면에 반사 돼 물 속으로 되돌아오게 된다.
소리는 물체를 통과하는 종파이다. 다시 말하면 소리의 에너지는 기계적인 진동에 의해 만들어진다. 예를 들어 보트의 모터가 돌아갈 때 프로펠러는 물을 밀어내게 되고 일련의 압력파장이 물을 통해 이동하게 된다.
사람의 귀는 청각기관(고막)을 통해 이런 진동을 뇌가 인식할 수 있는 전자 파장으로 변조해 소리라는 형태로 인식하게 된다. 따라서 사람은 뇌를 통해서 들을 수 있으며 귀는 단지 진동을 모으는 역할을 하게 된다.
공기 중에서 사람은 소리가 난 방향을 알 수 있다. 이것은 뇌가 양쪽 귀에 전달되는 소리에너지의 시간차를 감지함으로써 가능하다. 그러나 수중에서는 공기중에서보다 소리의 전달이 네배 정도 빨라지며 결국 공기중보다 물 속에서는 양쪽 귀에 전달되는 시간차가 4배나 짧아지게 된다.
따라서 수중에서의 소리의 근원지 파악은 특히 저주파인 경우 사람에 따라서 가능하기도하지만 실제로는 매우 어렵다. 수중에서의 방향결정을 지상에서와 똑같은 정도의 수준으로 해내려면 사람의 귀는 약 3피트 정도 떨어져 있어야 가능하다.
따라서 수중에서 주의를 끄는 큰 소리를 들어도 다이버는 소리가 난 방향을 정하는데 청각은 확실한 근거가 아니라는 것을 고려해야 한다.
NAUI Course Director NAUI Nitrox diving Instructor ASHI CPR Instructor 김승규
팀 드레이크/team DRAKE
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