야간에는 지표면이 식어 상공 기온이 높은 기온 역전 현상이 자주 일어납니다. 음파가 따뜻한 공기층을 만나 아래로 굴절하며 멀리 퍼지는 원리는 무엇인가요?

Question

야간에는 지표면이 식어 상공 기온이 높은 기온 역전 현상이 자주 일어납니다. 음파가 따뜻한 공기층을 만나 아래로 굴절하며 멀리 퍼지는 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

소리, 즉 음파는 공기라는 매질을 통해 전달됩니다. 음파는 공기의 온도가 높을수록 전달 속도가 빨라지는 경향이 있어, 상공의 따뜻한 공기층을 만나기 때문에 음파가 속도가 느린 지표면으로 굴절되기 때문에 밤에 소리가 더 멀리까지 퍼져 나갑니다.

낮에는 지표면이 따뜻하고 상공의 공기층이 차가워서 음파가 하늘 위로 꺾여 흩어지지만, 밤에는 지표면이 빠르게 식으면서 아래쪽은 차갑고 위쪽은 따뜻한 기온 역전 현상이 일어납니다. 이때 지표면에서 발생해 비스듬히 위로 퍼지던 음파가 따뜻한 상층부에 닿으면, 공기 분자의 운동이 활발한 위쪽 영역에서 파동의 윗부분이 아랫부분보다 더 빠르게 진행하게 됩니다. 이처럼 파동의 위아래에서 발생하는 속도 차이 때문에 음파의 진행 경로가 속도가 느린 아래쪽, 즉 지표면 방향으로 완만하게 꺾입니다.

Answer 2

안녕하세요. 야간에 기온 역전 현상이 발생하면 평소보다 소리가 멀리까지 전달될 수 있습니다. 그 이유는 공기층마다 온도가 달라지면 소리의 전파 속도도 달라지고, 이로 인해 음파가 굴절하면서 지표면 쪽으로 휘어지기 때문입니다. 평소에는 소리가 위쪽으로 퍼져 멀리서 잘 들리지 않던 소리도 기온 역전이 발생한 밤에는 먼 거리까지 전달될 수 있습니다.

먼저 소리는 공기 중의 압력 변화가 파동 형태로 전달되는 현상인데요, 공기 중에서 소리가 전달되는 속도는 온도에 영향을 받는데, 일반적으로 따뜻한 공기에서는 소리의 속도가 빠르고 차가운 공기에서는 느립니다. 이는 공기 분자의 평균적인 열운동이 온도가 높을수록 활발해지기 때문입니다. 약 20℃의 공기에서 소리는 초속 343m 정도로 전달되며, 온도가 높아질수록 전파 속도도 증가합니다.

낮에는 태양열로 지표면이 데워지고 지표면 가까운 공기도 따뜻해집니다. 따라서 아래쪽 공기에서 소리가 더 빠르게 전달되고 위쪽으로 갈수록 상대적으로 느려지는 구조가 만들어질 수 있는데요, 이때 소리는 굴절되어 상대적으로 속도가 느린 상공 방향으로 휘어지는 경향이 있습니다. 그 결과 음파의 일부가 지표면에서 멀어지면서 먼 거리에서는 소리가 약하게 들릴 수 있습니다.

반면 밤에는 지표면이 열을 방출하면서 빠르게 식고, 지표면 가까운 공기는 차가워지는 반면 상공의 공기는 상대적으로 따뜻하게 유지됩니다. 이를 기온 역전 현상이라고 하는데요, 이때는 지표면 가까운 공기보다 상공의 공기에서 소리가 더 빠르게 전달됩니다. 음파는 소리의 속도가 빠른 쪽에서 느린 쪽으로 휘어지는 것이 아니라, 전파 속도가 빠른 상공 쪽으로 진행할수록 지표면 방향으로 굴절하는 경향을 보입니다. 따라서 음파가 지표면 쪽으로 되돌아오면서 지면을 따라 더 먼 거리까지 전달될 수 있습니다. 이러한 현상은 밤에 자동차 소리나 기차 소리, 공사장 소음 등이 평소보다 멀리서도 선명하게 들리는 이유 중 하나입니다. 특히 바람이 약하고 하늘이 맑은 밤에는 지표면의 냉각이 활발해져 기온 역전이 형성되기 쉬운데요, 다만 실제 소리의 전달 거리는 바람의 방향과 세기, 지형, 습도 등에 따라서도 달라집니다. 감사합니다.