바닷속을 찍은 다큐멘터리 화면은 조금만 내려가도 금세 푸르스름해지고, 더 내려가면 까맣게 됩니다. 눈으로 보는 방법은 조금만 깊어져도 쓸 수 없습니다.
그렇다면 배와 과학자는 깊은 바다에서 무엇으로 주변을 "볼까요"? 답은 소리입니다. 소나(SONAR)는 Sound Navigation and Ranging의 줄임말로, 소리를 써서 물속을 살피는 도구입니다. 빛과 전파 대신 왜 소리를 고르는지, 소리로 거리를 어떻게 재는지, 소리를 내는 소나와 듣기만 하는 소나가 어떻게 다른지를 차례로 봅니다.
물속에서 빛과 전파가 멀리 못 가는 까닭
바다가 파랗게 보이는 데에는 이유가 있습니다. 물이 빛 가운데 빨간 쪽 색을 흡수(absorption)하고, 남은 파란 쪽 색이 눈에 들어오기 때문입니다. 물이 일종의 거름종이 구실을 하는 셈입니다.
빛은 깊이 내려가지도 못합니다. 미 국립해양대기청(NOAA)은 바다에서 빛이 1,000 m 깊이까지 잡힐 수는 있지만, 200 m보다 깊은 곳에는 의미 있는 빛이 거의 없다고 설명합니다. 바다의 대부분은 완전히 어둡습니다.
전파도 사정이 비슷합니다. 위성이 쓰는 전파는 바다 표면 아래로 깊이 들어가지 못합니다. 위성항법 신호도 깊은 바다까지는 닿지 않습니다. 그래서 해양 연구자들은 깊은 바닷속을 다니는 잠수정의 위치를 소리로 따라갑니다.
소리는 다릅니다. 물속에서 레이다파나 빛보다 멀리 가기 때문에, 바다를 탐사하고 지도를 그리는 데 소나가 쓰입니다.
물속의 소리는 얼마나 빠를까
바닷물 속에서 소리는 평균 초속 약 1,500 m로 나아갑니다. 공기 속보다 네 배 넘게 빠른 속도입니다.
이 값은 어디서나 같지 않습니다. 수온, 압력, 염분이 달라지면 소리의 속도도 바뀌고, 셋 가운데 어느 것이 커져도 소리는 빨라집니다. 바다 위쪽 1,000 m 안에서는 깊이에 따라 수온이 크게 바뀔 수 있어서, 이 구간에서는 온도가 속도 변화를 주로 좌우합니다.
속도가 장소마다 조금씩 다르다는 점은 뒤에서 볼 거리 계산에도 걸립니다. 평균값으로 계산한 거리는 어디까지나 어림값입니다.
능동 소나: 소리를 내고 메아리를 잰다
능동 소나(active sonar)는 직접 소리를 냅니다. 능동 소나에서 소리를 내는 부품을 변환기(transducer)라고 하며, 이 변환기가 짧은 소리 펄스를 물속으로 보냅니다. 그 길에 물체가 있으면 소리가 튕겨 나와 메아리로 돌아옵니다.
신호를 받을 수 있는 변환기는 메아리도 받아, 소리를 낸 때부터 메아리를 받은 때까지의 시간을 잽니다. NOAA 설명에 따르면 이 시간으로 물체까지의 거리와 방향을 알아낼 수 있습니다. 변환기는 하나만 쓰기도 하고, 여러 개를 묶어 변환기 배열(transducer array)로 쓰기도 합니다. 배열은 배뿐 아니라 원격 조종 잠수정이나 자율 무인 잠수정에도 답니다.
산에서 외친 소리가 메아리로 돌아오는 것과 닮았습니다. 실제로는 몇 가지가 다릅니다. 소리가 지나는 곳이 공기가 아니라 물이라서 훨씬 빠르고, 귀가 아니라 변환기가 시간을 잽니다.
거리 계산은 곱셈 한 번과 나눗셈 한 번이면 됩니다. 펄스를 낸 뒤 2초 만에 메아리가 들렸다고 해 봅시다. 평균 속도 1,500 m/s로 2초면 소리는 3,000 m를 움직였습니다. 그런데 이 길은 갔다가 돌아온 왕복이므로, 물체까지의 거리는 그 절반인 1,500 m입니다.
수동 소나: 소리를 내지 않고 듣는다
수동 소나(passive sonar)는 스스로 소리를 내지 않습니다. 자기 쪽으로 다가오는 소리만 잡습니다. 주로 잠수함이나 배 같은 물체가 내는 소음, 고래 같은 해양 동물의 소리를 듣는 데 씁니다.
소리를 내지 않는다는 점은 그대로 장점이 됩니다. NOAA는 이것이 들키고 싶지 않은 군함에도, 바다의 소리를 조용히 듣는 데 집중하는 과학 조사에도 이점이라고 설명합니다.
한계도 분명합니다. 수동 소나 한 대만으로는 소리가 난 곳까지의 거리를 잴 수 없습니다. 여러 대를 함께 쓰면 삼각측량으로 소리가 난 곳을 찾을 수도 있습니다.
청음 장치의 한 예는 하이드로폰(hydrophone)입니다. 하나로 또는 여러 개를 묶어 쓰고, 배 뒤로 끌거나 구조물에 고정합니다.
빙산에서 시작된 역사
20세기로 넘어갈 무렵, 몇몇 발명가는 배를 위험에서 지키는 문제에 매달렸습니다. 그 결과 물속에 종을 달아 경고 신호를 내는 방법이 쓰였습니다. 소나의 앞 이야기는 이렇게 항해 안전과 닿아 있습니다.
1912년 4월 타이태닉호가 가라앉고 몇 달 뒤, 한 발명가가 한 회사에 합류해 그곳에서 소리를 내고 메아리를 받는 능동 소나 개발을 시작했습니다. 미국음향학회 잡지 Acoustics Today의 역사 글에 따르면 해상 시험은 1914년에 시작돼 물속 통신과 빙산 탐지를 보여 주었습니다. 1917년에는 잠수함을 찾는 실험이 이어졌고, 1924년부터는 바다 깊이를 재는 상업용 측정기가 쓰였습니다.
1차 세계대전은 다른 갈래도 열었습니다. 수정 같은 결정은 전기를 걸면 늘었다 줄었다 하고, 소리를 받으면 전하를 냅니다. 이 압전 효과를 써서 초음파 소나가 개발됐지만, 함대에 쓰이기 전에 전쟁이 끝났습니다. 영국에서는 초기 소나를 "asdic"이라고 불렀습니다.
같은 글은 해전과 그 위협이 수중 음향 연구의 가장 큰 동기였다고 정리합니다. 1차 세계대전에서 시작된 연구가 2차 세계대전 중과 그 뒤에 크게 발전했습니다.
바다 지도를 그리는 소나
과학자들이 소나를 가장 많이 쓰는 곳은 바다 지도입니다. NOAA에 따르면 이들은 소나로 해도를 만들고, 항해를 막는 물속 위험물을 찾고, 난파선 같은 물체를 찾아 확인하고, 해저 지형 자체를 지도로 그립니다.
이런 일에 쓰는 멀티빔(multibeam) 소나, 사이드 스캔(side-scan) 소나, 합성 개구 소나는 모두 능동 소나입니다. 소나마다 잘하는 일이 다릅니다. 어떤 것은 좁은 곳을 아주 자세히 보여 주고, 어떤 것은 덜 자세한 대신 해산 같은 지형이 있는 훨씬 넓은 곳을 그립니다.
물속 소리는 사람만 쓰지 않습니다. 많은 해양 동물이 소리로 주변을 느끼고, 서로 소통하고, 먹이를 찾습니다. 해양 과학자들도 소리로 바다 깊이를 재고, 물속 물체를 따라가고, 수온의 변화를 알아냅니다.
레이저와 맞닿는 점: 같은 왕복 시간
소나의 거리 계산은 레이다와 같은 뼈대를 씁니다. 신호를 보내고, 돌아올 때까지의 시간을 재고, 속도를 곱한 뒤 반으로 나눕니다. 레이다는 전파를, 소나는 소리를 쓸 뿐입니다.
레이저도 이 뼈대를 그대로 씁니다. 빛 펄스를 보내 되돌아오는 시간으로 거리를 재는 레이저 거리 측정과 라이다가 그 예이고, 자세한 내용은 레이저로 재기: 거리 측정과 라이다의 기초에 있습니다.
원리가 같아도 어떤 파동을 고르느냐는 그 파동이 지나는 곳에 달려 있습니다. 바닷속에서는 소리가 빛과 전파보다 멀리 가니 소리를 씁니다. 공기 속을 지나는 빛도 흡수되고 흩어지는데, 그 이야기는 대기 전파: 흡수, 산란, 난류, 열 블루밍에서 이어집니다.
다음에 읽을 글
- 레이다: 전파로 거리와 움직임을 어떻게 알까: 같은 왕복 시간 원리를 전파로 쓰는 법을 봅니다.
- 레이저로 재기: 거리 측정과 라이다의 기초: 빛 펄스로 거리를 재는 법을 봅니다.
- 관성항법과 위성항법: 자기 위치는 어떻게 알까: 위성 전파가 닿지 않는 곳에서 위치를 아는 법을 봅니다.