우리는 가끔 하늘을 바라본다. 구름 한 점 없는 파란 하늘이 기분 좋아 쳐다볼 때도 있지만, 조용히 유영하고 있는 구름을 하염없이 쳐다보는 경우도 있다. 

구름은 자신만의 모양을 끊임없이 바꾸며 우리의 상상력을 자극한다. 누구든 한 번쯤 구름의 모양을 보며 무언가 떠올린 경험이 있을 것이다. 

ⓒReports Form Unknown Places

고흐의 별이 빛나는 밤 작품 속 구름이 생각나는 이 구름. 합성 같기도 착시 같기도 한 이 현상은 세계 어디에서나 일어날 수 있다.

모양은 마치 파도의 옆모습과 매우 흡사한 이 구름은 파도 구름이라 불릴 것 같지만 실제 명칭은 켈빈-헬름홀츠파(Kelvin-Helmholtz)이다.

19세기 난기류 연구의 선구자로 알려진 북아일랜드 출신 물리학자 켈빈 남작 1세로 알려진 윌리엄 톰슨(William Thomson)과 독일 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠(Hermann von  Helmholtz)의 이름을 따 만들어졌다.

ⓒwww.sciencedirect.com /Two-dimensional Kelvin–Helmholtz instabilities of multi-component fluids

이 현상은 공기 중에 수분이 존재하고 대기에 있는 두 개의 분리된 공기층이 다른 속도로 움직일 때 형성된다. 위 그림에 구름층의 아래는 밀도가 높아 무겁고 차가운 공기(검은색), 그 윗부분은 밀도가 낮아 가볍고 더 따뜻한 상태의 공기(흰색)으로 가정해보자. a의 경우는 현재 안정권에 들어있는 상태이다. 이때 상층부 왼쪽에서 오른쪽으로 강한 바람이 불기 시작하면 윈드시어(바람의 방향이나 세기가 갑자기 바뀌는 현상)가 발생하며 불안정 상태가 된다. 그렇게 b와 같은 파동형태를 띄기 시작한다. 

시간이 지남에 따라 밀도가 낮은 공기 위에 밀도가 높은 공기가 위치하게 되며 불안정한 상태가 되며 변화로 인해 위에 있던 무거운 공기가 아래로 하강하기위해 d와 같은 구조가 만들어진다. 상층부에서 강한 바람이 지속되면 난류의 형태가 더 커지며 e와 f와 같이 마치 파도의 너울과 닮은 구름 모양이 형성된다.

잔잔한 연못에 갑자기 바람이 강하게 불며 물결이 일렁이고 그 높이가 점점 증가하는 현상이 켈빈-헬름홀츠파를 나타내는 좋은 예시이다.

ⓒNasa / Jupiter kelvin-helmholtz

이 현상은 목성의 구름, 토성의 띠, 그리고 태양의 코로나에서도 발생한다. 노팅엄 대학의 마이크 메리필드(Mike Merrifield) 교수는 “서로 다른 속도로 이동하는 두 개의 물질 흐름이 있는 곳이라면 어디든 켈빈-헬름홀츠파가 시작될 것이다” 이야기했다.

파도가 부서져 사라지듯이 이 하늘의 파도 또한 잠시 모습을 드러내고 사라진다. 그래서 이 현상은 관찰하기 꽤 어려운 편이라고.

하늘에서 치는 파도라...

Written by Sejan